改进Orbal氧化沟工艺污水处理厂脱氮效果研究张扬

中国环境科学2012,32(8)：1461~1466ChinaEnvironmentalScience改进Orbal氧化沟工艺污水处理厂脱氮效果研究张扬1,李子富1,宋英豪2*,陈豪3,赵媛1(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083；2.北京化工大学,北京100029；3.无锡城北污水处理厂,江苏无锡214000)摘要：Orbal氧化沟工艺在我国得到了广泛的应用,但在运行过程中也存在着脱氮效果低等问题.通过对Orbal氧化沟运行数据的监测分析和模拟发现,其脱氮效果差的主要原因是由于过度充氧导致氧化沟内溶解氧过高,抑制了系统内反硝化反应顺利进行造成的.通过减少曝气转碟的数量,有效的降低了系统内溶解氧浓度,沟内平均溶解氧浓度从改进前的0.51mg/L降低到改进后的0.20mg/L,提高了系统的脱氮效果.改进后脱氮效率比改造前同期脱氮效率有了显著提高,总氮去除率达到了70%,比去年同期提高了30%.关键词：Orbal氧化沟；同步硝化反硝化；脱氮中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2012)08-1461-06Improvingthenitrogenremovalefficiencyofanorbaloxidationditchprocess.ZHANGYang1,LIZi-fu1,SONGYing-hao2*,CHENHao3,ZHAOYuan1(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China；2.BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China；3.WuxiChengbeiWastewaterTreatmentPlant,Wuxi214000,China).ChinaEnvironmentalSicence,2012,32(8)：1461~1466Abstract：Althoughorbaloxidationditchhasbeenwidelyemployedinourcountry,itremovalefficiencyofnitrogenwasverylow.Basedonmonitoringandanalyzingoperationdataoforbaloxidationditch,itwasfoundthathighlydissolvedoxygenconcentration,whichinhibitedthedenitrificationprocessasthemaincauseforthelownitrogenremovalefficiencyoftheprocess.Therefore,reducingthenumberofaerationdiscisthemostflexibleapproachforeffectivelyloweringthedissolvedoxygenconcentrationintheorbaloxidationditchsystemandimprovingthenitrogenremovalefficiency.Byreducingthenumberofaerationdisc,theaverageconcentrationofdissolveoxygeninditchreducedto0.20mg/Lfrom0.51mg/L,andthenitrogenremovalefficiencywasincreasedto70%,comparedwith40%nitrogenremovalefficiencylastyear.Keywords：orbaloxidationditch；simultaneousnitrificationanddenitrification；nitrogenremoval氧化沟自20世纪50年代发明以来,由于其结构简单、运行操作简便和稳定的处理效果[1]在世界各地被广泛研究与应用.我国应用较多的有Orbal氧化沟、Passver型氧化沟、和Carrousel氧化沟[2].Orbal氧化沟可以看作是由3个Passver型氧化沟串联组成的多级氧化沟,典型的Orbal氧化沟是多沟式椭圆型结构,污水直接进入到外沟,通过水下输入口连续依次进入到中沟和内沟,每一条沟道都是一个闭路连续循环的完全混合反应器,污水在每条沟道中都循环了数百次,昀后污水通过内沟流入二沉池,进行固液分离,剩余污泥回流到外沟[3].Orbal氧化沟在降解有机物的同时,可以去除氮磷等营养物,并且剩余污泥已经好氧稳定,无需再进行污泥消化处理,对污泥的后处理要求简单,特别适合我国国情[4].但是随着污染物排放标准越来越严格,对处理效果要求越来越高,原有的Orbal氧化沟设计、运行和管理方式则显得滞后,急需更加深入地进行Orbal氧化沟营养物去除机理的研究,在此基础上开发节能降耗和优化处理效果的深度控制策略.本文以无锡城北污水处理厂4号氧化沟为研究对象深入研究了导致氧化沟脱氮效果差的原因.并提出了相应的改进措施,以期为Orbal氧化沟的实际工程设计、运行和管理提供指导依据和改进方法.收稿日期：2011-11-16基金项目：国家科技支撑计划(2006BAC19B00)*责任作者,教授,[e-mail]1462中国环境科学32卷1实验方法与仪器无锡城北污水处理厂采用Orbal氧化沟工艺,与传统的Orbal氧化沟工艺不同,其中心岛被改造成了厌氧区同时借鉴了A2/O工艺的运行模式,为氧化沟增加了内循环系统,即内沟出水部分回流到外沟,从而提高了Orbal氧化沟的脱氮除磷能力.与传统的Orbal氧化沟工艺相比经改造后的氧化沟虽然在脱氮除磷方面有了改进,但其出水总氮还是难以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》[5]相关指标.