王凱軍?
(北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院)

　　目前，我國(guó)氧化溝技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比差距很大。究其原因，是我國(guó)還未系統(tǒng)地研究氧化溝技術(shù)與設(shè)備，對(duì)國(guó)際上氧化溝技術(shù)跟蹤也不夠。故對(duì)氧化溝技術(shù)的掌握尚不夠全面，在工程上還缺乏系統(tǒng)和科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)氧化溝新工藝、新池型、新配套設(shè)備了解甚少。我國(guó)現(xiàn)已引進(jìn)數(shù)種氧化溝技術(shù)，應(yīng)有條件來(lái)分析比較和吸收消化。
　　首先，氧化溝屬延時(shí)曝氣活性污泥工藝，其原理和參數(shù)已有大量文獻(xiàn)報(bào)道。氧化溝設(shè)計(jì)中除了要考慮碳源污染物的去除，還要考慮污水硝化和污泥穩(wěn)定化問(wèn)題。去除不同的污染物，設(shè)計(jì)參數(shù)和方法是不同的。例如，考慮污泥穩(wěn)定的氧化溝設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)參數(shù)主要考慮污泥齡和內(nèi)源呼吸速率，而不是傳統(tǒng)活性污泥工藝中的污泥負(fù)荷，這時(shí)氧化溝的停留時(shí)間事實(shí)上是一個(gè)導(dǎo)出的參數(shù)。其次氧化溝最重要的特點(diǎn)之一是，專(zhuān)用的曝氣設(shè)備需要同時(shí)滿(mǎn)足池內(nèi)充氧和推動(dòng)水沿溝渠流動(dòng)的要求。全面了解和掌握氧化溝的水力學(xué)特性尤為需要。有關(guān)設(shè)備的水力學(xué)特性，是廠家產(chǎn)品的特性。大部分設(shè)計(jì)單位恰恰掌握不夠，致使在設(shè)計(jì)中由于設(shè)備型號(hào)和參數(shù)不準(zhǔn)，常常導(dǎo)致設(shè)計(jì)沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果。這也與大多數(shù)氧化溝工藝及其擁有的專(zhuān)利和設(shè)備密切相關(guān)。由于國(guó)外公司對(duì)專(zhuān)有技術(shù)保密，因此出現(xiàn)了氧化溝技術(shù)不斷發(fā)展，可是用于了解基本工藝的公開(kāi)技術(shù)資料未見(jiàn)增加的現(xiàn)象。由此就更需要加強(qiáng)創(chuàng)新性的研究，才能提高我國(guó)在氧化溝工藝上的技術(shù)水平。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外資料的綜合分析，提出氧化溝一般的設(shè)計(jì)方法以供國(guó)內(nèi)同行在設(shè)計(jì)中參考。?

1 氧化溝的設(shè)計(jì)方法

1.1 BOD的去除
　　氧化溝中碳源基質(zhì)去除動(dòng)力學(xué)與活性污泥法動(dòng)力學(xué)是完全一致的。對(duì)于完全混合系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下有以下公式^［1］：?
　　

