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我国水环境污染源的50％～60％为城市污水，城区内大量污废水不经处理直接排入天然水域，造成水环境严重污染。无锡市城北污水处理厂工程于1997年立项，规划规模为10万m3/d，分二期建设，采用水解-好氧（Orbal氧化沟）处理工艺，分别于2001年和2006年建成投运。由于在初期立项时未预留扩大规模的用地，因此经技术经济比较后，设计采用一种新型的一体化Orbal氧化沟。该池综合了Orbal氧化沟、辐流式二沉池的优点，并将硝化液回流、污泥回流、厌氧释磷等功能组合为一体，无需建造单独的初沉池、厌氧池、二沉池和污泥回流泵房，有效解决了扩建工程用地紧张的矛盾。
1一体化氧化沟技术
针对传统污水处理方法通常由多个单元操作组成复杂工艺流程的弊端，为了方便管理、降低造价、节省占地，从20世纪70年代起各国纷纷提出和发展污水处理的一体化技术，一体化氧化沟也是其中的一种。
按照是否进行空间调配，一体化氧化沟技术可分为两种，一种是指安排多个空间进行调配，交替完成反应和沉淀过程，如D型、T型、VR型氧化沟，另一种是指在同一空间内通过合理分区分别完成反应和沉淀过程。如BMTS 式、BOAT式、侧沟式和中心岛式一体化氧化沟[1]。
对于前一种，由于氧化沟的曝气停留时间较长，根据其运行方式，需要占用较大的池容用于沉淀，容积利用率低且自动控制的要求较高[2]。对于后一种，不作空间调配，仅作池型构造的优化，流程短，构筑物和设备少，设备和容积利用率为100%，投资少，能耗低，占地少、管理方便[3]。
2新型一体化氧化沟（C- Orbal氧化沟）的提出
前述后种连续运行的一体化氧化沟按照沉淀器置于氧化沟的部位可分为内置式和外置式[4]。但是，内置式和外置式。但是，内置式沉淀器会影响主沟的水力条件，且出水效果取决于沉淀器内混合液的上升流速和污泥沉速；外置式分离器多设计为矩形并设置在氧化沟流态较好的直线区段内，并且应离转刷有足够的距离或增设整流措施，对于采用同心圆形的Orbal氧化沟难以采用。另一方面，目前所采用的一体化氧化沟的沉淀器虽然同时具备固液分离和污泥回流这两重功能，但是由于一体化氧化沟构造的特殊性，系统的充氧、混合、流速、沉淀等因素相互制约，污泥回流量无法控制，在发生污泥上浮、流失时，很难根据系统运行情况及时调整以保证系统的正常运行。
基于上述常见的一体化氧化沟的不足，凌志环保有限公司在无锡市城北污水处理厂三期工程设计中提出了一种结合Orbal氧化沟和周进周出辐流二沉池功能于一体的新型一体化C-Orbal氧化沟。该池设计拉长氧化沟外沟的椭圆形长度，在中沟外壁与外沟内壁之间设置二沉池，同时利用Orbal氧化沟的中心岛作为厌氧区，污水先进入中心岛厌氧区，然后依次通过外沟、中沟、内沟，最后进入二沉池进行泥水分离。
3 新型一体化氧化沟的应用
无锡市城北污水处理厂总规模20万m3/d，已建一期、二期规模达10万m3/d。三期扩建时受限于用地规模及工艺选择的要求，确定采用上述一体化C-Orbal氧化沟工艺。
3.1 新型一体化C－Orbal氧化沟池型构造
由于Orbal氧化沟为圆形或椭圆形沟型，加上池中心设有中心島，造成占地较大且平面布置相对困难；另外拟设置的辐流式沉淀池亦为圆形，使得厂区无效占地比例偏高。设计立足从尽量减少无效占地的角度对典型的Orbal氧化沟与二沉池分建的
工艺进行了优化，确定氧化沟与二沉池合建的新型一体化C-Orbal氧化沟，结合图1和图2介绍其池型构造。
