氧化溝工藝概述

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簡介： 本文在閱讀大量文獻資料的基礎上，較為全面的闡述了氧化溝工藝的原理、技術特點及其工藝的發(fā)展過程，著重介紹了氧化溝脫氮除磷的工藝，最后針對氧化溝的工藝及其發(fā)展方向提出了討論。
關鍵字：污水處理 氧化溝 脫氮除磷

　　1 氧化溝工藝概述

　　1.1 氧化溝工藝基本原理和主要設計參數(shù)

　　氧化溝又名氧化渠，因其構筑物呈封閉的環(huán)形溝渠而得名。它是活性污泥法的一種變型。因為污水和活性污泥在曝氣渠道中不斷循環(huán)流動，因此有人稱其為“循環(huán)曝氣池”、“無終端曝氣池”。氧化溝的水力停留時間長，有機負荷低，其本質上屬于延時曝氣系統(tǒng)。以下為一般氧化溝法的主要設計參數(shù)：

　　水力停留時間：10－40小時；

　　污泥齡：一般大于20天；

　　有機負荷：0.05－0.15kgBOD₅/(kgMLSS.d)；

　　容積負荷：0.2－0.4kgBOD₅/(m³.d)；

　　活性污泥濃度：2000－6000mg/l；

　　溝內(nèi)平均流速：0.3－0.5m/s

　　1.2 氧化溝的技術特點：

　　氧化溝利用連續(xù)環(huán)式反應池（Cintinuous Loop Reator,簡稱CLR）作生物反應池，混合液在該反應池中一條閉合曝氣渠道進行連續(xù)循環(huán)，氧化溝通常在延時曝氣條件下使用。氧化溝使用一種帶方向控制的曝氣和攪動裝置，向反應池中的物質傳遞水平速度，從而使被攪動的液體在閉合式渠道中循環(huán)。

　　氧化溝一般由溝體、曝氣設備、進出水裝置、導流和混合設備組成，溝體的平面形狀一般呈環(huán)形，也可以是長方形、L形、圓形或其他形狀，溝端面形狀多為矩形和梯形。

　　氧化溝法由于具有較長的水力停留時間，較低的有機負荷和較長的污泥齡。因此相比傳統(tǒng)活性污泥法，可以省略調節(jié)池，初沉池，污泥消化池，有的還可以省略二沉池。氧化溝能保證較好的處理效果，這主要是因為巧妙結合了CLR形式和曝氣裝置特定的定位布置，是式氧化溝具有獨特水力學特征和工作特性：

　　1) 氧化溝結合推流和完全混合的特點，有力于克服短流和提高緩沖能力，通常在氧化溝曝氣區(qū)上游安排入流，在入流點的再上游點安排出流。入流通過曝氣區(qū)在循環(huán)中很好的被混合和分散，混合液再次圍繞CLR繼續(xù)循環(huán)。這樣，氧化溝在短期內(nèi)（如一個循環(huán)）呈推流狀態(tài)，而在長期內(nèi)（如多次循環(huán)）又呈混合狀態(tài)。這兩者的結合，即使入流至少經(jīng)歷一個循環(huán)而基本杜絕短流，又可以提供很大的稀釋倍數(shù)而提高了緩沖能力。同時為了防止污泥沉積，必須保證溝內(nèi)足夠的流速（一般平均流速大于0.3m/s），而污水在溝內(nèi)的停留時間又較長，這就要求溝內(nèi)由較大的循環(huán)流量（一般是污水進水流量的數(shù)倍乃至數(shù)十倍），進入溝內(nèi)污水立即被大量的循環(huán)液所混合稀釋，因此氧化溝系統(tǒng)具有很強的耐沖擊負荷能力，對不易降解的有機物也有較好的處理能力。

　　2) 氧化溝具有明顯的溶解氧濃度梯度，特別適用于硝化－反硝化生物處理工藝。氧化溝從整體上說又是完全混合的，而液體流動卻保持著推流前進，其曝氣裝置是定位的，因此，混合液在曝氣區(qū)內(nèi)溶解氧濃度是上游高，然后沿溝長逐步下降，出現(xiàn)明顯的濃度梯度，到下游區(qū)溶解氧濃度就很低，基本上處于缺氧狀態(tài)。氧化溝設計可按要求安排好氧區(qū)和缺氧區(qū)實現(xiàn)硝化－反硝化工藝，不僅可以利用硝酸鹽中的氧滿足一定的需氧量，而且可以通過反硝化補充硝化過程中消耗的堿度。這些有利于節(jié)省能耗和減少甚至免去硝化過程中需要投加的化學藥品數(shù)量。

