奧貝爾氧化溝的特性分析與理論探討

1、奧貝爾氧化溝的特性分析與理論討論摘要：本文主要是進展了奧貝爾氧化溝的特性分析與理論討論。關鍵詞：奧貝爾氧化溝特性分析理論討論1、1背景由于氧化溝工藝運行管理簡單易行，運行效果相對穩(wěn)定，更合適我國的一些中小城鎮(zhèn)，而奧貝爾氧化溝道優(yōu)良的脫氮效果以及溶解氧的分布形式，因其不同于傳統(tǒng)的氧段+好氧段的活性污泥脫氮系統(tǒng)，而逐漸成為業(yè)內(nèi)人士關注的焦點。為什么奧貝爾氧化溝的外溝道會有如此良好的脫氮效果？終究是由于低氧條件下同時存在的硝化、反硝化，還是由于外溝道中交替出現(xiàn)的好氧、缺氧環(huán)境，抑或由于極高的混合液回流比及其他原因？對此，人們提出了3種可能的機理：宏觀混合方式造成的缺氧好氧環(huán)境：即在高濃度有機物中，微

2、生物對食物的快速好氧降解導致高氧條件下的缺氧環(huán)境的形成。這就是宏觀上的“同時硝化反硝化，它既可以在推流式曝氣池，即在與奧貝爾外溝道相似的缺氧、好氧區(qū)中實現(xiàn)，又可以在完全混合式的曝氣池中實現(xiàn)即低溶解氧條件下的“同時硝化反硝化。微環(huán)境的缺氧與好氧：就每一個微小的活性污泥絮體而言，其外圍暴露在好氧條件下，而其內(nèi)部那么處于缺氧條件下。新型特種微生物：即存在一種我們以前并未認識到的全新微生物可以在特定條件下去除營養(yǎng)物。正是在這種背景下，本文根據(jù)IAQ提出的活性污泥數(shù)學模型的原理，通過數(shù)學模擬的方法試圖對此進展合理的解釋。1.2幾個令人困惑的問題與研究的目的在此背景下，幾個相關的問題隨之而生。奧貝爾氧化溝

3、外溝道的脫氮作用毋庸置疑，但其影響因素終究是哪些？能否推而廣之，在單溝式氧化溝中采用與奧貝爾氧化外溝道一樣的布置，實現(xiàn)優(yōu)勢工藝的改進與變種？外溝道的脫氮和碳氧化功能占總量的百分比是多少？外溝、中溝、內(nèi)溝的溶解氧的分布方式的不同又會有哪些影響？與此相關的二沉池的設計又要注意哪些問題？更深化一些，在奧貝爾氧化溝外溝道內(nèi)，點源與面源曝氣的區(qū)別及各自的優(yōu)勢是什么？正是這些疑問構成了本文研究的目的。1.3研究工具與方法這些問題的產(chǎn)生很可能是各種生物、物理、化學因素交差、協(xié)同作用的綜合結果，由于檢測手段的限制，無法完全通過試驗檢測的方法進展令人信服的解釋。目前由國際水質(zhì)協(xié)會推出的活性污泥數(shù)學模型以微生物反

4、響動力學為根底，綜合考慮了各種可能的活性污泥工藝的影響因素，因此可在一定條件下，在時間和空間范圍內(nèi)模擬污水處理廠的真實運行情況。本文擬采用數(shù)學模擬與試驗測試相結合的方法，根據(jù)低負荷長泥齡運行和高負荷短泥齡運行兩種條件，對由奧貝爾氧化溝產(chǎn)生并延伸出的上述問題進展解釋。數(shù)學模擬以北京燕山石化公司牛口峪污水處理廠的工程測試數(shù)據(jù)為根據(jù)，以活性污泥1號模型為根底，采用ASI計算機程序上機計算。2.牛口峪污水處理廠工程測試簡介2.1工藝設計參數(shù)?？谟鬯幚韽S是北京燕山石化公司30萬噸乙烯改擴建工程的配套環(huán)保工程,主要處理化工一廠的工業(yè)廢水、化工二廠、化工三廠的部分工業(yè)廢水及少量生活污水。該廠采用二級生物

