Orbal氧化沟的应用及发展趋势.pdf

Orbal 氧化沟的应用及发展趋势 ＊ 张 扬 1 陈 豪 2 宋英豪 3 王化军 1 张 蔚 4 1.北京科技大学, 北京 100083; 2.无锡城北污水处理厂, 江苏 无锡 214000; 3.北京市环境保护科学研究院, 北京 100037; 4.中国矿业大学 北京, 北京 100083 摘要 Orbal 氧化沟自 1970年开发至今已有广泛应用, 在实际工程应用中取得了很好的处理效果, 但也存在着同时硝 化反硝化不够稳定、脱氮除磷困难、运行能耗偏高等问题。 通过采用增加内回流、推流与曝气转碟相结合和微孔曝气 与推流相结合的运行方式使这些问题得到了解决, 同时Orbal氧化沟工艺也朝着高效低耗的方向发展。 关键词 Orbal 氧化沟; 应用; 发展趋势 THE APPLICATION AND DEVELOPMENT TRENDS OF ORBAL OXIDATION DITCH Zhang Yang1 ChenHao2 Song Yinghao3 Wang Huajun1 Zhang Wei4 1. Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China; 2. Wuxi Chengbei Sewage Treatment Plant, Wuxi 214000, China; 3. Beijing Environmental Research Institute, Beijing 100037, China; 4. China University of Mining and Technology Beijing, Beijing 100083, China Abstract Since 1970, the Orbal oxidation ditch has been widely used. However, there are some problems as well, such as unstable simultaneousnitrification and denitrification not stable, difficult simultaneous removel of nitrogen and phosphorus, and high energy consumption etc. But through introduction of internal circulation in the system and separation of aeration and mixing, the problems were solved, and at the same time high efficiency and low energy comsumption are becoming the development trend of the Orbal oxidation ditch process. Keywords Orbal oxidation ditch;application; development trend ＊国家科技支撑计划项目 2006BAC19B00 。 1 Orbal 氧化沟技术的特点 Orbal 氧化沟于 1970年在南非开发使用, 从 1970 起,由美国 Envirex 公司继续进行开发推广 ,到目前为 止,在美国已有 300 多座Orbal 氧化沟污水处理厂 ,处 理规模已达900 000 m 3 d[ 1] 。Orbal 氧化沟可以看作 是由 3 个P 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 , 如图 1 所示。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, 最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 。 Orbal 氧化沟工艺具有如下特点 1 独特的曝气推流方式。Orbal 氧化沟一般采用 同时具有推流和曝气功能的固定点表面曝气方式 ,曝 图1 Orbal 氧化沟示意 气转碟可以直接控制氧化沟内的溶解氧分布情况 ,并 起到混合推流的作用 。 2 溶解氧呈梯度变化 。Orbal 氧化沟每个沟道溶 解氧都不相同, 从外沟到内沟呈 0-1-2 变化, 在空 间上形成缺氧好氧环境有利于脱氮 。各沟道需氧量 如图 2 所示 。 62 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 图2 Orbal 氧化沟个沟需氧量 3 污泥产量少且性质稳定 。Orbal 氧化沟工艺的 污泥龄长, 污泥在沟内得到了好氧稳定 , 污泥产量也 较少, 从而使污泥后处理大大简化, 节省处理厂的运 行费用,且便于管理 。 正是由于Orbal 氧化沟具有独特的特点 ,使得它 自20 世纪 70 年代投放市场以来得到了广泛的应用。 目前除美国外, 在欧洲也有应用实例, 英国的普林斯 顿市有一座处理规模170 000 m 3 d的 Orbal 氧化沟污 水处理厂 。