（1）将传统的Orbal氧化沟外沟①椭圆的直线段长度拉长，在中沟外壁与外沟内壁间设置一周进周出二沉池⑤，二沉池与外沟内壁共享半圆墙体。
（2）利用中心岛④所占的体积作为厌氧池强化厌氧释磷。
（3）利用中沟外壁与外沟内壁与二沉池间的空余空间分隔为四个区，一侧设置传统的外回流系统，分为进水泥水混合区⑥和污泥回流区⑦；另一侧设置传统的内回流系统，分为氧化沟出水区⑧和硝化液回流区⑨。
3.2 工艺流程简介
结合图1、2、3介绍新型一体化氧化沟的工艺流程。
污水先进入进水泥水混合区⑥，与由污泥回流区⑦回流的活性污泥混合后通过管道进入中心岛厌氧区④，活性污泥中的聚磷菌将细胞物质中的磷释放出来，然后依次进入C-Orbal氧化沟的外沟①、中沟②、内沟③，完成有机物的降解、脱氮和除磷生物处理过程。内沟的混合液通过管道分别进入出水区⑧和硝化液回流区⑨。进入氧化沟出水区⑧的混合液通过调节堰门进入沉淀区⑤进行泥水分离，另一部分混合液通过安装在外沟内壁的水下污水推进器回流至外沟以提高总氮去除率。在沉淀区⑤内完成泥水分离后，出水排放。污泥在静水压力的作用下进入污泥回流区⑦，大部分通过污泥回流泵回流至进水泥水混合区⑥，小部分由剩余污泥泵排出至污泥处理系统。
3.3 生物处理系统
为强化除磷效果，生物处理系统采用组合厌氧反应器的Orbal氧化沟，包括外沟、中沟和内沟，利用中心岛所占的体积作为厌氧反应器，将污水和回流污泥在其中进行约0.6小时的厌氧混合，活性污泥中的聚磷菌将细胞物质中的磷释放出来进行厌氧释磷，在好氧阶段过量摄取磷达到生物除磷的目的。另一方面，控制外沟、中沟和内沟的溶解氧分别为0mg/L、1mg/L和2mg/L。维持外沟整体高亏氧状态和曝气转碟上下游的缺氧好氧（A/O）状态，通过同步硝化与反硝化方式进行脱氮处理。在满足去碳的情况下可达到较高的脱氮和除磷效率。
由于加长了外沟长度，使占总体积80％以上中、外沟沟宽设计值位于水力特性曲线顶部高效段（见图4），从而总体环流驱动效率比传统设计Orbal氧化沟提高20％，在实际运行中在保证环流速度的条件下可以减少碟片配置的数量或停运更多的转碟组，降低系统能耗和基建投资。
图4 水力特性曲线图
Fig.4
3.4 泥水分离系统
氧化沟的混合液出水要进行泥水分离。分离效果直接关系到生化系统的运行成败，结合节省占地的主旨，本工程沉淀池采用周进周出辐流二沉池。可比中心进水周边出水二沉池减少表面积达50%。设计表面负荷为qmax=1.38m3/m2·h，沉淀时间3.0h。
3.5 回流系统
回流系统分为污泥回流系统和硝化液回流系统。
传统Orbal氧化沟必须进行污泥外回流以保证氧化沟内维持足够的污泥浓度。通过工艺整合，C-Orbal氧化沟使传统工艺的外回流变成污泥内回流，由污泥回流区回流至进水泥水混合区。污泥回流使用低扬程潜水混流泵，采用有效的结构型式及出水管单路出水并设置不锈钢出水堰减少水泵间的相互干扰保证出水正常。
为提高总氮去除率，并且消除硝酸盐对除磷的不利影响，需设计硝化液回流系统，内沟的混合液通过敷设在氧化沟池底的管道进入硝化液回流区中，再通过安装在外沟池壁上的水下推进器进入氧化沟外沟。
3.6 雨季模式运行系统
由于城北污水处理厂考虑部分合流制，为避免雨季时的瞬时流量过大对污水处理厂一体化氧化沟及二沉池冲击，造成活性污泥的流失，在氧化沟外沟与硝化液回流及出水区隔墙处可设置一道闸门，正常运行时阀门关闭，污水经过外沟、中沟、内沟进入二沉池，完成完整的污水流程。雨季时，打开雨季超越闸门，同时关闭硝化液回流泵，进水先经中心岛厌氧区处理后由外沟
