探析一体化奥贝尔氧化沟在工程实际中的应用 44页

重庆大学硕士学位论文一体化奥贝尔氧化沟在工程实际中的应用姓名：况力申请学位级别：硕士专业：环境工程指导教师：何强;饶思源20051001 重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要起源于南非发展于美国的奥贝尔(Orbal)氧化沟是具有除磷脱氮功能的新工艺之一，因其在技术、经济上具有独特优势而受到国内外污水处理界越来越多的重视。我国80年代就引进了这门技术，但真正引起重视却是在最近几年。随着奥贝尔氧化沟工艺优越性的展现，采用此工艺的污水处理厂日益增多。但由于对奥贝尔系统的研究还不够成熟，故引进国外的技术设备多，自己的东西少，缺乏系统的研究与总结，也缺乏实际操作、运行、控制经验。本文归纳了氧化沟以及奥贝尔(Orbal)氧化沟处理城市污水的工艺特点，并介绍了奥贝尔氧化沟的国内外应用情况；对奥贝尔氧化沟的除磷脱氮机理也进行了初步探讨，对其生物反应动力学和工艺正常运行的影响因素也进行了阐述；并探讨了工程设计中奥贝尔氧化沟的充氧量计算及水力计算。在文章的最后，结合江津德感污水处理厂的工程实例对一体化奥贝尔氧化沟的设计、处理效果、经济指标进行了详细的介绍和分析。一体化奥贝尔氧化沟在江津德感污水处理厂的卓越表现，将使其获得越来越广泛的应用。关键词：奥贝尔(Orbal)氧化沟，污水处理，设计，工程实例I 重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTTheperformanceofOrbaloxidationditchusedinWastewaterTreatmentPlantsathomeandboardisprovedtobebrilliant.InthispaperthemechanismofBODandCODremoval,nitrogenremoval,phosphateremovalofOrbaloxidationditchistobediscussed,andtheparametersaffectingbiologicalwastewatertreatmentisalsoreviewed.BesidesthewayofestimatingAOR,hydraulicsofOrbalODisinvolved.FinallytheexcellentperformanceofOrbaloxidationditchinWWTPofJiangJinDeGananditssludgecharacteristicswereintroducedandanalyzed.TheexampleindicatedthatOrbalODwillbegetusedmoreandmore.Keywords:wastewatertreatment,Orbaloxidationditch,design,applicationinengineeringII 重庆大学硕士学位论文1概述1概述随着我国社会和经济的高速发展，环境问题日益突出，特别是城市水环境的恶化。2003年全国七大水系的监测表明，劣Ⅴ类水质占30%，属严重污染。饮用受到污染的水易造成肿瘤、癌症等疾病发生率的增加。水环境污染问题成为制约经济发展、影响社会稳定、危及人体健康的重要因素。因此，近年来国家和地方政府非常重视污水处理事业，正以前所未有的速度推进城市污水处理工程的建设。预计到2010年，我国要新建城市污水处理厂1000余座，污水厂的投资将达1800亿元。从20世纪60年代开始，氧化沟污水处理技术在欧美等地区得到迅速发展，有些国家拥有氧化沟的数量占全国污水厂的比例为40%，我国氧化沟的数量也在日益增加，全国各地都有氧化沟工艺的污水处理厂，不但数量越来越多而且规模也越来越大；运行方式也在不断地发展，其迅速发展的原因是十分明显的，因为氧化沟具有出水水质好、耐冲击负荷、运行稳定、管理简单、污泥量少等优点，在我国氧化沟工艺已成愈来愈受欢迎的二级处理工艺，发展前景十分广阔。而其中的奥贝尔氧化沟随着其生化反应机理研究的深入，实际操作、运行、控制经验的丰富，也愈来愈拥有更出色的处理效果和更广泛的应用前景。1.1氧化沟工艺简介氧化沟(OxidationDitch)又名氧化渠，因其构筑物成封闭的沟渠而得名。氧化沟工艺自20世纪50年代在荷兰被开发以来，经过工艺和曝气设备等方面的无数次改进，目前已成为主要污水生物处理技术之一。美国EPA(环境保护局)对不同类型生物处理法的运行情况的调查结果表明，不同工艺出水BOD5小于20mg/L的时间占运行时间百分数分别是：氧化沟90％，鼓风曝气70％，生物滤池60％。由此可见，氧化沟的处理效果比其它生物处理方法稳定。氧化沟的特点是低负荷运行，因此有机物可以有效去除，COD去除率在90％以上，而且对氨氮完成硝化。氧化沟运行操作简便，基建和运行费均低于普通活性污泥法。当要求污水脱氮时，氧化沟比其它生物脱氮工艺费用低，ＴＮ去除效率高，因为它的循环运行方式非常适合生物脱氮的过程，不需要为反硝化而增设回流系统。氧化沟工艺正以基建费用低、运行管理简单、处理效果好、耐冲击负荷大、可除磷脱氮等优点，逐渐向大中型污水处理厂发展。目前，应用到城市污水处理的氧化沟系列主要有卡鲁塞尔(Carrousel)型、奥贝尔(Orbal)型、双沟(D型)、三沟(T型)、一体化氧化沟。1 重庆大学硕士学位论文1概述目前，国内采用氧化沟处理工艺的污水处理厂在逐渐增多，氧化沟技术发展的一个重要方向是利用最合理的时空安排达到所要求的处理目标。因此，合理选择氧化沟的设计工艺，研究氧化沟污水处理新技术，对提高污水处理能力、节省投资和降低运行费用均具有重要意义。表1.1几种常见氧化沟技术比较Tab1.1Thetechnologycomparisonofthedifferentoxidationditches曝气设备类型曝气设备处理深度其它应用情况利用率不设二沉池及污泥实际中有应T型氧化沟多用转刷<75％可脱氮除磷回流装置，节省占地用有独立的二沉池及实际中有应DE型氧化沟多用转刷100％可脱氮除磷污泥回流装置用有独立的二沉池及实际中应用帕斯韦尔氧化沟转刷100％——污泥回流装置的较少有独立的二沉池及实际中有应卡鲁塞尔氧化沟表面曝气机100％可脱氮除磷污泥回流装置用有独立的二沉池及实际中应用微曝氧化沟微孔曝气机100％可脱氮除磷污泥回流装置的较多无单独的二沉池及实际中有应一体化氧化沟——100％可脱氮除磷污泥回流装置，节省用占地有独立的二沉池及实际中有应奥贝尔氧化沟转盘100％可脱氮除磷污泥回流装置用1.2一体化奥贝尔（Orbal）氧化沟1.2.1奥贝尔氧化沟简介奥贝尔(Orbal)氧化沟是氧化沟类型中的重要形式，此法起初是由南非的休斯曼构想，南非国家水研究所研究和发展的。该技术转让给美国的Envirex公司后得到不断改进及推广应用。㈠奥贝尔氧化沟的几何形状奥贝尔(Orbal)氧化沟是一种多级氧化沟，它是由3个(三级)P型氧化沟的组合，典型的奥贝尔氧化沟是多沟式椭圆型，椭圆型内设有三个环沟，污水进入第一沟后，通过水下输入口连续地从一条沟进入下一条沟，每一条沟都是一个闭路连续2 重庆大学硕士学位论文1概述循环的完全混合反应器，每沟中的水流在排出之前，污水及污泥(混合液)在沟内绕了数百圈的循环后再流入下一沟，最后，污水由第三沟流入二沉池，进行固液分离，如图1.1所示。图1.1典型奥贝尔氧化沟Fig1.1representativeOrbalOxidationDitch㈡工艺模型奥贝尔氧化沟具有很灵活的工艺模型，如图1.2常规活性污泥工艺模型，用于结合式的硝化—反硝化工艺;图1.2常规活性污泥工艺模型的奥贝尔氧化沟Fig1.2OrbalOxidationDitchwithgeneralactive-sludge-system3 重庆大学硕士学位论文1概述若将进水引进第二沟，而回流污泥进第一沟，这就形成了接触稳定(吸附—再生)工艺;将进水引进一、二、三沟，各沟的进水水量为1/3的总流量，回流污泥进入第一沟，又形成了阶段曝气工艺。奥贝尔氧化沟在操作管理上改变工艺模型非常方便。