DO濃度及其空間分布對Orbal氧化溝去除污染物效果

趙群英，田 敏，李 侃

(1.西安工業大學建工學院，陜西西安 710021；2.西安市污水處理有限責任公司，陜西西安 710024)

Orbal氧化溝工藝于20世紀60年代由南非的Huisman研究開發，70年代由美國 Envirex公司繼續進行開發推廣[1-2]。該工藝具有流程簡單、管理方便、抗沖擊負荷能力強和節約能耗等優點，在污水處理領域得到廣泛應用。但由于其在空間上不存在宏觀的厭氧環境，除磷效果不是很理想[3-4]。要達到好的脫氮除磷效果，現在常規做法是在Orbal氧化溝前加厭氧池，這無疑增加了建造與運行成本。西安市第三污水處理廠的Orbal氧化溝工藝經過長期的摸索運行，不斷改造，不僅實現了高的有機物去除和較好的脫氮效率，除磷效果也非常好，出水各項指標均達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準。因此，有必要對該廠的Orbal氧化溝工藝進行實際應用考察和性能研究，為工程設計和運行管理提供參考依據和技術指導。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗設備

試驗設備為西安市第三污水廠實際運行的Orbal氧化溝。該廠的城市污水經格柵、沉砂池與選擇池后進入4座平行運行的同容積三溝式Orbal氧化溝，本次試驗以其中一座為研究對象。Orbal氧化溝的尺寸為108 m×50 m×5.0 m,有效水深為4.5 m，有效容積為24 300 m3，每日處理城市污水約2.5萬t。外溝與中溝分別設8臺曝氣轉盤和5.5 kW的推進器2臺和1臺。外溝每臺轉盤(未安裝導流板)直徑為1 400 mm，碟片44片，長度為9.2 m，電機功率為37 kW；中溝每臺轉盤(安裝導流板)直徑為7 500 mm，碟片17片，長度為7.5 m，電機功率為30 kW；內溝設6臺曝氣轉盤(安裝導流板)，轉盤直徑為5 800 mm，碟片13片，長度為5.8 m，電機功率為22 kW。轉碟單片充氧能力為1.15 kg O2/h。污泥負荷為0.075 kg BOD5/(kg MLSS·d)，混合液濃度為4 g/L，污泥回流比為50%～100%，泥齡為17 d。

1.2 試驗用水水質

Orbal氧化溝工藝不同單元對污染物有不同的去除效果，本試驗測試用水分別取自污水廠選擇池出水與氧化溝外溝、中溝、內溝內的混合液，靜置15 min之后取其上清液，進行檢測分析。

1.3 測試項目及儀器

圖1 Orbal氧化溝測定斷面分布圖Fig.1 Distribution Map of Orbal Oxidation Ditch

由于氧化溝轉彎處水力流態復雜，占氧化溝的總容積比例小，故在測定DO時，轉彎處不作為分析對象。DO的測定斷面選擇在充氧能力及流速影響規律性較強的直線段，如圖1所示的1～9個斷面(轉碟前后1.5 m和兩轉碟中間位置)。采用HAMILTON VISIFERM DO120型便攜式溶解氧儀進行現場測定。COD、NH3-N、TN、TP的測定方法均按照標準方法[5]，測試點為3、6、9三個點。每項測試項目均取3次平行水樣進行測試，然后取平均值。

2 結果與分析

2.1 Orbal氧化溝外溝的運行

圖2 Orbal氧化溝外溝DO濃度的變化Fig.2 Variation of DO Concentration in Outer Ditch of Orbal Oxidation Ditch