5、處理工藝，生物處理工段為奧貝爾氧化溝，設計規(guī)模為600003/d,1994年12月投產(chǎn)。生物處理工段設計為平行的兩組，每組包括1個奧貝爾氧化溝和2個二沉池。單個氧化溝的主要設計參數(shù)如下：設計進水流量12503/h泥齡35d有效池容17333LSS4000g/LLVSS3200g/L容積分配外：中：內(nèi)=56：26：18溶解氧分布外-中-內(nèi)=0-1-2g/L每個氧化溝設32組曝氣轉(zhuǎn)碟，外、中、內(nèi)溝各安裝8組曝氣器，氧化溝平面布置如圖2.1.1所示。2.2測試期間的進出水水質(zhì)與工藝運行參數(shù)測試期間氧化溝的進出水水質(zhì)如下表:表2.2.1測試期間氧化溝原水水質(zhì)Dg/LBDg/LSSg/LTKNg/LNH

6、4-Ng/LNX-Ng/LTNg/LPH進水3961973116.111.61.617.448.0外溝375-1.89未檢出0.721.96-中溝244-1.09未檢出0.611.26-內(nèi)溝243-0.95未檢出0.61.18-出水283130.98未檢出1.391.438.0去除率93%-94%-92%-“-在文章表格中表示未檢測或未計算。實際運行參數(shù)見下表：氧化溝運行參數(shù)平均值范圍進水流量903851937水力停留時間(h)191821水溫151316轉(zhuǎn)碟運行組數(shù)外溝5-中溝、內(nèi)溝3-污泥回流比%615965LSSg/L)303729233245LVSS/LSS0.78-D(g/L)外溝0

7、0.3中溝0.40.10.9內(nèi)溝3.52.93.9實際供氧量為：外溝：中溝：內(nèi)溝58:23:19。3、低負荷長泥齡下的數(shù)學模擬3.1概述與奧貝爾氧化溝工藝相關的數(shù)學模擬從以下幾個方面進展:奧貝爾氧化溝原型工藝模擬確定模擬參數(shù)的可用性；混合液回流比的作用考察奧貝爾氧化溝外溝道高流速造成高回流比對出水效果的影響；單溝式氧化溝的脫氮效果在單溝式氧化溝中采用與奧貝爾氧化溝外溝道同樣的曝氣布置，考察其處理效果；低氧完全混合條件下同時硝化、反硝化的效果低氧完全混合條件下能否實現(xiàn)與奧貝爾氧化溝的外溝道相當?shù)耐瑫r硝化與反硝化？在奧貝爾氧化溝的外溝道中采用微孔曝氣器代替曝氣轉(zhuǎn)碟，是否會得到同樣的效果？3.2奧貝

8、爾氧化溝原形工藝模擬3.2.1概述根據(jù)實際情況將外溝道平均分割成8個單元(1#8#)，4組曝氣轉(zhuǎn)碟分別置于4個單元中1#、3#、5#、7#，即每隔一個單元放一組轉(zhuǎn)碟，中溝道和內(nèi)溝道分別只設一個單元9#、10#其中各設1組轉(zhuǎn)碟。原水進入1#，混合液由8#回流至1#，回流污泥由二沉池回流至1#，見圖3.2.1。由于測試期間屬非正常運行，無法測定泥令，因此模擬中按設計泥令取值。3.2.2原水水質(zhì)模擬原水水質(zhì)按照模型組分的劃分確定如下表3.2.1、3.2.2。溶解性組分：SI惰性DSS可生物降解DSNH4氨氮SNX硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮SALK堿度顆粒性組分：XI惰性DXS可生物降解DXH異氧菌XA自養(yǎng)

