改良型Orbal氧化沟工艺对污水中主要污染物去除效率研究

桂剑钊，谷 娟，徐志兵

(安庆师范大学资源环境学院，安徽安庆246133)

我国城镇污水处理厂约3 900余座，日处理能力1.55×109m3/d[1]。基于传统活性污泥法为主要处理工艺的早期投建的城市污水处理厂工艺技术落后，对污水处理设施进行改造势在必行[2]。改良型Orbal氧化沟作为一种新型的氧化沟模式，在传统的氧化沟工艺段之前增加了厌氧池，从理论上来讲可有效抑制污泥膨胀，提高脱氮除磷效果。安徽省某城市生活污水处理厂Orbal氧化沟处理设施经常性出现出水总磷、氨氮等超标，处理效果不理想。本文对此水厂进行了监测，分析了进水、厌氧池、氧化沟三沟（内、中、外）、二沉池、出水等水质指标，并分析原因。

1 污水处理工艺及检测方法

安徽省某污水处理厂设计处理规模为日平均处理污水量1.2×105m3/d，处理工艺为改良型氧化沟，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准。

污水通过排水管网进入该污水处理厂，通过集水井，流经细格栅、旋流式沉砂池、厌氧池、Orbal氧化沟和辐流式二沉池，最后经过紫外消毒排入河流。Orbal氧化沟是一种首尾相连的循环流曝气沟渠，初期采用延时曝气，连续进出水，所产生的微生物污泥在污水曝气净化的同时得到稳定，在不设初沉池的情况下，有机性悬浮物在氧化沟内也能够达到好氧稳定的程度[3]，故该污水处理厂没有设置初沉池。污泥采用深度脱水，使得该污水处理厂的污泥含固率≥50%，干泥饼填埋减少50%的填埋场库容[4]，具体工艺如图1所示。

图1 污泥处理工艺流程

由于水温由系统自动检测，为了分析DO、温度、BOD对TN、TP的影响，找出TN、TP去除率长期明显偏低的原因，按照《水和废水监测分析方法》中规定的标准方法对DO、TN、TP、BOD进行分析，见表1。

2 污水厂监测结果

2.1 实际进、出水水质

对安徽省某污水处理厂2016年9月至2016年12月共122天的数据统计，得到安徽省某污水厂的实际进出水水质汇总表，如表2和表3所示。

2.2 主要污染物去除效果

对安徽省某污水处理厂2016年9月至2016年12月共122天的数据进行统计分析，得到该污水厂主要污染物去除情况如图2所示。

表1 实验项目标准分析方法

表3 水质指标法表征污（废）水可生化程度

图2 安徽省某污水处理厂主要污染物去除效率

COD的去除效果。安徽省某污水处理厂对COD的去除一部分发生在厌氧池当中，由微生物吸附和聚磷菌代谢；另一部分发生在氧化沟内，同程硝化反硝化和生物降解[5]。从图2可以看出，进水的COD浓度波动较大，但是系统对于COD的去除效果稳定，平均去除率达68.34%，出水达标率100%，说明氧化沟对有机物冲击负荷的抵抗力较强，去除COD的能力较强。

BOD的去除效果。该污水厂进水可生化性较好，但是有机碳源不足，易降解的有机物处于“供不应求”的状态。从图2可以看出，安徽省某污水处理厂2016年9月至2016年12月共122天BOD的进水浓度波动不大，这也是生活污水的特点。进水平均浓度达28 mg/L，出水BOD稳定，OD:TN:TP=100:58.25:4.39，低于100:5:1，整体去除效率较高。

