（环境工程专业论文）一体化氧化沟生物脱氮研究.pdf

摘要 我国水资源的贫乏和水污染的严峻现实要求加大污水处理的力度和提高污 水处理率。我国在中小城市污水处理方面由于缺乏适用技术，缺乏资金和管理经 验致使中小城市污水处理发展较慢、普及率较低，从总体上延缓了我国污水处理 率的提高。一体化氧化沟工艺技术由于投资低、占地少以及运行费用省而成为首 选工艺。 本文首先通过小试一体化氧化沟对合成生活污水的脱氮试验研究得出：进水 氨氮浓度从1 2 4 m g l 逐步提高到3 9 7 2 m g 1 ，出水氨氮浓度保持在2 m g 1 以下， 去除率保持在9 5 以上，硝化效果受到碱度的影响；迸水c o d c r 为1 9 0 8 6 4 0 0 2 5 m g l ，出水c o d c r 保持在1 5 m g l 以下，去除率在9 5 以上，没有受到碱 度等的影响。由于反应装置较小，不易控制溶解氧浓度，使得氧化沟中缺乏必需 的厌氧区，反硝化效果欠佳。 通过中原油r ；j 污水处理厂生产性一体化氧化沟( 2 x 1 0 4 1 - 1 1 3 d ) 中的流速分布 测定，分析了氧化沟中的流态以及能量布置的合理性，并对今后一体化氧化沟中 的水力推动设备和曝气设备的布置提出了建议。 根据同时硝化反硝化理论，进行工艺优化。控制一体化氧化沟中的d o ，从 平均2 0 左右下降到平均1 0 左右，试验结果表明具有良好的脱氮作用。 出水c o d c r 略有升高，但是仍然在6 0 m g l 以下，达到国家标准；硝化菌的 生命活动受到影晌，出水氨氮浓度升高，平均为5 m g 1 ；出水n 0 3 - n 浓度出2 5 3 7 m g l 下降到2 0 m g 1 以下，有时甚至不超过l m g l ；总氮去除率由4 0 左右大 幅上升到6 0 左右，出水平均由2 9 m g l 下降到1 5 m g 1 ；厌氧区的释磷受到n 0 3 - - n 的于扰，t p 去除率受到影响；降低d o 以后改善了活性污泥性能，出水s s 有所 下降。 除了d o ，c o d c r t n 比也影响t n 的去除效果。当c o d c r t n 在2 。5 9 7 2 3 之间变化时，与t n 去除率存在线性关系，t n 平均去除率由2 6 9 4 上升到4 8 7 1 ：当c o d c r t n 继续升高，t n 去除率提高不大。如果要继续提高t n 去除率， 则需要进行工艺优化。 关键词：一体化氧化沟脱氮溶解氧 a b s t r a c t w a t e rs h o r t a g ea n dw a t e rp o l l u t i o nr e q u i r es t r e n g t h e n i n gt h ew a s t e w a t e r t r e a t m e n ti no u rc o u n t r y b u to u rs m a l la n dm e d i u mc i t i e sa r es h o r to fs u i t a b l e t e c h n o l o g i e s ，c a p i t a la n de x p e r i e n c e si nm a n a g e m e n t ，w h i c hb l o c k st h ed e v e l o p m e n t o fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t b e c a u s eo fl o wi n v e s t m e n t ，l e s sa r e ao c c u p a t i o na n dl o w o p e r a t i o nf e e ，i n t e g r a t e do x i d a t i o nd i t c h e sb e c o m eo n e o fs u i t a b l et e c h n o l o g i e s a tf i r s t g o t s o m er e s u l t sf r o ml a b e x p e r i m e n t sb yt r e a t i n gm u n i c i p a l w a s t e w a t e r ： t h ei n f l u e n to fn h 4 + - nw a si m p r o v e df r o m1 2 4 m g 1t o3 9 7 2 r a g 1s t e pb ys t e p ， a n dt h ee f f l u e n tk e p tl e s st h a n2 m g l ，a n dt h en h 4 + nr e m o v a lr a t ew a sm o r et h a n 9 5 t h en i t r i f i c a t i o na f f e c t e d b ya l k a l i