　　式中（XV）--參與反應(yīng)的污泥量?
　　　　　Q --- 處理污水量?
　　　　　V --- 參與反應(yīng)的好氧區(qū)體積?
　　　　　S --- 出水基質(zhì)BOD₅濃度?
　　　　　Y --- 污泥產(chǎn)率系數(shù)?
　　　　　X --- 污泥濃度?
　　　　　θ_c?--- 污泥齡?
　　　　　S₀?--- 進(jìn)水基質(zhì)BOD₅濃度?
　　　　　K_s?--- 半飽和常數(shù)?
　　　　　K_d?--- 內(nèi)源代謝常數(shù)?
　　　　　μ_max?--- 比基質(zhì)利用率
1.2 硝化反應(yīng)
　　氨氮的硝化反應(yīng)涉及到亞硝化毛桿菌和硝化桿菌兩種不同的硝化細(xì)菌。?
　　在水的作用下：2NH₃---→NH⁺₄?
　　在亞硝化毛桿菌作用下：?
　　　　　　2NH+4+3O2---→2NO-2+2H2O+8H+
　　在硝化桿菌作用下：?
　　　　　　2NO-2+O2----→2NO-3?
　　總的反應(yīng)：?
　　　　　　NH4+2O2--→NO₃^-+2H⁺＋H₂O
　　因此從化學(xué)計(jì)量學(xué)角度，1.0 kg氮需要4.6 kg的氧，實(shí)際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)較小，為3.9～4.3kgO₂/kgN。這是因?yàn)橐徊糠值糜诩?xì)菌合成，并且硝化細(xì)菌可以從污水中二氧化碳和重碳酸鹽獲得一部分氧。由于上述反應(yīng)產(chǎn)生氫離子，所以會(huì)消耗堿度，每氧化1mg NH₃-N消耗7.14 mg/L的堿度。另外從文獻(xiàn)可知氧化1 mg BOD產(chǎn)生0.3 mg/L的堿度^［2］。?
　　據(jù)報(bào)道硝化反應(yīng)的溫度范圍是(5～45) ℃,但是(25～32) ℃是最佳溫度范圍。最佳的pH范圍是7.8～9.2。雖然硝化過(guò)程也可在低溶解氧的條件下發(fā)生，但是硝化菌的生長(zhǎng)速率較低。為了避免氧的限制，反應(yīng)池中的溶解氧最好控制在3～4 mg/L。溫度對(duì)生長(zhǎng)速度的影響公式可以用阿倫繆斯公式表示，其中溫度常數(shù)θ=1.12(5 ℃～20 ℃)。對(duì)于城市污水可以采用表1中污泥齡θc［2］：?