在美国采用Orbal 氧化沟工艺的污水厂有 ElmwoodWWTP 、 HammontonWWTP 、 Lake Geneva WWTP ,其出水总氮均在3. 0 mg L以下 [ 2] 。 近几年 ,Orbal 氧化沟技术在国内得到广泛采用, 例如北京燕山石化总公司引进美国技术 ,建成了日处 理能力6 万m 3 的 Orbal 氧化沟污水处理厂, 用于处理 石化废水及生活区污水; 无锡市城北污水处理厂也建 成了日处理能力在 10 万 m 3 的 Orbal 氧化沟 。 除上述 污水厂外 ,应用Orbal 氧化沟工艺的还有 北京大兴污 水处理厂、山东文登污水处理厂、厦门集美污水处理 厂、 克拉玛依南郊污水处理厂 、青岛莱西污水处理 厂等 。 2 Orbal 氧化沟工艺应用中存在的问题 虽然Orbal 氧化沟工艺与其他活性污泥法相比具 有自己的优点, 但在实际应用中也存在一些问题。尤 其是现今 ,在人们对环境问题的认识越来越深刻的情 况下 ,人们不再把重点只放在对污水中有机物的去除 上,而是在关注有机物去除的同时也关注对氮和磷的 去除 。这就使得传统的Orbal 氧化沟工艺的问题暴露 了出来。 2. 1 运行状态控制难同时硝化反硝化不够稳定 理论上 Orbal 氧 化沟 外沟 的溶 解氧 控制 在 0 mg L ,总体上处于缺氧状态 , 但与其他工艺的缺氧 区不曝气不同, 它既要进行缺氧反硝化 , 又要充氧使 氨氮转化成硝态氮, 并使 BOD 降解。因此对溶解氧 的控制就显得非常严格, 过高不利于反硝化的进行, 过低将使 BOD 的降解速率减慢。而实际工程中多用 单速和双速转碟进行曝气充氧 , 调节有限 ,因此通过 转碟的转速来控制溶解氧水平显得很困难 。正是由 于运行状态的难于控制, 导致在氧化沟外沟很难稳定 的形成交替好氧缺氧的环境, 这也使同时硝化反硝化 过程不能稳定地进行 ,导致总氮去除率低下。除此之 外,由于传统的Orbal 氧化沟没有内回流 ,内沟中大量 的没有进行反硝化反应的硝态氮随着出水外排,这也 造成了传统 Orbal 氧化沟总氮去除率不稳定。 2. 2 同时脱氮除磷困难 从整个Orbal氧化沟工艺来看,在空间上不存在宏 观上的厌氧环境。而磷的去除是通过活性污泥中的聚 磷菌在厌氧条件下释磷和在好氧条件下的超量吸磷 , 最终由污泥的排放来达到除磷的目的 [ 3] 。 而厌氧释磷 过程的好坏直接影响着好氧吸磷的程度。 由于传统 Orbal氧化沟在空间上没有厌氧段,污泥含磷量偏低,这 就导致了在去除氮的同时不能高效的去除磷。 另外, 聚磷菌所需要的泥龄很短, 一般泥龄在 3. 0～ 5. 0 d,而 Orbal 氧化沟工艺的污泥龄长, 一般在 10 d 以上, 有的甚至达到了 30 d 以上 ,例如北京燕山 石化公司牛口峪污水处理厂泥龄为 35 d [ 4] 。 这也为传 统Orbal氧化沟除磷带来了困难。 虽然通过加大排泥 量可弥补污泥含磷量低的问题 ,但达标仍存在问题 。 2. 3 运行能耗偏高 对我国 150 多座氧化沟法污水厂的数据统计 ,平 均电耗约为 0. 357 0. 16kWh m 3 , 污水处理直接 成本约为 0. 5480. 35 元 m 3 , 污水处理厂总运行成 本约为 1. 23 1. 09 元 m 3 包括设备折旧费 、 大修费 和利润 。由此可见 , 氧化沟在处理费用方面确实具 有优势,但电耗和污水直接处理成本统计方差表明, 有很大一部分污水处理厂的污水处理成本远高于平 均污水处理成本 。 根据对无锡城北污水厂和靖江城市污水厂的设 备运转情况 对其电耗 进行了估算 , 具 体见表 1。 从表 1 中可以看出,两个污水厂的能耗还是偏高的。 表 1 无锡、靖江污水处理厂能耗估算kWh m3 无锡城北污水处理厂靖江城市污水处理厂 0 . 340 . 44 63 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 3 Orbal 氧化沟工艺的发展趋势 3. 1 与A 2 O 工艺融合的多点进水运行方式 为了达到脱氮除磷的效果, 并结合 Orbal 氧化沟 个沟道的溶解氧呈 0 -1 -2 分布的实际情况 ,Orbal 氧化沟在发展中借鉴了 A 2 O 工艺的运行模式 ,即在 原有的系统中增设内回流 ,使内沟的出水部分回流到 外沟道,使其在处于缺氧状态和碳源充足的外沟道内 进一步进行反硝化脱氮, 降低出水的总氮含量 。同时 将中心岛作为厌氧释磷区 ,将进水和二沉池回流污泥 引入, 使污泥充分释磷, 从而提高系统的除磷效率。 北京工业大学的王淑莹等通过中试研究发现 ,内循环 对系统的 COD 去除没有影响, 内循环对脱氮系统有 着显著的影响, 当内循环比在 1 ～ 2 时系统出水总氮 在10 mg L以下, 当循环比在 4 时 ,系统出水总氮稳定 在8 mg L以下 [ 5] 。 无锡城北污水处理厂 10万 t d , 采用了A 2 O 的 运行模式 ,即进水与二沉池污泥直接进入到处于厌氧 状态的中心岛沟, 再由中心岛依次进入到氧化沟外 沟、 中沟和内沟 ,内沟出水一部分进入二沉池 ,一部分 回流到外沟, 并将内回流比控制在 200, 这一变化 使得在氧化沟的脱氮效果得到了进一步的强化,同时 由于将中心岛开辟成厌氧区, 使回流污泥有了稳定的 厌氧释磷区,磷的去除也得到明显的提高。