㈢氧化沟的曝气设备奥贝尔氧化沟与其它氧化沟一样，也是水平轴转动的曝气器，但它不是转刷，而是转碟，转碟的直径最大可达1.37m，厚12.5mm，它是用高强度工程塑料制成，为了便于安装和检修，每个转碟由两个半圆组成，然后把两个半圆转碟固定于轴上，转碟上有许多直径为12.5mm的曝气孔和凸出的三角形，以增加空气和水的接触面积，提高氧的转移效率。转碟淹没深度一般为230～530mm，调节淹没深度可控制溶解氧DO的浓度。在标准条件下，转碟的动力效率为1.8kgO2/(kW·h)。转碟曝气机的转轴直径为150mm的实心或空心碳钢，最大长度6m，每根轴上可安装1～26个曝气转碟，转速为43、49、55r/min三档，一个电机可驱动4根轴及转碟，转碟间距大于230mm。㈣溶解氧的分布奥贝尔氧化沟每一条沟的溶解氧都不相同，一般第一沟DO=0～0.5mg/L，第二沟DO=0.5～1.5mg/L，第三沟DO=1.5～3mg/L。㈤硝化—脱氮由于第一沟内溶解氧浓度始终接近于零，所以奥贝尔氧化沟的脱氮和硝化始终保持最佳状态。所谓第一沟溶解氧为“0”mg/L，它是指第一沟中远离转碟的沟段之混合液的溶解氧始终处于接近“0”mg/L的状态，在这种缺氧条件下极利于脱氮细菌生长繁殖，这些细菌以有机碳作为碳源和能源，并以硝酸盐作为能量代谢过程中的电子接受体。由于脱氮细菌是以有机碳作为碳源和能源，正好奥贝尔氧化沟的第一沟BOD(碳源)很丰富，不需另投加有机碳源来满足生物脱氮过程的需要。在这种良好的环境中，脱氮细菌把硝酸盐转化成气态氮而进入大气。在靠近转碟的沟段，正是处于富氧区的沟段，在这一富氧区的沟段中，氨氮被硝化细菌氧化为硝酸盐氮(NO3-N)，由于混合液在第一沟中闭路循环数十次乃至数百次，所以奥贝尔氧化沟的第一沟中同样进行了数十次乃至数百次的硝化反硝化—脱氮反应。第二沟是第一沟的继续，它起着缓冲第一沟处理效果，也就是说它继续氧化第一沟尚未氧化完全的有机物和硝化脱氮作用，经第一、二沟的生物氧化后，绝大部分的有机物和氨氮得到去除。第三沟一般来说是为了排放起补充氧的作用。奥贝尔氧化沟的主要优点如下：（1）总投资少。不用设置初沉池，处理城镇污水只需格栅和沉砂池，可不设4 重庆大学硕士学位论文1概述或设较小的调节池，因此总投资少。（2）节能性能好。氧化沟运行时每一条沟中溶解氧分别为：第一沟道DO＝0～0.5mg/L，第二沟道DO＝0.5～1.5mg/L，第三沟道DO＝1.5～3.0mg/L。氧的传递作用是在亏氧条件下进行的，具有较高的传质效率。由于第一沟道溶解氧的平均值很低，且体积约为总体积的60％，因此，大部分氧化和硝化反应在第一沟道发生，具有较高的反硝化率，所以奥贝尔氧化沟比任何一种用充氧设备的活性污泥法都省电，通常可以省电15％以上。（3）流程简单、抗冲击负荷能力强、出水水质稳定、易于维护管理。（4）能避免二沉池污泥流失。对于城市生活污水的活性污泥系统来说，在曝雨季节的二沉池污泥流失是一大难题，活性污泥系统一般设超越管，让部分或全部污水绕过曝气系统或暂时停止曝气让污泥沉下来，或设有调节池，这就造成了不是BOD5的流失，就是占地面积大和投资增加。如果采用奥贝尔系统，将污水引入第三沟，回流污泥进第一沟，在3～4h内，进出二沉池的污泥达到平衡。（5）污泥处理费用低。奥贝尔氧化沟一般为延时曝气，泥龄较长，污泥量少，污泥处理费用也较低。（6）与其他类型的氧化沟相比，奥贝尔(Orbal)氧化沟还具有自己独特的优点：奥贝尔氧化沟采用曝气转盘，水深可达3.5m－4.5m，同时可借助在各沟中配置不同数目的曝气盘，变化输入每一槽的供氧量；奥贝尔圆形或椭圆形的平面形状，比长直型的氧化沟更能利用水流惯性，节省能耗；奥贝尔氧化沟多渠串联的形式可减少水流短流现象。随着高性能曝气转刷和转碟的开发应用，奥贝尔氧化沟的应用更加广泛，例4如北京燕山石化总公司引进美国技术，建成了日处理能力6×10t的奥贝尔氧化沟污水处理厂，用于处理石化废水及生活污水，几年的运行实践表明，该工艺处理效果很好。1.2.2一体化奥贝尔(Orbal)氧化沟一体化奥贝尔(Orbal)氧化沟兼具了奥贝尔氧化沟和一体化氧化沟的优点，即主体处理工艺仍为奥贝尔氧化沟，但采取氧化沟与二沉池合建的形式（将二沉池置于氧化沟中心环岛），免除了污泥回流系统，节省了占地，也方便维护和管理。根据奥贝尔氧化沟的特点，在保证出水水质的前提下，还可以减少一道中沟，即只建两条沟，采取内外二沟以“0—2”方式运行，合理地减少工程的投资，减轻工艺运行操作的复杂度。下文只详细介绍了奥贝尔氧化沟运行方式、控制要求、工艺影响因素、除磷脱氮机理、充氧量计算等，这是由于一体化奥贝尔氧化沟的设计依据都与奥贝尔5 重庆大学硕士学位论文1概述氧化沟相同（缺省第二沟）。1.3奥贝尔氧化沟目前在国内外的应用状况1.3.1奥贝尔氧化沟在国内的应用近几年，奥贝尔氧化沟技术在国内得到广泛采用，例如北京燕山石化总公司引进美国技术，建成了日处理能力6万立方米的奥贝尔氧化沟污水处理厂（牛口峪污水处理厂），用于处理石化废水及生活区生活污水，几年的运行实践表明该工艺处理效果很好。已建成的抚顺石油二厂污水处理站、广州石化公司污水处理站、成都市天彭镇污水处理厂都采用了该种工艺。近年来城市污水厂如潍坊市污水处理厂、北京大兴县污水处理厂、山东文登污水处理厂、青岛所属莱西市污水处理厂等也采用了奥贝尔氧化沟工艺。厦门市集美污水厂4.5万立方米/日奥贝尔氧化沟也建成运行良好。4下表是莱西污水处理厂（设计能力10×10t/d）各项处理指标：表1.2莱西污水处理厂奥贝尔氧化沟处理效果Tab1.2EffectofOrbalODinLaiXiWaste-WaterTreatmentPlantBOD5NH3-N污染指标COD（mg/L)SS（mg/L)TP(mg/L)PH（mg/L)（mg/L)进水≤1000350＞50015≈8/出水＜30≈15＜20＜0.5/＜0.5另外，北京燕山石化公司牛口峪污水处理厂处理效果见下表：表1.3北京燕山石化公司牛口峪污水处理厂处理效果Tab1.3EffectofOrbalODinNiuKouYuWaste-WaterTreatmentPlant总进水氧化沟（mg/L）总出水氧化沟去总去除项目（mg/L）进水外沟中沟内沟(mg/L)除率(％)率（％）COD455396372924289293BOD1975433>95SS58311279NH3-N11.8211.55————>99>99TKN16.091.891.090.950.9894NON1.570.720.610.601.393TN17.441.961.261.181.4392pH88注：表中数据皆为平均值。COD为间隔2h的平均样，其余皆为瞬时样。6 重庆大学硕士学位论文1概述1.3.2奥贝尔氧化沟在国外的应用目前在美国已有300多座奥贝尔氧化沟污水处理厂，处理规模已达900000立方米/天。在欧洲也有应用实例，英国的普林斯顿市有一座处理规模170000立方米/天的奥贝尔氧化沟污水处理厂。表1.5的几个污水厂大部分在美国东部，主要接受生活及商业废水，也有少数3接受部分工业废水。设计处理能力为6600～45400m/d(多由1个或2个奥贝尔工艺池组成)，水力停留时间为11～22.6h不等。污泥处理是由好氧贮泥、消化，然后由带式压滤机脱水。这些处理设施全部采用3个沟道的奥贝尔工艺。表1.4美国采用奥贝尔（orbal）氧化沟的几个污水厂概况Tab1.4OrbalODWWTPintheUSA平均流量有机负荷泥龄MLSS污水厂占设计占设计运行时间33(m/d)[kg/m·d)（d）（mg/L）（％）（％）Elmwood7100630.1555333175WWTP1998年1Hartford月～9月15000660.1647303500WWTP1994年7Hammonton3400360.1851202200月～1995WWTP年6月Chalfont11400750.2091244000WWTPSweetwaterCreek40500890.46857～1034111994年1WWTP月～12月LakeGeneva5700870.28115224000WWTP7 重庆大学硕士学位论文1概述表1.5污水厂运行参数Tab1.5FunctiondataofWWTP设计能反应池设计转碟数污水厂地点力污泥处理数（座）HRT(h)（个）3(m/d)ElmwoodEvesham,11400222.60356WWTP*NJ,USAMountHartfordWWTP22700114.50270Laurel,NJ,USA好氧污泥消HammontonHammonton,NJ,化，带式压滤9500119.00308WWTP*USA机污泥脱水NewChalfontBritain,PA,US15100114.00336WWTPAGwinnettSweetwater好氧污泥消County,GA,US45400411.00980CreekWWTP*化ALakeLakeGeneva重力浓缩，好Geneva,WI,US6600115.30132WWTP氧污泥消化A注：*出水经过滤表1.5对6个选定的污水厂的工艺负荷及运行特点进行了总结。