王秀蘅（哈爾濱工業大學市政與環境工程學院）
劉俊新（中國科學院生態環境研究中心）

　　氧化溝技術具有構筑物簡單和運行管理方便等優點，在污水處理工程中被廣泛采用。美國EPA對不同類型生物處理法的運行情況的調查結果表明，不同工藝出水BOD₅小于20mg/L的時間占總運行時間百分數分別是：氧化溝90%；鼓風曝氣70%；生物濾池60%^[1]。由此可見，氧化溝的處理效果比其它生物處理方法穩定。氧化溝的特點是低負荷運行，因此有機物可以有效去除而且對氨氮完成硝化。但傳統的氧化溝中由于溶解氧濃度較高而沒有反硝化發生，總氮(TN)去除率通常在30%～40%。實際上，氧化溝的循環運行方式非常適合于脫氮，它不需要為反硝化而增設回流系統，通過調節曝氣量使氧化溝內形成缺氧區和好氧區，可使脫氮效果明顯提高，總氮去除率大于90% ^[2]。因此，其基建和運行費用均低于其它生物脫氮工藝^[3]。
　　本研究采用新型斜板沉淀池一體化氧化溝處理城市污水，工藝簡單，操作簡便，不需設污泥回流系統，曝氣轉刷是唯一的機械設備，設備利用率100%。由于污泥齡長，污泥呈高度礦化狀態，排出的剩余污泥較穩定，不需要消化，經濃縮后可直接脫水。研究中對該氧化溝的處理效果以及主要影響因素進行考察。

1　試驗條件與方法

　　本研究為實驗室小型試驗，試驗裝置如圖1所示。氧化溝全長1.6m，有效水深0.3m，有效容積41L。污水首先由高位水箱經轉子流量計流入氧化溝中，迅速與溝內的原有混合液混合，經多次循環后，與進水等量的混合液在沉淀池內固液分離，經出水堰排出。由于試驗模型較小，沒有適當規格的曝氣轉刷可以安裝，所以在氧化溝的一端轉彎處設一臺攪拌機，以推動混合液在溝內循環流動，攪拌漿的形式類似于曝氣轉椎，在平面圓盤上固定6片漿板。攪拌機的轉速在100～250轉/分鐘之間調節。為了調節氧化溝內溶解氧的濃度，在進水口前設置一充氧提升多用泵。試驗中采用底部設有特殊進水整流過渡區的斜板沉淀池作為溝內合建的沉淀池，沉淀池占氧化溝總體積6%。

　　試驗運行共歷時9個月，處理水量1.6～5.6L/h，相應的系統總水力停留時間為7-25小時。水溫隨季節變化，為10～27℃。在試驗期間，氧化溝的污泥齡大于20天，MLSS 2～2.8g/l，MLVSS 1.4～1.9g/l。COD負荷為0.183～0.327 kg/kgVSS×d，NH₃-N負荷為0.019～0.033 kg/kgVSS×d。
　　試驗污水取自哈爾濱市的主要納污水體馬家溝河，污水水質如表1所示，為典型的城市污水。試驗運行期間每日監測的項目有：水溫、溶解氧、SV%、pH、COD_cr、NH₃-N、NO₂^--N和NO₃^--N。每周監測的項目有：SS、MLSS、MLVSS，并用顯微鏡觀察微生物生長情況。限于實驗條件，BOD₅、TKN、TP只在試驗條件發生較大變化時進行監測。水質分析方法采用標準分析方法^[4]。

表1 試驗污水水質 項目 范圍 項目 范圍 COD (mg/L) 258.9～407.5 NH₃-N (mg/L) 18.2～30.5 BOD₅ (mg/L) 100.3～144.8 NO₂^--N (mg/L) 0.02～0.2 SS (mg/L) 60～160 NO₃^--N (mg/L) 0.01～0.55 pH 6.0～7.2 TKN (mg/L) 23.8～41.2 TP(mg/L) 4.5～8.6 COD_cr∶TKN 10∶1

2 結果與討論

　　2.1有機物的去除
　　試驗工藝進出水中COD濃度及其去除效率如圖2所示。由圖可見，進水COD濃度為259～388 mg/L，出水COD濃度保持在18.1～42.7 mg/L，去除效率在90%以上。此外，試驗裝置出水BOD₅濃度為16.7mg/L，去除效率為88.5%。出水SS低于35mg/L。