为此,详细监测了4号氧化沟内的溶解氧、沟内流速、氨氮、总氮、硝酸盐氮等指标.并结合烧杯小试试验,分析造成Orbal氧化沟脱氮效果差的原因.监测指标与监测方法见表1.表1监测指标与分析方法Table1Monitoringindexesandanalyzingmethod分析项目分析方法分析项目分析方法CODCr重铬酸钾法TP钼酸盐分光光度法BOD5稀释倍数法MLVSS重量法NH3-N纳氏试剂法DO/温度溶解氧仪NO3-N紫外分光光度法SS重量法①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩图1溶解氧监测点Fig.1DOmonitoringsite2结果与讨论2.1Orbal氧化沟运行状况分析由于Orbal氧化沟其独特的封闭无终端的池型,污水在池中进行着无数次的循环,使其对氨氮和有机物有着比较稳定和高效的去除效果.系统出水CODCr和氨氮也很稳定,远低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》[5]中规定的一级A标准规定的50mg/L和5mg/L.通过对城北污水处理厂近年来的运行数据进行分析发现,该系统脱氮效果差.2007全年出水总氮达标率较低(图2).以运行效果昀好的九月份的总氮运行数据为例,可以清楚地看出9月份总氮的达标天数只有40%.9月份总氮的进水浓度在38.2~20.5之间,平均进水浓度为29.48mg/L,平均出水浓度为15.12mg/L总氮的平均去除率为49%,总氮的平均去除量为10.77t(图3).由此可见,如何提高Orbal氧化沟系统的脱氮问题已成为该系统面临的主要问题.生物脱氮过程中,污水中的有机氮及氨氮经过微生物的同化作用、氨化作用、硝化反应、反硝化反应,昀后转化为氮气.在Orbal氧化沟系统中,主要的脱氮过程是在占总体积50%的外沟道中完成的,在外沟道中溶解氧接近零,为同步硝化反硝化脱氮创造了有利条件,大量的报道表明在氧化沟系统中氮的去除主要是由同步硝化反硝化过程完成[6-10].由于氧化沟具有特殊的池型,使系统对氨氮去除有着其他工艺难以比拟的效果,城北污水处理厂全年大部分时间内出水的氨氮都在1.0mg/L以下,表明该工艺在脱氮过程中硝化过程进行很彻底.脱氮效果不佳可能是由于反硝化过程进行的不彻底导致.另外,从对硝酸盐氮的监测发现(表2),总氮中硝酸盐氮的含量很高,其中内回流液中硝酸盐氮的平均值为8.82mg/L,占总氮的73%.可见该系统总氮去除效果不佳的主要原因是由于反硝化过程进行不完全造成的.影响反硝化过程的因素很多,如温度、pH值、碳源、溶解氧等.但由于所处理的污水大部分为生活污水,其pH值和水温都适合于反硝化反应的进行.通过对总氮和CODCr的监测发现,城北污水处理厂C/N在4.5~16.3之间,平均值为8.6.对于一般的污水处理系统而言当废水中的可生化有机物量与总氮的比值大于2.86时反硝化能正常进行[11].也有学者研究发现,当碳氮比在6~11[12-15]时可满足脱氮要求,由此可见此系统中碳源充足,不是反硝化反应主要的限制性因子.Orbal氧化沟中氮的脱除主要是基于同步硝化反硝化脱氮机理去除8期张扬等：改进Orbal氧化沟工艺污水处理厂脱氮效果研究1463的,因此选取溶解氧作为主要的研究对象与控制因素进行研究[16-18].表2Orbal氧化沟中NO3-N,TN,CODCr,NH3-N含量(mg/L)Table2MonitoringdataofNO3-N,TN,CODCr,NH3-N(mg/L)NO3-NTNCODCrNH3-N项目外沟出水内回流液进水外沟出水内回流液进水外沟出水进水外沟出水内回流液17.409.1067.3613.9112.4230579.454.644.660.61214.8815.8953.8821.4718.7036857.242.708.140.7132.797.8638.0415.0613.9239779.528.859.503.3342.426.1440.418.548.0537494.924.894.881.3951.835.0935.947.917.6458716232.295.121.42平均5.868.8247.1313.3812.1540694.536.676.461.490501001502002503003504000102030405060708015(mg/L)TN(mg/L)时间(d)进水出水图22007年全年进出水总氮Fig.2Totalnitrogenininfluentandeffluentin2007图中15mg/L是文献[5]中相应标准,下同051015202530510152025303540455055TN(mg/L)时间(d)进水出水15mg/L图32007年9月份进出水总氮Fig.3TNininfluentandeffluentinSeptember20072.2溶解氧对Orbal氧化沟系统反硝化脱氮的影响采用便携式溶解氧仪对氧化沟溶解氧进行测定,监测点位于液面以下1m,具体的监测点见图1.外沟道内的溶解氧(图4),值是一个月内监测的算数平均值.改进前Orbal氧化沟在2号监测点的溶解氧浓度平均值为0.56mg/L,15号监测点浓度昀低,其值为0.27mg/L.外沟道内14个监测点的平均溶解氧浓度为0.51mg/L,这一浓度对要靠大量同步硝化反硝化来脱氮的外沟道来说是偏高的.01234567891011121314151600.10.20.30.40.50.60.7DO(mg/L)监测点编号改进后DO改进前DO图4改进前后氧化沟内溶解氧情况Fig.4DOconcentrationbeforeandaftertheimprovingprogress图中数据为一个月内监测的算术平均值由于Orbal氧化沟的外沟道体积占整个系统的50%以上,是脱氮和去除有机物的主要场所,如果不能在整个沟道内形成稳定的缺氧区,则会严重影响反硝化反应高效进行,进而导致整个系统的脱氮效果低下.同时过高的溶解氧不仅导致反硝化速率低,还消耗了大量的能源.1464中国环境科学32卷