奥贝尔氧化沟的机理和工程应用

张悦
国家城市给水排水工程技术研究中心

　　早期氧化沟只是一单沟道的“循环曝气池”，主要用于去除污水中的BOD及进行硝化反应，现已发展形成各种不同的类型，包括卡鲁塞尔型、奥贝尔型、二沟或三沟交替工作型，一体化氧化沟等。随着污染的加剧和水体富营养化问题的出现，许多国家开始控制进入水体的氮和磷排放型量，并制定了较为严格的污水处理厂出水中氮和磷的排放标准。于是，不仅能去除有机物，而且兼具生物除磷脱氮功能的氧化沟工艺应运而生，我们可称之为第二代氧化。奥贝尔氧化沟即为此种新型氧化沟中主要的一种，该工艺在节约能耗、减少占地、抗冲击负荷和高效脱氮等方面显示出优异的性能，越来越多的应用于城市污水处理工程之中，有很好的发展前景。

　　一、奥贝尔氧化沟工艺的特征

　　1、奥贝尔氧化一般沟由三个同心椭园形沟道组成，污水由外沟道进入，与回流污泥混合后，由外沟道进入中间沟道再进入内沟道，在各沟道循环达数百到数十次。最后经中心岛的可调堰门流出，至二次沉淀池。在各沟道横跨安装有不同数量水平转碟曝气机，进行供氧兼有较强的推流搅伴作用。外沟道体积占整个氧化沟体积的50%-55%，溶解氧控制趋于0.0mg/L,高效地完成主要氧化作用;中间沟道容积一般为25%-30%,溶解氧控“在1.0mg/L左右,作为“摆动沟道”，可发挥外沟道或内沟道的强化作用；内沟道的容积约为总容积的15%-20%，需要较高的溶解氧值（2.0mg/L左右),以保证有机物和氨氮有较高的去除率。
　　2、外沟道的供氧量通常为总供氧量的50%左右，但80%以上的BOD可以在外沟道中去除。由于外沟道溶解氧平均值很低，绝大部分区域DO为0.0mg/L,所以，氧传递作用是在亏氧条件下进行的，氧的传递效率有所提高，有一定的节能效果。加之下面将谈到的外沟道内所特有的同时硝化反硝功能，节能效果更为明显。内沟道作为最终出水的把关，一般应保持较高的溶解氧，但内沟道容积最小，能耗相对较低。中沟道起到互补调节作用，提高了运行的可靠性和可控性。奥贝尔氧化沟独特的构造和机理，使之以较节能的方式获得稳定的处理效果。
　　3、奥贝尔氧化沟具有较好的脱氮功能。在外沟道形成交替的耗氧和大区域的缺氧环境，较高程度地发生“同时硝化反硝化”，即使在不设内回流的条件下，也能获得较好的脱氮效果。
　　4、奥贝尔氧化沟具有推流式和完全混合式两种流态的优点。对于每个沟道内来讲，混合液的流态基本为完全混合式，具有较强的抗冲击负荷能力；对于三个沟道来讲，沟道与沟道之间的流态为推流式，有着不同的溶解浓度和污泥负荷，兼有多沟道串联的特性，有利于难降解有机物的去除，并可减少污泥膨胀现象的发生。
　　5、奥贝尔氧化沟采用的曝气转碟，其表面密布凸起的三解形齿结，使其在与水体接触时将污水打碎成细密水花，具有较高的充氧能力和动力效率。通过改变曝气机的旋转方向、浸水深度、转速和开停数量，可以调整供氧能力和电耗水平。尤其是蝶片可以方便的拆装，更为优化运行提供了简便手段。另一方面，由于转碟具有极强的整流和推流能力，氧化沟有效水深可达4米以上，即使因优化控制需要而减少曝气机运行台数时，一般也不会发生沉淀现象这是曝气转碟和奥贝尔沟型所独具的优点。

　　二、奥贝尔氧化沟的适用范围

　　奥贝尔氧化沟一般适用于20万立方米/日以下规模的城市污水处理厂，尢其推荐应用于中小规模的城市污水处理厂。
　　由于奥贝尔氧化沟属于多反应器系统，在一定程度上有利于难降解有机物的去除，且抗冲击负荷能力强，因此，当城市污水中工业废水比例较高时，奥贝尔氧化沟较其他类型氧化沟有更好的适应性。
　　奥贝尔氧化沟有三个相对独立的沟道，进水方式灵活。在暴雨期间，进水可以超越外沟道，直接进入中沟道或内沟道，由外沟道保留大部分活性污泥，利于系统的恢复。因此，对于合流制或部分合流制的污水系统，奥贝尔氧化沟均有很好的适用性。