n i t y t h ei n f l u e n to fc o d e rw a sa b o u t 2 0 0 - 4 0 0 m g l ，w h i l ee f f l u e n to fc o d e rw a sl e s st h a n1 5 m g l ，a n dc o d e rr e m o v a l f a t ew a sm o r et h a n9 5 t h ea l k a l i n i t yd i d n ta f f e c tc o d e rr e m o v a lr a t e b e c a u s e t h e r ew a sl a c ko fn e c e s s a r ya n a e r o b i cz o n e ，t nr e m o v a lr a t ew a sa f f e c t e di n i n t e g r a t e do x i d a t i o nd i t c h f l o wp e r f o r m a n c e sa f f e c tt h et r e a t m e n ti no x i d a t i o nd i t c h e s ，w i t c hw a s a f f e c t e db yf l o wd r i v e ra n de o n t r a c t u r eo ft h eo x i d a t i o nd i t c h e s t e s t e dv e l o c i t i e s u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h e n a n a l y z e d t h e e n e r g yd i s t r i b u t i o n a n dr o t a t o r s l o c a t i o n s a c c o r d i n gt h et h e o r yo fs i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o no p t i m i z e d t e c h n o l o g ya n dc o n t r o l l e dt h ed oa b o u to 5 1 5 m g 1 a n dt h er e s u l t ss h o w sg o o d e f f e c t so nn i t r o g e nr e m o v a l t h ee f f l u e n to fc o d c rw a sh i g h e rs l i g h t l y ，b u ts t i l lu n d e r6 0 m g la n da c c o r d e d w i t hn a t i o n a lc r i t e r i o n t h ea c t i v a t yo fn i t r o b a c t e r i as l o w e dd o w n ，s oe f f l u e n to f n h 4 + nr o s e t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o nw a sa b o u t5 m g 1 e f f l u e n to fn 0 3 - n d e c l i n e df r o m2 5 3 7 m g 1t ou n d e r2 0 m g 1 ，a n ds o m e t i m e sw a su n d e rl m g i t n r e m o v a lr a t er o s ef r o m4 0 t o6 0 g r e a t l y ，a n de v e r a g ee f f l u e n to ft nf e l lf r o m 2 9 m g l t o 1 5 m g 1 ，w h i c ha c c o r d e d w i t ht h en e w e s ts t a n d a r d s2 0 m g 1 n 0 3 - n a f f e c t e dp r e l e a s ei na n a e r o b i cz o n e ，s ot pr e m o v a lw a sn o ts og o o d u n d e rl o wd o s l u d g es e t t l i n gc h a r a c t e r si m p r o v e d ，a n de f f l u e n to fs sd e c l i n e d b e s i d e sd o c o d c r t na f f e c t e dt nr e m o v a lr a t ea l s o w h e nc o d c r t nw a s b