　　在冬季水溫低于10 ℃，如果θ_c＜10 d，硝化反應(yīng)一般進(jìn)行較差。若?θ_c>10d，只要氧化溝的曝氣能力可滿(mǎn)足總的氧化需求，并且保持較高的溶解氧，即可取得很好的硝化率。在北歐國(guó)家，硝化負(fù)荷階段一般選在 0.05～0.10 kgBOD₅/kgMLSS，硝化速率大約為1.6 mgNH₃-N/(gVSS·d)(10℃)。
1.3 污泥穩(wěn)定性
　　在氧化溝設(shè)計(jì)中考慮的第二個(gè)因素是污泥的穩(wěn)定性問(wèn)題。理論上講氧化溝污泥齡的選取應(yīng)該使得所有的揮發(fā)性固體通過(guò)內(nèi)源呼吸全部被降解，無(wú)論是厭氧消化還是好氧消化。如果反應(yīng)時(shí)間足夠長(zhǎng)，細(xì)胞降解過(guò)程中有23%的殘余物為不可生物降解。因?yàn)槊刻霽SS?產(chǎn)量為YQ(S₀－S)，其中可生物降解部分是0.77YQ(S₀－S)。如果系統(tǒng)中可以生物降解部分的固體物質(zhì)是f_bX(f_b為VSS可生物降解系數(shù))，則在穩(wěn)定狀態(tài)：
　　0.77YQ(S₀-S)=K_df_b(XV)　　　　　　　(5)
　　從而按照污泥齡的定義：
　　θc=(XV)/(YQ(S₀-S))=0.77/K_df_b　　　　　(6)
　　Adams和Eckenfelder給出了混合液VSS可以生物降解部分的比值fb的計(jì)算公式^[3]：
　　fb=[YQ(S₀-S)+K_dXV]/(2K_dXV)-{[YQ(S₀-S)+K_dXV]²-4K_dXV]×[0.77YQ(S₀-S)]}^0.5/2K_dXV　　　　　　(7)
　　也可推算出污泥負(fù)荷(F/M)的比值：
　　F/M=Q(S₀-S)/XV=K_df_b/0.77Y　　　　　　　(8)
　　方程(6)和(8)是考慮污泥穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)污泥齡和有機(jī)負(fù)荷計(jì)算公式。無(wú)疑溫度對(duì)于上述公式中參數(shù)Y、K_d?的影響是十分重要的。對(duì)于延時(shí)曝氣氧化溝溫度常數(shù)(θ=1.01～1.03)數(shù)值較小，因此對(duì)溫度的影響不大。污泥穩(wěn)定化要求的有機(jī)負(fù)荷和污泥齡一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)完全硝化所要求的數(shù)值。
1.4 脫氮反應(yīng)
　　在沒(méi)有溶解氧(缺氧)條件下，雖然在氧化溝的主體溶液中存在溶解氧，但缺氧條件事實(shí)上是指微生物生長(zhǎng)的微環(huán)境(即生物絮體中或生物膜中)。除碳的異養(yǎng)微生物可以利用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為電子受體，將其還原成氮。還原1.0mg N₂產(chǎn)生2.86 kgO₂。污水如需脫氮，需要去除的氮量ΔN(kg/d)為：
　　ΔN=Q(N₀-N)-ΔX×f_N　　　　　　　　　　　　(9)
中　　N₀、N——進(jìn)、出水總氮濃度
　　　ΔX——剩余污泥量
　　　f_N——剩余污泥的含氮量，一般為0.07kgN/kgMLVSS
　　脫氮需要考慮排放污泥中細(xì)胞的氮含量。按照細(xì)胞合成的碳氮磷的比例為C∶N∶P=106∶16∶1，即污泥中最多包含12.3％的N和2.6％的P。一般在內(nèi)源呼吸階段，不可生物降解部分僅僅包含7％的N和1％的P，剩余污泥中的其他N、P回到主體溶液中。因此污泥中的含氮量依賴(lài)于污泥齡(θ_c)，污泥齡越長(zhǎng)，污泥中的含氮量越小。由需要去除的氮量，確定反硝化的污泥量：
　　(VX)_dn=ΔN/K_dn　　　　　　　　　　　　(10)
　　式中　(VX)_dn——參與脫氮反應(yīng)的污泥量，kg
　　　　　K_dn——污泥脫氮負(fù)荷，kgNO₃^--N/kgMLSS·d
1.5 氧化溝的總污泥量
　　氧化溝的總污泥量(VX)_T和總?cè)莘e計(jì)算如下：
　　(VX)_T=[(XV)+(VX)_dn]/f_n 　　　　　　　　　　(11)
　　V_T=(XV)_T/(f_x·X) 　　　　　　　　　　　　　 (12)

　　對(duì)于不同類(lèi)型的氧化溝，需要引入有效性系數(shù)f_a，其中帶有體外沉淀池的氧化溝f_a=1.0，而其他類(lèi)型的氧化溝f_a是不同的。以三溝式氧化溝為例，如果假設(shè)三溝是等體積的，則f_a如下計(jì)算：

　　式中　X_S1,2--- 邊溝MLSS濃度?
　　　　　　X_m--- 中溝MLSS濃度?
　　　　　　t_S -- 邊溝一個(gè)周期的時(shí)間?
　　　　　tS_1,2 --- 邊溝一個(gè)周期內(nèi)的工作時(shí)間?
　　　　　　t_m --- 中溝在一個(gè)周期內(nèi)的工作時(shí)間

　　假設(shè)污泥在氧化溝內(nèi)分布均勻，t為三個(gè)溝一周期總停留時(shí)間(包括沉淀)之和，則：?
　　　　　　　　f_a=(t_S1＋t_m＋t_S1)/t (14)?