NH3-N的去除效果。Orbal氧化沟道氨氮的去除也就是硝化作用。硝化作用即在有氧条件下，氨基酸脱下来的氨，经过亚硝化细菌和硝化细菌的作用转化为硝酸，这主要发生在外沟道。Orbal氧化沟溶解氧含量分别是外圈0 mg/L、中圈1 mg/L、内圈2 mg/L的模式，外沟有机物充分，有机分解需氧量大，供氧量几乎占到全部供氧量的50%[6]。但是由于对氧化沟的实际供氧量控制不够精确，对该氧化沟为期10天的DO浓度检测分析表明，实际DO浓度为外圈0.30 mg/L、中圈0.53 mg/L、内圈0.55 mg/L，DO梯度不够明显，同程硝化反硝化效果较差，致使氨氮的去除效果一般。由图2可知，进水氨氮变化幅度较大，工艺对氨氮的去除效果一般，由于氧化沟段的外沟DO控制不够准确，有氧硝化反应进行不完全，为后期的反硝化作用设置了阻碍，这是脱氮效果降低的主要原因。

TN的去除效果。以上分析表明，该污水厂进水的氨氮去除效果较好，平均去除率为53.64%，但TN去除率低于25%，可能是反硝化受阻。反硝化指兼性厌氧的硝酸盐还原菌将硝酸盐还原为氮气的过程，主要发生在外沟道，而反硝化运行段操作的关键指标有碳源（BOD：TN＜5碳源不足)、pH（7.2左右适宜，最适为7～8）、最终电子受体和（不足）、温度（13℃适宜）和DO（外沟0.55过高），因此反硝化进行不够顺利。一般来说，一个有极低的DO、和有机物存在的环境，只要pH和温度适宜就能发生反硝化。从图2可知，除个别时间外，TN的进出水浓度均表现平稳，说明影响脱氮的主要原因是工艺运行的实际参数，DO和最终电子受体不足，进而影响反硝化的进行，而不是进水水质水量的影响。

TP的去除效果。厌氧池的作用就是让聚磷菌在此释放大量的磷，便于后期好氧过量吸收磷，通过排放富磷污泥达到去除系统磷的目的[7]。然而后期工艺段供氧不足、有机物缺乏、温度偏低、污泥龄过长等原因导致除磷效果极差，由图2可知，TP去除率仅为16.94%。

3 污水处理工艺效率分析与讨论

从以上分析可知，安徽省某污水处理厂对于主要污染物中BOD、COD、氨氮的去除效果较好。对于TN，进出水浓度均达到一级B标准，但总体的去除效率不高，为配合污水厂体表改造工作，脱氮效率有待提高；对于TP，虽然Orbal氧化沟工艺段之前添加了厌氧池，但由于系统碳源不足、污泥龄过长等因素，仍然不能达到理想的除磷效果，除磷压力很大。影响生物脱氮除磷的因素主要有3种：水质条件、环境因素和运行参数[8]。水质条件包括进水有机物种类、碳磷比、进水碳氮比等；环境因素包括温度、溶解氧等；运行参数包括污泥回流比、水力停留时间、污泥龄、污泥浓度和曝气量等。通常来说，水质条件和环境因素难以进行人为控制，所以，污水处理系统运行的好坏在于对运行参数的调节和控制。

3.1 厌氧池

污泥老化。厌氧池主要提供聚磷菌的厌氧释磷环境。对厌氧池近一个星期的DO测定发现，平均DO浓度为0.116 mg/L，达到厌氧池DO的要求，但是本课题采集数据时发现厌氧池浮泥现象严重。咨询工作人员后解释为污泥龄较长，回流比高，部分污泥出现了老化。老化的污泥对磷的释放能力下降，开始进行内源呼吸；回流到氧化沟时，由于外界碳源供给不足，不能过量吸收磷，可能为除磷效率低的原因之一。

有机碳源不足。厌氧池内BOD5/TP是影响聚磷菌释磷和摄磷的重要因素，聚磷菌利用有机碳源不同，其释磷的速度会存在明显差异。为给聚磷菌提供足够的有机碳源，BOD5/TP应该大于15，实际上，本污水厂的进水BOD5/TP=4.86，即有机碳源不足，释磷不充分。