e t w e e n2 5 9a n d7 2 3 t h e r ei sa l i n e a r i t yb e t w e e nc o d c r t n a n dt nr e m o v a l l i r a t e ：t h e nt h et nr e m o v a lr a t ed i d n tr i s ew i t ht h er i s i n go fc o d c r t n i fi m p r o v e t nr e m o v a lr a t e ，s h o u l dc h a n g es o m ec o n d i t i o n s k e yw o r d s ：i n t e g r a t e do x i d a t i o nd i t c h ；n i t r o g e nr e m o v a l ； d i s s o l v e do x y g e n 1 1 1 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：主牢日期：2 f 年易月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：五毕 剔醛轹7 移萄 日期：沙玎年6 月7 日 日期：卫 ( 年占月f 夕日 第一章绪论 1 1 国内污水处理现状 水是人类生活和生产不可缺少的物资资源。我国人均占有水资源仅为 2 2 0 0 m 3 年，只相当于世界水资源平均水平的1 4 ，水资源严重短缺。随着人口的 快速增长、城市化进程的不断加快，淡水资源的需求和消耗量不断增大，相应的 城市污水和工业废水的排放量也不断增多。 2 0 0 4 年全国工业和城镇生活废水排放量为4 8 2 4 亿吨，其中工业废水排放量 为2 2 1 1 亿吨，生活污水排放量为2 6 1 3 亿吨。化学需氧量排放量为1 3 3 9 2 万吨， 其中工业排放量为5 0 9 7 万吨，生活排放量为8 2 9 5 万吨；氨氮排放量为1 3 3 0 万吨，其中工业排放量为4 2 2 万吨，生活排放量为9 0 8 万吨( 见表1 - l 近几年 全国废水及c o d 排放量) 。 表1 1 近几年全国废水及c o d 排放量1 0 l l t a b l e l - la m o u n to fw a s t ew a t e ra n dc o dl e t o u ti nr e c e n ty e a r s 项目废水排放量( 亿吨)c o d 排放量( 万吨)氨氮排放量( 万吨) 年度合计 工业 生活合计 工业 生活合计工、她 生活 一-；-。，。，。，。，。，一一 2 0 0 04 1 5 21 9 4 22 2 0 91 4 4 5 07 0 4 57 4 0 5 2 0 0 14 3 3 02 0 2 62 3 0 31 4 0 4 86 0 7 57 9 7 31 2 5 2 4 1 3 8 3 9 2 0 0 24 3 9 52 0 7 22 3 2 31 3 6 6 95 8 4 07 8 2 9 1 2 8 8 4 2 1 8 6 7 2 0 0 34 6 0 02 1 2 42 4 7 61 3 3 3 65 1 1 9 8 2 1 71 2 9 74 0 48 9 3 2 0 0 44 8 2 42 2 1 12 6 1 3 1 3 3 9 ：25 0 9 78 2 9 51 3 34 2 29 0 8 年度增 。4 8 45 50 40 4 0 92 54 51 7 由于我国污水处理设施的严重滞后，城市污水处理率仍然较低。2 0 0 3 年初， 我国已建污水处理设施4 0 0 余座，城市污水处理率仅3 0 ，二级处理率仅1 5 i o2 1 。 我国平均每1 5 0 万城镇人口才拥有一座污水处理厂，而美国平均每1 万人就j j 有 一座污水处理厂，法国和瑞典每5 0 0 0 人拥有一座，英国和德国每7 0 0 0 ，8 0 0 0 人 拥有一座 o3 1 。 随着我国城镇化速度的加快，城市生活污水的比例己高达7 0 以上，所以， 除了要刻不容缓地对大中城市的城市污水进行处理外，中小城镇污水也应该及时 处理，因而，加快中小城镇污水处理工程建设的步伐，已成为当前环境保护和市 政建设关注的重点。我国政府在2 0 0 1 2 0 0 5 国民经济发展第十个五年计划及 2 0 1 0 年目标纲要中指出“所有的城市要建设城市污水处理厂，2 0 0 5 年前全国 平均的城市污水处理率要达到4 5 ，2 0 1 0 年全国设市城市和建制镇的污水平均 处理率不低于5 0 ，设市城市的污水处理率不低于6 0 ，重点城市的污水处理 率不低于7 0 y - i 。2 0 0 1 年1 1 月建设部、国家环保总局、科技部联合颁布实施的 城市污水处理及污染防治技术政策也明确指出：“设市城市和重点流域及水 资源保护区的建制镇，必须建设二级污水处理设施”。 