1.6 剩余污泥
　　雖然動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)能確定生物污泥產(chǎn)量，應(yīng)考慮沉淀池的固體流失量和存在的惰性物質(zhì)，
　　可以采用下式計(jì)算：?
　　
　　式中 ΔS --- 去除BOD₅?
　　　　　X_i ---進(jìn)水懸浮固體中惰性部分?
　　　　　X_e ---出水TSS?
　　氧化溝以常規(guī)模式運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的剩余污泥，應(yīng)在處置前加以穩(wěn)定，氧化溝以延時(shí)曝氣模式運(yùn)行時(shí)，污泥量少且穩(wěn)定。根據(jù)回流污泥量和剩余污泥量可以選擇水泵和污泥處理系統(tǒng)。
1.7 氧化溝需氧量和曝氣設(shè)備
　　在氧化溝系統(tǒng)，考慮以下幾個(gè)過(guò)程的需氧量：總需氧量（D）=氧化有機(jī)物需氧＋細(xì)胞內(nèi)源呼吸需氧＋硝化過(guò)程需氧－脫氮過(guò)程產(chǎn)氧

　　D=a＇Q(S₀-S)+b＇ΔX·f+4.6(N₀-N)-0.07ΔX·f-2.6ΔNO₃^-　　　　　　(16)
　　式中　f——MLVSS/MLSS
　　　　　ΔNO₃^-——被還原的NO₃^-

　　需氧量D(AOR)?確定之后，并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)需氧量(SOR)。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)需氧量確定之后，根據(jù)不同設(shè)備廠家的表曝機(jī)樣本和手冊(cè)，計(jì)算出氧化溝系統(tǒng)的總能耗。總能耗一旦確定，就可以確定氧化溝曝氣器的數(shù)目、氧化溝外形和分組情況。

　　式中　α--不同污水的氧轉(zhuǎn)移速率參數(shù)，對(duì)生活污水取值0.5～0.95?
　　　　　β--不同污水的飽和溶解氧參數(shù)，對(duì)生活污水取值0.90～0.97
　　　　　ρ--大氣壓修正參數(shù)
　　　　　C_S-- 溫度T時(shí)飽和溶解氧

2 設(shè)計(jì)結(jié)果和問(wèn)題討論

2.1 設(shè)計(jì)對(duì)比
　　為了說(shuō)明氧化溝的設(shè)計(jì)過(guò)程，以邯鄲三溝式氧化溝的數(shù)據(jù)為例，說(shuō)明幾個(gè)設(shè)計(jì)上的問(wèn)題。根據(jù)下列數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)處理生活污水的交　　替式氧化溝(三溝)：?
　　進(jìn)水：?
　　　　　　　　　　BOD₅=130mg/L??
　　　　　　　　　　NH₃－N=22mg/L(T=10℃)?
　　　　　　　　　　TN=42 mg/L??
　　　　　　　　　　SS=160mg/L??
　　　　　　　　　　堿度=280mg/L(以CaCO₃計(jì))??
　　出水：?
　　　　　　　　　　BOD₅<15 mg/L??
　　　　　　　　　　NH₃－N< 2～3mg/L(T=10℃)?
　　　　　　　　　　TN< 10～12mg/L(T=10℃)??
　　　　　　　　　　TN=6～8mg/L(T=25 ℃)??
　　　　　　　　　　SS< 20mg/L??

　　最低溫度=10℃（最高溫度=25℃）?
　　邯鄲氧化溝是按三個(gè)系列，每個(gè)系列流量Q₁=33 000 m³/d?，主要設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。
2.2 原設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題
　　清華大學(xué)周律等人^［4、5］對(duì)邯鄲氧化溝進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定工作，總結(jié)起來(lái)也是以下三個(gè)問(wèn)題：
　　① 停留時(shí)間與反應(yīng)時(shí)間問(wèn)題：出水NH₃－N偏高，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)硝化停留時(shí)間，可以降低出水的NH₃－N。這說(shuō)明原設(shè)計(jì)的停留時(shí)間雖然對(duì)于BOD的去除充分，但對(duì)于脫氮其停留時(shí)間是不夠的。上述問(wèn)題可能也與污泥齡和運(yùn)行方式有關(guān)。?
　　② 污泥停留時(shí)間問(wèn)題：通過(guò)污泥耗氧速率和懸浮物干重?fù)p失率等評(píng)價(jià)污泥穩(wěn)定化實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)其污泥進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)處理的污泥尚未得到穩(wěn)定。
　　③ 三溝式氧化溝的容積利用率問(wèn)題：從前面的討論可知三溝式氧化溝本身的容積利用率較低(58％)。在邯鄲測(cè)得三溝中MLSS為5.3 、2.0、5.0 kg/m³。f_a= 0.40 與上述的理想狀態(tài)相差很大。三條溝的MLSS分布與設(shè)計(jì)的分布情況有較大差距，這是三溝式氧化溝運(yùn)行及設(shè)計(jì)的一個(gè)主要問(wèn)題。

