奥贝尔氧化沟的特性分析与理论探讨

陈 立
中国市政工程华北设计研究院

　　1、引言

　　1、1 背景
　　由于氧化沟工艺运行管理简单易行，运行效果相对稳定，更适合我国的一些中小城镇，而奥贝尔氧化沟道优良的脱氮效果以及溶解氧的分布形式，因其不同于传统的氧段+好氧段的活性污泥脱氮系统，而逐渐成为业内人士关注的焦点。
　　为什么奥贝尔氧化沟的外沟道会有如此良好的脱氮效果？究竟是由于低氧条件下同时存在的硝化、反硝化，还是由于外沟道中交替出现的好氧、缺氧环境，抑或由于极高的混合液回流比及其他原因？对此，人们提出了3种可能的机理：
　　●宏观混合方式造成的缺氧好氧环境：即在高浓度有机物中，微生物对食物的快速好氧降解导致高氧条件下的缺氧环境的形成。这就是宏观上的“同时硝化反硝化”，它既可以在推流式曝气池，即在与奥贝尔外沟道相似的缺氧、好氧区中实现，又可以在完全混合式的曝气池中实现（即低溶解氧条件下的“同时硝化反硝化”）。
　　●微环境的缺氧与好氧：就每一个微小的活性污泥絮体而言，其外围暴露在好氧条件下，而其内部则处于缺氧条件下。
　　●新型特种微生物：即存在一种我们以前并未认识到的全新微生物能够在特定条件下去除营养物。
　　正是在这种背景下，本文根据IAWQ提出的活性污泥数学模型的原理，通过数学模拟的方法试图对此进行合理的解释。
　　1.2几个令人困惑的问题与研究的目的
　　在此背景下，几个相关的问题随之而生。
　　●奥贝尔氧化沟外沟道的脱氮作用毋庸置疑，但其影响因素究竟是哪些？能否推而广之，在单沟式氧化沟中采用与奥贝尔氧化外沟道相同的布置，实现优势工艺的改良与变种？
　　●外沟道的脱氮和碳氧化功能占总量的百分比是多少？外沟、中沟、内沟的溶解氧的分布方式的不同又会有哪些影响？与此相关的二沉池的设计又要注意哪些问题？
　　●更深入一些，在奥贝尔氧化沟外沟道内，点源与面源曝气的区别及各自的优势是什么？
正是这些疑问构成了本文研究的目的。
　　1.3 研究工具与方法
　　这些问题的产生很可能是各种生物、物理、化学因素交差、协同作用的综合结果，由于检测手段的限制，无法完全通过试验检测的方法进行令人信服的解释。目前由国际水质协会推出的活性污泥数学模型以微生物反应动力学为基础，综合考虑了各种可能的活性污泥工艺的影响因素，因而可在一定条件下，在时间和空间范围内模拟污水处理厂的真实运行情况。本文拟采用数学模拟与试验测试相结合的方法，根据低负荷长泥龄运行和高负荷短泥龄运行两种条件，对由奥贝尔氧化沟产生并延伸出的上述问题进行解释。
　　数学模拟以北京燕山石化公司牛口峪污水处理厂的工程测试数据为依据，以活性污泥1号模型为基础，采用ASIM计算机程序上机计算。

　　2.牛口峪污水处理厂工程测试简介

　　2.1 工艺设计参数
　　牛口峪污水处理厂是北京燕山石化公司30万吨乙烯改扩建工程的配套环保项目,主要处理化工一厂的工业废水、化工二厂、化工三厂的部分工业废水及少量生活污水。该厂采用二级生物处理工艺，生物处理工段为奥贝尔氧化沟，设计规模为60000m^{3/d,1994年12月投产。生物处理工段设计为平行的两组，每组包括1个奥贝尔氧化沟和2个二沉池。单个氧化沟的主要设计参数如下：
　　设计进水流量 1250m3/h
　　泥龄 35d
　　有效池容 1733m3
　　MLSS 4000mg/L
　　MLVSS 3200mg/L
　　容积分配 外：中：内=56：26：18
　　溶解氧分布 外-中-内=0-1-2mg/L
　　每个氧化沟设32组曝气转碟，外、中、内沟各安装8组曝气器，氧化沟平面布置如图2.1.1所示。}