要达到上述目标，全国在2 0 0 5 年前要新增2 7 0 0 万t 污水处理能力，平均每 年增加4 5 0 万t 城镇污水同处理能力，2 0 0 6 2 0 1 0 年间要新增2 8 0 0 万t 污水同处 理能力，平均每年增加5 6 0 万t 城镇污水日处理能力。根据已建、在建污水厂的 实际情况，每吨水的造价一般为1 0 0 0 1 5 0 0 元，运行费用在0 8 1 0 元，因此， 据保守估计，即使建成一座日处理1 0 万t 的城市污水处理厂，一次性投资费就 需要1 0 至1 5 亿元，年运行费3 0 0 0 万元到5 0 0 0 万元。显然，对于经济不发达 的中小城市来说，建造与运行污水处理厂都是一个沉重的负担，因此必须开发和 推广适合国情的污水处理技术，这类技术应具有以下特点： ( 1 ) 吨水投资低，吨水投资应该控制在8 0 0 1 0 0 0 元之间。 ( 2 ) 运行费用低，吨水运行费用应该控制在0 5 元以下。 ( 3 ) 运行管理要求低、维护简单，使用寿命长。 ( 4 ) 工艺先进，运行稳定可靠。 1 2 氧化沟的特点及其发展应用 氧化沟是一种改良的活性污泥法，其曝气池呈封闭的沟渠形，因此被称为氧 化渠。早在1 9 2 0 年，在英国的谢菲尔德( s h e f f i e l d ) 首次建成氧化沟，采用浆 板式曝气机，但是曝气效果不理想。该处理厂被认为是现代氧化沟的先驱。1 9 5 4 年，帕斯维尔( p a s v e e r ) 将凯斯纳( k e s s e n o r ) 转刷用在荷兰v o o r s c h o t e n 的氧 化沟中，从此，才有了“氧化沟”这一专用术语。 1 2 1 氧化沟工艺的优点 氧化沟自问世以来，经久不衰的一个重要原因是氧化沟中混合液水力流态 好。它是在一个闭合沟渠中完成污水净化过程的，从理论上讲，它既具有推流反 应的特征，又具有完全混合反应的优势。前者使其具有出水良好的条件，后者使 其具有抗冲击负荷的能力。正是因为有这个环流，且有能量分区的缘故，使它具 有其它许多污水生物处理技术所没有有的优势： 1 处理工艺流程简单、构筑物少，用到的机械设备少。氧化沟工艺通常都不 设初沉池和污泥消化池，整个处理单元比常规活性污泥法少5 0 以上，操作管 理久火简化。 2 处理效果好且稳定可靠，不仅可以满足去除有机物的要求，且可以实现脱 氮除磷的深度处理要求。因此美国环境保护署( e p a ) 对不同生物处理工艺的工程 投资费用和运行费用的比较结果表明f o 制，当处理规模分别为3 7 8 5 m 3 d 和 3 7 8 5 0 m 3 d 时，氧化沟污水处理厂的工程投资分别为传统活性污泥法的5 0 和 8 0 。 3 氧化沟采用长泥龄和低有机负荷的运行方式。氧化沟泥龄长，一般为2 0 3 0 d ，长泥龄可以使硝化菌得到生长，故能满足脱氮的要求，而且产生的污泥量 少，排出的剩余污泥矿化度好，容易处置。氧化沟的有机负荷一般为0 0 5 o 1 5 k g b o d ( k g m l s s d ) ，能承受较大的负荷冲击。 1 2 2 氧化沟工艺的发展类型阳”州 i j 前应用较为广泛的氧化沟类型有以下几种。帕斯韦尔( p a s v e e r ) 氧化沟、 矗鲁塞尔( c a r r o u s e l ) 氧化沟、奥尔伯( o r b a l ) 氧化沟、交替式氧化沟( a 型、 v r 型、d 型、t 型氧化沟等和半交替式氧化沟) 和一体化氧化沟。这些氧化沟 由于在结构和运行上存在差异，因此各具特点。 1 2 2 1 帕斯韦尔( p a s v e er ) 氧化沟 1 9 5 4 年p a s v e e r 氧化沟在荷兰问世，采 用k e s s e n e r 转刷，沟型为跑道形，按时间顺序问歇运行，处理效果稳定可靠。 随着处理水量和有机负荷的增大，p a s v e e r 氧化沟连续运行，处理与沉淀分开， 出现了传统的氧化沟构筑形式( 如图1 - 1 所示) 。 图1 - 1 传统氧化沟工艺 f i g u r e l 一1c o m m o no x i d a t i o nd i t c hp r o c e s s 1 2 2 2 卡罗塞尔( c a r r o u s e l ) 氧化沟f 0 8 】c a r r o u s e l 氧化沟系列是由荷兰d h v 公司开发研制的。为了满足越来越严格的水质排放标准，c a r r o u s e l 氧化沟不断 发展，开发出了多种形式。1 9 6 7 年开发了第一代普通型c a r r o u s e l 氧化沟系统， 1 9 9 3 年推出c a r r o u s e l 2 0 0 0 系统，1 9 9 9 年又成功开发了c a r r o u s e l 3 0 0 0 系统，此 外还有卡鲁塞尔a c 工艺、卡鲁塞尔d e n i t l r 、四阶段卡鲁塞尔b a r d e n p h o 系统、 五阶段卡鲁塞尔b a r d e n p h o 系统等。 