9、菌Xss懸浮物表3.2.1溶解性組分SISSSH4SNXSALKg/Lg/Lg/Lg/Ll/318.0348161.66.0表3.2.2顆粒性組分XIXSXHXAXSSg/Lg/Lg/Lg/Lg/L6.12431.03.2.3數(shù)學模擬工藝流程及運行參數(shù)工藝流程見下列圖:工藝運行參數(shù)如下:氧化溝池容:V1#8#=12413V9#=46113V10#=31923二沉池池容:V二沉=36123流量:Q=216703/d水溫:T=15污泥加流比:R=61%模擬混合液回流比:R=10000%模擬供氧量:外溝:中溝:內(nèi)溝=65:19:16總供氧量:7392kg2/d3.2.4數(shù)學模擬結果計算所得污泥濃度為

10、3500gD/L,其余結果見表2.2.5。表2.2.5奧貝爾氧化溝原型工藝模擬分析1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#D0.230.050.220.080.330.160.440.260.712.35SS2.38-0.310.240.28SNH2.6-2.510.460.13SNX0.2-0.191.812.56比擬表2.2.1和2.2.2,可知模擬數(shù)據(jù)可以與實測數(shù)據(jù)很好地吻合:絕大部分有機物和氮在外溝道去除:外溝道總氮為2.7g/L(實測總氮為2.6g/L),去除率為84%(實測為86.5%),有機物去除率為99.8%(實測為97.4%);只有少量氮在中溝、內(nèi)溝去除，出水總氮為2.7g

11、/L(實測為2.4g/L),去除率為84%(實測為86.4%);溶解氧有一定的變化梯度,但不形成絕對的缺氧、好氧區(qū)，而是形成介乎缺氧與厭氧之間的缺氧/厭氧區(qū)和介乎好氧與缺氧之間的好氧/缺氧區(qū)；計算所得污泥濃度相當于3032g/L的LSS，而實測污泥濃度LSS為3037g/L。3.3混合液回流比的作用3.3.1概述假設在供氧量不變的條件下,考慮模擬的方便,外溝道內(nèi)設2組轉(zhuǎn)碟(模擬結果說明,2組與4組轉(zhuǎn)碟差異不大),將外溝道平均分割成6個單元(1#6#),2組曝氣轉(zhuǎn)碟分別置于2個單元中(1#、4#，即每隔2個單元放一組轉(zhuǎn)碟，中溝道和內(nèi)溝道同前，分別只設一個單元7#、8#。原水進入1#，混合液由6#

12、回流至1#，混合液回流比由100倍改為10倍，回流污泥由二沉池回流至1#，其余模擬皆同2.2節(jié)，以考察奧貝爾外溝道中高回流比的作用。工藝流程見下列圖：其中，池容V16=16553。3.3.2數(shù)學模擬結果模擬結果見下表。表3.3.1奧貝爾氧化溝混合液回流比的影響1#2#3#4#5#6#7#8#D0.171.610.120.010.311.16SS6.84-0.240.280.29SNH4.65-4.291.450.29SNX0.11-0.251.112.12在給定條件下,由于回流比的改變,使得外溝道內(nèi)溶解氧分布的梯度明顯加大,缺氧/厭氧區(qū)擴磊,好氧/缺氧區(qū)縮小,盡管平均溶解氧(0.31g/L)有

13、所進步,但由于高氧區(qū)域(曝氣轉(zhuǎn)碟附近)極為狹小,外溝道硝化效果下降,從而導致脫氮效果的下降,但出水與高回流比時的效果根本一樣。這說明奧貝爾外溝道內(nèi)的高流速是其我外溝道擁有良好的脫氮效果的重要原因，但不等于說流速越高越好，模擬結果說明，混合液回流比為50倍時，效果最正確。3.4單溝式氧化溝脫氮的可能性3.4.1概述本節(jié)模擬的原那么是在3.2節(jié)氧化溝工藝參數(shù)(混合液回流比為100倍)的根底上模擬單溝式氧化溝,即在泥令、生物池總體積、總供氧量一樣，進水水質(zhì)一樣的條件下模擬奧貝爾外溝道的運行方式。工藝流程見下列圖：1#2#3#4#5#6#D0.650.220.081.060.620.31SS1.2-0

