改良型Orbal氧化溝工藝對污水中主要污染物去除效率研究

桂劍釗，谷 娟，徐志兵

(安慶師范大學資源環境學院，安徽安慶246133)

我國城鎮污水處理廠約3 900余座，日處理能力1.55×109m3/d[1]。基于傳統活性污泥法為主要處理工藝的早期投建的城市污水處理廠工藝技術落后，對污水處理設施進行改造勢在必行[2]。改良型Orbal氧化溝作為一種新型的氧化溝模式，在傳統的氧化溝工藝段之前增加了厭氧池，從理論上來講可有效抑制污泥膨脹，提高脫氮除磷效果。安徽省某城市生活污水處理廠Orbal氧化溝處理設施經常性出現出水總磷、氨氮等超標，處理效果不理想。本文對此水廠進行了監測，分析了進水、厭氧池、氧化溝三溝（內、中、外）、二沉池、出水等水質指標，并分析原因。

1 污水處理工藝及檢測方法

安徽省某污水處理廠設計處理規模為日平均處理污水量1.2×105m3/d，處理工藝為改良型氧化溝，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級B標準。

污水通過排水管網進入該污水處理廠，通過集水井，流經細格柵、旋流式沉砂池、厭氧池、Orbal氧化溝和輻流式二沉池，最后經過紫外消毒排入河流。Orbal氧化溝是一種首尾相連的循環流曝氣溝渠，初期采用延時曝氣，連續進出水，所產生的微生物污泥在污水曝氣凈化的同時得到穩定，在不設初沉池的情況下，有機性懸浮物在氧化溝內也能夠達到好氧穩定的程度[3]，故該污水處理廠沒有設置初沉池。污泥采用深度脫水，使得該污水處理廠的污泥含固率≥50%，干泥餅填埋減少50%的填埋場庫容[4]，具體工藝如圖1所示。

圖1 污泥處理工藝流程

由于水溫由系統自動檢測，為了分析DO、溫度、BOD對TN、TP的影響，找出TN、TP去除率長期明顯偏低的原因，按照《水和廢水監測分析方法》中規定的標準方法對DO、TN、TP、BOD進行分析，見表1。

2 污水廠監測結果

2.1 實際進、出水水質

對安徽省某污水處理廠2016年9月至2016年12月共122天的數據統計，得到安徽省某污水廠的實際進出水水質匯總表，如表2和表3所示。

2.2 主要污染物去除效果

對安徽省某污水處理廠2016年9月至2016年12月共122天的數據進行統計分析，得到該污水廠主要污染物去除情況如圖2所示。

表1 實驗項目標準分析方法

表3 水質指標法表征污（廢）水可生化程度

圖2 安徽省某污水處理廠主要污染物去除效率

COD的去除效果。安徽省某污水處理廠對COD的去除一部分發生在厭氧池當中，由微生物吸附和聚磷菌代謝；另一部分發生在氧化溝內，同程硝化反硝化和生物降解[5]。從圖2可以看出，進水的COD濃度波動較大，但是系統對于COD的去除效果穩定，平均去除率達68.34%，出水達標率100%，說明氧化溝對有機物沖擊負荷的抵抗力較強，去除COD的能力較強。

BOD的去除效果。該污水廠進水可生化性較好，但是有機碳源不足，易降解的有機物處于“供不應求”的狀態。從圖2可以看出，安徽省某污水處理廠2016年9月至2016年12月共122天BOD的進水濃度波動不大，這也是生活污水的特點。進水平均濃度達28 mg/L，出水BOD穩定，OD:TN:TP=100:58.25:4.39，低于100:5:1，整體去除效率較高。