这些厂的实际水力负荷只为设计能力的36%～89%，而实际有机负荷在其设计值的47%～115%内变动。除SweetwaterCreek污水厂外，这些厂大多以延时曝气的模式运行，其泥龄在20d以上，污泥浓度在2200～4000mg/L左右。8 重庆大学硕士学位论文1概述表1.6污水厂运行数据总结(无化学加药)Tab1.6functiondataofwaste-waterTreatment(withoutchemistry)BOD5TSSTPTKNNH3－NNO3N污水厂进水出水进水出水进水出水进水出水进水出水出水Elmwood2212.31841.15.40.5332.52.025.01.11.13WWTP①②HartfordWWTP2103.62924.8—————0.12—Hammonton3532.13904.2—1.737.02.1—0.242.93WWTP①Chalfont1603.21524.03.20.9——15.81.035.50WWTPSweetwater2371.83591.56.00.22——13.00.144.50CreekWWTP①LakeGeneva2034.21966.2———1.3——2.62WWTP①注：①采用混合液内循环②出水经过滤表1.6对污水厂运行数据进行了总结。正如延时曝气活性污泥法所预期的效果，其出水BOD5效果极好，出水悬浮物一般也低于5mg/L。有些厂同时又提供了砂滤，但这些厂的二沉池出水及砂滤池出水并没有多大区别。硝化反应基本进行彻底，出水氨氮通常小于1mg/L，尽管硝化程度很高，但出水硝酸盐氮也均小于5mg/L。在Elmwood及Hammonton污水厂其总氮的去除可达85%～90%。LakeGeneva出水总氮小于4mg/L。这些数据足以表明奥贝尔工艺设施的显著脱氮能力。通过4个污水厂出水总磷数据可看出，出水磷在1mg/L以下，磷的去除率至少在75%左右。9 重庆大学硕士学位论文2奥贝尔氧化沟工艺及其影响因素2奥贝尔氧化沟工艺及其影响因素2.1奥贝尔（Orbal）氧化沟除磷脱氮机理2.1.1奥贝尔氧化沟同时硝化反硝化机理近年来，生物脱氮被公认为是目前废水脱氮处理中经济、有效的方法之一。生物脱氮包括硝化和反硝化两个阶段，分别由硝化菌和反硝化菌完成，即硝化反应在好氧条件下自由养菌完成，反硝化反应在厌/缺氧条件下由异养菌完成。硝化和反硝化反应可用下式表示：+3-+NH4+O2——NO2+H2O+H2－1-NO2+O2——NO32－－NO3+2H(氢供给体—有机物)——NO2+H2O－-NO2+3H(氢供给体—有机物)——0.5N2+2H2O+OH近几十年来，尽管生物脱氮技术有了很大发展，但硝化和反硝化仍然是在两个独立的或分隔的具有不同DO浓度的反应器中进行，或者是在时间或空间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行，一个过程分成两个系统，条件控制复杂，两者难以在时间和空间上统一，脱氮效果差，设备庞大，投资高。显然，如果两个过程能够在同一个反应器中同时进行，则可节省更多的占地面积，还可--－－避免NO2氧化成NO3及NO3还原成NO2这两个多余的反应，从而可节省约25%的O2和40%以上的有机碳；另外，微生物硝化过程中好氧、耗碱度、无需COD，而反硝化过程则与之相反并互补：厌氧、产生碱度、需消耗大量的COD。所以，如能在同一个反应器中实现同时硝化、反硝化并达到两个过程的动力学平衡，将大大简化生物法脱氮的工艺流程、提高生物脱氮的效率，并节省投资。为此国内外正在积极研究开发能同时硝化反硝化(SimultaneousNitrificationDenitrification——SND)的生物脱氮技术。研究成果表明：氧化沟（特别是奥贝尔氧化沟）具有很好的同时硝化反硝化脱氮功能（COD、NH3-N去除率可达90%以上）。奥贝尔氧化沟同时硝化反硝化脱氮的结构基础：在串联的渠道上可形成典型的溶解氧梯度，外沟、中沟、内沟的溶解氧分别为0～0.5mg/L、0.5～1.5mg/L、1.5～2.5mg/L，即0-1-2分布。硝化和反硝化大部分都是在外沟接近零的溶解氧的情况下进行的，这是由于外沟中虽然充氧率较高，但是在曝气转碟上游和下游一定距离上仍然存在较大的缺氧区（颜秀勤等人在牛口峪污水处理厂的实测：外沟的缺氧区容积与曝气区容积之比约为7:1）。这就使得传统的硝化菌和反硝化菌能够起作用而产生同时硝化反硝化现象。10 重庆大学硕士学位论文2奥贝尔氧化沟工艺及其影响因素此外，从微观角度解释同步硝化反硝化的微环境理论是目前已被普遍接受的观点：微小的微生物个体所处的环境可称为微环境。微环境直接决定微生物个体的活动状态，而宏观环境的变化往往导致微环境的急剧变化，从而影响微生物群体的活动状态并在某种程度上表现出“表里不一”的现象。事实上，在活性污泥菌胶团内部存在多种多样的微环境类型，而每一种微环境往往适合于某一类微生物的活动，不适合其他种类微生物的活动。受各种因素(物质传递如DO、有机物等、菌胶团的结构特征)的影响，微环境所处的状态是可变的。例如，某一好氧性微环境，当耗氧速率高于氧传递速率时可变成厌氧或缺氧性微环境。对于菌胶团尤其是大颗粒菌胶团来说，微环境的变化可能非常明显，即由于受菌胶团结构、氧传递和硝态氮传递的不均匀性影响，外部曝气状态下菌胶团内部也可形成缺氧环境。因而曝气状态下也可出现某种程度的反硝化，即“同时硝化/反硝化”现象。由于缺氧微环境的形成有赖于系统中DO浓度的高低以及微生物的絮体结构特征，因此，控制系统中的DO浓度及微生物的絮体结构对能否进行同时硝化反硝化及其发生的程度至关重要。2.1.2奥贝尔氧化沟生物除磷机理污水生物除磷是基于活性污泥中聚磷菌能富集磷的原理。生物除磷是利用了微生物具有的潜在的吸收过量磷(细胞内聚磷且吸收的磷超过其正常的生理需求)的能力。生物除磷工艺主要是在污水进入厌氧阶段后，活性污泥经过厌氧和好氧过程的循环来实现的。在厌氧阶段中，必须存在大量的易降解有机物（碳源），如VFAs（挥发性脂肪酸），这样就使除磷菌摄取有机酸而同时将贮存在细胞中的聚合磷酸盐中的磷通过水解而释放出来，提供必需的能量；而在随后的好氧条件下，将所吸收的低分子有机物（VFAs）氧化并提供能量，同时能从污水中过量吸收磷并以聚磷酸盐形式贮存在菌体内形成高磷污泥，而通过剩余污泥的排放就可达到较好的除磷效果。2.2生物动力学分析氧化沟既不是完全混合反应器，也不是推流反应器，废水进入每个反应器(每条沟)后与沟内大量水流混合，而进水一般在排入点的下面陆续进入，并在排出之前绕沟循环一周，因此，氧化沟又类似推流反应器，然而，氧化沟每一沟的停留时间较长，容积较大，在正常流速时，循环一周所需时间较短，每一沟的稀释能力很大，所以在沟内各点的底物和混合液悬浮固体浓度基本上是均匀的，其动力学一般以完全混合反应器来看待。11 重庆大学硕士学位论文2奥贝尔氧化沟工艺及其影响因素分析时作如下假设①各单级为完全混合的反应器，奥贝尔反应器看作是由三个单级完全混合反应器组成，在同一级中各点的基质和微生物浓度一致；②被利用的基质全部在反应器内被利用，在二沉池不发生微生物活动过程;V③设每一级反应器的体积相等，并令为；3④所有可降解的底物都是溶解性。