氧化溝工藝的發(fā)展與展望

氧化溝工藝的發(fā)展與展望

自20世紀(jì)60年代以來，氧化槽技術(shù)在世界許多地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，它也是中國城市污水處理的主要技術(shù)之一。三峽庫區(qū)2006年在建的18座污水處理廠中,采用氧化溝工藝的就有12座,達(dá)到了總量的2/3。國內(nèi)現(xiàn)有城市污水處理廠的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明,氧化溝工藝既適合在我國中小城市污水處理廠采用,也適用于有條件進(jìn)行污水處理的縣城及鄉(xiāng)鎮(zhèn)。鄧榮森等對(duì)我國8個(gè)省份和3個(gè)直轄市38家有代表性的城市污水處理廠進(jìn)行了調(diào)研,結(jié)果表明,氧化溝工藝在脫氮除磷、抗沖擊負(fù)荷、污泥穩(wěn)定、動(dòng)力消耗等方面均有一定優(yōu)勢(shì)。美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)的調(diào)查結(jié)果表明,氧化溝的處理效果比其他生物處理方法穩(wěn)定,并且基建投資和運(yùn)行費(fèi)用較省。因此,氧化溝工藝有廣闊的應(yīng)用前景。1氧化溝與預(yù)處理的考慮1954年,世界上第1座氧化溝污水處理廠在荷蘭建立,歷經(jīng)幾十年的發(fā)展,國外先后開發(fā)了多種多樣的氧化溝工藝,其分類及典型工藝類型見表1。污水治理除污需求的變化推動(dòng)著氧化溝工藝的發(fā)展。早期的氧化溝僅用于去除有機(jī)物,同時(shí)將氨氮氧化為硝酸鹽氮,因此氧化溝工藝無厭氧區(qū),氧化溝循環(huán)廊道內(nèi)也無缺氧區(qū),如連續(xù)式Passveer氧化溝(見圖1)、A型氧化溝、D型氧化溝、VR型氧化溝等;隨著污水脫氮需求的加強(qiáng),氧化溝循環(huán)廊道內(nèi)在空間上或時(shí)間上形成了缺氧區(qū),此時(shí)氧化溝在去除有機(jī)物的同時(shí)還可以反硝化脫氮,如普通Carrousel氧化溝(見圖2)、T型氧化溝、DE型氧化溝等。而為了去除污水中的植物性營養(yǎng)物,國內(nèi)外又相繼開發(fā)了帶有厭氧區(qū)(或帶有厭氧區(qū)及缺氧區(qū))的氧化溝工藝,以保證在去除有機(jī)物的同時(shí)去除氮磷污染物,如Carrousel2000氧化溝(見圖3)、Carrousel3000氧化溝(見圖4)等。由表1可以看出,早期開發(fā)的氧化溝池深小、占地面積大,為了節(jié)約用地,研究者們通過改進(jìn)曝氣設(shè)備的充氧和推流能力來加大池深、減小占地面積,或者通過研發(fā)連續(xù)合建式氧化溝來減小占地面積。典型氧化溝工藝混合液充氧常通過轉(zhuǎn)刷、轉(zhuǎn)盤、立式表曝機(jī)等曝氣設(shè)備完成,曝氣設(shè)備除供氧外,還要承擔(dān)推動(dòng)混合液流動(dòng)及防止活性污泥沉降的功能,這就導(dǎo)致了不能根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、水量的波動(dòng)有效地調(diào)節(jié)曝氣充氧量,有效地設(shè)置缺氧區(qū)和好氧區(qū),最終影響處理效果或造成能量浪費(fèi)。有研究表明,將曝氣供氧與推流分離開,有助于獲得穩(wěn)定的缺氧區(qū),能使氮得到有效去除。因此將微孔曝氣與潛水推進(jìn)器聯(lián)合用于氧化溝工藝,或者將轉(zhuǎn)刷等曝氣設(shè)備與潛水推進(jìn)器聯(lián)合用于氧化溝工藝,可以實(shí)現(xiàn)曝氣與推流的分離。我國于20世紀(jì)80年代開始引進(jìn)氧化溝處理技術(shù),除了將國外技術(shù)引進(jìn)國內(nèi)應(yīng)用外,我國還研發(fā)了新的氧化溝工藝,如表2所示。2同步硝化反硝化過程氧化溝工藝氮磷的去除,早期以傳統(tǒng)生物脫氮除磷理論為基礎(chǔ),即認(rèn)為生物脫氮是由有機(jī)氮氨化、自養(yǎng)菌好氧硝化、異養(yǎng)菌缺氧反硝化來完成,生物除磷是由聚磷菌厭氧釋磷、好氧吸磷來完成。