14、.22SNH0.76-0.67SNX1.18-1.19在給定條件下,采用與外溝道一樣布置的單溝式氧化溝,由于平均溶解氧(0.63g/L)進步了2倍多,碳氧化與脫氮效果均優(yōu)于奧貝爾,只是由于缺少了奧貝爾氧化溝3溝道中溶解氧0-1-2的分布,最終硝化不夠徹底。3.5低氧條件下的同時硝化反硝化本節(jié)分3種形式模擬。第一種是在供氧量一樣的條件下，將奧貝爾氧化溝的外溝道交換為采用微孔曝氣器的完全混合曝氣池，而中溝、內(nèi)溝不變的一種改型工藝；第二種是不改變奧貝爾的根本池型，只是在同樣供氧量的條件下，在外溝道采用微孔曝氣器代替曝氣轉(zhuǎn)碟，因此也就不存在混合液回流問題，其他均不變；第三種是在第二種的根底上，在外溝道

15、強迫進展混合液回流。目的是考察外溝道處于低氧狀態(tài)下時發(fā)生同時硝化反硝化的可能性以及奧貝爾氧化溝外溝道工藝改型的可能性。3.5.1工藝流程第一種改型工藝流程見下列圖:其中，外溝V1=9930.53中溝V2=46113內(nèi)溝V3=31923供氧量及其他條件均與3.2節(jié)一樣。第二種改型工藝流程見下列圖：其中,1#6#單元均為曝氣單元,供氧量均等,總供氧量及其他條件均與3.2節(jié)一樣。第三種改型工藝流程下列圖：這種流程力與第二種的區(qū)別,只是根據(jù)奧貝爾的真實情形增加了混合液回流。3.5.2數(shù)學模擬結果第一種改型工藝的模擬結果見下表。外溝道在低氧0.23gD/L相當于奧貝爾外溝道的平均溶解氧、完全混合條件下，

16、脫氮及碳氧化效果與經(jīng)典的奧貝爾外溝道相當，這從另一方面說明了低氧條件下的同時硝化反硝化同樣發(fā)生在奧貝爾外溝道中。表3.5.1奧貝爾氧化溝外溝道第一種改型工藝模擬分析1#2#3#D0.230.942.63SS0.70.240.28SNH2.080.350.12SNX0.311.992.71第二種改型工藝的模擬結果見下表。如假設只是在外溝道用微孔曝氣器代替曝氣轉(zhuǎn)碟，那么外溝道內(nèi)的溶解氧沿溝長呈不斷上升趨勢，平均溶解氧為0.26gD/L,高于改型的平均溶解氧,因此碳氧化程度有所進步,而硝化和反硝化效果都有所下降,這是由于改型后的工藝不同于原型,從溝道中各個部分看都是完全混合式,從整個外溝道看卻是推流

17、式,原水質(zhì)點依次經(jīng)過外溝道而不是反復經(jīng)過。假如在此根底上，進展混合液回液，效果應有所改善，為此我們做了第三種改型工藝的分析。表3.5.2奧貝爾氧化溝外溝道第二種改型工藝模擬分析1#2#3#4#5#6#7#8#D0.30.020.030.170.450.610.572.09SS137-0.290.250.28SNH9.34-3.070.630.15SNX0.03-3.064.385.16第三種改型工藝的模擬結果見下表。與第二種模擬比照，顯然證實了我們的猜想，這說明，在外溝道內(nèi)采用微孔曝氣轉(zhuǎn)碟可以獲得同樣的效果，但必須同時考慮實現(xiàn)外溝道的自身回流以保證脫氮效果，這也從另一方面說明，奧貝爾外溝道的高