2.2.1单级氧化沟的生物动力学分析氧化沟的生物反应可看作是一级反应，一级反应表达式为：ds=KXSe(2.1)dtuds—反应速度，也称底物利用速率mg/(L·h)dtuK—反应速率常数L/(mg·h)X—活性物质(以MLVSS计)浓度，mg/LSe—反应器中底物浓度等于出水底物浓度，mg/L图2.1单级氧化沟物料平衡Fig2.1MaterielbalanceofOD图2.1为完全混合反应器，写出物质平衡方程：活性污泥生物动力学基本表达式：[曝气池中底物量的净变化率]=[底物进入曝气池的速率]-[底物在曝气池中的衰减速率]（2.2）上式可写为：dsdsVα=QS0+RQSe-Vα-(1+R)QSe(2.3)dtdtu12 重庆大学硕士学位论文2奥贝尔氧化沟工艺及其影响因素ds在稳定条件下：·Vα=0dt式(2.3)可写成：QS0+RQS-Vα·K·S-QS-RQS=0(2.4)eeee整理式(2.4)得：S0S=（2.5）e1K*tQ式中：S—处理后出水底物浓度mg/LeSo—进水底物浓底mg/LtQ—反应器水力停留时间h2.2.2奥贝尔氧化沟的生物动力学分析图2.2奥贝尔氧化沟物料平衡Fig2.2MaterielbalanceofOrbalOD根据图2.2，三个串联的完全混合反应器动力学模数于下：各级底物平衡方程式为：第一级：VQS0+QRSe-KSt·–Q(1+R)·S=0(2.6)t3SRS0e即StKtQ1R131RV其中t=QQ第二级：VQ(1+R)S1–K·S2·-QS2-QRS2=0(2.7)313 重庆大学硕士学位论文2奥贝尔氧化沟工艺及其影响因素S1即S2KtQ131R第三级：VQ(1+R)S2-Q(1+R)Se–K·Se=03S2即S（2.8）eKtQ131RS0整理后得：S（2.9）e3KtQ1R1R31R如果奥贝尔是由n个级串联组成，用上述的推导方法便可得：S0S（2.10）enKtQ1R1Rn1R当n=1代入式(2.10)中，就变成与式(2.5)；相同的表达式，式(2.10)随n的增V加(其它条件不变)Se值随着减小，这就说明三级同体积串联比单级体积(Va)的3处理效率高；如果三条沟的体积不等，而是按奥贝尔氧化沟所规定的三沟体积比(即一、二、三沟体积比分别为50∶30∶20)来计算S，计算结果与等体积的相差甚微，e这就说明奥贝尔氧化沟比单级氧化沟的出水水质好。2.3奥贝尔氧化沟工艺运行的影响因素影响奥贝尔（Orbal）氧化沟运行的因素有很多，包括水质、水温、PH值、溶解氧DO及曝气设备、水力停留时间HRT，碳源、污泥性能（包括污泥龄SRT，沉降性能等）。对于城市污水处理来说，其中尤以DO的控制对于该工艺除磷脱氮的影响最大，限于篇幅，下文仅讨论其中的水温T、PH值、DO及曝气设备、污泥龄SRT。2.3.1水温T当对生物处理法的总体效率进行评估时，作为生物反应速率常数的温度是非常重要的。温度不仅影响微生物的新陈代谢活性，且对气相传质系数，生物固体的沉淀特性等参数也有极大影响。与高出最适宜温度时相比，温度低于最适宜温度对（污泥）生长速率有更显0著影响。有观察表明，在达到最适宜温度前，每提高大约10C，微生物的增长速率就翻一倍。14 重庆大学硕士学位论文2奥贝尔氧化沟工艺及其影响因素关于温度对生物除磷的影响仍存在争议；例如，有报告称在较高的温度下0(20-37°C)，生物除磷效率可得到提高；也有称在较低温度下(5-15C)除磷效率要高一些。根据Panswad等人的研究(2003)，发现PAOs（聚磷菌）是嗜低温菌，它0在20C或更低温度范围内占优势。00温度也对硝化过程有显著影响。硝化反应的适宜温度是20－30C，15C以下000时，硝化速度下降，5C时完全停止；反硝化反应的适宜温度是20－40C，低于15C时，反硝化菌的增殖速率降低，代谢速率也降低，从而降低了反硝化速率。在冬季低温季节，为了保持一定的反硝化速率，应考虑提高反硝化反应系统的污泥龄θc；降低负荷率；提高污水的停留时间。研究结果表明，负荷率高，温度影响也高，负荷率低，温度影响也低。2.3.2pH值微生物的生命活动、物质代谢与pH密切相关，不同的微生物要求不同的pH。研究表明，pH值为8.0～8.5时，TP去除率可以达到90%以上;当pH值为6.5～8.0时，TP去除率差别不大;当pH值低于6.5时，TP去除率会急剧下降。硝化菌对pH值的变化非常敏感，最佳pH值是8.0～8.4，在这一最佳pH值条件下，硝化速度、硝化菌的比增殖速度均可达最大；对反硝化菌其最佳pH值则在6.5～7.5。2.3.3溶解氧DO及其分布特性DO是影响同步硝化反硝化的一个主要限制因素，硝化是在好氧条件下发生的，而反硝化是在缺氧或厌氧条件下发生的，但在对DO实行控制的条件下，可同时在污泥颗粒的不同部位形成好氧区和缺氧区，这样便具有了实现同步硝化反硝化的条件。如果DO相对较高，氧的穿透能力较强，则在菌胶团内部形成的缺氧区微环境较小或只能在较少数的菌胶团内部形成较小的缺氧区，反硝化能力不是太强；另外如果DO太高，好氧区的异养好氧菌活性很强，能将有机物进行快速彻底的降解，所以即使在部分污泥絮体的内部能形成缺氧区，也会由于有机物的供应不足而降低反硝化能力.反之，如果DO相对较低，在菌胶团内部能形成较大面积的缺氧区微环境，但降低了COD的去除和氨氮的氧化，虽然反硝化能力得到增强，但还是降低了总氮的去除率。BruceE.Rittmann等人通过研究表明，各种不同的处理构筑物发生同步硝化反硝化时，对DO的控制范围各异：四槽式氧化沟为0.3－0.8mg/L，间歇曝气工艺为小于1.0mg/L，生物膜工艺为1－2mg/L，半间歇活性污泥工艺为0.3－1.5mg/L。奥贝尔氧化沟的一个最显著特征是三个沟的溶解氧呈0—1—2mg/L(外—中—内)的梯度分布。典型的设计是将碳源氧化、反硝化及大部分硝化设定在第一沟(外沟)内进行，控制其DO在0－0.5mg/L;第二沟的DO控制在0.5－1.5mg/15 重庆大学硕士学位论文2奥贝尔氧化沟工艺及其影响因素L，可进一步去除剩余的BOD或继续完成硝化;第三沟(内沟)的DO为2－2.5mg/L，以保证出水中有足够的DO带入二沉池。此种DO的分布方式不仅使奥贝尔氧化沟大大节省了能耗，而且具有卓越的脱氮性能和较好的除磷能力。表2.1牛口峪奥贝尔氧化沟进出水氨氮、硝氮浓度数据（mg/L）Tab2.1Theconcentrationofammoniaandnitricofinandout-letwateratNiuKouYuOrbalOD进水氨氮出水氨氮进水硝氮出水硝氮外沟DO9.980.512.223.111.510.571.222.132.811.514.921.433.313.741.212.811.284.954.851.011.900.332.156.690.414.150.311.935.430.712.1201.428.520.613.2801.756.280.711.0701.095.460.112.5904.443.350.113.5400.951.660.013.9701.093.100.212.9201.021.310.210.9201.160.580.211.0701.960.510.310.3401.130.470.28.7402.290.840.5为了了解DO的变化对脱氮的影响，徐传海、黄海林等人在牛口峪污水处理厂把曝气机运行数量由13台逐步降低到8台，其外沟的DO由1.5mg/L逐步降低到0.5mg/L以下，同时，在进水氨氮浓度变化不大的情况下出水氨氮浓度由0.31～1.43mg/L，逐步降低到检测不出，硝酸盐氮从5.46mg/L逐步下降至0.47mg/L，如表2.1。2.3.4曝气设备曝气设备是氧化沟污水处理系统中最主要的机械设备，是影响氧化沟处理效16 重庆大学硕士学位论文2奥贝尔氧化沟工艺及其影响因素率、能耗及运行稳定的因素之一，不仅兼有充氧、推动、混合等功能，还决定着氧化沟的占地面积和基建投资。奥贝尔氧化沟与其它氧化沟一样也是水平轴转动的曝气器，但它不是转刷，而是转碟，转碟的直径最大可达1.37m，厚12.5mm，它是用高强度工程塑料制成，为了便于安装和检修，每个转碟由两个半园组成，然后把两个半园转碟固定于轴上，转碟上有许多直径为12.5mm的曝气孔和凸出的三角形，这是为了增加空气和水的接触面积，以提高氧的转移效率。