^{2.2 测试期间的进出水水质与工艺运行参数
　　测试期间氧化沟的进出水水质如下表:}

　　“-”在文章表格中表示未检测或未计算。

　　实际运行参数见下表：

　　实际供氧量为：
　　外沟：中沟：内沟＝58:23:19。

　　3、低负荷长泥龄下的数学模拟

　　3.1 概述
　　●与奥贝尔氧化沟工艺相关的数学模拟从以下几个方面进行:
　　●奥贝尔氧化沟原型工艺模拟——确定模拟参数的可用性；
　　●混合液回流比的作用——考察奥贝尔氧化沟外沟道高流速造成高回流比对出水效果的影响；
　　●单沟式氧化沟的脱氮效果——在单沟式氧化沟中采用与奥贝尔氧化沟外沟道同样的曝气布置，考察其处理效果；
　　●低氧完全混合条件下同时硝化、反硝化的效果——低氧完全混合条件下能否实现与奥贝尔氧化沟的外沟道相当的同时硝化与反硝化？
　　●在奥贝尔氧化沟的外沟道中采用微孔曝气器代替曝气转碟，是否会得到同样的效果？
　　3.2 奥贝尔氧化沟原形工艺模拟
　　3.2.1 概述
　　根据实际情况将外沟道平均分割成8个单元(1#～8#)，4组曝气转碟分别置于4个单元中（1#、3#、5#、7#），即每隔一个单元放一组转碟，中沟道和内沟道分别只设一个单元（9#、10#）其中各设1组转碟。原水进入1#，混合液由8#回流至1#，回流污泥由二沉池回流至1#，见图3.2.1。由于测试期间属非正常运行，无法测定泥令，因此模拟中按设计泥令取值。
　　3.2.2原水水质模拟
　　原水水质按照模型组分的划分确定如下表3.2.1、3.2.2。
　　溶解性组分：
　　SI——惰性COD
　　SS——可生物降解COD
　　SNH4——氨氮
　　SNOX——硝酸盐氮与亚硝酸盐氮
　　SALK——碱度
　　颗粒性组分：
　　XI——惰性COD
　　XS——可生物降解COD
　　XH——异氧菌
　　XA——自养菌
　　Xss——悬浮物

^{3.2.3数学模拟工艺流程及运行参数}
　　工艺流程见下图:

　　工艺运行参数如下:
　　氧化沟池容: V1^#～8^#=1241m3
　　V9^#=4611m3
　　V10^#=3192m3
　　二沉池池容:V二沉=3612m3
　　流量:Q=21670m3/d
　　水温:T=15°Ç
　　污泥加流比:R=61%
　　模拟混合液回流比:R=10000%
　　模拟供氧量:外沟:中沟:内沟=65:19:16
　　总供氧量:7392kgo₂/d
　　3.2.4 数学模拟结果
　　计算所得污泥浓度为3500mgCOD/L,其余结果见表2.2.5。

　　比较表2.2.1和2.2.2,可知模拟数据能够与实测数据很好地吻合:
　　绝大部分有机物和氮在外沟道去除:外沟道总氮为2.7mg/L(实测总氮为2.6mg/L),去除率为84%(实测为86.5%),有机物去除率为99.8%(实测为97.4%);只有少量氮在中沟、内沟去除，出水总氮为2.7mg/L(实测为2.4mg/L),去除率为84%(实测为86.4%);
溶解氧有一定的变化梯度,但不形成绝对的缺氧、好氧区，而是形成介乎缺氧与厌氧之间的缺氧/厌氧区和介乎好氧与缺氧之间的好氧/缺氧区；计算所得污泥浓度相当于3032mg/L的MLSS，而实测污泥浓度MLSS为3037mg/L。
　　3.3 混合液回流比的作用
　　3.3.1 概述
　　假设在供氧量不变的条件下,考虑模拟的方便,外沟道内设2组转碟(模拟结果表明,2组与4组转碟差别不大),将外沟道平均分割成6个单元(1^#～6^#),2组曝气转碟分别置于2个单元中(1^#、4^#），即每隔2个单元放一组转碟，中沟道和内沟道同前，分别只设一个单元（7^#、8^#）。原水进入1^#，混合液由6^#回流至1^#，混合液回流比由100倍改为10倍，回流污泥由二沉池回流至1#，其余模拟皆同2.2节，以考察奥贝尔外沟道中高回流比的作用。
　　工艺流程见下图：