第一代普通型c a r r o u s e l 氧化沟( 如图1 2 ) 采用低速表面曝气机( o x y r a t o r ) ， 以去除有机碳为主要目的，兼具有一定的脱氮除磷效果。c a r r o u s e l 氧化沟的外 形象一个田径场的跑道，污水在沟内沿环形流道流动。各渠道问由纵向分隔墙所 隔断。在分隔墙的末端安装垂直轴低速表面曝气机。采用表曝机曝气系统，使得 c a r r o u s e l 氧化沟具有极强的混合搅拌与耐冲击负荷能力；表曝机的功率密度大， 平均传氧效率达到至少2 1 k g k w h ；从而使得氧化沟的沟深加大，可以达到5 m 以上，减少了占地面积和投资费用。 叶轮3 图1 - 2 普通型c a r r o u s e l 氧化沟工艺 f i g u r e l 2c o m m o nc a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c hp r o c e s s c a r r o u s e l2 0 0 0 系统在普通c a r r o u s e l 氧化沟前增加了一个厌氧区和缺氧区。 全部回流污泥和1 0 3 0 的污水进入厌氧区完成反硝化，同时厌氧区中的聚磷菌 水解聚磷，释放磷酸盐，并将v f a 同化成p h b 。厌氧区出水进入缺氧区以后， 进一步进行聚磷菌释磷和反硝化脱氮作用，最后进入c a r r o u s e l 氧化沟主体，在 富氧环境下聚磷菌过量吸磷，将磷从水中转移到污泥中，随剩余污泥排出系统。 这样，在c a r r o u s e l2 0 0 0 系统内，较好的同时完成了去除b o d 、c o d 和脱氮除 磷l ”。 c a r r o u s e l 3 0 0 0 ( 卡鲁塞尔3 0 0 0 ) 是在土地面积有限而地价又很昂贵的情况 下污水处理的最新解决方案。c a r r o u s e l 3 0 0 0 系统是在c a r r o u s e l 2 0 0 0 系统前再增 加个生物选择区，该选择区利用高有机负荷筛选菌种，抑制丝状菌增长，提高 污染物的去除率。该系统沟深可达8 米，不仅可减少所需的土地面积，同时仍然 其有c a r r o u s e l 2 0 0 0 的全部优点。不过在实际应用过程中c a r r o u s e l 氧化沟操作略 显复杂。 1 2 2 2 奥贝尔( or b a i ) 氧化沟 1 0 - 1 2 】1 9 7 0 年h u i s m a n 在南非开发了使用转盘 4 ( 或转碟) 曝气机的氧化沟，后被美国e n v i r e x 公司进一步发展成今天的o r b a l 氧化沟。o r b a l 氧化沟由多个同心的沟渠组成，沟渠呈圆形或椭圆形( 见图1 3 ) ， 进水通常从外沟引入，依次经过中沟、内沟最后从中心岛排出。从池型上看它属 于典型的推流式。三沟的体积比一般为5 0 5 5 ：2 5 - 3 0 ：1 5 - 2 0 。o r b a l 氧化沟一般采用转碟或转盘来充氧，采用的是0 1 2 工艺，即外沟的溶解氧为 0 0 5 m g 1 ，中沟的溶解氧为0 5 - 1 5 r a g 1 ，内沟的溶解氧为1 5 - 2 5 m g 1 。这样从 整体上氧化沟可以看作以外沟为厌氧，内沟为好氧的a o 工艺。同时在外沟， 转碟区为好氧区，但是由于进水b o d 浓度高，充入的氧很快被消耗掉，形成厌 氧段，所以外沟又可以看作是多个a 0 工艺的串联。所以氧化沟能够有效的脱 磷除氮。转盘或转碟有除了有充氧的作用以外，还起推动水流的作用，使污水与 污泥充分混合。 转碟 出水至二沉池 图1 - 3o r b a l 氧化沟工艺 f i g u r e i 一3o r b a lo x i d a t i o nd i t c hp r o c e s s 12 23 交替式氧化沟和半交替式氧化沟 在2 0 世纪六十年代初，丹麦从荷兰 引进了第一座交替式氧化沟。其后，在开发造价低，易于维护的交替式氧化沟处 理污水技术方面，积累了大量的经验和运行数据。交替式氧化沟又又分为a 型、 v r 型、d 型、t 型氧化沟等多种形式。 交替式氧化沟由几沟串联运行，交替地作为曝气池和沉淀池，一般以8 小时 为一个运行周期。该系统可获得十分优质的出水和稳定的污泥，同样不需没污泥 回流装置。若要同时除磷脱氮，对于双沟式氧化沟就需在氧化沟前后分别增设厌 氧池和沉淀池。交替式氧化沟的缺点是曝气转刷的利用率较低。双沟式氧化沟的 曝气转刷利用率只有3 7 5 。 在我国城市污水处理中，三沟式氧化沟工艺( 图1 - 4 为t 型氧化沟典型运行 周期示意图) 最早用于邯郸市东污水处理厂，其总处理规模为1 0 1 0 4 m3 d ， 一期为6 6 1 0 4 m 3 d ，系利用丹麦政府赠款建成。出水c o d 为3 0 m g 1 左右， 釜亩垄苫盔堂巫土鲞盈硷耋 t n 最高为2 0 m g l ，平均为1 2 r a g 1 左右【1 3 】。但是设备需要进口，初期投资大。 月麦政府捐赠8 0 2 0 万丹麦克朗，合人民币1 5 7 0 万元，主要用于购买进口设备。 