转碟淹没深度一般为230～530mm，调节淹没深度可控制溶解氧DO的浓度。在标准条件下，美国转碟的动力效率为1.8kgO2/(kW·h)。转碟曝气机的转轴直径为150mm的实心碳钢，最大长度6m，每根轴上可安装1～26个曝气转碟，转速为43、49、55r/min三档，一个电机可驱动4根轴及转碟，转碟间距大于230mm。2.3.5污泥龄SRT柯明勇等人在厦门市集美污水处理厂采用的两座改良奥贝尔氧化沟（以三沟道奥贝尔氧化沟为原形，在外增设一厌氧沟，组成四条同心环形沟）试验了不同泥龄的处理效果，见表2.2。表2.2不同泥龄的出水及去除率Tab2.2Out-letwaterandratioofcontaminationeliminatedwithdifferentSRT污泥龄SRT（d）≥4030～3920～2910～195～9出水（mg/L）35.327.127.233.352.8COD去除率％86.688.187.489.977.2出水（mg/L）16.113.611.011.016.7SS去除率％90.691.192.594.890.2出水（mg/L）1.040.830.770.650.78TP去除率％79.281.685.386.182.7出水（mg/L）1.091.871.394.708.50NH3-N去除率％96.093.094.281.666.7出水（mg/L）16.313.713.315.618.4TN去除率％51.959.854.158.047.4注：数值是取不同泥龄控制至少一个月的平均值从表2.2可以看出不同的污泥龄控制可以得到不同的除磷效果，长泥龄低负荷17 重庆大学硕士学位论文2奥贝尔氧化沟工艺及其影响因素虽可以保持对有机污染物较高的去除率，但污泥长期滞留在生化系统中，没有得到及时排放，导致磷的不断累积，出水总磷很高；同时由于污泥龄较长，有机负荷太低，污泥容易老化解絮致使出水SS上升。随着污泥龄的缩短，除磷效果明显加强，但是当污泥龄控制太低时（小于10d），出水总磷反而有所上升，并且由于污泥龄的缩小，有机负荷过高，有机物分解不完全，恶化了出水水质。试验结果表明污泥龄控制在10～19d较为合理，能保持较好的除磷功效。在氮的去除方面，当污泥龄控制在10d以上，除了10～19d这一时间段出水氨氮比其他三个时间段稍微高一点外，总氮的去除效果基本没有太大的差别。说明只要泥龄高于硝化细菌的世代时间，生物脱氮一般不再受泥龄的影响。从表2.2又可看出，氨氮的去除效果极好，但总氮却不理想，去除率只有50%～60%，说明氧化沟内反硝化作用不明显。这极可能是因为氧化沟沟道2、3溶解氧控制较高，造成缺氧区域缩小，反硝化反应时间短，亚硝酸氮和硝酸氮的转化率低，导致出水氨氮虽低而总氮却相当高。对除磷来说，泥龄越长，活性生物量越低，除磷能力也相应降低。众多的研究表明：泥龄越长，单位BOD的除磷量就越少。为达到高的除磷率，除磷设计的泥龄值不应超过总体处理所需要的值。当其他处理所需的泥龄值很大时，只能通过别的途径来弥补泥龄的不良影响，如加大BOD/TP值。研究证明，厌氧区的停留时间会影响VFA的产生以及贮磷菌对VFA的吸收。一般地，厌氧区的停留时间越长，除磷率越高。厌氧停留时间从1.1h增至2.6h，TP去除率会从59%增至71%。但是，过长的厌氧停留时间并没有好处，时间过长可能导致VFA吸收的磷没有释放。这就有可能导致碳源贮存物量不足，不能在好氧区产生足够的能量来吸收所有释放的磷。在好氧区溶解磷的生物吸收也需要足够的停留时间，一般为1h～2h。18 重庆大学硕士学位论文3一体化奥贝尔氧化沟的工程设计3一体化奥贝尔氧化沟的工程设计3.1一体化奥贝尔氧化沟充氧量计算一体化奥贝尔氧化沟充氧量的计算方法与普通氧化沟一样，可分为需氧量计算及折算标准需氧量两个步骤，结合奥贝尔氧化沟的工艺特点，应对各条沟道分别计算。对于硝化/反硝化完全的氧化沟系统，需氧量（AOR）包括碳源氧化需氧及硝化需氧两部分，并考虑扣除剩余活性污泥排放减少的有机物耗氧及反硝化过程可利用的氧量。具体为：（1）碳源氧化需氧量碳源氧化需氧量以降解的BOD值来计算，根据BOD的定义，降解1kgBOD需消耗1kgO2。通常情况下，污水中有机物浓度是以BOD5来表示的，在20°C时，BOD与BOD5的比值为1.47，故碳源氧化需氧量为1.47·Q·S，其中Q为氧化沟设计进BOD533水流量m/d，S为设计去除浓度kg/m。BOD5（2）剩余活性污泥排放减少的有机物耗氧如果系统中每日排放的剩余活性污泥为ΔXvsskg/d，那么该部分有机物不参与耗氧，则减少的需氧量为1.42ΔXvss，kg/d。（3）硝化需氧量从硝化反应的反应式可知，每硝化1g氨氮需4.57gO2，若每日所需硝化的氨氮量为N，kg/d则硝化需氧量为4.57N，Kg/d。NH4NH4（4）反硝化过程可利用的氧量-在脱硝过程中，每还原1gNO3可提供2.86gO2，若每日所进行反硝化的硝态氮量为N，Kg/d，则每日则反硝化过程可利用的氧量为2.86N，kg/d。NO3NO3（5）总需氧量对上面4项求和，则总需氧量为：AOR=1.47·Q·SBOD5-1.42ΔXvss+2.86NNO3-2.86NNO3（3.1）如果认为奥贝尔氧化沟中挥发性悬浮固体浓度MLVSS及污泥龄θc在三条沟道一致，氧化沟总容积为V，则公式3.1可改写为：AOR=1.47·Q·SBOD5-1.42V·MLVSS/θc+2.86NNO3-2.86NNO3（3.2）前面已经论述，奥贝尔氧化沟可看作是由外沟、中沟和内沟串联的多级氧化沟，三条沟道功能不同，进行碳源氧化、硝化、反硝化的程度不同，设定在外、中、内三条沟道中：对BOD的去除比例为a1：a2：a3；三沟容积比b1：b2：b3;硝化反应的发生比例为c1：c2：c3；反硝化反应发生的比例为d1：d2：d3；19 重庆大学硕士学位论文3一体化奥贝尔氧化沟的工程设计则可得到各沟的需氧量为：AOR外=1.47a1·Q·SBOD5-1.42b1·V·MLVSS/θc+2.86c1·NNO3-2.86d1·NNO3（3.3）AOR中=1.47a2·Q·SBOD5-1.42b2·V·MLVSS/θc+2.86c2·NNO3-2.86d2·NNO3（3.4）AOR内=1.47a3·Q·SBOD5-1.42b3·V·MLVSS/θc+2.86c3·NNO3-2.86d3·NNO3（3.5）（6）折算标准需氧量SOR由于氧传递效率受水质、水温、大气压力、水中溶解氧浓度等多种因素的影响，因此对前面计算的需氧量AOR引入一个系数———现场修正系数FCF，以折算为标准需氧量SOR。对表面曝气设备，其计算公式为：CSCTmax20FCF1.024（3.6）C20式中α——清、污氧传递速率修正系数，一般取0.8～0.5污水中的氧转移系数KLa清水中的氧转移系数KLaβ——清、污氧饱和度修正系数，一般为取0.9～0.97污水中的氧饱和度CS清水中的氧饱和度CSρ——海拔高度修正系数，所在地区实际气压Pa51.01310C20——标准大气压下水温20℃时氧的饱和溶解度，其值为9.17mg/LCs——设计最高水温Tmax下氧的饱和溶解度，mg/LTmax——设计最高水温，℃根据以上公式可计算出氧化沟各沟的SOR，并由此计算出所需转盘数并确定其转速，浸没深度，功率。3.2氧化沟的水力计算氧化沟的曝气转刷（碟）与其它的曝气设备所起的作用有所区别，一般的曝气设备只有充氧性能，在满足充氧需求时，混合也基本满足要求，它没有循环流动要求，但氧化沟则不同，曝气设备在满足氧需求的同时，必须推动沟内混合液循环流动并能保证混合液中的活性污泥不会发生沉淀，否则，会降低混合液的浓度，影响处理效果。为了保持氧化沟中的固体呈悬浮状态而不致沉淀，沟内断面平均流速应在0.3m/s以上，一般为0.3～0.5m/s，沟底流速保证不低于0.1m/s。在一般的处理工艺流程中，水的流动完全靠重力，对于一个处理构筑物来说就是进水与出水的水位差，它是水流的推动力。对于氧化沟来说，除了进出水的20 重庆大学硕士学位论文3一体化奥贝尔氧化沟的工程设计很小的水位差和水下推进器的推动力外，主要靠曝气转刷(碟)对氧化沟混合液的推动所产生的提升水头h（局部水位差）。当曝气设备开动后，其下游水位被抬高，就产生了h。