氧化溝技術(shù)具有構筑物簡(jiǎn)單和運行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理工程中被廣泛采用。美國EPA對不同類(lèi)型生物處理法的運行情況的調查結果表明，不同工藝出水BOD5小于20mg/L的時(shí)間占總運行時(shí)間百分數分別是：氧化溝90%；鼓風(fēng)曝氣70%；生物濾池60%[1]。由此可見(jiàn)，氧化溝的處理效果比其它生物處理方法穩定。氧化溝的特點(diǎn)是低負荷運行，因此有機物可以有效去除而且對氨氮完成硝化。但傳統的氧化溝中由于溶解氧濃度較高而沒(méi)有反硝化發(fā)生，總氮(TN)去除率通常在30%～40%。實(shí)際上，氧化溝的循環(huán)運行方式非常適合于脫氮，它不需要為反硝化而增設回流系統，通過(guò)調節曝氣量使氧化溝內形成缺氧區和好氧區，可使脫氮效果明顯提高，總氮去除率大于90% [2]。因此，其基建和運行費用均低于其它生物脫氮工藝[3]。
本研究采用新型斜板沉淀池一體化氧化溝處理城市污水，工藝簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，不需設污泥回流系統，曝氣轉刷是唯一的機械設備，設備利用率100%。由于污泥齡長(cháng)，污泥呈高度礦化狀態(tài)，排出的剩余污泥較穩定，不需要消化，經(jīng)濃縮后可直接脫水。研究中對該氧化溝的處理效果以及主要影響因素進(jìn)行考察。
1 試驗條件與方法
本研究為實(shí)驗室小型試驗，試驗裝置如圖1所示。氧化溝全長(cháng)1.6m，有效水深0.3m，有效容積41L。污水首先由高位水箱經(jīng)轉子流量計流入氧化溝中，迅速與溝內的原有混合液混合，經(jīng)多次循環(huán)后，與進(jìn)水等量的混合液在沉淀池內固液分離，經(jīng)出水堰排出。由于試驗模型較小，沒(méi)有適當規格的曝氣轉刷可以安裝，所以在氧化溝的一端轉彎處設一臺攪拌機，以推動(dòng)混合液在溝內循環(huán)流動(dòng)，攪拌漿的形式類(lèi)似于曝氣轉椎，在平面圓盤(pán)上固定6片漿板。攪拌機的轉速在100～250轉/分鐘之間調節。為了調節氧化溝內溶解氧的濃度，在進(jìn)水口前設置一充氧提升多用泵。試驗中采用底部設有特殊進(jìn)水整流過(guò)渡區的斜板沉淀池作為溝內合建的沉淀池，沉淀池占氧化溝總體積6%。
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試驗運行共歷時(shí)9個(gè)月，處理水量1.6～5.6L/h，相應的系統總水力停留時(shí)間為7-25小時(shí)。水溫隨季節變化，為10～27℃。在試驗期間，氧化溝的污泥齡大于20天，MLSS 2～2.8g/l，MLVSS 1.4～1.9g/l。COD負荷為0.183～0.327 kg/kgVSS×d，NH3-N負荷為0.019～0.033 kg/kgVSS×d。
試驗污水取自哈爾濱市的主要納污水體馬家溝河，污水水質(zhì)如表1所示，為典型的城市污水。試驗運行期間每日監測的項目有：水溫、溶解氧、SV%、pH、CODcr、NH3-N、NO2--N和NO3--N。每周監測的項目有：SS、MLSS、MLVSS，并用顯微鏡觀(guān)察微生物生長(cháng)情況。限于實(shí)驗條件，BOD5、TKN、TP只在試驗條件發(fā)生較大變化時(shí)進(jìn)行監測。水質(zhì)分析方法采用標準分析方法[4]。
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2 結果與討論
2.1有機物的去除
試驗工藝進(jìn)出水中COD濃度及其去除效率如圖2所示。由圖可見(jiàn)，進(jìn)水COD濃度為259～388 mg/L，出水COD濃度保持在18.1～42.7 mg/L，去除效率在90%以上。此外，試驗裝置出水BOD5濃度為16.7mg/L，去除效率為88.5%。出水SS低于35mg/L。
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2.2生物脫氮
生物脫氮過(guò)程是在好氧條件下硝化菌將氨氮氧化為硝態(tài)氮（亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮），然后在缺氧條件下通過(guò)反硝化菌的作用將硝態(tài)氮轉化為氮氣從水中逸出。氧化溝具有高硝化效率，通過(guò)適當調節，在氧化溝內形成好氧段和缺氧段，可以完成脫氮過(guò)程[2]。圖3是本研究中不同缺氧段比例情況下總氮去除效率的試驗結果。由試驗結果可知，在本試驗條件下，當缺氧時(shí)段所占比例為40～60%時(shí)可達到最高的TN去除率，因此在實(shí)際運行中可控制好氧區和缺氧區各占氧化溝容積的一半。
在試驗中發(fā)現，當原水中氨氮濃度較高時(shí)，若只進(jìn)行硝化反應，而無(wú)反硝化發(fā)生時(shí)，氧化溝內混合液的pH值下降，當堿度不足時(shí)將抑制硝化反應的進(jìn)行。通過(guò)調節出現反硝化時(shí)段后，由于反硝化反應產(chǎn)生一定量的堿度，可使硝化效率提高。因此，在氧化溝內完成反硝化反應，對硝化反應具有促進(jìn)作用。反硝化以有機物為碳源，利用硝態(tài)氮中的氧，在缺氧狀態(tài)下的去除BOD5和COD，可減少曝氣裝置的供氧量，從而節約能源。此外，經(jīng)過(guò)反硝化，活性污泥能夠避免在沉淀池中因停留時(shí)間長(cháng)或死角出現反硝化而使污泥塊狀上浮的現象，使沉淀效果更理想。