但是其曝气设备利用率仍然只达到5 0 。 2 5 h r 0 5 h r 1 0 h r 2 5 h r0 5 h r1 0 h r n - - n i t r i f i c a t i o nd - d e n i t r i f i c a t i o ns - s e d i m e n t a t i o n 图1 - 4t 型氧化沟典型运行周期示意图 f i g u r e l 4s k e t c hm a po ft y p i c a lw o r kp e r i o di nat - o x i d a t i o nd i t c h 半交替式氧化沟主要是d e 型氧化沟，运行方式与t 型氧化沟相似，不过二 沉池分开修建。在d e 氧化沟工艺前增设厌氧选择器可以提高脱氮效率。 1 。2 3 一体化氧化沟工艺阳5 1 4 。16 1 2 3 1 污水处理的一体化发展趋势简易、高效、经济是污水处理技术发展的 力向，一体化是污水处理发展的一种趋势。总的来说一体化技术有三种情况： 第一种一体化技术是指曝气和沉淀工序在同一反应池内完成按时问顺序调 6 配对污水进行序批处理。如s b r 技术，它对自动控制依赖较强且涉及许多国外 知以产权问题。 第二种一体化技术是指安排多个空间进行空间调配交替完成反应和沉淀过 程。如双沟式氧化沟、三沟式氧化沟等，但是其有效利用空间或时间较低，存在 部分的设备闲置和能量浪费。 第三种体化技术与前两种有所不同的是不作时间和空间调配只通过池型 和构造上的改进在同一空间的不同区段分区优化分别完成反应曝气和沉淀过程。 如本论文所研究的一体化氧化沟。一体化氧化沟：t 艺相对于第二种一体化工艺而 言，空间或时间得到最大程度的利用，设备也得到最大的利用，从而节省投资、 减少能耗。 1 ，2 3 ，2 一体化氧化沟的类型一体化氧化沟的概念在2 0 世纪8 0 年代初由美国 最先提出，接着国内重庆大学、清华大学、中南市政工程设计院、西北市政工程 设讨院、华南理工大学相继进行了研究和探讨。其最主要的特点是曝气池与沉淀 池合壁共建，极大的节省占地面积；工艺流程短，不需要另外的污泥回流系统。 根据沉淀池置于氧化沟的部位可以分为三大类： 一类是沟内式。一体化氧化沟，如b o a t 式，主要优点是节省占地面积，但是 由于主沟水流从固液分离器组件底部流过，流态复杂，不利于固液分离和污泥回 流； ，：类是中心岛式氧化沟，消除了沉淀池对流态的影响，减少了水头损失，节 约能量，同时减少占地； 三类是侧沟式一体化氧化沟( 如图1 5 所示) ，即在一条沟内安装有侧沟式 固液分离器，主要优点是减少主沟和固液分离器间流态的相互影响，水力条件较 为优越，整体效率高。 出水侧沟固液分离器 图1 - 5 侧沟式一体化氧化沟 f i g u r e l 一5s i d e - c h a n n e li n t e g r a t e do x i d a t i o nd i t c h 侧沟式一体化氧化沟中的混合液流经固液分离器的底部时，由于水位差的作 用而进入分离器的内部。混和液在分离器底部的由于斜板的作用而消能，从而改 变污泥颗粒的运动方向，使其向斜上方运动。同时污泥颗粒在自身重力作用以及 水力阻力的作用下，污泥絮体向上运动的速度逐渐减小，直至静止，形成一个悬 浮的活性污泥层。而这一污泥层不断捕捉向上运动的污泥絮体，致使污泥比重加 大，部分污泥顺着固液分离器组件而自主回流至主沟中；上清夜则从上部出水堰 排出( 图1 - 6 ) 。因此从结构和流态上看，侧沟式固液分离器就相当于一个底部 进水，上部出水的二沉池。 出水堰 图1 - 6 侧沟工作示意图 f i g u r e l - 6t h ew o r ko fs i d e c h a n n e l 1 2 3 3 一体化氧化沟技术在当前城镇污水处理技术中的优势 一体化氧化 沟集曝气、沉淀、泥水分离和污泥回流功能于一体，无需建造单独的二沉池，因 此工艺流程短、构筑物和设备少、投资少、能耗低、占地少。 处理效果稳定可靠，其b o d 5 、s s 去除率均在9 0 9 5 ，c o d 去除率 8 5 ， 并且硝化脱氮作用明显。 剩余污泥量少，污泥性质稳定、无需消化、易脱水，不会带来二次污染。 造价比s b r 工艺低，建造快，设备事故率低，运行管理工作量小，简易 可靠。 抗冲击负荷能力强，适用于处理各种浓度的污水，处理效果稳定。 1 2 3 4 一体化氧化沟的应用据1 9 8 7 年统计，在美国已有9 2 座一体化氧化沟， 较有代表性的是联合工业公司( u n i t e di n d u s t r i e s i n c ) 的船式沉淀器( b o a t ) 、 a r m c o 环境企业公司的b m t s 系统，e i m c o 公司的c a r r o u s e l 渠内分离器，湖滨 ( l a k e s i d e ) 设备公司的边墙分离器以及l i g h t n i n 公司的导管式曝气内渠和边渠 沉淀分离器，还有e n v i r e x 公司的竖直式氧化沟【”】。