有人作出研究，证明提升水头与转刷浸没深度(I)和线速度(Vr)有如下关系：nmkVIrh（3.7）Y式中h——曝气转刷(碟)的提升水头m;I——转刷浸没深度m;V——转刷线速度m/s;rY——氧化沟水深m;k，m，n——试验常数。但公式(1)适合于转刷浸没深度和转刷线速度有一定的范围，过大的转刷浸没深度和转刷线速度会降低提升水头。另外，从混合推动力指标来看，Frh（3.8）gY式中h——曝气转刷的提升水头m;Fr——曝气转刷的混合推动力;3ρ——混合液密度(1000kg/m);2g——重力加速度(9.8m/s);Y——氧化沟水深m。由以上2个公式看出，提升水头与氧化沟的水深成反比，在设计氧化沟时应根据曝气转刷的推动力确定水深，否则，氧化沟水深太大，会影响混合液的平均流速，容易造成悬浮固体的沉淀。图3.1氧化沟平面示意图Fig3.1IchnographyofOD21 重庆大学硕士学位论文3一体化奥贝尔氧化沟的工程设计图3.1为氧化沟的平面示意图，设曝气转刷的下游的提升水头为h，取转刷轴线下上游的1—1、2—2断面，列能量方程：在2—2至1—1断面间22VV210+0+=h+0+-h+∑h2-1(3.9)2g2g22VV21∴=+∑h2-1(3.10)2g2g在1—1至2—2断面间22VV12h+0+=0+0++∑h1-2(3.11)2g2g22VV12∴h+=+∑h1-2(3.12)2g2g∴h=∑h2-1+∑h1-2=∑h(3.13)显然，提升水头等于混合液循环一周的水头损失或流至下一台转刷的水头损失。水头损失包括沿程水头损失hf和局部水头损失h1，把氧化沟作为明渠，沿程损失可用曼宁公式计算，即：2222nLV2gnLVh(3.14)f3/43/4RR2g式中R——水力半径m;L——氧化沟总长度m;n——沟壁粗糙系数一般钢筋砼沟壁n=0.013;V——氧化沟内的平均流速m/s。水力半径等于沟内的横断面除以湿周;氧化沟总长度包括直段和弯道长度;局部水头损失h1可由下式表示：2Vh1(3.15)2g式中——局部损失之和。根据氧化沟的构造情况，每台转刷下游均安装倾角为60°的倾斜挡流板，水流折向沟底，使全部沟深充分混合，也有在上游安装垂直挡流板，这样局部阻力系数包括弯道阻力系数kb、垂直挡板阻力系数kv和倾斜挡板阻力系数ki。对于弯道，其阻力系数kb=0.5～1.0，对于垂直和倾斜挡流板的阻力系数，有人得出如下关系：1.5kv=5.4β(3.16)1.5ki=4.3β(3.17)22 重庆大学硕士学位论文3一体化奥贝尔氧化沟的工程设计d(3.18)Yd式中d———挡流水下深度，m;Y———氧化沟水深，m。故氧化沟的总阻力系数K为：K=kf+∑kb+∑kv+∑ki(3.19)氧化沟总的水头损失为：2VhK(3.20)2g通过提升水头和水头损失的计算,可以保证氧化沟断面平均流速达到设计值,保证混合和推流达到设计要求,保持氧化沟中固体呈悬浮状态而不致沉淀,并校核满足充氧要求的曝气设备是否满足推进和混合要求,以确定是否安装水下推进器及其数量。23 重庆大学硕士学位论文4一体化奥贝尔氧化沟的工程实例4一体化奥贝尔氧化沟的工程实例4.1工程概况江津市是重庆市近郊重要的卫星城市之一，全市总面积3200km2，人口约50万，辖区内共有66个乡镇，市区现有人口16万人。江津市位于三峡库区，城区滨临长江，是沿江13个(不计重庆主城)重点城市污染源之一，占1999年沿江城市污水排放总量的8.47%。举世瞩目的三峡工程建成蓄水后，其水流速度减缓，自净能力随之降低，三峡库区生态环境特别是水体保护形势严峻。为了保证三峡工程的建设和安全运行，力争使环境污染和生态破坏加剧的趋势得到控制，库区各级政府对三峡库区的环境保护给予了高度重视。国家环保总局在环监(1992)054号文《关于三峡水利枢纽环境影响报告书审批意见的复函》中明确要求三峡成库后(2009年)三峡库区总体水质达到国家地面水环境质量标准的Ⅱ类水质标准。正是在这种情况下，出于保护三峡库区水体水质和生态环境的需要和提高江津人民生活质量并保持江津经济的可持续发展，根据江津市城市总体布局和城市排水规划，实施了江津德感污水处理厂工程项目（2001年）。重庆江津德感污水处理厂服务范围：江津市德感镇（城市副中心，市区三镇之一）。4.1.1建设规模江津德感污水处理厂近期建设规模为1万立方米/日(2005年)，2010年规模为2万立方米/日，2020年规模为3万立方米/日。4.1.2污水处理工艺流程根据污水处理厂进水水质、出水水质和所要求的处理程度分析：江津德感污水处理厂主要污染物COD去除率达到80%以上，BOD去除率接近90%，总磷去除率为92.9%，氨氮的去除率为75%。对污水处理工艺选择应十分慎重，本设计的污水处理工艺选择针对江津市污水量和污水水质以及经济条件，综合考虑工艺的适应能力、调节灵活性、投资能耗、占地和操作管理等因素，最终采用一体化奥贝尔氧化沟工艺。通常情况下，城市污水处理厂的工艺流程包括预处理段、一级处理段、二级生物处理段和污泥处理段。㈠一级处理段预处理段包括粗、细格栅、提升泵房和沉砂池，这是污水处理厂必备的工段。通常，同样的预处理构筑物和设备选择可以满足不同类型的生物处理工艺的预处24 重庆大学硕士学位论文4一体化奥贝尔氧化沟的工程实例理要求，在本工程方案选择中，选用同样的预处理段单元构筑物及设备，不再进行论证。一级处理段指初次沉淀池，是机械处理方法。污水进行初沉后，SS降低50%左右。BOD5相应降低20～30%，但对于NH4-N和TP的去除很少。初沉后的污水C：N及C：P的比值都降低许多。虽然初沉池可有效的去除SS、BOD5，降低二级生物处理的工程费和运行费，但由于本工程进水浓度较低，而最终的处理程度是要达到除磷脱氮，为保证生物除磷脱氮C：N及C：P的基本比值需要，本工程工艺流程中不宜设置初沉池。为此，工艺方案的选择中，均按无初沉池的工艺流程进行设计。㈡二级处理段本厂污水二级处理工艺采用奥贝尔氧化沟，一般来说出水中氨氮能控制在15毫克/升以下，但为了同时使磷含量稳定达到0.5毫克/升以下，加设厌氧生物池，并增加化学除磷。考虑到江津德感污水处理厂处理规模较小，为节约占地，节省管道投资，采用氧化沟与二沉池合建式，即一体化奥贝尔氧化沟，其主要技术特点如下：⑴每座氧化沟由二个同心圆型沟道组成，污水由外沟道进入池内，然后再分别进入中间沟道和内沟道，最后经中间岛流出。⑵在各沟道上安装有转碟曝气盘，控制外沟道溶解氧接近0～0.5mg/L；内沟道溶解氧为1.5～2.0mg/L，保证BOD5的去除率和最终的脱氮。⑶转碟曝气盘由轻质玻璃钢或聚乙烯耐温材质模压制成，盘表面密布凸起的三角形齿结，使其在与水体接触时可将污水打碎成细密水花，提高了充氧能力和混合能力。通过改变转盘的旋转方向、浸水深度，转速和数量，可以调整其传氧能力和电耗水平。⑷根据停留时间的长短，污水在外沟道流动（水平流速约0.7m/s）150～250圈后才能进入内沟道，经过有氧、无氧区的交换达500～1000次(次数多少取决于沟道上设置了多少道转盘)，从而完成了有氧、无氧的快速交换。由于外沟道溶解氧平均很低，甚至为0mg/L，所以氧传递作用是在亏氧条件下进行的，故提高了氧传递效率，达到了节约能耗的目的。同时有利于活性污泥的生物絮凝和生物脱氮，在好氧区聚磷菌在富氧条件下可过量吸收水中的磷，从而实现除磷。⑸由于快速的循环交换，污水在外沟道进行硝化反硝化的同时，又不断与刚刚进入的原污水混合，保证了充足的碳源。为了保证生化处理效果，同时与生物除磷技术更好的结合及简化工艺流程和提高二沉池的沉淀效率，设计考虑除磷剂投加点在内沟中间曝气转蝶前，利用转蝶达到搅拌的目的，从而使生物不能降解的磷被化学法处理掉。25 重庆大学硕士学位论文4一体化奥贝尔氧化沟的工程实例污水处理工艺流程如下：进水井→粗格栅间→进水泵站→细格栅间→旋流沉砂池→分配井→流量计井→厌氧生物池→奥贝尔氧化沟→二次沉淀池→出水↑加药除磷↑消毒㈢污泥处理段在污水处理过程中必然产生大量含水率很高的污泥，这些污泥具有体积大、易腐败、有恶臭的特点，如不加处理，任意排放，将引起严重的二次污染，因此污泥的处理与处置十分必要。城市污水处理厂污泥的处理流程应根据污泥的最终处置方法确定。