　　3) 氧化溝溝內(nèi)功率密度的不均勻配備，有利于氧的傳質，液體混合和污泥絮凝。傳統(tǒng)曝氣的功率密度一般僅為20－30瓦/米³，平均速度梯度G大于100秒^－1。這不僅有利于氧的傳遞和液體混合，而且有利于充分切割絮凝的污泥顆粒。當混合液經(jīng)平穩(wěn)的輸送區(qū)到達好氧區(qū)后期，平均速度梯度G小于30秒^－1，污泥仍有再絮凝的機會，因而也能改善污泥的絮凝性能。

　　4) 氧化溝的整體功率密度較低，可節(jié)約能源。氧化溝的混合液一旦被加速到溝中的平均流速，對于維持循環(huán)僅需克服沿程和彎道的水頭損失，因而氧化溝可比其他系統(tǒng)以低得多的整體功率密度來維持混合液流動和活性污泥懸浮狀態(tài)。據(jù)國外的一些報道，氧化溝比常規(guī)的活性污泥法能耗降低20％－30％。

　　另外，據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計資料顯示，與其他污水生物處理方法相比，氧化溝具有處理流程簡單，超作管理方便；出水水質好，工藝可靠性強；基建投資省，運行費用低等特點。

　　1.3 氧化溝技術的發(fā)展

　　自1920年英國sheffield建立的污水廠成為氧化溝技術先驅以來，氧化溝技術一直在不斷的發(fā)展和完善。其技術方面的提高是在兩個方面同時展開的：一是工藝的改良；二是曝氣設備的革新。

　　1.3.1 工藝的改良

　　工藝的改良過程大致可分為四個階段：

　　階段

　　型式

　　初期氧化溝

　　1954年，Pasveer教授建造的Voorshopen氧化溝，間歇運行。分進水、曝氣凈化、沉淀和排水四個基本工序

　　規(guī)模型氧化溝

　　增加沉淀池，使曝氣和沉淀分別在兩個區(qū)域進行，可以連續(xù)進水

　　多樣型氧化溝

　　考慮脫氮除磷等要求。著名的有DE型氧化溝，Carrousel氧化溝及Orbal氧化溝等

　　一體化氧化溝

　　時空調配型（D型，VR型，T型等）合建式（BMTS式，側溝式，中心島式等）

　　1.3.2 曝氣設備的革新：

　　曝氣設備對氧化溝的處理效率，能耗及處理穩(wěn)定性有關鍵性影響，其作用主要表現(xiàn)在以下四個方面：向水中供氧；推進水流前進，使水流在池內(nèi)作循環(huán)流動；保證溝內(nèi)活性污泥處于懸浮狀態(tài)；使氧、有機物、微生物充分混合。針對以上幾個要求，曝氣設備也一直在改進和完善。常規(guī)的氧化溝曝氣設備有橫軸曝氣裝置及豎軸曝氣裝置。

　　1) 橫軸曝氣裝置為轉刷和轉盤。其中轉刷更為常見，轉刷單獨使用通常只能滿足水深較淺的氧化溝，有效水深不大于2.0－3.5米。從而造成傳統(tǒng)氧化溝較淺，占地面積大的弊端。近幾年開發(fā)了水下推進器配合轉刷，解決了這個問題，如山東高密污水廠，有效水深為4.5米，保證溝內(nèi)平均流速大于0.3米/秒，溝底流速不低于0.1米/秒，這樣氧化溝占地大大減少，轉刷技術運用已相當成熟，但因其供氧率低，能耗大，故其逐漸被另外先進的曝氣技術所取代。

　　2) 豎軸式表面曝氣機，各種類型的表面曝氣機均可用于氧化溝，一般安裝在溝渠的轉彎處，這種曝氣裝置有較大的提升能力，氧化溝水深可達4－4.5米，如1968年荷蘭PHV開發(fā)的著名Carrousel氧化溝在一端的中心設垂直軸的一定方向的低速表曝葉輪，葉輪轉動時除向污水供氧外，還能使溝中水體沿一定方向循環(huán)流動。表曝設備價格較便宜，但能耗大易出故障，且維修困難。

　　3) 射流曝氣，1969年Lewrnpt等創(chuàng)建了第一座試驗性射流曝氣氧化溝（JAC），國外的射流曝氣多為壓力供氣式，而國內(nèi)通常是自吸空氣式，JAC的優(yōu)點是氧化溝的寬度和水的深度不受限制，可以用于深水曝氣，且氧的利用率高，目前最大的JAC在奧地利的林茨，處理流量為17.2萬噸/天，水深7.5米。