　　2.2生物脫氮
　　生物脫氮過程是在好氧條件下硝化菌將氨氮氧化為硝態氮（亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮），然后在缺氧條件下通過反硝化菌的作用將硝態氮轉化為氮氣從水中逸出。氧化溝具有高硝化效率，通過適當調節，在氧化溝內形成好氧段和缺氧段，可以完成脫氮過程^[2]。圖3是本研究中不同缺氧段比例情況下總氮去除效率的試驗結果。由試驗結果可知，在本試驗條件下，當缺氧時段所占比例為40～60%時可達到最高的TN去除率，因此在實際運行中可控制好氧區和缺氧區各占氧化溝容積的一半。
　　在試驗中發現，當原水中氨氮濃度較高時，若只進行硝化反應，而無反硝化發生時，氧化溝內混合液的pH值下降，當堿度不足時將抑制硝化反應的進行。通過調節出現反硝化時段后，由于反硝化反應產生一定量的堿度，可使硝化效率提高。因此，在氧化溝內完成反硝化反應，對硝化反應具有促進作用。反硝化以有機物為碳源，利用硝態氮中的氧，在缺氧狀態下的去除BOD₅和COD，可減少曝氣裝置的供氧量，從而節約能源。此外，經過反硝化，活性污泥能夠避免在沉淀池中因停留時間長或死角出現反硝化而使污泥塊狀上浮的現象，使沉淀效果更理想。
　　因此，在氧化溝內同步完成硝化和反硝化，可以起到一功多能的作用。工程應用中的氧化溝水流循環一周耗時約5-10分鐘，只要采用合理布置曝氣機臺數或調節曝氣轉刷淹沒深度即可實現缺氧區和好氧區同時存在。

　　2.3沖擊負荷對處理效果的影響
　　城市污水的水量水質隨季節變化幅度很大，尤其是合流制排水系統，在夏季時受到暴雨沖擊，水量可增加到3倍，污染物濃度降低一半。因此污水處理廠的工藝系統應具有一定的抗沖擊負荷能力。氧化溝系統負荷較低，對入流水濃度和水量的變化具有較大的承受能力，處理水質穩定。
　　表2為試驗運行期間，水質水量變化導致負荷變化對系統處理效率的影響的試驗結果。從表2可以看出，當進水流量增加到5.6L/h (正常流量的2倍)，COD濃度407.5 mg/L(正常濃度的1.5倍)，COD 污泥負荷為0.738 kg/kgVSS.d，出水COD濃度為62.5mg/L，去除效率仍然在84.7%。進水NH₃-N 濃度為41.2mg/L，NH₃-N 污泥負荷為0.075kg/kgVSS.d，出水NH₃-N濃度 14.5mg/L，均低于國家的污水排放標準^[5]。

表2 抗沖擊負荷試驗結果 Q
(L/h) HRT
(h) MLVSS
(mg/L) COD NH₃-N 污泥負荷
(kg/kgVSS.d) 進水
(mg/L) 出水
(mg/L) 去除率
(%) 污泥負荷
(kg/kgVSS.d) 進水
(mg/L) 出水
(mg/L) 去除率
(%) 1.2 34.7 1400 0.138 282.8 10.5 96.3 0.014 29.4 1.2 95.9 1.6 26.0 1456 0.233 365.7 15.7 95.6 0.023 36.8 3.0 91.8 2.4 17.3 1480 0.239 258.7 20.4 92.1 0.022 23.8 4.1 82.8 3.2 13.0 1533 0.327 271.0 25.1 90.7 0.033 27.6 6.5 76.4 5.6 7.4 1780 0.738 407.5 62.5 84.7 0.075 41.2 14.5 67.2