在国内外，常用的污泥最终处置方式有如下几种：填地、填海、造地、焚烧、农田利用国际上近来趋向农田利用(包括园林绿化)、填地和污泥焚烧。由于污泥焚烧投资高、运行费用高，国内极少采用。污泥含有促进植物和农作物生长的氮、磷、钾等营养元素，有机物分解产生的微生物，可改良土壤，避免板结。在国内外污泥农田利用处置被广泛采用。江津德感污水处理厂采用的工艺为奥贝尔氧化沟，曝气时间长，污泥性质稳定，故设计考虑对剩余污泥采用机械浓缩与机械脱水的方式，经带式压滤机脱水后，由运输车辆运至江津市城市垃圾场进行集中处置。4.2奥贝尔氧化沟配套设备及其它构筑物设计4.2.1粗格栅间粗格栅间平面尺寸：8.0米×4.0米。粗格栅间内安装有2套回转式格栅除污机、1台螺旋输送机、闸板阀等设备。粗格栅70度倾斜安装，定时启动栅耙清除栅渣，并联动螺旋输送机，把栅渣输送至栅渣箱，以便外运。主要设备参数：a．机械粗格栅2套设备宽：1.00米栅槽宽度：1.10米栅槽深度：4.90米栅前水深：0.50～0.80米过栅流速：0.5～1.0米/秒控制方式：根据格栅前后液位差由PLC自动控制清污动作，同时设定时和手动控制。b．螺旋输送机：U260，1台长度：4.0米26 重庆大学硕士学位论文4一体化奥贝尔氧化沟的工程实例4.2.2进水泵站污水处理厂近期工程平均设计流量Q=416.7立方米/小时，最大设计流量Qmax=658.4立方米/小时，总变化系数K总=1.58。进水泵站设四台可提式不堵塞离心潜水泵，三用一备。处理规模为2万吨时更换2台水泵，处理3万吨时再更换另外2台水泵。主要设备参数：设计流量Q=220立方米/时设计扬程H=10.0米配套电机11KW，380V，50HZ进水泵站结构：现浇钢筋混凝土结构控制方式：根据吸水池水位变化，由PLC自动控制水泵的开停，根据累计运行时间水泵轮换运行，同时设手动控制。其平面尺寸为：4.8米×6.0米4.2.3细格栅间在细格栅间内安装回转式固液分离机两台，螺旋输送机，栅渣压实机等设备。主要设备参数：回转式固液分离机2台设备宽度0.80米卸料高度0.6米安装角度65°栅渣压实机1台能力3.0立方米/时螺旋输送机1台长度L=5.5米控制方式：根据格栅前后的液位差，均由PLC自动控制清污动作，同时设定时和手动控制。4.2.4旋流沉砂池本厂的沉砂池采用旋流沉砂池，具有占地面积小，沉砂效果好，安装使用方便等优点；避免曝气沉砂池中快速生物降解有机物降解而影响生物除磷。本厂设两座沉砂池，直径3.05米，与沉砂池配套的设备有两台鼓风机，一用一备，用于提升沉砂；一台砂水分离器，用于分离气提泵抽送的砂水混合液，以便沉砂外运。主要设计参数：a．搅拌桨：2套池体直径：3.05米27 重庆大学硕士学位论文4一体化奥贝尔氧化沟的工程实例最大能力：1000立方米/小时b．气提泵：2套能力：10立方米/小时空气量：35立方米/小时压力：H=50KPac．鼓风机：2台(一用一备)空气量：35立方米/小时压力：H=50KPad．砂水分离器：1台能力：40立方米/小时沉砂池结构：现浇钢筋混凝土结构。4.2.5分配井在旋流沉砂池后设分配井一座，容积31.5立方米，平面尺寸3.5×2.0米，现浇钢筋混凝土结构。4.2.6厌氧生物池由于本厂对除磷要求较高，因此设厌氧生物池。来水首先进入厌氧生物池，在厌氧条件下，聚磷菌分解体内的多聚磷酸盐产生能量，并释放出磷酸盐，维持聚磷菌的代谢，为聚磷菌吸收磷创造条件。主要设计参数：设计流量：10000立方米/日停留时间：1.0小时有效容积：660立方米潜水搅拌器：1台，7.5KW4.2.7奥贝尔氧化沟氧化沟为钢筋混凝土结构，近期建一座，处理能力为10000立方米(远期根据具体情况再增设两座)，单池分为外沟道及内沟道两个沟道，两个沟道的中心部分为二次沉淀池。外沟道溶解氧为0～0.5mg/L，进行硝化、反硝化及有机物的降解；内沟道溶解氧为1.5～2.0mg/L，保证充分好氧状态，进行BOD5的进一步去除和磷的吸收，保证出水水质。氧化沟设置两处出水调节堰，用于调节氧化沟内转碟的浸没深度。主要设计参数：3设计流量Q=10000m/d泥龄15d污泥负荷0.056kgBOD5/kgMLSS·d28 重庆大学硕士学位论文4一体化奥贝尔氧化沟的工程实例3容积负荷0.25kgBOD5/m·d污泥回流比100%污泥产率Y=1.20kgDS/kgBOD5污泥浓度4500mg/L有效水深4.3m曝气方式曝气转蝶3外沟道容积4215m外沟道沟宽6.5m3内沟道容积3029m内沟道沟宽6.5m3氧化沟总容积7244m外沟道溶解氧0～0.5mg/L外沟道转蝶数104内沟道溶解氧1.5～2mg/L内沟道转蝶数72水力停留时间17.37h主要设备参数：数量6套转蝶转速50rpm转蝶轴长6.5m转蝶直径1.4m电机功率18.5KW出水调节堰：数量2套堰宽1.2m可调范围500mm氧化沟的控制既可现场手动控制又可由PLC自动控制。4.2.8二次沉淀池采用辐流式沉淀池，周边进水，周边出水，直径27.0米。沉淀池位于奥贝尔氧化沟中部，采用双面三角齿形堰出水，经环形集水渠收集后直接排入接触池。用半桥式中心驱动刮吸式刮泥机，沉泥通过污泥槽排放到中心环形槽中，通过液位差流到污泥泵站。29 重庆大学硕士学位论文4一体化奥贝尔氧化沟的工程实例主要设计参数：数量1座池径27.0米表面负荷1.2立方米/平方米·时有效水深4.0米4.3污水处理厂的运行情况4.3.1污水厂进、出水水质现状污水水质实测：江津市环境监测站2001年5月18日对北固门、东门口两处有代表性的排污口的原污水进行了取样监测。每个排污口分早、中晚各采样十次，两个排污口十次实测水质算术平均值见表4.1。表4.1实测原污水平均水质表单位：mg/LTab4.1theaveragewater-qualitysurveyed项目北固门东门口平均值范围值CODcr261.15189.85225.5164.2～290.7SS339.6346.9343.25281～386BOD5156.84113.54135.1999.1～175.9NH3-N57.951.1554.52537.8～65.6TP7.6687.0727.374.22～8.99实测值和我国一般城市混合污水水质比较NH3-N及TP偏高，其他项目则基本相当。设计污水厂进水水质：根据实测及推算的污水水质，结合国内已建污水处理厂的水质状况，并留出适当的余地，污水处理厂设计进水水质取值见表4.2。表4.2设计进水水质单位：mg/LTab4.2Water-qualityplanned项目BOD5CODcrSSNH3-NTP进水水质180300350607.030 重庆大学硕士学位论文4一体化奥贝尔氧化沟的工程实例出水水质及处理程度：污水处理厂出水水质及处理程度取决于污水处理厂处理水的最终出路和受纳水体的纳污能力。本污水处理厂的受纳水体为长江，三峡成库后，水体要求达到地面水Ⅱ类水质标准，两江的河流原特征转变为库区的特征，水深加大，流速降低，稀释能力下降。因此处理后的水质必须达到国家标准GB8978－1996《污水综合排放标准》中的一级标准，确定本污水处理厂处理后出水水质为：CODcr≤60mg/LBOD5≤20mg/LSS≤20mg/L3POP≤0.5mg/L4NH3-N≤15mg/L处理程度：根据进水水质和所要达到的出水水质标准，江津德感污水处理厂各主要污染物去除率见表4.3。表4.3污水处理程度Tab4.3TheDegreeofWaste-WaterTreatment污染物指标进水水质(mg/L)出水水质(mg/L)去除率(%)CODcr3006080.0BOD51802088.9SS3502094.33POP70.592.94NH3-N601575.04.3.2江津德感污水处理厂最近的运行数据江津德感污水处理厂自2003年5月建成运行以来，运行状况良好，经处理后的污水完全达到国家关于污水处理厂出水的各项排放标准。其最近的监测数据如下表4.4—4.6。