曝气处理后直接进入二沉池，这样，中沟及内沟的活性污泥得以最大程度的保留，便于日后正常运行时重新启动。
4新型一体化Orbal氧化沟主要特点
（1）将厌氧池、二沉池、硝化液回流、污泥回流系统与Orbal氧化沟合建一体，充分利用了传统Orbal氧化沟的无效空间，通过共用墙体大大节省了占地面积和单建的管道泵阀系统，为厂区合理布局提供了良好的基础并有效降低投资成本。
（2）利用空余区域构建传统的内、外回流，将污泥外回流变成内部回流，一方面可减少污泥回流泵的扬程；另一方面，缩短了污泥回流时间和活性污泥在沉淀区的停留时间，在保持出水质量所需DO值恒定的条件下，大大降低了在此流程中MLSS内源呼吸所消耗的DO，从而降低了内沟的DO水平，使全程氧消耗量降低，提高了系统运行效率，降低了系统了运行成本。
（3）采用水力负荷/生物动力学模型联合设计，在期望出水水质指标约束条件下优化设计，降低了系统总停留时间，从而节约土地、池容、系统能耗，全方位提高了各项设计指标；其中土地占用节约近30～40％，池容节约20～30％，池体土建工程量降低25～30％，组合池体系统总水头损失降低30％。
（4）操作人员对生物系统的运行检测的集中度提高，更方便有利于运行的管理。
（5）通过简单的切换，便可实现三沟的串并联运行方式组合，在传统串联运行方式下，系统高效去除C、N、P污染物，其并联运行方式特别适合于雨季的大水量，系统可最大限度地保持MLSS浓度，易于系统恢复使用，抗暴雨冲击。
5 结论
新型一体化C-Orbal氧化沟是凌志环保有限公司开发的新池型，该池型在无锡市城北污水处理厂三期工程中成功应用，并已陆续应用于河南、安徽等地污水处理厂。它具有占地面积小、投资省、能耗低、原水适应能力强、运行管理更为方便的突出优点，符合当前城市污水处理工艺技术合建和简化工艺流程的发展总趋势。新型一体化C-Orbal氧化沟在污水处理领域应该得到更广泛的应用。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
1一体化氧化沟技术
针对传统污水处理方法通常由多个单元操作组成复杂工艺流程的弊端，为了方便管理、降低造价、节省占地，从20世纪70年代起各国纷纷提出和发展污水处理的一体化技术，一体化氧化沟也是其中的一种。
按照是否进行空间调配，一体化氧化沟技术可分为两种，一种是指安排多个空间进行调配，交替完成反应和沉淀过程，如D型、T型、VR型氧化沟，另一种是指在同一空间内通过合理分区分别完成反应和沉淀过程。如BMTS 式、BOAT式、侧沟式和中心岛式一体化氧化沟[1]。
对于前一种，由于氧化沟的曝气停留时间较长，根据其运行方式，需要占用较大的池容用于沉淀，容积利用率低且自动控制的要求较高[2]。对于后一种，不作空间调配，仅作池型构造的优化，流程短，构筑物和设备少，设备和容积利用率为100%，投资少，能耗低，占地少、管理方便[3]。
2新型一体化氧化沟（C- Orbal氧化沟）的提出
前述后种连续运行的一体化氧化沟按照沉淀器置于氧化沟的部位可分为内置式和外置式[4]。但是，内置式和外置式。但是，内置式沉淀器会影响主沟的水力条件，且出水效果取决于沉淀器内混合液的上升流速和污泥沉速；外置式分离器多设计为矩形并设置在氧化沟流态较好的直线区段内，并且应离转刷有足够的距离或增设整流措施，对于采用同心圆形的Orbal氧化沟难以采用。另一方面，目前所采用的一体化氧化沟的沉淀器虽然同时具备固液分离和污泥回流这两重功能，但是由于一体化氧化沟构造的特殊性，系统的充氧、混合、流速、沉淀等因素相互制约，污泥回流量无法控制，在发生污泥上浮、流失时，很难根据系统运行情况及时调整以保证系统的正常运行。