因此，在氧化溝內同步完成硝化和反硝化，可以起到一功多能的作用。工程應用中的氧化溝水流循環(huán)一周耗時(shí)約5-10分鐘，只要采用合理布置曝氣機臺數或調節曝氣轉刷淹沒(méi)深度即可實(shí)現缺氧區和好氧區同時(shí)存在。
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2.3沖擊負荷對處理效果的影響
城市污水的水量水質(zhì)隨季節變化幅度很大，尤其是合流制排水系統，在夏季時(shí)受到暴雨沖擊，水量可增加到3倍，污染物濃度降低一半。因此污水處理廠(chǎng)的工藝系統應具有一定的抗沖擊負荷能力。氧化溝系統負荷較低，對入流水濃度和水量的變化具有較大的承受能力，處理水質(zhì)穩定。
表2為試驗運行期間，水質(zhì)水量變化導致負荷變化對系統處理效率的影響的試驗結果。從表2可以看出，當進(jìn)水流量增加到5.6L/h (正常流量的2倍)，COD濃度407.5 mg/L(正常濃度的1.5倍)，COD 污泥負荷為0.738 kg/kgVSS.d，出水COD濃度為62.5mg/L，去除效率仍然在84.7%。進(jìn)水NH3-N 濃度為41.2mg/L，NH3-N 污泥負荷為0.075kg/kgVSS.d，出水NH3-N濃度 14.5mg/L，均低于國家的污水排放標準[5]。
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2.4溫度的影響
水溫是影響微生物生長(cháng)活動(dòng)的重要因素，有機污染物的生物降解在10℃以上一般能保持較好的凈化效果，在5～10℃時(shí)處理效果明顯下降，5℃以下處理效果極差。溫度對硝化細菌的增殖速度和活性影響很大，10℃時(shí)的硝化速率為20℃時(shí)的50%，為25℃時(shí)的38%，而5℃以下硝化反應完全停止。
本試驗中，水溫隨季節而變，考察了溫度在10～27℃時(shí)對處理效果的影響，如圖4所示。試驗結果表明，在本試驗條件下，隨著(zhù)溫度的增加，氨氮和COD的去除率增加。在27℃時(shí)，氨氮和COD的去除率分別為90.6%和94.3%。低溫對氨氮的去除率影響超過(guò)對有機物去除率的影響。在10℃時(shí)，氨氮的去除率已下降到65.1%，而有機物的去除率仍在80%以上。
氧化溝的特點(diǎn)是低負荷運行,因此具有穩定的處理效果。美國EPA曾對30個(gè)二級處理廠(chǎng)進(jìn)行調查，結果表明,氧化溝污水廠(chǎng)在冬季達標排放率為71%，遠遠高于鼓風(fēng)曝氣和生物濾池的21%[6]。氧化溝中的混合液以大于0.3 m/s的速度循環(huán)流動(dòng)，溝內水流不會(huì )結冰，只要將電機和曝氣器加以屏蔽，避免被轉刷揚起的水滴與寒冷的空氣接觸而快速降溫。丹麥和荷蘭等地的氧化溝污水廠(chǎng)在冬季時(shí)仍能正常運轉。
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2.5污泥齡
氧化溝屬低負荷的延時(shí)曝氣系統，污泥齡的確定既要以BOD5和SS為去除目標，又要考慮硝化和污泥穩定。
要維持系統的硝化功能，就必須保證足夠長(cháng)的污泥齡，系統的污泥齡一般應為硝化菌最大比增殖速率的倒數的2倍以上，并且不小于3～5天[7]。由于硝化菌的比增殖速率受溫度的影響，在實(shí)際運行時(shí)，污泥齡隨季節溫度的變化而調整。
從微生物代謝角度來(lái)看，低負荷活性污泥工藝中生物體已處于內源呼吸階段，但為維持一定的處理功能，仍應保持生物有較好的活性，所以氧化溝系統具有污泥好氧消化的功能，但并不充分。
目前在文獻上可查到的評價(jià)污泥穩定的參數有50多個(gè)，但判斷好氧消化程度的標準并未統一，一般的標準有：污泥最大吸氧速率; 脫氫酶活性（TTC試驗）；厭氧堆置10d后的有機酸含量和氨氮增加量; 污泥的BOD5/COD值和乙醚萃取出的油脂含量等[8]。本試驗中對污泥耗氧速率和乙醚萃取出的油脂含量進(jìn)行測試分析。污泥耗氧速率采用靜態(tài)法[9]測定。乙醚萃取出的油脂含量采用重量法測定。結果如表3所示（測定條件：14～16℃）。由試驗結果可看出，在本試驗條件下，污泥齡θc ＞40d時(shí)，污泥才能完成好氧穩定。
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由于污泥穩定過(guò)程是一種生物降解過(guò)程，溫度在很大程度上決定了污泥中微生物的活性、有機物降解的速率以及所能達到的穩定程度。因此，污泥好氧穩定的效果除了與污泥齡等因素有關(guān)外，污泥介質(zhì)所處的溫度也是一個(gè)極為重要的影響因素。污泥中有機物VSS的去除率與其溫度和好氧污泥泥齡的乘積呈對數線(xiàn)性關(guān)系[10]，在20℃時(shí)，污泥穩定時(shí)間為：15℃×40d/20℃=30d。
綜合考慮氧化溝的容積、能量消耗、硝化和反硝化的效果以及污泥的穩定程度，建議在實(shí)際運行中，夏季污泥齡取20～25天，冬季延長(cháng)至35～40d。排放的剩余污泥不需厭氧消化，只需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的機械脫水或干化場(chǎng)處理。