如圖2所示，Orbal氧化溝外溝DO濃度與改造前常規氧化溝(圖3)存在兩方面不同。一方面：常規設計與運行時，外溝水平方向會形成好氧—缺氧—好氧—缺氧交替的情況，即能夠根據混合液中的DO含量分成區段，靠近轉碟的區域為富氧區；離轉碟距離較遠的溝渠區段，混合液中的DO含量，會始終處在接近于“0”的狀態，形成缺氧段。這樣的設計與運行方式使得好氧區產生較強的有機物降解和硝化反應；在缺氧段反硝化菌以有機碳為碳源和能源，以硝酸鹽為能量代謝過程的電子受體，把硝酸鹽還原成氮氣溢出水面，達到脫氮的目的。本次測定的氧化溝運行方式，水平方向各段的DO梯度很小，運行中沒有形成交替的缺氧區和好氧區，在同一水平面上也就不存在脫氮現象。另一方面：外溝縱向0～0.5 m處的DO平均濃度大于1 mg/L，這和常規設計與運行的理念又有所不同。常規設計的外溝DO濃度控制在0～0.5 mg/L，運行效果較好；而試驗所用氧化溝，在0～0.5 m的深度上，DO平均濃度大于1 mg/L。但是這兩方面不合常規的運行方式，污染物卻得到了良好的去除效果。分析原因：水平方向上DO濃度梯度較小，0～0.5 m深度上DO濃度大于1 mg/L，這都與外溝轉碟沒有安裝導流板有關，導流板的缺失使得外溝表面的流速比較大，DO在水平面上混合較好，不能有效地向池深方向傳遞，因此在縱向形成了有較大的DO濃度梯度。由圖2可知，在同一水平面處，DO差別不是很大，但在同一過水斷面處，0～0.5 m，DO大于1 mg/L，屬于好氧區；隨著深度的加深，到1.5 m處，DO為0.15 mg/L，這段屬于缺氧區，而在2.5 m及以下區域，DO則為0 mg/L，形成了宏觀的厭氧區域。這種較大的DO濃度梯度，在縱向形成了好氧—缺氧—厭氧區段，完全滿足生物脫氮除磷的條件。由表1可知，改造后外溝對COD的去除小于改造前，但仍然在排放標準50 mg/L以下；改造后的TN和NH3-N去除率都大于改造前，但差別不大；而TP的變化在改造前后出現了較大的差距，改造前的釋磷效果遠不如改造后，可見在外溝不加導流板有利于磷的釋放，為好氧聚磷提供了良好的條件。鑒于該成功案例，建議在設計時Orbal氧化溝的外溝在0～0.5 m的深度上維持1.5 mg/L左右的DO濃度，而在0.5 m 以下區域，可保持接近0 mg/L的DO濃度。

圖3 改造前常規Orbal氧化溝外溝DO濃度的變化Fig.3 Variation of DO Concentration in the Outer Ditch of Conventional Orbal Oxidation Ditch before Reconstruction

表1 水質的變化Tab.1 Variation of Water Quality

2.2 Orbal氧化溝中溝的運行

圖4 中溝DO濃度的變化Fig.4 Variation of DO Concentration in Mid Ditch of Orbal Oxidation Ditch

由圖4可知，中溝的DO濃度平均為1 mg/L以上，水平方向DO濃度梯度較大，存在橫向的好氧—缺氧—好氧段，而縱向DO梯度變化則較小，這種DO濃度大小和分布規律與常規運行方式相同。在該溝中繼續對外溝未處理掉的有機物和NH3-N進行去除。由表1可知，在該溝COD、TN、NH3-N和TP都有去除，去除率分別為25%、23%、62%和46%。

2.3 Orbal氧化溝內溝的運行

由圖5可知，內溝的溶解氧濃度較高，整個溝中的DO濃度均大于2 mg/L，呈好氧狀態，這種DO濃度大小和分布規律與常規運行方式相同。該區的主要作用為聚磷和有機物的繼續去除。由表1可知，通過該溝后COD、TN、NH3-N和TP的濃度均達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準。

圖5 內溝DO濃度的變化Fig.5 Variation of DO Concentration in Inner Ditch of Orbal Oxidation Ditch

3 結論

(1)無需額外增加厭氧反應器，Orbal氧化溝通過改良的設計和運行方式，可以達到良好的除磷效果。

(2)Orbal氧化溝外溝轉碟不安裝倒流板，使橫向的好氧—缺氧環境轉化為縱向的好氧—缺氧—厭氧環境，有利于實現COD、TN和NH3-N的高效去除和磷的充分釋放。外溝對COD、TN和NH3-N的去除率分別為60%、47%和60%，TP大于選擇池出水，存在釋磷現象。

(3)Orbal氧化溝中溝、內溝采用傳統的設計與運行方式，DO濃度分別保持在1 mg/L和2 mg/L以上時，對污染物進行進一步去除，出水可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)中的一級A標準。