改进型三槽式氧化沟的设计及其优化运行

王泮祥1，钱雪明2

(1.南京市市政设计研究院，江苏南京210008；2.常熟市城北污水处理厂，江苏常熟215500)

　　摘　要：结合生物脱氮除磷机理，从设计和运行两个方面，对三槽式氧化沟工艺进行了改进。投产以来的运行实践表明，改进型三槽式氧化沟不仅能满足BOD₅、CODCr、SS、NH₃-N达标排放，还能使出水PO3-4-P＜0.5mg/L(平均)。
　　关键词：三槽式氧化沟；设计改进；生物脱氮除磷；优化运行
　　中图分类号：X505
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)08-0039-04

　　氧化沟又名连续流循环曝气池(continuous loop reactor)，是活性污泥法的一种变型。其中三槽式氧化沟系丹麦创建，可在不另设二沉池的条件下连续运行。由于其具有出水水质好、运行管理方便等优点，现已成为世界范围内城市污水和有机工业废水处理的主要工艺之一。
　　在我国城市污水处理领域，三槽式氧化沟工艺最早用于邯郸市东污水处理厂，其总处理规模为10×10⁴ m³/d，一期为6.6×10⁴m³/d，系利用丹麦政府赠款建成，由于投入运行后效果很好而很快在全国推广应用。南京市市政设计研究院也积极采用了这一新工艺，并通过不断的研究和改进，形成了自己的设计特色。如在张家港市污水处理厂(总规模为6.0×10⁴m³/d，一期为3.0×10⁴ m³/d)设计中，将氧化沟进水端池边拉平，用池外二个三角形池子代替原先分设的配水井直接配水，使平面布置更加简洁，投资更省；又如在常熟市城北污水处理厂的设计中，还创新设计了改进型的新池型，使除磷效率得到了显著的提高。现结合工程实践，就改进型三槽式氧化沟在常熟市城北污水处理厂的设计与运行情况进行探讨，以达到进一步优化工艺的目的。

1　三槽式氧化沟的主要优、缺点

1.1　主要优点
　　①可不设初沉池、鼓风机房和回流污泥泵房，集曝气池与二沉池于一体，使流程变得十分简单；由于省去了回流泵和刮泥机等机械设备，不仅减少了设备故障，又节省了工程总投资。
　　②采用逻辑程序控制，操作管理十分方便，颇受管理单位欢迎。
　　③抗水量和水质的冲击负荷。
　　④处理效果稳定、可靠，出水水质好，除正常去除BOD5、CODCr、SS和污水得以硝化外，还可脱氮除磷。
　　⑤可利用硝酸盐取代部分氧气来去除BOD₅，并得以生物脱氮，节省了能源。
　　⑥泥龄较长，泥量较少，剩余污泥较稳定，而且在浓缩处理后可直接脱水干化。
　　⑦设备优化，基本无维修工作量。
　　⑧由于技术不断进步，设计有效池深可达3～3.6 m，综合占地面积与A/O或A²/O工艺相当。
1.2　主要不足
　　从目前已经投运的三槽式氧化沟系统来看，除了容积利用率低、对关键设备的质量要求较高之外，其工艺设计本身以及与其配套的运行方式也存在着需要改进的地方。其中最迫切的是如何通过改进设计和运行，使其除磷效率能得到较大提高，使该工艺更臻优化。

2　提高除磷效率的对策

　　据报导，目前三槽式氧化沟的除磷效率一般＜65%。这就意味着一旦选定三槽式氧化沟工艺，如果进水含磷量较高(＞4 mg/L)，而出水水质要求又十分严格(PO₄^3--P＜0.5 mg/L)时，出水磷含量就可能超标。此时，一般采用三种对策：①补充化学除磷操作单元，即在系统中投加铁盐、铝盐等化学除磷药剂，将浓缩池的上清液与脱水机滤出液收集在一起进行化学除磷，由此会带来运行费用和污泥量的增加，操作也十分繁琐；②增设前置厌氧段，试图通过形成厌氧—缺氧—好氧的运行状态来达到提高除磷效率的目的。但是，受其自身构造特点的限制，难以实现污泥回流，最终成效将不大；③从脱氮除磷的机理出发，对三槽式氧化沟进行局部改进，以达到大幅提高除磷效率的目的。常熟市城北污水处理厂即采用第三种方法，取得了十分显著的成效。

