氧化沟工艺的发展与展望

氧化沟工艺的发展与展望

自20世纪60年代以来，氧化槽技术在世界许多地区得到了广泛应用。现在，它也是中国城市污水处理的主要技术之一。三峡库区2006年在建的18座污水处理厂中,采用氧化沟工艺的就有12座,达到了总量的2/3。国内现有城市污水处理厂的建设经验表明,氧化沟工艺既适合在我国中小城市污水处理厂采用,也适用于有条件进行污水处理的县城及乡镇。邓荣森等对我国8个省份和3个直辖市38家有代表性的城市污水处理厂进行了调研,结果表明,氧化沟工艺在脱氮除磷、抗冲击负荷、污泥稳定、动力消耗等方面均有一定优势。美国环境保护署(EPA)的调查结果表明,氧化沟的处理效果比其他生物处理方法稳定,并且基建投资和运行费用较省。因此,氧化沟工艺有广阔的应用前景。1氧化沟与预处理的考虑1954年,世界上第1座氧化沟污水处理厂在荷兰建立,历经几十年的发展,国外先后开发了多种多样的氧化沟工艺,其分类及典型工艺类型见表1。污水治理除污需求的变化推动着氧化沟工艺的发展。早期的氧化沟仅用于去除有机物,同时将氨氮氧化为硝酸盐氮,因此氧化沟工艺无厌氧区,氧化沟循环廊道内也无缺氧区,如连续式Passveer氧化沟(见图1)、A型氧化沟、D型氧化沟、VR型氧化沟等;随着污水脱氮需求的加强,氧化沟循环廊道内在空间上或时间上形成了缺氧区,此时氧化沟在去除有机物的同时还可以反硝化脱氮,如普通Carrousel氧化沟(见图2)、T型氧化沟、DE型氧化沟等。而为了去除污水中的植物性营养物,国内外又相继开发了带有厌氧区(或带有厌氧区及缺氧区)的氧化沟工艺,以保证在去除有机物的同时去除氮磷污染物,如Carrousel2000氧化沟(见图3)、Carrousel3000氧化沟(见图4)等。由表1可以看出,早期开发的氧化沟池深小、占地面积大,为了节约用地,研究者们通过改进曝气设备的充氧和推流能力来加大池深、减小占地面积,或者通过研发连续合建式氧化沟来减小占地面积。典型氧化沟工艺混合液充氧常通过转刷、转盘、立式表曝机等曝气设备完成,曝气设备除供氧外,还要承担推动混合液流动及防止活性污泥沉降的功能,这就导致了不能根据进水水质、水量的波动有效地调节曝气充氧量,有效地设置缺氧区和好氧区,最终影响处理效果或造成能量浪费。有研究表明,将曝气供氧与推流分离开,有助于获得稳定的缺氧区,能使氮得到有效去除。因此将微孔曝气与潜水推进器联合用于氧化沟工艺,或者将转刷等曝气设备与潜水推进器联合用于氧化沟工艺,可以实现曝气与推流的分离。我国于20世纪80年代开始引进氧化沟处理技术,除了将国外技术引进国内应用外,我国还研发了新的氧化沟工艺,如表2所示。2同步硝化反硝化过程氧化沟工艺氮磷的去除,早期以传统生物脱氮除磷理论为基础,即认为生物脱氮是由有机氮氨化、自养菌好氧硝化、异养菌缺氧反硝化来完成,生物除磷是由聚磷菌厌氧释磷、好氧吸磷来完成。随着生物脱氮除磷理论的发展,人们陆续发现氧化沟工艺中存在其他生化反应过程,如同步硝化反硝化(SND)和反硝化除磷(DNPR)等。同步硝化反硝化,即硝化和反硝化在同一个反应器中同时进行。物理学理论认为,好氧为主的反应器中有较大范围的局部缺氧环境,或者微生物絮体表面和内部的溶解氧浓度梯度形成了微好氧环境和微缺氧环境,从而使好氧硝化和缺氧反硝化在一个反应器中同时进行。然而生物学理论认为,同步硝化反硝化现象发生的原因在于异养硝化(异养微生物在好氧条件下将还原态N,包括有机态N,氧化为NO2-和NO3-的过程)和好氧反硝化(在有氧条件下发生的反硝化作用)的发生。反硝化除磷,即以反硝化除磷菌为优势菌种,利用NO3-、NO2-作为电子受体,在缺氧环境下吸磷,并将NO3-、NO2-转化为氮气。J.Meinhold等认为,某些聚磷菌(PAOs)能在缺氧环境中利用NO3-、NO2-作为电子受体除磷。R.J.Zeng等发现,在溶解氧浓度较低的SBR反应器中,发生硝化反硝化的同时存在吸磷现象,这一过程被称之为同步硝化反硝化除磷(SNDPR)。在废水处理领域SNDPR可以带来较高的氮、磷去除率,节约曝气能耗、碱度消耗等。1973年,R.J.L.C.Drews等报道了在迅速切换好氧/缺氧环境的Orbal氧化沟中的同步硝化反硝化现象。1985年,B.E.Rittman等在工业规模的氧化沟内成功地实现了同步硝化反硝化。