18、流速對脫氮效果的重要作用。表3.5.3奧貝爾氧化溝外溝道第三種改型工藝模擬分析1#2#3#4#5#6#7#8#D0.170.140.180.250.330.40.922.58SS2.15-0.290.240.28SNH2.18-2.090.30.12SNX0.24-0.251.92.623.6小結我們將奧貝爾氧化溝、單溝式氧化溝及在外溝道用面源底曝來取代曝氣轉(zhuǎn)碟并在外溝道進展強迫循環(huán)的外溝道改型工藝做一比照，見表3.6.1。表3.6.1低負荷長泥齡條件下三條工藝模擬分析工藝指標外溝道Dg/L出水Dg/L外溝道TNg/L出水TNg/LTN去除率%外溝道Ssg/L出水Ssg/l奧貝爾氧化溝0.26

19、2.352.72.784.70.310.28單溝式氧化溝0.311.8689.40.22外溝道改型工0.42.582.342.7484.40.290.28由表可知，低負荷長泥齡運行條件下，單溝式氧化溝的脫氮與碳氧化效果更佳，奧貝爾氧化溝與其第三種改型工藝效果相當，說明不同的曝氣方式可以到達同樣的處理效果。4、高負荷短泥齡下的數(shù)學模擬本單在第三章的根底上，將泥齡縮短為10天，進水量進步到600003/d，氨氮進步到50g/L。在負荷進步，泥齡縮短的條件下，維持生物段總?cè)莘e不變，考察奧貝爾氧化溝、單溝式氧化溝及外溝道改型藝、4種的性能并進展比照。4.1奧貝爾氧化溝模擬原水水質(zhì)如下：表4.1.1溶解

20、性組分SISsSNH4SNXSALKg/Lg/Lg/Lg/Lg/L18.00348501.610外表光潔度.1.2顆粒性組分XIXsXHXAXSSg/Lg/Lg/Lg/Lg/L6.12431.0工藝運行參如下：氧化溝池容V外溝=119003V中溝=38813V內(nèi)溝=19443V1#、3#、5#、7#=9923V2#、4#、6#、8#=19833V9#=38813V10#=19943二沉池池容：V二沉=36123流量：Q=600003/d水溫：T=15污泥泥令：SRT=10d污泥回流比：R=61%模擬混合液回流比：R=60倍模擬供氧量：外溝：中溝：內(nèi)溝=60：30：10總供氧量：22981kg2

21、/d數(shù)學模擬結果見表4.1.1，計算所得污泥濃度為5081gD/L。表4.1.1高負荷下奧貝爾氧化溝工藝模擬分析1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#D0.250.030.380.080.510.130.570.160.9522.08Ss3.57-0.200.230.26SNH13-132.100.27SNX7.44-2.595.9815STN15.5915.27TN去除率%69.770.44.2單溝式氧化溝水質(zhì)、運行參數(shù)同前改變的工藝參數(shù)如下：氧化溝池容：V1#、3#、5#、7#=14783V2#、4#、6#、8#=29563總供氧量：22981kg2/d數(shù)學模擬結果見外表光潔度.2.1

22、，計算所得污泥濃度為5278gD/L。表4.2.1高負荷下單溝式氧化溝工藝模擬分析1#2#3#4#5#6#7#8#D0.420.020.310.040.530.140.720.28Ss2.69-0.2SNH3.16-2.51SNX15-16STN18.51TN去除率%64.14.3低氧條件下的同時硝化反硝化本節(jié)分2種形式模型：奧貝爾氧化溝外溝道改型工藝1和奧貝爾氧化溝外溝道改型工藝，目的是考察高負荷下外溝道發(fā)生硝化反硝化的工藝機理。工藝流程圖3.5.1和圖3.5.3。其中，改型工藝的氧化溝池容：V外溝=119003V中溝=38813V內(nèi)溝=19443其他條件均與第4.1節(jié)一樣。改型工藝的運行條