3　原设计在除磷方面的缺陷

　　原设计的排泥系统明显不合理，与生物脱氮除磷机理不相适应，从而直接影响除磷效率的提高。首先，排泥地点应设在二个边沟，而不应该设于中沟。根据8阶段运行方式，中沟在C、G阶段均经历缺氧状态，但因历时太短(一般仅0.75 h)，其后期不足以进入厌氧状态，而是直接进入长期的好氧曝气状态，故只能是对脱氮有利。而在边沟则不同，当边沟(例如Ⅰ沟)处于A阶段时，由于只有低速转刷在运转，其转速控制在仅
能维持水和污泥的混合和推动水流循环流动，但不供氧，且原水在源源不断地进入该沟，故混合污水必然先完成反硝化过程。由于停留时间(可调)足够长，随着沟中DO与NO₃-N的迅速下降，A阶段的后期必然进入厌氧状态(DO变化见图1)。
　　之后，Ⅰ沟在B阶段又进入转刷高速曝气的好氧状态，从而事实上形成了缺氧—厌氧—好氧，即倒置A2/O的运行过程，这就十分适合嗜磷菌的生活规律—厌氧环境下向污水中释磷，而在好氧状态时过量地吸取污水中的磷，并以聚磷酸盐的形式贮存在细胞内。由于摄取的磷在数量上远远大于释放的磷，只要能将吸取了　　大量磷的污泥“及时”排掉，即可达到大幅提高生物除磷的目的。原设计的排泥点设于中沟的末端，这样边沟(例如Ⅰ沟)中完成了过量吸磷的污泥将出现两种情况：一部分污泥将留在该边沟中经历长达5 h的沉淀过程；另一部分污泥则有可能经与中沟的连通孔而转入中沟，然后经长时间的曝气，才能最终到达排泥点。由于中沟连续长时间的曝气环境极易造成磷的释放，使随泥排出的磷大为减少。

　　由此不难看出，改进排泥地点的设计十分必要。其次，在配套运行方式上，亦需相应改进才可以使工艺设计适合这种池型的生物脱氮除磷机理，从而充分提高三槽式氧化沟应有的生物除磷效率。
　　若从二个边沟轮流排泥，在操作上似乎更麻烦些，而且建2个排泥室要增加投资，为了“及时排泥”又会使泥龄略有减少，相应的剩余污泥也将有所增加。但这与取得的高除磷效率相比是微不足道的，更何况排泥过程是自动进行的，通过PLC自动控制设于边沟的潜污泵的运行即可。
　　顺便提及，三槽式氧化沟的运行方式决定了沟中MLSS的分布是不均匀的，边沟浓度高而中沟浓度低。改从边沟排泥，不仅与生物脱氮除磷的机理相适应，而且也正好有利于三沟中的MLSS分配趋向合理。

4　改进型三槽式氧化沟的应用

4.1　设计特色
　　常熟市城北污水处理厂总处理规模为12×10⁴m³/d，计划分三期建设，一期工程(3×10⁴m³/d)于1992年4月批准立项，1998年7月建成投运。一期工程设二座改进型三槽式氧化沟，每座为1.5×10⁴m³/d。该厂目前的处理水量已达1.5×10⁴m³/d，处理出水排入常浒河。环评要求一期工程执行GB 8978—1996二级标准，二、三期才执行一级标准，故在一期工程平面布置中预留了补充化学除磷用地，以备出水PO3-4-P不达标时采取措施。由于设计建成的改进型除磷效率很高，运行实践证明其生化除磷率可达85%以上，按平均值计，出水PO3-4-P＜0.5 mg/L，已能达到排放标准，故预留的化学除磷设施无需建设。
　　该池型在设计上的特色主要体现在：
　　①改中沟连续排泥为二个边沟轮流间断排泥(现场可见中沟也安装了排泥泵，这是为进行对比试验而用，实际运行按程序只从边沟排泥)。
　　②排泥地点设于边沟进水端旁侧，每座氧化沟的二个边沟各设一个排泥泵室，均设100QW—65—15—5.5型潜污泵2台(1用1备)，其运行由PLC控制。
　　③氧化沟的关键设备曝气转刷和电动堰门均选用了性价比较高的产品，例如转刷的关键部件(轴、联轴节和变速箱)从瑞典引进，而电机及刷片则系国内组装，两年多来运行一直正常。为满足低速混合的运行需要，每个沟还配备有足够的双速转刷。
4.2　运行特色
　　整个运行可分为8个阶段，8 h为一个运行周期。与改进之前的“8阶段生物脱氮运行方式”相比较，除磷效率明显提高，故称“8阶段生物脱氮除磷运行方式”，见图2。