无锡城北 污水处理厂处理效果见表 2。从表 2 中可以看出无 锡城北污水处理厂出水水质已达到了 GB18918 -2002 城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级 B 排放 标准 。 另外,为了保证反硝化碳源的充足 ,在采用 A 2 O 的运行方式的同时可以配以灵活的进水方式 ,并根据 实际情况将进水按比例分别进入到外沟、 内沟和中沟 , 也可以强化处理效果。厦门集美污水处理厂将进水和 回流的25 到缺氧沟,75 到厌氧沟,有效的解决了脱 氮与除磷的矛盾,获得了更好的处理效果,出水总磷控 制在0. 5 mg L以下,出水总氮在15 mg L以下 [ 6] 。 表 2 无锡城北污水处理厂 2007年全年平均进、出水水质 项目CODBOD5NH3-NTNTP 进水 mgL - 1 50815723. 6339. 955 . 28 出水 mgL - 1 51. 64. 694. 4918. 880 . 37 3. 2 水下推流与转碟曝气相结合增加调节能力 Orbal 氧化沟的转碟兼混合推动作用和曝气充氧 于一身 ,这使得Orbal 氧化沟的充氧和混合推动很难 兼顾 。而溶解氧水平的高低直接影响着整个氧化沟 系统的脱氮效果的好坏。 单独采用曝气转碟的氧化沟系统在对溶解氧的控 制能力上显得十分有限,很难保证在氧化沟上形成稳 定的微氧环境 ,从而导致反硝化效果差,总氮去除率低 下。因此在氧化沟上形成稳定的缺氧区将是提高总氮 去除率的关键 [ 7] 。采用水下推流和曝气转碟相结合 , 可以更好的控制沟道内的溶解氧浓度 ,当溶解氧过高 的时候,可以停开部分转碟 ,而水下推进器则可以很好 的保证混合液的流速不至于使污泥沉降。 无锡城北污水处理厂二期氧化沟,就采用了水下 推进器和曝气转碟相结合的运行方式, 他们在 4 和 5 转碟之间安装了两台水下推进器 , 这使得对溶解 氧的控制更加灵活和简便 ,同时处理效果也有明显的 提高 。 3. 3 采用微孔曝气与混合推流相结合 由于氧化沟的曝气转碟的充氧效率低下 ,这使得 氧化沟的能耗水平偏高 。选用充氧效率高的微孔曝 气设备对于氧化沟系统降低能耗有着关键的作用 ,与 传统的曝气方式比 ,微孔曝气具有能耗低 ,氧利用率 高,搅拌能力强的优点。除此之外, 采用微孔曝气与 混合液推流相结合的方式还可以在氧化沟上形成稳 定的交替好氧和缺氧环境 ,从而进一步提高总氮的去 除效果。 广东省环境保护工程研究设计院经过多年的研 究和工程实践, 提出了采用微孔曝气器的氧化沟工 艺,经运行证明该工艺不但具有传统氧化沟的优点, 而且投资更省、占地更少 、运行费用更低 [ 8] 。由该院 设计的肇庆市污水处理厂很好的将微孔曝气应用到了 Carrousel 氧化沟中,并取得良好的效果。该厂运行至 今已两年多, 各项经济技术指标为 电耗量为 0. 19 kWh m 3 包括距厂区1 100m的提升泵站的能耗 、 剩余污泥 干泥 量为2. 5～ 4. 5 t d,PAM 消耗量为13～ 15 kg d。 微孔曝气在 Carrousel 氧化沟工艺中的成功应 用,也为Orbal 氧化沟工艺的发展提供了新方向。 4 结束语 Orbal 氧化沟因其具有独特的曝气推流方式和溶 解氧梯度分布, 控制简便等优点, 使得它自投放市场 以来得到了广泛的应用 。在实际应用中也取得了很 好的处理效果, 但也存在着运行状态难控制 、 运行能 耗偏高和同时脱氮除磷困难等问题 。面对这些问题, Orbal 氧化沟工艺也经历着不断的变革, 在系统中加 下转第 90 页 64 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 热又会分解出二氧化硫, 再次污染环境 。因此还需向 氧化罐内注入氨将亚硫酸氢铵还原成亚硫酸铵。 由于高浓度的亚硫酸铵是较难氧化的,但当溶液 中含有一定比例的亚硫酸氢铵时, 亚硫酸铵的氧化速 度就能加快很多,所以在往氧化罐内注氨,也不是一次 就加注完成 ,而是控制溶液的pH 值,逐步注入 ,即注入 一部分,氧化一段时间 ,再注入一部分 ,再氧化一段时 间,循环往复,直至氧化完成 。氧化完后的溶液即可进 入副产物蒸发系统结晶出硫酸铵晶体, 再干燥, 最终得 到符合国家标准的脱硫副产物硫酸铵化肥。 3 结束语 该项新型氨法脱硫技术在安徽金源热电厂已经 经过连续运行, 并成功结晶干燥出了副产物硫酸铵化 肥,该化肥经过北京农科院的化肥中心的检验 ,各项 指标完全达到国家硫酸铵化肥一等品的标准 。 这种新型氨法脱硫工艺的独到注氨方式方法能 有效节约吸收剂氨的使用 ,避免了氨法脱硫过程中的 二次污染问题, 使氨法脱硫工艺能经济 、 有效地运行, 有助于氨法脱硫进一步在脱硫市场上的推广使用 。 参考文献 [ 1] 罗津克诺普эп . 从工业气体中回收二氧化硫[ M] . 南京化工研 究院, 译. 北京 化学工业出版社,1966 65-75. 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