23、件均與4.1節(jié)一樣。改型工藝數(shù)學模擬計算所得污泥濃度為5060gD/L，其余結果見表4.3.1。表4.3.1奧貝爾氧化溝外溝道改型工藝模擬分析1#2#3#D0.170.931.97Ss0.610.220.25SNH12.852.270.3SNX5.0115.1817.214STN17.8617.51TN去除率%65.466.1改型工藝數(shù)學模擬計算所得污泥濃度為5052gD/L，其余結果見表4.3.2。表4.3.2奧貝爾氧化溝外溝道改型工藝模擬分析1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#D0.10.10.130.190.220.250.260.271.182.73Ss3.64-0.210.22

24、0.27SNH12-111.520.19SNX3.18-3.261314STN14.2614.19TN去除率%72.472.54.4小結我們將奧貝爾氧化溝、單溝式氧化溝及在外溝道用面源底曝來取代曝氣轉(zhuǎn)碟并在外溝道進展強迫循環(huán)的外溝道改型工藝做一比照，見表4.4.1。表4.4.1高負荷短泥齡條件下3種工藝模擬分析指標工藝外溝道Dg/L出水Dg/L外溝道TNg/L出水TNg/LTN去除率%外溝道Ssg/L出水Ssg/L奧貝爾氧化溝0.162.0815.5915.2770.40.20.26單溝式氧化溝0.2818.5164.10.2外溝道改型工藝0.272.7314.2614.1972.50.210

25、.27由表可知，高負荷短泥齡運行條件下，單溝式氧化溝碳氧化效果更佳，而脫氮效果略差；奧貝爾氧化溝與其第三種改型工藝效果相當，再一次說明不同的曝氣方式可以到達同樣的處理效果5、結論5.1奧貝爾氧化溝外溝的脫氮作用A、奧貝爾氧化溝外溝的脫氮作用毋庸置疑，其影響因素主要是由于采用曝氣轉(zhuǎn)碟在外溝道形成的獨特的流態(tài)，即推流式與完全混合式有機統(tǒng)一的特殊流態(tài)。B、數(shù)學模擬的外溝道溶解氧的分布說明，間隔布置的曝氣轉(zhuǎn)碟使得溶解氧有一定的變化梯度，而其在溝內(nèi)造成的高流速又使得溶解氧的分布趨于均勻，不形成絕對的缺氧、好氧區(qū)，而是形成介乎缺氧與厭氧之間的缺氧/厭氧區(qū)和介乎好氧與缺氧之間的好氧/缺氧區(qū)，導致每個原水質(zhì)點反復經(jīng)歷缺氧/厭氧區(qū)和好氧/缺氧區(qū)的不斷切換，這是一種由點源曝氣加高速流態(tài)造成的完全混合形態(tài)。它所形成的宏觀上的“同時硝化反硝化，既可以在奧貝爾外溝道中的點源曝氣條件下實現(xiàn)，又可以在面源氣的完全混合的較為均勻的低溶解氧條件下實現(xiàn)。、數(shù)學模擬無法直接模擬微環(huán)境下的“同時硝化反硝化，但對曝氣轉(zhuǎn)碟附近及較遠區(qū)域的模擬中所出現(xiàn)的好氧/缺氧區(qū)和缺氧/厭氧區(qū)間接說明了菌膠團的微環(huán)境里肯定會存在著同樣的情形。D、數(shù)據(jù)模擬中所遵循的經(jīng)典微生物學原理以及為了簡化模擬所采用的“灰箱理論決定了它無法準確驗證是否存在一種新型特種微生物。E、數(shù)據(jù)模擬說明，外溝道脫氮和碳氧化程度均占90%以上，這與測