NH3-N的去除效果。Orbal氧化溝道氨氮的去除也就是硝化作用。硝化作用即在有氧條件下，氨基酸脫下來的氨，經過亞硝化細菌和硝化細菌的作用轉化為硝酸，這主要發生在外溝道。Orbal氧化溝溶解氧含量分別是外圈0 mg/L、中圈1 mg/L、內圈2 mg/L的模式，外溝有機物充分，有機分解需氧量大，供氧量幾乎占到全部供氧量的50%[6]。但是由于對氧化溝的實際供氧量控制不夠精確，對該氧化溝為期10天的DO濃度檢測分析表明，實際DO濃度為外圈0.30 mg/L、中圈0.53 mg/L、內圈0.55 mg/L，DO梯度不夠明顯，同程硝化反硝化效果較差，致使氨氮的去除效果一般。由圖2可知，進水氨氮變化幅度較大，工藝對氨氮的去除效果一般，由于氧化溝段的外溝DO控制不夠準確，有氧硝化反應進行不完全，為后期的反硝化作用設置了阻礙，這是脫氮效果降低的主要原因。

TN的去除效果。以上分析表明，該污水廠進水的氨氮去除效果較好，平均去除率為53.64%，但TN去除率低于25%，可能是反硝化受阻。反硝化指兼性厭氧的硝酸鹽還原菌將硝酸鹽還原為氮氣的過程，主要發生在外溝道，而反硝化運行段操作的關鍵指標有碳源（BOD：TN＜5碳源不足)、pH（7.2左右適宜，最適為7～8）、最終電子受體和（不足）、溫度（13℃適宜）和DO（外溝0.55過高），因此反硝化進行不夠順利。一般來說，一個有極低的DO、和有機物存在的環境，只要pH和溫度適宜就能發生反硝化。從圖2可知，除個別時間外，TN的進出水濃度均表現平穩，說明影響脫氮的主要原因是工藝運行的實際參數，DO和最終電子受體不足，進而影響反硝化的進行，而不是進水水質水量的影響。

TP的去除效果。厭氧池的作用就是讓聚磷菌在此釋放大量的磷，便于后期好氧過量吸收磷，通過排放富磷污泥達到去除系統磷的目的[7]。然而后期工藝段供氧不足、有機物缺乏、溫度偏低、污泥齡過長等原因導致除磷效果極差，由圖2可知，TP去除率僅為16.94%。

3 污水處理工藝效率分析與討論

從以上分析可知，安徽省某污水處理廠對于主要污染物中BOD、COD、氨氮的去除效果較好。對于TN，進出水濃度均達到一級B標準，但總體的去除效率不高，為配合污水廠體表改造工作，脫氮效率有待提高；對于TP，雖然Orbal氧化溝工藝段之前添加了厭氧池，但由于系統碳源不足、污泥齡過長等因素，仍然不能達到理想的除磷效果，除磷壓力很大。影響生物脫氮除磷的因素主要有3種：水質條件、環境因素和運行參數[8]。水質條件包括進水有機物種類、碳磷比、進水碳氮比等；環境因素包括溫度、溶解氧等；運行參數包括污泥回流比、水力停留時間、污泥齡、污泥濃度和曝氣量等。通常來說，水質條件和環境因素難以進行人為控制，所以，污水處理系統運行的好壞在于對運行參數的調節和控制。

3.1 厭氧池

污泥老化。厭氧池主要提供聚磷菌的厭氧釋磷環境。對厭氧池近一個星期的DO測定發現，平均DO濃度為0.116 mg/L，達到厭氧池DO的要求，但是本課題采集數據時發現厭氧池浮泥現象嚴重。咨詢工作人員后解釋為污泥齡較長，回流比高，部分污泥出現了老化。老化的污泥對磷的釋放能力下降，開始進行內源呼吸；回流到氧化溝時，由于外界碳源供給不足，不能過量吸收磷，可能為除磷效率低的原因之一。

有機碳源不足。厭氧池內BOD5/TP是影響聚磷菌釋磷和攝磷的重要因素，聚磷菌利用有機碳源不同，其釋磷的速度會存在明顯差異。為給聚磷菌提供足夠的有機碳源，BOD5/TP應該大于15，實際上，本污水廠的進水BOD5/TP=4.86，即有機碳源不足，釋磷不充分。