2000年,GT.Daigger等研究了美国7座处理量从7000~45000m3/d不等的氧化沟,数据显示,其不同程度地存在同步硝化反硝化过程。由于同步硝化反硝化能提高总氮去除率、节约能耗,因此近年来,研究者开始研究通过控制运行条件,来保证氧化沟内同步硝化反硝化过程稳定存在。如:XiaodiHao等提出可采取曝气与搅拌分离等措施,以便在Pasveer氧化沟内获得稳定的同步硝化反硝化脱氮;YanchenLiu等在氧化沟内,通过优化溶解氧浓度等运行参数稳定实现了同步硝化反硝化高效脱氮。高守有等认为,宏观缺氧环境和微生物絮体的微环境是氧化沟内同步硝化反硝化发生的主要条件,而新型微生物菌种的作用不占主导地位;与短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等生化反应过程相比较,同步硝化反硝化更容易实现和维持稳定,并且已经在生产中得到应用和发展。此外,YongzhenPeng等在中试规模的厌氧-缺氧氧化沟系统中成功实现了SNDPR,并研究了稳定获得SNDPR的运行条件,同时对SND进行了定量分析。3氧化沟循环比与脱氮除磷研究及应用结果表明,氧化沟工艺存在下述问题:(1)氧化沟工艺设计及运行中未考虑循环比。循环比(R)的计算公式为式中:QTOT——通过循环廊道断面的总流量,m3/d;Qin——单座氧化沟进水流量,m3/d;R——循环比;B——廊道宽,m;h——有效水深,m;RS——污泥回流比,估取1(即100%);v——混合液流速,估取0.3m/s。氧化沟工艺设计规范或手册中,未给定循环比(循环廊道断面通过的循环流量和进水流量的比值)的取值范围。设计过程中,常依据设计规范或手册选定污泥浓度、污泥负荷、污泥龄等设计参数值,由此计算得到氧化沟所需的容积,并依据场地及所选曝气设备的要求,确定氧化沟的廊道宽度、深度及长度和廊道数目,其结果导致了已建氧化沟工艺循环比由十几至数百不等,差异很大,见表3。此外,氧化沟工艺运行过程中常通过改变供氧方式、改善混合液流态等方法加强其脱氮除磷能力,而没有将循环比作为工艺运行的可调参数。(2)混合液回流比采取传统脱氮除磷工艺经验值或不控制方式。循环廊道前端设置缺氧区的氧化沟工艺(如Carrousel2000),通过回流缝或回流泵实现好氧区混合液向缺氧区的回流,混合液回流比采用传统脱氮除磷工艺的经验值,常小于5(即500%)。循环廊道内设置缺氧区和好氧区的氧化沟工艺(如改良微孔Carrousel氧化沟),混合液回流比就等于循环比。由表3可知,不同氧化沟的循环比差异较大,因此对于循环廊道内设置缺氧区和好氧区的氧化沟工艺,不同氧化沟的混合液回流比数值差异也较大,且均处于不控制状态。由此可知,循环廊道内设置缺氧区和好氧区的氧化沟工艺,好氧区混合液向缺氧区的回流没有最佳取值范围作为工程实践的理论指导,也未进行调节控制,这终将影响氧化沟工艺的脱氮除磷效果。(3)氧化沟工艺的脱氮除磷效率有待于进一步提高。由于氧化沟设计及运行中忽视了循环比的影响,因此导致了对氧化沟脱氮除磷机理及去除效果的影响因素认识不全面,最终使氧化沟工艺无法最大限度地发挥其除污功效。氧化沟与其他活性污泥工艺的显著差异在于氧化沟循环廊道内混合液在封闭式的沟渠内连续循环。因此,循环比的变化将会影响到氧化沟循环廊道内混合液的流态特征和溶解氧的分布等,最终会影响到氧化沟的脱氮除磷效果。如袁忠伟等在氧化沟循环廊道内加装插板,改变了循环廊道的过流断面面积,进而改变了循环比后,氧化沟的总氮、总磷去除率分别由40%和57%上升至70%和75%。但是,目前为止有关循环比对氧化沟脱氮除磷作用机理的影响鲜有报道。个别讨论氧化沟循环比的文献,也是针对曝气与推动混合液流动两功能合一的表曝设备而言,并且仅对稳态运行进行了初步讨论。因此,需研究循环比对氧化沟内混合液的流态特征、溶解氧的传质及脱氮除磷微生物的种类和分布等的影响,并在此基础上阐明循环比对氧化沟工艺脱氮除磷作用机理的影响(如明确哪些循环比范围会导致氧化沟除污以传统脱氮除磷生化反应为主、哪些循环比范围会导致氧化沟除污以SND、DNPR或SNDPR等生化反应过程为主等),以最终为氧化沟工艺的设计运行提供理论依据,为最大限度地挖掘氧化沟工艺的脱氮除磷潜力提供科学指导。4循环比对氧化沟生长的影响为了增强脱氮除