隨著生物脫氮除磷理論的發(fā)展,人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)氧化溝工藝中存在其他生化反應(yīng)過程,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個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行。物理學(xué)理論認(rèn)為,好氧為主的反應(yīng)器中有較大范圍的局部缺氧環(huán)境,或者微生物絮體表面和內(nèi)部的溶解氧濃度梯度形成了微好氧環(huán)境和微缺氧環(huán)境,從而使好氧硝化和缺氧反硝化在一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行。然而生物學(xué)理論認(rèn)為,同步硝化反硝化現(xiàn)象發(fā)生的原因在于異養(yǎng)硝化(異養(yǎng)微生物在好氧條件下將還原態(tài)N,包括有機(jī)態(tài)N,氧化為NO2-和NO3-的過程)和好氧反硝化(在有氧條件下發(fā)生的反硝化作用)的發(fā)生。反硝化除磷,即以反硝化除磷菌為優(yōu)勢(shì)菌種,利用NO3-、NO2-作為電子受體,在缺氧環(huán)境下吸磷,并將NO3-、NO2-轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。J.Meinhold等認(rèn)為,某些聚磷菌(PAOs)能在缺氧環(huán)境中利用NO3-、NO2-作為電子受體除磷。R.J.Zeng等發(fā)現(xiàn),在溶解氧濃度較低的SBR反應(yīng)器中,發(fā)生硝化反硝化的同時(shí)存在吸磷現(xiàn)象,這一過程被稱之為同步硝化反硝化除磷(SNDPR)。在廢水處理領(lǐng)域SNDPR可以帶來較高的氮、磷去除率,節(jié)約曝氣能耗、堿度消耗等。1973年,R.J.L.C.Drews等報(bào)道了在迅速切換好氧/缺氧環(huán)境的Orbal氧化溝中的同步硝化反硝化現(xiàn)象。1985年,B.E.Rittman等在工業(yè)規(guī)模的氧化溝內(nèi)成功地實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化。2000年,GT.Daigger等研究了美國7座處理量從7000~45000m3/d不等的氧化溝,數(shù)據(jù)顯示,其不同程度地存在同步硝化反硝化過程。由于同步硝化反硝化能提高總氮去除率、節(jié)約能耗,因此近年來,研究者開始研究通過控制運(yùn)行條件,來保證氧化溝內(nèi)同步硝化反硝化過程穩(wěn)定存在。如:XiaodiHao等提出可采取曝氣與攪拌分離等措施,以便在Pasveer氧化溝內(nèi)獲得穩(wěn)定的同步硝化反硝化脫氮;YanchenLiu等在氧化溝內(nèi),通過優(yōu)化溶解氧濃度等運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化高效脫氮。高守有等認(rèn)為,宏觀缺氧環(huán)境和微生物絮體的微環(huán)境是氧化溝內(nèi)同步硝化反硝化發(fā)生的主要條件,而新型微生物菌種的作用不占主導(dǎo)地位;與短程硝化反硝化、厭氧氨氧化等生化反應(yīng)過程相比較,同步硝化反硝化更容易實(shí)現(xiàn)和維持穩(wěn)定,并且已經(jīng)在生產(chǎn)中得到應(yīng)用和發(fā)展。此外,YongzhenPeng等在中試規(guī)模的厭氧-缺氧氧化溝系統(tǒng)中成功實(shí)現(xiàn)了SNDPR,并研究了穩(wěn)定獲得SNDPR的運(yùn)行條件,同時(shí)對(duì)SND進(jìn)行了定量分析。3氧化溝循環(huán)比與脫氮除磷研究及應(yīng)用結(jié)果表明,氧化溝工藝存在下述問題:(1)氧化溝工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行中未考慮循環(huán)比。循環(huán)比(R)的計(jì)算公式為式中:QTOT——通過循環(huán)廊道斷面的總流量,m3/d;Qin——單座氧化溝進(jìn)水流量,m3/d;R——循環(huán)比;B——廊道寬,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。