　　其中，池容V_1～6=1655m3_。
　　3.3.2 数学模拟结果
　　模拟结果见下表。

　　在给定条件下,由于回流比的改变,使得外沟道内溶解氧分布的梯度明显加大,缺氧/厌氧区扩磊,好氧/缺氧区缩小,尽管平均溶解氧(0.31mg/L)有所提高,但由于高氧区域(曝气转碟附近)极为狭小,外沟道硝化效果下降,从而导致脱氮效果的下降,但出水与高回流比时的效果基本一样。这说明奥贝尔外沟道内的高流速是其我外沟道拥有良好的脱氮效果的重要原因，但不等于说流速越高越好，模拟结果表明，混合液回流比为50倍时，效果最佳。
　　3.4 单沟式氧化沟脱氮的可能性
　　3.4.1 概述
　　本节模拟的原则是在3.2节氧化沟工艺参数(混合液回流比为100倍)的基础上模拟单沟式氧化沟,即在泥令、生物池总体积、总供氧量相同，进水水质相同的条件下模拟奥贝尔外沟道的运行方式。

　　工艺流程见下图：

　　在给定条件下,采用与外沟道相同布置的单沟式氧化沟,由于平均溶解氧(0.63mg/L)提高了2倍多,碳氧化与脱氮效果均优于奥贝尔,只是由于缺少了奥贝尔氧化沟3沟道中溶解氧0-1-2的分布,最终硝化不够彻底。
　　3.5 低氧条件下的同时硝化反硝化
　　本节分3种形式模拟。第一种是在供氧量相同的条件下，将奥贝尔氧化沟的外沟道替换为采用微孔曝气器的完全混合曝气池，而中沟、内沟不变的一种改型工艺；第二种是不改变奥贝尔的基本池型，只是在同样供氧量的条件下，在外沟道采用微孔曝气器代替曝气转碟，因此也就不存在混合液回流问题，其他均不变；第三种是在第二种的基础上，在外沟道强制进行混合液回流。目的是考察外沟道处于低氧状态下时发生同时硝化反硝化的可能性以及奥贝尔氧化沟外沟道工艺改型的可能性。
　　3.5.1 工艺流程
　　第一种改型工艺流程见下图:

　　其中，外沟V₁=9930.5m³
　　　　　中沟V₂=4611m³
　　　　　内沟V₃=3192m³
　　供氧量及其他条件均与3.2节相同。

　　第二种改型工艺流程见下图：

　　其中,1^#～6^#单元均为曝气单元,供氧量均等,总供氧量及其他条件均与3.2节相同。
　　第三种改型工艺流程下图：

　　这种流程力与第二种的区别,只是根据奥贝尔的真实情形增加了混合液回流。
　　3.5.2 数学模拟结果
　　第一种改型工艺的模拟结果见下表。外沟道在低氧0.23mgDO/L（相当于奥贝尔外沟道的平均溶解氧）、完全混合条件下，脱氮及碳氧化效果与经典的奥贝尔外沟道相当，这从另一方面说明了低氧条件下的同时硝化反硝化同样发生在奥贝尔外沟道中。

　　第二种改型工艺的模拟结果见下表。如若只是在外沟道用微孔曝气器代替曝气转碟，则外沟道内的溶解氧沿沟长呈不断上升趋势，平均溶解氧为0.26mgDO/L,高于改型的平均溶解氧,因此碳氧化程度有所提高,而硝化和反硝化效果都有所下降,这是由于改型后的工艺不同于原型,从沟道中各个部分看都是完全混合式,从整个外沟道看却是推流式,原水质点依次经过外沟道而不是反复经过。如果在此基础上，进行混合液回液，效果应有所改善，为此我们做了第三种改型工艺的分析。