在国内，许多学者研究开发 了诸如立体循环式一体化氧化沟1 1 8 】、船式一体化氧化沟工艺、侧沟式一体化氧 化沟i 】9 j 等，并在四川新都建成一座处理污水规模为1 0 0 0 0 m 3 d 的侧沟式体化 氧化沟污水处理示范工程。该工程总投资7 6 1 万元( 含征地费) ，每m 3 水投资为 7 6 1 元，每m 3 水电耗为0 2 5 k w h 左右、占地为o 4 m2 。运行实践表明侧沟式 一体化氧化沟技术处理中小城市污水处理效果稳定出水水质好能达标排放。近几 年il | 东采用一体化氧化沟技术较多，其次是四川，建成运行和正在建造的达2 0 多处。 一一体化氧化沟技术是符合我国国情的、有发展潜力的一项污水处理技术，值 得我们进行进“一步研究探讨。 1 3 生物脱氮机理 1 3 1 传统脱氮理论 生活废水中的氮一般由有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮组成。传统的 生物脱氮包括硝化和和反硝化两个生化过程。硝化菌与反硝化菌由不同的菌种组 成，而这两种菌种对环境条件的要求不同，所以这两个过程不能同时发生，而只 能是序列式进行，即硝化反应发生在好氧的条件下由自养菌完成；反硝化反应发 q i 在缺氧和厌氧的条件下由异养菌完成。 13 1 1 传统硝化过程 硝化反应包括两个基本的步骤：由亚硝酸菌 ( n i t r o s a m i n e s ) 参与氨氮转化成亚硝酸盐( n 0 2 一) ，接着亚硝酸盐氮在硝酸盐菌 ( n i t r o b a c t e r i a ) 作用下转化成硝酸盐( n 0 3 ) 。亚硝酸菌包括亚硝单胞菌属、亚 硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属等。硝酸菌有硝酸杆菌属、螺菌属和球菌属等。皿 硝酸菌与硝酸菌统称为硝化菌。硝化菌都属于专性好氧菌，在有氧条件下利用 c 0 2 、c 0 3 。和h c 0 3 一作为碳源，通过氧化n h 3 、n h 4 + 或n 0 2 来获得能量。其反 应过程可以由下式表示1 2 0 。2 1 】： 半0 + 5 + 2 f n h ：+ 鲁h c o ；一c s h 7 0 2 n + i n o ；。， + 生盟日+ + 兰盟日o 1 - ! l0 2 + 1 0 + 6 。3 f 5n h ：呜峭一嘉c s h t 0 2 n + i n o i ( 1 2 ) + 兰堕h + + 业h ，o 1 56 0 式中f s ( o f s 1 ) 为电子供体用于细胞( c s h 7 0 2 n ) 合成的分量。由式( 1 - 1 ) 可 以算出将1 9 氨氮氧化成亚硝酸盐氮的最大耗氧量为3 4 3 9 ，最大碱度消耗量为 4 1 2 9 ( 以c a c 0 3 计) ；由式( 1 - 2 ) 可以算出将1 9 氨氮氧化成硝酸盐氮的最大耗 9 氧量为4 5 7 9 ，最大碱度消耗量为5 1 8 9 ( 以c a c 0 3 计) 。 在稳定条件下，硝化菌将n h 4 + n 氧化成n 0 2 。n 所产生的能量为2 4 2 8 3 5 1 7 k j m o l ，将n 0 2 n 氧化成n 0 3 - n 所产生的能量约为6 4 5 8 7 5 k j m o l ，所 以要想获得相同的能量，就必须要氧化更多的n 0 2 - n 1 2 2 3 1 。也就是说在一般的 好氧反应器中，将n h 。+ n 氧化成n 0 2 - n 是完全硝化过程的速度限制步骤， n 0 2 - n 氧化成n 0 3 。n 的速度快，一般不存在n 0 2 n 的累积。 1 3 1 2 反硝化过程反硝化过程是指在缺氧条件下，反硝化菌利用污水中的有 机物作为电子供体，以硝化过程产生的硝酸盐氮或亚硝酸盐氮代替分子氧，作为 最终的电子受体，同时将其还原成n 2 的过程。 从生化反应的物质平衡与电子流守衡原理出发，以电子供体用于细胞 ( c 5 h 7 0 2 n ) 合成的分量f s 和l m o l 电子当量为基础( 以1 4 ( c o d ) 代替l m o l 电子供 体) ，推导出精确的生物脱氮过程反硝化反应的计量学方程式为1 2 0 - 2 1 1 ： ( 1 ) n o ；以n 0 3 。为氮源，进行完全反硝化时： ；( c o d ) + 孚n o ；一轰8 c 5 h 7 0 2 + 等2 t + ( 其它) s ， n o ；以n 0 3 为氮源，反硝化成n o z 时： 三( c o o ) + 半n o ；一去c ，h ，0 2 n + 1 - 。l u o it + ( 其它) ( 1 - 4 ) ( 2 ) n o 。以n 0 2 一为氮源，进行完全反硝化时： 丢1 c o o ) + 与竽们净= ：r 。