基于上述常见的一体化氧化沟的不足，凌志环保有限公司在无锡市城北污水处理厂三期工程设计中提出了一种结合Orbal氧化沟和周进周出辐流二沉池功能于一体的新型一体化C-Orbal氧化沟。该池设计拉长氧化沟外沟的椭圆形长度，在中沟外壁与外沟内壁之间设置二沉池，同时利用Orbal氧化沟的中心岛作为厌氧区，污水先进入中心岛厌氧区，然后依次通过外沟、中沟、内沟，最后进入二沉池进行泥水分离。
3 新型一体化氧化沟的应用
无锡市城北污水处理厂总规模20万m3/d，已建一期、二期规模达10万m3/d。三期扩建时受限于用地规模及工艺选择的要求，确定采用上述一体化C-Orbal氧化沟工艺。
3.1 新型一体化C－Orbal氧化沟池型构造
由于Orbal氧化沟为圆形或椭圆形沟型，加上池中心设有中心島，造成占地较大且平面布置相对困难；另外拟设置的辐流式沉淀池亦为圆形，使得厂区无效占地比例偏高。设计立足从尽量减少无效占地的角度对典型的Orbal氧化沟与二沉池分建的
工艺进行了优化，确定氧化沟与二沉池合建的新型一体化C-Orbal氧化沟，结合图1和图2介绍其池型构造。
（1）将传统的Orbal氧化沟外沟①椭圆的直线段长度拉长，在中沟外壁与外沟内壁间设置一周进周出二沉池⑤，二沉池与外沟内壁共享半圆墙体。
（2）利用中心岛④所占的体积作为厌氧池强化厌氧释磷。
（3）利用中沟外壁与外沟内壁与二沉池间的空余空间分隔为四个区，一侧设置传统的外回流系统，分为进水泥水混合区⑥和污泥回流区⑦；另一侧设置传统的内回流系统，分为氧化沟出水区⑧和硝化液回流区⑨。
3.2 工艺流程简介
结合图1、2、3介绍新型一体化氧化沟的工艺流程。
污水先进入进水泥水混合区⑥，与由污泥回流区⑦回流的活性污泥混合后通过管道进入中心岛厌氧区④，活性污泥中的聚磷菌将细胞物质中的磷释放出来，然后依次进入C-Orbal氧化沟的外沟①、中沟②、内沟③，完成有机物的降解、脱氮和除磷生物处理过程。内沟的混合液通过管道分别进入出水区⑧和硝化液回流区⑨。进入氧化沟出水区⑧的混合液通过调节堰门进入沉淀区⑤进行泥水分离，另一部分混合液通过安装在外沟内壁的水下污水推进器回流至外沟以提高总氮去除率。在沉淀区⑤内完成泥水分离后，出水排放。污泥在静水压力的作用下进入污泥回流区⑦，大部分通过污泥回流泵回流至进水泥水混合区⑥，小部分由剩余污泥泵排出至污泥处理系统。
3.3 生物处理系统
为强化除磷效果，生物处理系统采用组合厌氧反应器的Orbal氧化沟，包括外沟、中沟和内沟，利用中心岛所占的体积作为厌氧反应器，将污水和回流污泥在其中进行约0.6小时的厌氧混合，活性污泥中的聚磷菌将细胞物质中的磷释放出来进行厌氧释磷，在好氧阶段过量摄取磷达到生物除磷的目的。另一方面，控制外沟、中沟和内沟的溶解氧分别为0mg/L、1mg/L和2mg/L。维持外沟整体高亏氧状态和曝气转碟上下游的缺氧好氧（A/O）状态，通过同步硝化与反硝化方式进行脱氮处理。在满足去碳的情况下可达到较高的脱氮和除磷效率。
由于加长了外沟长度，使占总体积80％以上中、外沟沟宽设计值位于水力特性曲线顶部高效段（见图4），从而总体环流驱动效率比传统设计Orbal氧化沟提高20％，在实际运行中在保证环流速度的条件下可以减少碟片配置的数量或停运更多的转碟组，降低系统能耗和基建投资。