　　第三种改型工艺的模拟结果见下表。与第二种模拟对比，显然证实了我们的猜测，这说明，在外沟道内采用微孔曝气转碟可以取得同样的效果，但必须同时考虑实现外沟道的自身回流以保证脱氮效果，这也从另一方面说明，奥贝尔外沟道的高流速对脱氮效果的重要作用。

　　3.6 小结
　　我们将奥贝尔氧化沟、单沟式氧化沟及在外沟道用面源底曝来取代曝气转碟并在外沟道进行强制循环的外沟道改型工艺做一对比，见表3.6.1。

　　由表可知，低负荷长泥龄运行条件下，单沟式氧化沟的脱氮与碳氧化效果更佳，奥贝尔氧化沟与其第三种改型工艺效果相当，说明不同的曝气方式可以达到同样的处理效果。

　　4、高负荷短泥龄下的数学模拟

　　本单在第三章的基础上，将泥龄缩短为10天，进水量提高到60000m³/d，氨氮提高到50mg/L。在负荷提高，泥龄缩短的条件下，维持生物段总容积不变，考察奥贝尔氧化沟、单沟式氧化沟及外沟道改型艺（Ⅰ、Ⅲ）4种的性能并进行对比。
　　4.1 奥贝尔氧化沟
　　模拟原水水质如下：

　　工艺运行参如下：
　　氧化沟池容　V_外沟=11900m³
　　　　　　　　V_中沟=3881m³
　　　　　　　　V_内沟=1944m³
　　　　　　　　V_{1#、3#、5#、7#}=992m³
　　　　　　　　V_{2#、4#、6#、8#}=1983m³
　　　　　　　　V_9#=3881m³
　　　　　　　　V_10#=1994m³

　　二沉池池容：V二沉=3612m³
　　流量：Q=60000m³/d
　　水温：T=15℃
　　污泥泥令：SRT=10d
　　污泥回流比：R=61%
　　模拟混合液回流比：R=60倍
　　模拟供氧量：外沟：中沟：内沟=60：30：10
　　总供氧量：22981kgO₂/d
　　数学模拟结果见表4.1.1，计算所得污泥浓度为5081mgCOD/L。

　　4.2  单沟式氧化沟
　　水质、运行参数同前

　　改变的工艺参数如下：
　　氧化沟池容： V_{1#、3#、5#、7#}=1478m³
　　V_{2#、4#、6#、8#}=2956m³
　　总供氧量：22981kgO2/d
　　数学模拟结果见表面光洁度.2.1，计算所得污泥浓度为5278mgCOD/L。

　　4.3  低氧条件下的同时硝化反硝化
　　本节分2种形式模型：奥贝尔氧化沟外沟道改型工艺（1）和奥贝尔氧化沟外沟道改型工艺（Ⅲ），目的是考察高负荷下外沟道发生硝化反硝化的工艺机理。
　　工艺流程图3.5.1和图3.5.3。
　　其中，改型工艺（Ⅰ）的氧化沟池容：V外沟=11900m³
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V中沟=3881m³
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V内沟=1944m³
　　其他条件均与第4.1节相同。
　　改型工艺（Ⅲ）的运行条件均与4.1节相同。
　　改型工艺（Ⅰ）数学模拟计算所得污泥浓度为5060mgCOD/L，其余结果见表4.3.1。

　　改型工艺（Ⅲ）数学模拟计算所得污泥浓度为5052mgCOD/L，其余结果见表4.3.2。

　　4.4  小结
　　我们将奥贝尔氧化沟、单沟式氧化沟及在外沟道用面源底曝来取代曝气转碟并在外沟道进行强制循环的外沟道改型工艺做一对比，见表4.4.1。

　　由表可知，高负荷短泥龄运行条件下，单沟式氧化沟碳氧化效果更佳，而脱氮效果略差；奥贝尔氧化沟与其第三种改型工艺效果相当，再一次说明不同的曝气方式可以达到同样的处理效果