　　三、工艺流程和典型构造

　　奥贝尔氧化沟典型工艺流程由下图所示：

　　与其它形式的氧化沟一样，奥贝尔氧化沟也具有工艺流程简单的优点。对于中小规模的城市污水厂，一般可不设初次沉淀池和污泥消化池。悬浮状有机物可在氧化沟内基本得到好氧稳定，这比设初沉池及单独处理初沉污泥要简便经济。当然，合理的工艺流程必须按照实际情况经充分的技术经济比较后确定。
　　奥贝尔氧化沟的预处理及污泥处理部分的流程与其他活性污泥法处理工艺相似，不再赘述。氧化沟本身的典型构造和流程见下图：

　　奥贝尔氧化沟通常由三个同心的沟道组成，平面上为圆形或椭圆形。沟道之间采用隔墙分开，隔墙下部设有必要面积的通水窗口。沟道断面形状多为矩形或梯形。隔墙一般使用100-150毫米厚的现浇钢筋混凝土构造。各沟道宽度由工艺设计确定，一般不大于9米。有效水深以4-4.3米为宜。
　　原污水和回流污泥可进入外、中、内三个沟道，通常均进入外沟道。出水自内沟道经中心岛内的堰门排出，进入沉淀池。当脱氮要求较高时，可以增设内回流系统（由内沟道回流到外沟道），提高反硝化程度。

　　四、关键设备的选型

　　奥贝尔氧化沟的预处理和污泥处理所需设备与其他工艺相似，不作详细描述。关键设备是曝气转碟和沉淀池的排泥桥，对其主要构造和性能要求阐述如下：
　　1、曝气转碟
　　曝气转碟属转盘类水平推流式表面曝气器，由盘片、水平轴及其两端的滚动轴承、减速机和电动机组组成。每片圆形的曝气转碟由两个半圆形部件组成。每对半圆形部件跨穿水平轴，组成整体的圆片，每个碟片可以独立拆装，便于调节安装密度，使整机达到所需的充氧能力，每米轴长一般装碟片3片至5片。碟片采用聚苯材料注塑或采用玻璃钢压铸而成，其中聚苯材料碟片自重较轻，动力效率较高，国内已有质量很好的合资产品。碟片表面布有梯形凸块，兼有供氧和推流搅拌的功能。水平轴采用厚壁无缝钢管制造，表面作特种防腐处理。驱支装置主要由减速机和电机组成。
　　曝气转碟的基本性能如下：
　　曝气转碟直径：1400mm;
　　适用转速：50-55rpm,经济转速：50rpm;
　　适用浸没深度：400-530mm,经济浸没深度：500mm;
　　单盘标准清水充氧能力：0.8-1.6kgO2/kw.h(以轴功率计);
　　适用工作水深:4-5m;
　　水平轴跨度：〈=10.0m;
　　安装密度:<5ds/m。
　　2、沉淀池排泥桥
　　奥贝尔氧化沟的污泥浓度（MLSS)较高，运行中一般在4-6克/升，回流污泥必须有较高的含固率。因此，对沉淀池和排泥设备有严格的要求。尤其是排泥设备，必须确保足够的排泥浓度，通常需要特殊的工艺和结构设计。在设备选择时应充分注意这一性能要求，保证实现奥贝尔氧化沟的整体工艺的优势。

　　五、工程应用

　　在消化吸收的基础上，中国市政工程华北设计研究院对奥贝尔系统在中国的应用情况、适应性、处理效果、工艺特性与机理等进行了全面、系统的研究，并进行了较大规模实际工程的工艺性能测试与研究工作。同时，已经设计了20余座奥贝尔工艺的城市污水处理厂，其中，三个项目已投入运转，包括北京大兴污水处理厂、山东莱西污水处理厂等，已显示出良好的技术特性。另外，天津国不水设备工程公司和美国合作生产的曝气转碟已经大批量生产，技术性能达到国际同类产品的质量水平，为确保奥贝尔氧化沟工艺和设备的整体优势创造条件。