图4 水力特性曲线图
Fig.4
3.4 泥水分离系统
氧化沟的混合液出水要进行泥水分离。分离效果直接关系到生化系统的运行成败，结合节省占地的主旨，本工程沉淀池采用周进周出辐流二沉池。可比中心进水周边出水二沉池减少表面积达50%。设计表面负荷为qmax=1.38m3/m2·h，沉淀时间3.0h。
3.5 回流系统
回流系统分为污泥回流系统和硝化液回流系统。
传统Orbal氧化沟必须进行污泥外回流以保证氧化沟内维持足够的污泥浓度。通过工艺整合，C-Orbal氧化沟使传统工艺的外回流变成污泥内回流，由污泥回流区回流至进水泥水混合区。污泥回流使用低扬程潜水混流泵，采用有效的结构型式及出水管单路出水并设置不锈钢出水堰减少水泵间的相互干扰保证出水正常。
为提高总氮去除率，并且消除硝酸盐对除磷的不利影响，需设计硝化液回流系统，内沟的混合液通过敷设在氧化沟池底的管道进入硝化液回流区中，再通过安装在外沟池壁上的水下推进器进入氧化沟外沟。
3.6 雨季模式运行系统
由于城北污水处理厂考虑部分合流制，为避免雨季时的瞬时流量过大对污水处理厂一体化氧化沟及二沉池冲击，造成活性污泥的流失，在氧化沟外沟与硝化液回流及出水区隔墙处可设置一道闸门，正常运行时阀门关闭，污水经过外沟、中沟、内沟进入二沉池，完成完整的污水流程。雨季时，打开雨季超越闸门，同时关闭硝化液回流泵，进水先经中心岛厌氧区处理后由外沟
曝气处理后直接进入二沉池，这样，中沟及内沟的活性污泥得以最大程度的保留，便于日后正常运行时重新启动。
4新型一体化Orbal氧化沟主要特点
（1）将厌氧池、二沉池、硝化液回流、污泥回流系统与Orbal氧化沟合建一体，充分利用了传统Orbal氧化沟的无效空间，通过共用墙体大大节省了占地面积和单建的管道泵阀系统，为厂区合理布局提供了良好的基础并有效降低投资成本。
（2）利用空余区域构建传统的内、外回流，将污泥外回流变成内部回流，一方面可减少污泥回流泵的扬程；另一方面，缩短了污泥回流时间和活性污泥在沉淀区的停留时间，在保持出水质量所需DO值恒定的条件下，大大降低了在此流程中MLSS内源呼吸所消耗的DO，从而降低了内沟的DO水平，使全程氧消耗量降低，提高了系统运行效率，降低了系统了运行成本。
（3）采用水力负荷/生物动力学模型联合设计，在期望出水水质指标约束条件下优化设计，降低了系统总停留时间，从而节约土地、池容、系统能耗，全方位提高了各项设计指标；其中土地占用节约近30～40％，池容节约20～30％，池体土建工程量降低25～30％，组合池体系统总水头损失降低30％。
（4）操作人员对生物系统的运行检测的集中度提高，更方便有利于运行的管理。
（5）通过简单的切换，便可实现三沟的串并联运行方式组合，在传统串联运行方式下，系统高效去除C、N、P污染物，其并联运行方式特别适合于雨季的大水量，系统可最大限度地保持MLSS浓度，易于系统恢复使用，抗暴雨冲击。
5 结论
新型一体化C-Orbal氧化沟是凌志环保有限公司开发的新池型，该池型在无锡市城北污水处理厂三期工程中成功应用，并已陆续应用于河南、安徽等地污水处理厂。它具有占地面积小、投资省、能耗低、原水适应能力强、运行管理更为方便的突出优点，符合当前城市污水处理工艺技术合建和简化工艺流程的发展总趋势。新型一体化C-Orbal氧化沟在污水处理领域应该得到更广泛的应用。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。