　　5、结论

　　5.1奥贝尔氧化沟外沟的脱氮作用
　　A、 奥贝尔氧化沟外沟的脱氮作用毋庸置疑，其影响因素主要是由于采用曝气转碟在外沟道形成的独特的流态，即推流式与完全混合式有机统一的特殊流态。
　　B、数学模拟的外沟道溶解氧的分布表明，间隔布置的曝气转碟使得溶解氧有一定的变化梯度，而其在沟内造成的高流速又使得溶解氧的分布趋于均匀，不形成绝对的缺氧、好氧区，而是形成介乎缺氧与厌氧之间的缺氧/厌氧区和介乎好氧与缺氧之间的好氧/缺氧区，导致每个原水质点反复经历缺氧/厌氧区和好氧/缺氧区的不断切换，这是一种由点源曝气加高速流态造成的完全混合形态。它所形成的宏观上的“同时硝化反硝化”，既可以在奥贝尔外沟道中的点源曝气条件下实现，又可以在面源气的完全混合的较为均匀的低溶解氧条件下实现。
　　C、数学模拟无法直接模拟微环境下的“同时硝化反硝化”，但对曝气转碟附近及较远区域的模拟中所出现的好氧/缺氧区和缺氧/厌氧区间接说明了菌胶团的微环境里肯定会存在着同样的情形。
　　D、数据模拟中所遵循的经典微生物学原理以及为了简化模拟所采用的“灰箱”理论决定了它无法准确验证是否存在一种新型特种微生物。
　　E、数据模拟表明，外沟道脱氮和碳氧化程度均占90%以上，这与测试结果基本吻合，因此中沟、内沟的溶解氧的分布方式似乎主要作用是加强硝化和改善污泥的沉降性能，只有在加入内回流时，才起到了强化脱氮的作用。内沟中保持高氧状态以保证二沉池内不发生反硝化一说，在设计泥令较长的条件下似乎缺乏理论支持，在设计泥令较的条件下却很有必要。表明在设计中还需要做与此相关的其他考虑，诸如污泥稳定、出水的精确控制（例如严格限制氨氮的排放），超负荷运行等等。
　　F、数学模拟表明，奥贝尔氧化沟的内部设计相当灵活多变，诸如泥龄的选取、溶解氧的分布形式、内回流的设置、曝气转碟的推进速度及相应的二沉池的设计等等；奥贝尔氧化沟的抗冲击负荷能力较强；这些因素涉及到进水水质和处理要求等诸多问题，在设计中的取舍需要综合考虑，不能笼统地一概而论。
　　G、数据模拟表明，奥贝尔氧化沟的外沟道存在最佳混合比；外沟道体积适当增大可起到节能降耗、提高脱氮效率的效果。
　　5.2 贝尔氧化沟与单沟式氧化沟
　　数学模拟表明，在单沟式氧化沟中采用与奥贝尔氧化沟外沟道相同的布置，可以达到碳氧化和脱氮效果。但在高负荷短龄的条件下，其效果不如奥贝氧化沟，加之出水前的低氧状态使其容易在二沉池出现反硝化，从而影响最终的处理效果。
　　 5.3 奥贝尔氧化沟与曝气方式
　　数学模拟表明，在低氧、完全混合条件下，可以实现“同时硝化反硝化”，这与某些文献的报道是吻合的，亦即获得与推流式气池及奥贝尔外沟道相同的效果，或者与经典的活性污泥脱氮系统相同的效果。
　　奥贝尔外沟道的转碟曝气方式造成的局部推流及高流速、高回流比，使其在实质上实现了底曝完全混合方式千万的低氧同时硝化反硝化。在奥贝尔外沟道进行类似的工艺改型，可以收入到与改型前基本一致的处理效果。
　　我们的南方某城市污水处理的工艺试验中也证实了同样的结论：即在溶解氧低于0.5mg/L的条件下，采用面源泉底曝完全混合方式代替点源曝气推流方式，获得了基本相近的效果。
　　5.4 活性污泥数学模型的模拟作用
　　数学模拟在污水处理的精确设计中无疑是一种有效的工具，它有助于将各种可能的情况高度集中，但它不应代替污水试验，而是应该作为污水试验前的试验方案筛选的工具。