硝态氮干扰释磷。从污水处理厂的工艺流程图可知，二沉池的污泥一部分回流到分配井，将沉砂池来水及二沉池回流污泥平均分配到厌氧池。由于氧化沟的出水含有一定的硝酸盐和亚硝酸盐，当流进厌氧池时，一些发酵菌会利用它们作为最终电子受体，进行反硝化作用，这样会抑制对有机物发酵产酸的作用，从而阻碍聚磷菌吸收3类基质，影响聚磷菌的释磷和合成PHB能力。一般来说，硝酸盐的浓度应控制在0.2 mg/L以下。

3.2 Orbal氧化沟

Orbal氧化沟属于第3代氧化沟，它是一种多级氧化沟，由3个（三级）P型氧化沟组合而成的多沟式椭圆形。Orbal氧化沟采用水平轴转动的转碟，氧化沟总体有较大的溶解氧梯度，充氧能力高、省电。其出水水质好、稳定；能较好地避免二沉污泥流失，有利于有机物的去除，污泥膨胀现象较少[9]。改良型Orbal氧化沟3个廊道的溶解氧分别控制为0～0.3 mg/L、0.5～1.5 mg/L、2～3 mg/L，通过控制曝气强度，使外圈廊道的供氧速率与渠道内耗氧速率相近，保证混合液的硝化反应，同时因为溶解氧浓度较低，反硝化细菌可以利用硝酸盐作为电子受体进行反硝化反应[10]。氮素在外圈是一个同步硝化反硝化过程，系统脱氮效率理论上较高。

溶解氧控制不够。由于对转碟曝气的充氧控制不佳，氧化沟内DO浓度梯度并没有达到0 mg/L、1 mg/L、2 mg/L的模式，同步硝化反硝化条件不具备，脱氮效果差。图3为2017年3月29日至2017年4月4日的为时7天的各工艺段DO的平均浓度。

图3 主要工艺段实测DO浓度

由图3知，氧化沟三圈DO浓度为0.65 mg/L、0.661 mg/L、0.803 mg/L，不满足理想模式，而且外圈DO过高，不利于氧化作用和反硝化脱氮；内圈DO过低，无法保证有机物和氨氮较高的去除率。

污泥龄太长。污泥龄的长短对聚磷菌的摄磷作用和剩余排放量有直接影响。污泥龄越长，污泥中的含磷量越低，加之排泥量的减少，会导致除磷效果下降[11]。Orbal氧化沟工艺段的污泥龄普遍较长，但是聚磷菌为世代周期短的微生物，需要低的污泥龄，约3～7 d，而硝化细菌生长缓慢，世代周期长，完成脱氮作用的污泥龄为10～20 d[12]。大多数污水处理厂为克服脱氮与除磷之间的污泥龄矛盾会选择两种微生物的最适污泥龄之间的数值，然而这只是一种折中的办法，如安徽省某厂的污泥龄为16.1 d，实际上对脱氮除磷都不利，尤其除磷，长的污泥龄会造成富磷污泥的回流，遇到厌氧环境和有机物充足时就会大量释放磷，造成除磷效率低下。

3.3 二沉池

现场观测二沉池水面清澈无浮泥，周围没有特殊气味，进出水DO适宜，不太容易出现污泥的厌氧释磷和反硝化细菌利用硝酸盐的反硝化。出水DO约2.08 mg/L，TP浓度有所下降，运转良好。

4 结束语

对安徽省某污水处理厂的主要污染物BOD、氨氮、COD、TN、TP的去除效果进行分析发现，BOD、氨氮、COD的去除效果较好，均在55%以上，无任何超标记录；TN进出水均达标，去除率较低，无任何超标现象；TP的平均去除效果低于20%，57%以上的时间超标，18%以上的时间出水浓度异常。TP去除率低和异常的原因主要有两个方面。污水处理方面：厌氧池污泥老化、有机碳源不足、硝酸盐干扰释磷；氧化沟溶解氧控制不准确，好氧吸磷受阻、污泥龄过长，易造成富磷污泥回流。污泥处置方面：富磷污泥在污泥泵房停留一段时间，存在一定的营养物质，发生厌氧释磷、上清液TP含量高，未经过化学除磷辅助而直接流入厌氧池，增加了系统TP去除负荷。

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