氧化溝工藝設(shè)計(jì)規(guī)范或手冊(cè)中,未給定循環(huán)比(循環(huán)廊道斷面通過的循環(huán)流量和進(jìn)水流量的比值)的取值范圍。設(shè)計(jì)過程中,常依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范或手冊(cè)選定污泥濃度、污泥負(fù)荷、污泥齡等設(shè)計(jì)參數(shù)值,由此計(jì)算得到氧化溝所需的容積,并依據(jù)場(chǎng)地及所選曝氣設(shè)備的要求,確定氧化溝的廊道寬度、深度及長度和廊道數(shù)目,其結(jié)果導(dǎo)致了已建氧化溝工藝循環(huán)比由十幾至數(shù)百不等,差異很大,見表3。此外,氧化溝工藝運(yùn)行過程中常通過改變供氧方式、改善混合液流態(tài)等方法加強(qiáng)其脫氮除磷能力,而沒有將循環(huán)比作為工藝運(yùn)行的可調(diào)參數(shù)。(2)混合液回流比采取傳統(tǒng)脫氮除磷工藝經(jīng)驗(yàn)值或不控制方式。循環(huán)廊道前端設(shè)置缺氧區(qū)的氧化溝工藝(如Carrousel2000),通過回流縫或回流泵實(shí)現(xiàn)好氧區(qū)混合液向缺氧區(qū)的回流,混合液回流比采用傳統(tǒng)脫氮除磷工藝的經(jīng)驗(yàn)值,常小于5(即500%)。循環(huán)廊道內(nèi)設(shè)置缺氧區(qū)和好氧區(qū)的氧化溝工藝(如改良微孔Carrousel氧化溝),混合液回流比就等于循環(huán)比。由表3可知,不同氧化溝的循環(huán)比差異較大,因此對(duì)于循環(huán)廊道內(nèi)設(shè)置缺氧區(qū)和好氧區(qū)的氧化溝工藝,不同氧化溝的混合液回流比數(shù)值差異也較大,且均處于不控制狀態(tài)。由此可知,循環(huán)廊道內(nèi)設(shè)置缺氧區(qū)和好氧區(qū)的氧化溝工藝,好氧區(qū)混合液向缺氧區(qū)的回流沒有最佳取值范圍作為工程實(shí)踐的理論指導(dǎo),也未進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,這終將影響氧化溝工藝的脫氮除磷效果。(3)氧化溝工藝的脫氮除磷效率有待于進(jìn)一步提高。由于氧化溝設(shè)計(jì)及運(yùn)行中忽視了循環(huán)比的影響,因此導(dǎo)致了對(duì)氧化溝脫氮除磷機(jī)理及去除效果的影響因素認(rèn)識(shí)不全面,最終使氧化溝工藝無法最大限度地發(fā)揮其除污功效。氧化溝與其他活性污泥工藝的顯著差異在于氧化溝循環(huán)廊道內(nèi)混合液在封閉式的溝渠內(nèi)連續(xù)循環(huán)。因此,循環(huán)比的變化將會(huì)影響到氧化溝循環(huán)廊道內(nèi)混合液的流態(tài)特征和溶解氧的分布等,最終會(huì)影響到氧化溝的脫氮除磷效果。如袁忠偉等在氧化溝循環(huán)廊道內(nèi)加裝插板,改變了循環(huán)廊道的過流斷面面積,進(jìn)而改變了循環(huán)比后,氧化溝的總氮、總磷去除率分別由40%和57%上升至70%和75%。但是,目前為止有關(guān)循環(huán)比對(duì)氧化溝脫氮除磷作用機(jī)理的影響鮮有報(bào)道。個(gè)別討論氧化溝循環(huán)比的文獻(xiàn),也是針對(duì)曝氣與推動(dòng)混合液流動(dòng)兩功能合一的表曝設(shè)備而言,并且僅對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行進(jìn)行了初步討論。因此,需研究循環(huán)比對(duì)氧化溝內(nèi)混合液的流態(tài)特征、溶解氧的傳質(zhì)及脫氮除磷微生物的種類和分布等的影響,并在此基礎(chǔ)上闡明循環(huán)比對(duì)氧化溝工藝脫氮除磷作用機(jī)理的影響(如明確哪些循環(huán)比范圍會(huì)導(dǎo)致氧化溝除污以傳統(tǒng)脫氮除磷生化反應(yīng)為主、哪些循環(huán)比范圍會(huì)導(dǎo)致氧化溝除污以SND、DNPR或SNDPR等生化反應(yīng)過程為主等),以最終為氧化溝工藝的設(shè)計(jì)運(yùn)行提供理論依據(jù),為最大限度地挖掘氧化溝工藝的脫氮除磷潛力提供科學(xué)指導(dǎo)。4循環(huán)比對(duì)氧化溝生長的影響為了增強(qiáng)脫氮除