　　4) 微孔曝氣，現(xiàn)在應用較多的微孔曝氣裝置，采用多孔性空氣擴散裝置克服了以往裝置氣壓損失大，易堵塞的毛病，且氧利用率較高，在氧化溝技術運用中越來越廣泛，目前，我國廣東省某污水廠已成功運用此種曝氣系統(tǒng)。

　　5) 其他曝氣設備，包括一些新型的曝氣推動設備，如浙江某公司開發(fā)的復葉節(jié)流新型曝氣器，氧利用率較高，浮于水面，易檢修，充氧能力可達水下7米，推動能力相當強，滿足氧化溝的曝氣推動一體化要求，同時能夠滿足氧化溝底部的充氧和推動。

　　氧化溝在國內(nèi)外都發(fā)展很快。歐州的氧化溝污水廠已有上千座，在國內(nèi)，從20世紀80年代末開始在城市污水和工業(yè)廢水中引進國外氧化溝的先進技術，從原來的日處理量3000立方米到目前10萬噸以上的污水處理廠已比較普遍，氧化溝工藝已成為我國城市污水處理的主要工藝。

　　2.氧化溝脫氮除磷工藝

　　2.1 傳統(tǒng)氧化溝的脫氮除磷

　　傳統(tǒng)氧化溝的脫氮，主要是利用溝內(nèi)溶解氧分布的不均勻性，通過合理的設計，使溝中產(chǎn)生交替循環(huán)的好氧區(qū)和缺氧區(qū)，從而達到脫氮的目的。其最大的優(yōu)點是在不外加碳源的情況下在同一溝中實現(xiàn)有機物和總氮的去除，因此是非常經(jīng)濟的。但在同一溝中好氧區(qū)與缺氧區(qū)各自的體積和溶解氧濃度很難準確地加以控制，因此對除氮的效果是有限的，而對除磷幾乎不起作用。另外，在傳統(tǒng)的單溝式氧化溝中，微生物在好氧－缺氧－好氧短暫的經(jīng)常性的環(huán)境變化中使硝化菌和反硝化菌群并非總是處于最佳的生長代謝環(huán)境中，由此也影響單位體積構筑物的處理能力。

　　隨著氧化溝工藝的反展，目前，在工程應用中比較有代表性的有形式有：多溝交替式氧化溝（如三溝式，五溝式）及其改進型、卡魯塞爾氧化溝及其改進型、奧貝爾(Orbal)氧化溝及其改進型、一體化氧化溝等。他們都具有一定的脫氮除磷能力，

　　2.2.PI型氧化溝的脫氮除磷

　　PI（Phase Isolation）型氧化溝，即交替式和半交替式氧化溝，是七十年代在丹麥發(fā)展起來的，其中包括DE型、T型和VR型氧化溝，隨著各國對污水處理廠出水氮，磷含量要求越來越嚴，因而開發(fā)出現(xiàn)了功能加強的PI型氧化溝，主要由Kruger公司與Demmark技術學院合作開發(fā)的，稱為Bio-Denitro和Bio-Denipho工藝，這兩種工藝都是根據(jù)A/O和A²/O生物脫氮除磷原理，創(chuàng)造缺氧/好氧，厭氧/缺氧/好氧的工藝環(huán)境，達到生物脫氮除磷的目的。

　　2.2.1 DE型、T型氧化溝脫氮工藝

　　DE型氧化溝為雙溝系統(tǒng)，T型氧化溝為三溝系統(tǒng)，其運行方式比較相似，都是通過配水井對水流流向的切換，堰門的起閉以及曝氣轉刷的調速，在溝中創(chuàng)造交替的硝化，反硝化條件，以達到脫氮的目的。其不同之處在于DE型氧化溝系統(tǒng)是二沉池與氧化溝分建，有獨立的污泥回流系統(tǒng)；而T型氧化溝的兩側溝輪流作為沉淀池。

　　2.2.2 VR型氧化溝脫氮工藝

　　VR氧化溝溝型宛如通常的環(huán)形跑道，中央有一小島的直壁結構，氧化溝分為兩個容積相當?shù)牟糠?，其水平形式如反向的英文字母C，污水處理通過二道拍門和二道出流堰交替起閉進行連續(xù)和恒水位運行。