2.3 討論
　　通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算的比較可見(jiàn)，邯鄲污水處理廠的設(shè)計(jì)中存在兩個(gè)問(wèn)題：首先是停留時(shí)間上存在較大的差別；其次是按照三溝式氧化溝污泥齡的概念核算，其好氧部分的污泥齡偏低；另外前面的討論可知三溝式氧化溝的實(shí)際容積利用率低也是一大問(wèn)題。
　　① 本例設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為20h，這可保證污水的完全硝化反應(yīng)。
　　② 總的停留時(shí)間是20h，但反應(yīng)時(shí)間僅為11.6h。帶有二沉池的沉淀時(shí)間一般2.0～3.0h，但需增加回流污泥和刮泥機(jī)等機(jī)械設(shè)備。這意味著運(yùn)行操作方便、流程簡(jiǎn)化的結(jié)果是用較長(zhǎng)的停留時(shí)間取得的。因此所謂三溝式氧化溝的優(yōu)點(diǎn)也是有一定代價(jià)的，其經(jīng)濟(jì)性是需要仔細(xì)、全面考慮的。?
　　③ 設(shè)計(jì)中可看出對(duì)于污泥穩(wěn)定化，原設(shè)計(jì)的污泥齡明顯不足。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也充分證實(shí)了上述的分析。這也說(shuō)明交替運(yùn)行式氧化溝原設(shè)計(jì)的方法，在污泥齡的計(jì)算上是不正確的。從設(shè)計(jì)結(jié)果看，對(duì)于本例非常低的BOD濃度，根據(jù)穩(wěn)定性要求的停留時(shí)間(20h)是相當(dāng)長(zhǎng)的，因此這種系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性是需要探討的。我國(guó)大部分氧化溝設(shè)計(jì)中不考慮硝化和污泥穩(wěn)定化問(wèn)題，今后設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中是否應(yīng)考慮是需要討論的問(wèn)題。?
　　④ 提高設(shè)備利用率的方法之一是采用Gruger公司的動(dòng)態(tài)順序沉淀(DSS)系統(tǒng)。筆者建議在三溝式氧化溝的設(shè)計(jì)中擴(kuò)大中溝的比例，中溝的容積可占50％～70％或更多(在邊溝較小時(shí)，需要校核其沉淀功能可否滿(mǎn)足)。中溝可采用一個(gè)溝或等體積兩個(gè)溝。有效性系數(shù)計(jì)算可采用下面修正公式：

　　式中　X_mi、X_S1,2 --- 中溝、邊溝1，2參與反應(yīng)的 MLSS 濃度
　　　　　　　　　　f --- 邊溝反應(yīng)時(shí)間與一個(gè)周期時(shí)間比值?
　　　　　　　　　　V_mi --- 中溝的體積?
　　　　　　　　　　V_si --- 邊溝的體積

　　采用上述數(shù)據(jù)，則f_a分別為0.69和0.80。設(shè)備的利用率和污泥分布均勻性均可提高，從而提高三溝式氧化溝的容積利用率。

參考文獻(xiàn)

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　　作者通訊處：100037 北京市阜外北二巷 北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院?
　　(收稿日期1998－08－04)