c ，日7 0 2 + 半2 t + ( 其它) ( 1 - s ， ( 3 ) n o ；以n h 4 + 为氮源，进行完全反硝化时： 三( c o o ) + 半加；+ 嘉m 卜= 嘉c ，印：+ 等+ ( 其它) ( 1 - s ) 通过上述各种反应，废水中的氮通过硝化反硝化途径而最终得以去除。对上 述反应通过物料平衡可知，反硝化过程中，每还原l g n 0 3 n 为n 2 时，可去除 c o d 约3 7 9 ，同时产生碱度3 5 7 9 ( 以c a c 0 3 计) 。 1 3 2 生物脱氮新技术研究进展 随着水体富营养化的加剧，各国都制定了严格的脱氮标准，在这个背景下， 学者们 2 4 。3 1 】纷纷研究新的脱氮工艺，并且发现：硝化反应不仅可以由自养菌完 成，某些异养菌也可以进行硝化作用；反硝化反应在某些细菌的作用下在好氧条 件下也能够发生；而且许多好氧硝化菌也同时是异养反硝化菌；在高温条件下甚 至能发生氨氮氧化脱氮现象。根据这些新的研究，人们提出了许多新的生物脱氮 1 0 的概念，主要有：同时硝化反硝化( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ， s n d ) 、短程硝化反硝化( s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ) 、厌氧氨氧化 ( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n a n a m m o x ) 。 1 3 2 1 同时硝化反硝化当好氧环境与缺氧环境在一个反应器中同时存在，硝 化和反硝化在同一反应器中同时进行时称为同时硝化反硝化。同时硝化反硝化 反应不仅在生物膜内发生 3 2 - 3 3 】，并且在活性污泥系统中也能发生，如氧化沟i ： 艺l 、s b r 系统等。 目前，对s n d 现象的机理还没有一致的解释，般认为有3 个主要机理： ( 1 1 混合形态。由于充氧装置的充氧不均和反应器的构造原因，造成生物反应 器溶解氧分布不均，在反应器内形成缺氧厌氧段。此种情况称为生物反应的大环 境，即宏观环境。 ( 2 1 菌胶团或生物膜微环境理论。缺氧厌氧段可以在活性污泥菌胶团或生物 膜内部形成，即微观环境【3 引。微环境理论主要考虑了活性污泥和生物膜微环境中 各种物质( 如溶解氧、有机物等) 的传递与变化、各类微生物的代谢活动及其相互 作朋，以及微环境的物理、化学和生物条件或状态的改变等( 见图1 7 生物絮体 内反应区和基质浓度分布示意图) 。认为：微生物个体形态非常微小( 般属”m 级) ，因此影响其生存的环境也很微小，由于外部氧的大量消耗及氧扩散的限制，在 微生物絮体及生物膜内产生溶解氧梯度，絮体或膜的外表面溶解氧较高，以好氧硝 化菌为主，深入絮体或膜的内部，氧传递受阻产生缺氧区，反硝化菌占优势，从而导 致微环境的s n d 。 扩1 主 散1 体 层相 b o d n g d o ：土艘i 图1 7 生物絮体内反应区和基质浓度分布示意图 f i g u r e l _ 7r e a c t i o na r e aa n ds u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fb i o l o g i c a lf l o c ( 3 ) 生物化学作用。由于生物化学作用而产生的s n d 更具实质意义，它能使 1 1 ，一 好氧k ， 缺氧区 2 + 趟蜒乏 异养硝化和好氧反硝化同时进行，从而实现低碳源条件下的高效脱氮。许多新的 脱氮生物化学菌族被鉴定出来，其中包括部分菌种以组团形式对s n d 起作用，包 括起反硝化作用的自养反硝化菌及起硝化作用的异养菌【“】。 相对于传统生物脱氮工艺，同时硝化反硝化具有以下优势：( 1 ) 节省反应容 器体积，( 2 ) 缩短反应时间，( 3 ) 平衡了反应条件。同时硝化反硝化的活性污泥系 统为今后简化生物脱氮技术并降低投资提供了可能性。 在1 9 8 5 年，r i t t m a n n 3 4 】在工业规模的氧化沟中通过控制溶解氧浓度而在污 泥絮体内部造成厌氧微环境，从而提高脱氮效率。在o r b a l 氧化沟中实施d o 的 0 1 2 工艺，反硝化反应容易在菌胶团内部的厌氧段发生，使得运行良好的沟出 水t n 在3 5 m g 1 范围内 1 1 】。显然絮体的大小直接影响硝化反硝化反应的发生。 污泥絮体颗粒大，则溶解氧不易穿透絮体，容易形成内部厌氧缺氧区。 除了控制溶解氧浓度能发生良好的s n d 脱氮作用，也可以筛选富集培养异 养硝化菌和好氧反硝化菌，以减少传统脱氮理论的限制条件，提高脱氮率。堵国 成【37 】等筛选和分离得到的多株好氧反硝化菌，其脱氮能力强，3 0 h 内对2 0 0 m g 1 的氨氨去除率达9 9 ，而且无中间产物n c l 2 - n 的积累；混合脱氮微生物菌群生 长的适宜p h 范围为7 1 0 。但是在工程中如何实现菌种的优势化却是一个需要 解决的问题。 同时也可以看出，由于同时硝化反硝化生物脱氮的本质依然是利用了微生物 动力学特性固有的差异而实现两类细菌动态竞争