硝態氮干擾釋磷。從污水處理廠的工藝流程圖可知，二沉池的污泥一部分回流到分配井，將沉砂池來水及二沉池回流污泥平均分配到厭氧池。由于氧化溝的出水含有一定的硝酸鹽和亞硝酸鹽，當流進厭氧池時，一些發酵菌會利用它們作為最終電子受體，進行反硝化作用，這樣會抑制對有機物發酵產酸的作用，從而阻礙聚磷菌吸收3類基質，影響聚磷菌的釋磷和合成PHB能力。一般來說，硝酸鹽的濃度應控制在0.2 mg/L以下。

3.2 Orbal氧化溝

Orbal氧化溝屬于第3代氧化溝，它是一種多級氧化溝，由3個（三級）P型氧化溝組合而成的多溝式橢圓形。Orbal氧化溝采用水平軸轉動的轉碟，氧化溝總體有較大的溶解氧梯度，充氧能力高、省電。其出水水質好、穩定；能較好地避免二沉污泥流失，有利于有機物的去除，污泥膨脹現象較少[9]。改良型Orbal氧化溝3個廊道的溶解氧分別控制為0～0.3 mg/L、0.5～1.5 mg/L、2～3 mg/L，通過控制曝氣強度，使外圈廊道的供氧速率與渠道內耗氧速率相近，保證混合液的硝化反應，同時因為溶解氧濃度較低，反硝化細菌可以利用硝酸鹽作為電子受體進行反硝化反應[10]。氮素在外圈是一個同步硝化反硝化過程，系統脫氮效率理論上較高。

溶解氧控制不夠。由于對轉碟曝氣的充氧控制不佳，氧化溝內DO濃度梯度并沒有達到0 mg/L、1 mg/L、2 mg/L的模式，同步硝化反硝化條件不具備，脫氮效果差。圖3為2017年3月29日至2017年4月4日的為時7天的各工藝段DO的平均濃度。

圖3 主要工藝段實測DO濃度

由圖3知，氧化溝三圈DO濃度為0.65 mg/L、0.661 mg/L、0.803 mg/L，不滿足理想模式，而且外圈DO過高，不利于氧化作用和反硝化脫氮；內圈DO過低，無法保證有機物和氨氮較高的去除率。

污泥齡太長。污泥齡的長短對聚磷菌的攝磷作用和剩余排放量有直接影響。污泥齡越長，污泥中的含磷量越低，加之排泥量的減少，會導致除磷效果下降[11]。Orbal氧化溝工藝段的污泥齡普遍較長，但是聚磷菌為世代周期短的微生物，需要低的污泥齡，約3～7 d，而硝化細菌生長緩慢，世代周期長，完成脫氮作用的污泥齡為10～20 d[12]。大多數污水處理廠為克服脫氮與除磷之間的污泥齡矛盾會選擇兩種微生物的最適污泥齡之間的數值，然而這只是一種折中的辦法，如安徽省某廠的污泥齡為16.1 d，實際上對脫氮除磷都不利，尤其除磷，長的污泥齡會造成富磷污泥的回流，遇到厭氧環境和有機物充足時就會大量釋放磷，造成除磷效率低下。

3.3 二沉池

現場觀測二沉池水面清澈無浮泥，周圍沒有特殊氣味，進出水DO適宜，不太容易出現污泥的厭氧釋磷和反硝化細菌利用硝酸鹽的反硝化。出水DO約2.08 mg/L，TP濃度有所下降，運轉良好。

4 結束語

對安徽省某污水處理廠的主要污染物BOD、氨氮、COD、TN、TP的去除效果進行分析發現，BOD、氨氮、COD的去除效果較好，均在55%以上，無任何超標記錄；TN進出水均達標，去除率較低，無任何超標現象；TP的平均去除效果低于20%，57%以上的時間超標，18%以上的時間出水濃度異常。TP去除率低和異常的原因主要有兩個方面。污水處理方面：厭氧池污泥老化、有機碳源不足、硝酸鹽干擾釋磷；氧化溝溶解氧控制不準確，好氧吸磷受阻、污泥齡過長，易造成富磷污泥回流。污泥處置方面：富磷污泥在污泥泵房停留一段時間，存在一定的營養物質，發生厭氧釋磷、上清液TP含量高，未經過化學除磷輔助而直接流入厭氧池，增加了系統TP去除負荷。

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