　　阶段A：污水通过配水井流入Ⅰ沟，Ⅰ沟转刷低速运行。活性污泥中的反硝化细菌，被迫使用该沟在前一阶段运行时产生的硝酸盐中的氧来分解有机物，即完成反硝化作用，释放出氮气。随着DO与NO₃-N浓度的迅速下降，Ⅰ沟转入厌氧状态，嗜磷菌使磷以正磷酸盐的形式释放到液相中。
　　阶段B：Ⅰ沟经1.5 h左右的缺氧、厌氧运行后，进入本阶段约1.5 h的转刷高速曝气过程，使Ⅰ沟内氧过剩，嗜磷菌过量地吸取磷。考虑到下一阶段(阶段C)Ⅰ沟进入沉淀状态(不宜排泥)，为及时将吸取过量磷的污泥排出池外，设计利用了曝气结束之前和刚进入沉淀状态前的共计约30 min(可调)的时间，由自控系统完成该排泥过程。
　　阶段C、D：Ⅰ沟处于沉淀阶段。
　　阶段E、F：Ⅲ沟与在A、B阶段的Ⅰ沟相同。
　　阶段G、H：Ⅲ沟与在C、D阶段的Ⅰ沟相同。
4.3　运行效果
　　改进型三槽式氧化沟在常熟市城北污水处理厂投运2年以来，尽管不可避免地遇到进水水质的冲击，以及初期水量较长、时间不足等运行困难，但运转一直正常。至2000年7月10日，已安全运行709 d，累计处理水量为364×10⁴m³，其中2000年5月26日的最高处理水量为14 842m³，其时的水质指标为：进水CODCr=692 mg/L,BOD₅=179mg/L，SS=984 mg/L，NH₃-N=30.4mg/L，pH=6.9,TP=5.41 mg/L；出水CODCr=57mg/L,BOD₅=9 mg/L，SS=30 mg/L，NH₃-N=5.8mg/L，pH=7.1,TP=0.42 mg/L；在709 d中，共计检测进、出水CODCr、BOD5、SS、pH各709次，NH₃-N为368次，TP为106次。检测结果分别见表1、2。

表1　进水水质变化 类别 CODCr(mg/L) BOD₅(mg/L) SS(mg/L) pH NH₃-N(mg/L) TP(mg/L) 最高 3016 863 2162 9.1 164.5 8.32 最低 53 21 42 6.7 46 0.67 平均 420 139 302 7.8 65 2.65

表2　出水水质变化 类别 CODCr(mg/L) BOD₅(mg/L) SS(mg/L) pH NH₃-N(mg/L) TP(mg/L) 最高 131 29 36 8.6 20.4 0.8 最低 23 2 4 6.7 1.5 0.01 平均 79 15 24 7.5 8.6 0.35 注：COD的去除率为81%，BOD的去除率为89%，SS的去除率为92%，NH₃-N的去除率为87%，TP的去除率为89%。

　　可以看出，进水CODCr有时很高，这是排放工业废水的厂家未能搞好预处理造成的，只要今后加强厂内预处理，CODCr完全可以达标。特别是平均除磷率能达到89%，这显然是改进型的设计与运行发挥了关键性的作用。

5 结语

　　①三槽式氧化沟工艺具有出水水质好、操作管理十分方便等突出优点，在一定条件下是一种很有发展前景的生物处理技术，值得推广应用。
　　②改进型三槽式氧化沟的处理效果是在特定污水厂的实际运行结果，如何使其设计与运行更加优化，有待于今后结合更多的工程设计和运行实践，作进一步的研究和探索。

参考文献：

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　　收稿日期：2000-12-28