31 表4.4日期：2005.5.2星期一晴Table4.4项目采样CODcrBOD5SSTPTNNH3-N色度采样点PH数据时间(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(倍)进水9：00大门口7.27188.24901272.1932.1814.37出水9：00出水口7.0731.37910.50.4416.465.5610去除率839092804961（%）GB18918-20026～96020201.520830采样工艺水温MLSSMLVSS(g/SVINO2-NNO3-NNH3-NDOTN微生物镜检采样点SV30(%)时间状态（℃）(g/L)L)(mL/g)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(个钟虫/片)#污泥2停其9：00见备注235.32.3771.26822.30.566.58.872.0127.3937性能余运行备注：1#曝气机前DO探头处混合样 表4.5日期：2005.5.3星期二阴Table4.5项目采样CODcrBOD5SSTPTNNH3-N采样点PH色度(倍)数据时间(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)进水9：00大门口7.3166.141111322.133.0413.66出水9：00出水口7.0834.8710110.3916.765.3910去除率799092814961（%）GB18918-20026～96020201.520830采样工艺水温MLSSMLVSSSVINO2-NNO3-NNH3-NDOTN微生物镜检采样点SV30(%)时间状态（℃）(g/L)（g/L)(mL/g)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(个钟虫/片)#2停其污泥性能9：00见备注235.72.2791.300250.596.318.451.8226.4147余运行备注：1#曝气机前DO探头处混合样 表4.6日期：2005.5.4星期三晴Table4.6项目采样CODcrBOD5SSTPTNNH3-N色度采样点PH数据时间(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(倍)进水9：00大门口7.21160.97103.61502.2133.2813.83出水9：00出水口7.0931.4112.3150.3916.394.8910去除率808890825165（%）GB18918-20026～96020201.520830采样工艺水温SV30MLSSMLVSSSVINO2-NNO3-NNH3-NDOTN微生物镜检(个采样点时间状态（℃）(%)(g/L)（g/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)钟虫/片)#2停其污泥性能9：00见备注23.163.0021.421200.585.679.521.5924.6959余运行备注：1#曝气机前DO探头处混合样 重庆大学硕士学位论文4一体化奥贝尔氧化沟的工程实例污水处理厂运行情况分析江津德感污水处理厂自2003年5月建成以来总体运行情况良好，当前进水水质水量稳定，微生物生长迅速，一体化奥贝尔氧化沟运转正常，出水水质基本达到设计要求。江津德感污水处理厂规模较小，其设计水力停留时间为15小时。由于监测期间已开始进入夏季，水温在20℃以上，这对各种微生物的生长较为有利。进水的PH值在中性稍偏碱性，对微生物的生长较为有利。由上表可看出：⑴该污水处理厂由于有厌氧池，故氧化沟进水COD和BOD5的值均较小。经厌氧池处理后BOD5/CODcr大约在47.8%—66.8%波动，说明污水的可生化性较好。污水进水水质的其它指标如SS、TN、TP、NH3-N等污染物在厌氧池均也得到一定程度的去除。⑵一体化奥贝尔氧化沟运行稳定，对COD、BOD5、SS、TP的去除率均较高，对TN和NH3-N虽然并没有达到预期的去除效率，但仍然能达到相应的出水标准。除磷效率较高是因为有厌氧池和化学加药作为保证，但监测期间只运行了厌氧池，没进行化学加药。⑶由上表可得出：污水的BOD－污泥负荷大约在0.03～0.04kg/kg·d之间，属低负荷运行，这对污水处理达标是比较有利的。加上本工艺污泥龄较长，因此，该厂污泥产量较少。⑷该厂SV30较低，故污泥沉降性能良好，SVI值较低，该厂不易发生一般氧化沟工艺容易出现的污泥膨胀问题。⑸该厂实测MLSS在2200mg/L以上，微生物生长良好，且污水厂出水中出现大量后生动物轮虫等，说明水质很好。⑹由上表可看出，污水总氮和氨氮去除率不是很理想，这是由于本工艺由两道沟组成，比一般奥贝尔氧化沟少了一道缺氧沟，致使硝化和反硝化反应的进行不完全，虽然除氮效率降低，但仍然满足出水水质。综上所述，一体化奥贝尔氧化沟在德感污水处理厂获得了成功的应用，其良好的出水水质，污泥性能和较为方便的管理、较低的运行成本使其成为极具竞争力的污水处理工艺。根据经验，随着污水处理量的增加，虽然总的成本在加大，但污水单位处理成本将下降。35 重庆大学硕士学位论文4一体化奥贝尔氧化沟的工程实例表4.7江津德感污水处理厂经济指标：Tab4.7TheeconomicindexofJiangJinWaste-WaterTreatmentPlant指标项目单位四月3污水处理量km423总耗电量kw·h1718193污水单位电耗kw·h/km406.19总耗除磷剂量kg2650总耗絮凝剂量kg243自来水消耗量m221933污水单位耗自来水量m/km5.24干固污泥量T4.5干泥单位耗药量kg/T5.33出厂水质综合达标率%10036 重庆大学硕士学位论文5结论5结论一体化奥贝尔氧化沟在德感污水处理厂整体性能良好，奥贝尔氧化沟比较适应当地的城市污水，二沉池也发挥良好的沉淀分离作用，其出水水质各项指标全部达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）相应排放标准。而且一体化奥贝尔(Orbal)氧化沟兼具了奥贝尔氧化沟和一体化氧化沟的优点，在污水取得较好的处理效果情况下，免除了污泥回流系统，节省了占地，同时也方便维护和管理。结合江津德感污水处理厂设计和建成以来实际运行情况，如对污水厂设计和运行采取以下措施，污水处理效果还可以进一步提高：⑴设计时认真调查原水的水质情况，针对原水水质特点和出水水质要求，合理选择设计和运行参数。奥贝尔氧化沟的池深不宜过大，否则运行中会出现池表层水流动、池底部水静止的现象；从溶氧和混合的角度，考虑曝气盘的数目、转速及功率；从水流混33合的角度讲，1.0kw的功率能混合250m～500m的混合液，并使固体保持悬浮。⑵提高水质的可生化性，是保证奥贝尔氧化沟对有机污染物处理效果的关键因素。城市污水的可生化性一般均能满足生化处理的要求，本工程中加设的厌氧池对提高污水可生化性就起到了一定的作用。奥贝尔氧化沟生化反应进行的程度影响有机污染物的降解效果，只有创造有利于微生物生长繁殖的条件，才能有效地发挥微生物的降解功能。⑶提高自动化管理水平。自动化管理应上挡次、上水平，不仅应能再现奥贝尔氧化沟的重要检控指标，而且应对系统出现的问题及时调整。同时，应加强对职工，特别是一线职工的定期或不定期技术培训工作，提高他们的技术和技能水平，从而避免或减少工作失误，降低运行成本。总之，选用奥贝尔氧化沟工艺，应合理选择设计和运行参数，针对水质条件和出水水质标准，采取切实可行的技术对策，克服不利生化处理的因素，强化生化处理的环境条件。37 重庆大学硕士学位论文致谢致谢在本论文的选题、构思和写作过程中自始自终受到了导师何强老师、饶思源教授级高工的悉心指导和教诲！文章的字里行间凝聚着他们无微不至的关心和辛勤汗水，在论文完成之际，谨向他们致以最衷心的谢意。在我四年硕士研究生学习阶段，还得到了张智老师、郭劲松老师、吉方英老师、彭绪亚老师、张勤老师、田胜元老师、蔡增基老师、刘国成老师、刘丽英老师、何跃老师、翟俊老师、司有和老师、李娟老师、王维辛等老师和李宏同学以及重庆市环保局各位同事的关怀、支持和帮助，在此，我一并向他们表示最诚挚的感谢！况力二OO五年十月38第一淘第二淘+R)S机池【_二焦)s＼／。(L茸④仲一④埘一 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