　　2.2.3 PI型氧化溝同時脫氮除磷工藝

　　交替式氧化溝在脫氮效果上良好，為了達到除磷效果，通常在氧化溝前設置相應的厭氧區(qū)或構筑物或改變其運行方式。據(jù)國內(nèi)外實際運行經(jīng)驗顯示，這種同時脫氮除磷工藝只要運行時控制的好，可以取得很好的脫氮除磷效果。

　　 西安北石橋污水凈化中心采用具有脫氮除磷的DE型氧化溝系統(tǒng)（前加厭氧池），一期工程處理能力為15萬立方米/天，對各階段處理效果實測結果表明，DE型氧化溝處理城市污水效果顯著。COD、TN、TP的總去除效率分別達到87.5％－91.6％，63.6％－66.9％，85.0％－93.4％，出水TN為9.0－10.1mg/l,TP為0.42－0.45mg/l,出水水質優(yōu)于國家二級出水排放標準。

　　上述三種PI型氧化溝脫氮除磷工藝都有轉刷的調速，活門、出水堰的啟閉切換頻繁的特點，對自動化要求高，轉刷利用率低，故在經(jīng)濟欠發(fā)達的地區(qū)受到很大的限制。

　　2.3 奧貝爾氧化溝脫氮除磷工藝

　　Orbal氧化溝簡稱同心圓式，它也是分建式，有單獨二沉池，采用轉碟曝氣，溝深較大，它的脫氮效果很好，但除磷效率不夠高，要求除磷時還需前加厭氧池。應用上多為橢圓形的三環(huán)道組成，三個環(huán)道用不同的DO(如外環(huán)為0，中環(huán)為1，內(nèi)環(huán)為2)，有利于脫氮除磷。采用轉碟曝氣，水深一般在4.0～4.5m,動力效率與轉刷接近，現(xiàn)已在山東濰坊、北京黃村和合肥王小郢的城市污水處理廠應用。

　　2.4 卡魯塞爾氧化溝脫氮除磷工藝

　　2.4.1傳統(tǒng)的卡魯塞爾氧化溝工藝

　　卡魯塞爾(Carrousel)氧化溝是1967年由荷蘭的DHV公司開發(fā)研制的。它的研制目的是為滿足在較深的氧化溝溝渠中使混合液充分混合，并能維持較高的傳質效率，以克服小型氧化溝溝深較淺，混合效果差等缺陷。至今世界上已有850多座Carrousel氧化溝系統(tǒng)正在運行，實踐證明該工藝具有投資省、處理效率高、可靠性好、管理方便和運行維護費用低等優(yōu)點。Carrousel氧化溝使用立式表曝機，曝氣機安裝在溝的一端，因此形成了靠近曝氣機下游的富氧區(qū)和上游的缺氧區(qū)，有利于生物絮凝，使活性污泥易于沉降，設計有效水深4.0－4.5米，溝中的流速0.3米/秒。BOD₅的去除率可達95％－99％，脫氮效率約為90％，除磷效率約為50％，如投加鐵鹽，除磷效率可達95％。

　　2.4.2.單級卡魯塞爾氧化溝脫氮除磷工藝

　　單級卡魯塞爾氧化溝有兩種形式：一是有缺氧段的卡魯塞爾氧化溝，可在單一池內(nèi)實現(xiàn)部分反硝化作用，使用于有部分反硝化要求，但要求不高的場合。另一種是卡魯塞爾A/C工藝，即在氧化溝上游加設厭氧池，可提高活性污泥的沉降性能，有效控制活性污泥膨脹，出水磷的含量通常在2.0mg/l以下。以上兩種工藝一般用于現(xiàn)有氧化溝的改造，與標準的卡魯塞爾氧化溝工藝相比變動不大，相當于傳統(tǒng)活性污泥工藝的A/O和A²/O工藝。

　　2.4.3.合建式卡魯塞爾氧化溝

　　缺氧區(qū)與好氧區(qū)合建式氧化溝式美國EIMCO公司專為卡魯塞爾系統(tǒng)設計的一種先進的生物脫氮除磷工藝（卡魯塞爾2000型）。它的構造上的主要改進是在氧化溝內(nèi)設置了一個獨立的缺氧區(qū)。缺氧區(qū)回流渠的端口處裝有一個可調節(jié)的活門。根據(jù)出水含氮量的要求，調節(jié)活門張開程度，可控制進入缺氧區(qū)的流量。缺氧和好氧區(qū)合建式氧化溝的關鍵在與于對曝氣設備充氧量的控制，必須保證進入回流渠處的混合液處于缺氧狀態(tài)，為反硝化創(chuàng)造良好環(huán)境。缺氧區(qū)內(nèi)有潛水攪拌器，具有混合和維持污泥懸浮的作用。