　　2.4溫度的影響
　　水溫是影響微生物生長活動的重要因素，有機污染物的生物降解在10℃以上一般能保持較好的凈化效果，在5～10℃時處理效果明顯下降，5℃以下處理效果極差。溫度對硝化細菌的增殖速度和活性影響很大，10℃時的硝化速率為20℃時的50%，為25℃時的38%，而5℃以下硝化反應完全停止。
　　本試驗中，水溫隨季節而變，考察了溫度在10～27℃時對處理效果的影響，如圖4所示。試驗結果表明，在本試驗條件下，隨著溫度的增加，氨氮和COD的去除率增加。在27℃時，氨氮和COD的去除率分別為90.6%和94.3%。低溫對氨氮的去除率影響超過對有機物去除率的影響。在10℃時，氨氮的去除率已下降到65.1%，而有機物的去除率仍在80%以上。
　　氧化溝的特點是低負荷運行,因此具有穩定的處理效果。美國EPA曾對30個二級處理廠進行調查，結果表明,氧化溝污水廠在冬季達標排放率為71%，遠遠高于鼓風曝氣和生物濾池的21%^[6]。氧化溝中的混合液以大于0.3 m/s的速度循環流動，溝內水流不會結冰，只要將電機和曝氣器加以屏蔽，避免被轉刷揚起的水滴與寒冷的空氣接觸而快速降溫。丹麥和荷蘭等地的氧化溝污水廠在冬季時仍能正常運轉。

　　2.5污泥齡
　　氧化溝屬低負荷的延時曝氣系統，污泥齡的確定既要以BOD₅和SS為去除目標，又要考慮硝化和污泥穩定。
　　要維持系統的硝化功能，就必須保證足夠長的污泥齡，系統的污泥齡一般應為硝化菌最大比增殖速率的倒數的2倍以上，并且不小于3～5天^[7]。由于硝化菌的比增殖速率受溫度的影響，在實際運行時，污泥齡隨季節溫度的變化而調整。
　　從微生物代謝角度來看，低負荷活性污泥工藝中生物體已處于內源呼吸階段，但為維持一定的處理功能，仍應保持生物有較好的活性，所以氧化溝系統具有污泥好氧消化的功能，但并不充分。
　　目前在文獻上可查到的評價污泥穩定的參數有50多個，但判斷好氧消化程度的標準并未統一，一般的標準有：污泥最大吸氧速率; 脫氫酶活性（TTC試驗）；厭氧堆置10d后的有機酸含量和氨氮增加量; 污泥的BOD₅/COD值和乙醚萃取出的油脂含量等^[8]。本試驗中對污泥耗氧速率和乙醚萃取出的油脂含量進行測試分析。污泥耗氧速率采用靜態法^[9]測定。乙醚萃取出的油脂含量采用重量法測定。結果如表3所示（測定條件：14～16℃）。由試驗結果可看出，在本試驗條件下，污泥齡θc ＞40d時，污泥才能完成好氧穩定。

表3 污泥齡與氧化溝內污泥穩定程度 θc (d) 耗氧速率(g O₂/g MLVSS·d) 油脂含量(mg/g MLSS) 20 0.578 134 26 0.376 105 32 0.157 76 40 0.090 60

　　由于污泥穩定過程是一種生物降解過程，溫度在很大程度上決定了污泥中微生物的活性、有機物降解的速率以及所能達到的穩定程度。因此，污泥好氧穩定的效果除了與污泥齡等因素有關外，污泥介質所處的溫度也是一個極為重要的影響因素。污泥中有機物VSS的去除率與其溫度和好氧污泥泥齡的乘積呈對數線性關系^[10]，在20℃時，污泥穩定時間為：15℃×40d/20℃=30d。
　　綜合考慮氧化溝的容積、能量消耗、硝化和反硝化的效果以及污泥的穩定程度，建議在實際運行中，夏季污泥齡取20～25天，冬季延長至35～40d。排放的剩余污泥不需厭氧消化，只需經過簡單的機械脫水或干化場處理。

3　結論

　　（1）采用一體化氧化溝處理城市污水，效果好，抗沖擊負荷能力強。能夠同時有效地去除污水中的有機污染物和脫氮。
　　（2）一體化氧化溝中反硝化過程的存在能提高總氮去除率，克服堿度不足，節約能耗，改善沉淀效果。
　　（3）綜合考慮能耗、硝化和污泥的穩定程度等因素，建議夏季污泥齡取20～25天，冬季延長至35～40d。

參考文獻

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　　2 J.X. Liu, J.W. van Groenestijn, H.J. Doddema and B.Z. Wang, Influence of the aeration brush on nitrogen removal in the oxidation ditch, European Water Pollution Control, 6(4), 25-30, 1996.
　　3 [美] 曼特 貝爾 著，污水處理的氧化溝技術， 中國建筑工業出版社，北京，1988。
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　　9 李燕城 主編，水處理實驗技術，中國建筑工業出版社，北京，1989。
　　10趙一德 吳志超，“城市污水廠污泥好氧處理可行性研究”，上海環境科學，Vol.16，No.1，1997。