　　在卡魯塞爾2000型基礎上增加前置厭氧區(qū)，可以達到脫氮除磷的目的，被稱為A²/C卡魯塞爾氧化溝。

　　四階段卡魯塞爾Bardenpho系統(tǒng)在卡魯塞爾2000型系統(tǒng)下游增加了第二缺氧池及再曝氣池，實現(xiàn)更高程度的脫氮。五階段卡魯塞爾Bardenpho系統(tǒng)在A²/C卡魯塞爾系統(tǒng)的下游增加了第二缺氧池和在曝氣池，實現(xiàn)更高程度的脫氮和除磷。

　　綜上所述，厭氧，缺氧與好氧合建的氧化溝系統(tǒng)可以分為三階段A²/O系統(tǒng)以及四、五階段Bardenpho系統(tǒng)，這幾個系統(tǒng)均是A/O系統(tǒng)的強化和反復，因此這種工藝的脫氮除磷效果很好，脫氮率達90％－95％。

　　另外，卡魯塞爾3000型氧化溝也有較好的脫氮除磷效果。在此不加以詳述。

　　2.4.4. 合建式一體化氧化溝

　　是指集曝氣、沉淀、泥水分離和污泥回流功能為一體，無需建造單獨二沉池的氧化溝。這種氧化溝設有專門的固液分離裝置和措施。它既是連續(xù)進出水，又是合建式，且不用倒換功能，從理論上講最經(jīng)濟合理，且具有很好的脫氮除磷效果。

　　一體化氧化溝除一般氧化溝所具有的優(yōu)點外，還有以下獨特的優(yōu)點：

　?、俟に嚵鞒潭?，構筑物和設備少，不設初沉池、調節(jié)池和單獨的二沉池；

　　②污泥自動回流，投資少、能耗低、占地少、管理簡便；

　?、墼靸r低，建造快，設備事故率低，運行管理工作量少；

　?、芄桃悍蛛x效果比一般二次沉淀池高，使系統(tǒng)在較大的流量濃度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。

　　一體化氧化溝的工藝特點見下圖：

　　3 討論

　　1）提高中小城市污水治理率是今后污水治理領域的重點，對于規(guī)模小于10萬噸/天的中小型污水處理廠來說，氧化溝和SBR是首選工藝，目前總體來說應用最多的是氧化溝工藝，在氧化溝各種工藝中，考慮其各自的特點及污水脫氮除磷的要求，推薦中小城市使用較成熟的卡魯塞爾氧化溝.對于合建式一體化氧化溝，國內(nèi)應用該工藝的污水廠已超過十余座，其示范工程——四川新都污水處理廠己成功運行5年多，是未來氧化溝工藝發(fā)展的一個主要方向。

　　2）近年來，在氧化溝中嘗試使用各種綜合曝氣裝置，即采用曝氣器與水下混合器獨立運行，將氧化溝中的水流循環(huán)混合作用與曝氣傳氧作用區(qū)分開來，使氧化溝中交替出現(xiàn)缺氧與好氧狀態(tài)，已達到脫氮除磷目的，同時這種運行方式還能取得節(jié)能的效果。據(jù)報道，這種綜合曝氣系統(tǒng)已在國外得到應用，在國內(nèi)也可嘗試并推廣采用這種綜合曝氣設備。

　　3）微孔曝氣氧化溝工藝即保留了氧化溝沿水流方向間斷曝氣和循環(huán)流動的特點，又克服了氧化溝因采用表面曝氣機而占地面積大，充氧效率低，水流斷面流速不均，池底易沉淀等不足，不失為一種可推廣使用的工藝。

　　4）在土地十分緊張的地區(qū)，在取得較準確的設計參數(shù)的基礎上，可考慮使用立體式循環(huán)氧化溝。

　　5）在氧化溝工藝設計中，溝深的設計是一個很重要的問題，盡管水下推進器的使用使溝深有所提高，但也并非越大越好，因為有效水深的增加會引起能量模式的改變，從而需增加動力設備就不同，引起投資和運行費用的提高。不同地質情況，不同進水水質及處理要求，有不同的溝深要求。因此，每一個選用氧化溝工藝的污水廠，都因根據(jù)各種因素綜合分析以確定最佳的溝深。

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