氧化沟的工艺特点及发展应用型式详解
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2017-10-18
本文阐述氧化沟工艺的发展、特点及主要运行型式:交替工作式氧化沟、半交替工作式氧化沟、连续工作分建式氧化沟、连续工作合建式氧化沟及微曝氧化沟等;介绍氧化沟不同运行型式的发展优势、运行方式及用途;分析氧化沟工艺设计和应用中存在的缺点和问题;提出氧化沟处理生活污水和工业废水的完善措施和发展趋势。
氧化沟(OxidationDitch，OD)又称为连续循环式反应器(ContinuousLoopReactor，CLR)，是活性污泥法的一种变型，属于延时曝气活性污泥法。1920年，在英国Sheffield建成了采用桨板曝气机充氧的沟渠形污水处理厂，但曝气效果不理想，被认为是现代氧化沟的雏形。1954年，第1个氧化沟在荷兰海牙北部的沃绍本(Voorschoten)建造并试验成功，其基本特征是跑道型循环混合式曝气池。该技术是由荷兰国立卫生研究所(TNO)的帕斯维尔(A˙Pasveer)教授发明的，故被命名为帕斯维尔(Pasveer)氧化沟。从此开始有“氧化沟”这一专用术语。此后，氧化沟经过广泛应用和不断发展，在污水处理中凸现出其独特的特点和优良的处理效果而博得世人青睐。
我国于20世纪80年代开始引进和研究这项技术，现已日益应用于城市污水以及石油废水、化工废水、造纸废水、印染废水和食品加工废水等工业废水处理之中。
氧化沟工艺是通过一种定向控制的曝气和搅动装置，向混合液传递水平速度，从而使被搅动的混合液在氧化沟封闭渠道内循环流动，具有特殊的水力学流态和独特的优点。
1.1具有推流式和完全混合式的特点，可有力地克服短流和提高缓冲能力
由于混合液在反应池中循环流动，因此，在短期内(如一个循环)呈推流状态，而在长期内(如多次循环)又呈混合状态。同时，污水在沟内的停留时间较长，这就要求沟内有较大的循环流量(一般是污水进水流量的数倍乃至数十倍)，进入沟内的污水立即被大量的循环液所混合稀释，因此氧化沟既可杜绝短流又可以提供很大的稀释倍数，从而提高缓冲能力，有很强的耐冲击负荷能力，对不易降解的有机物也有较好的处理能力。
1.2具有明显的溶解氧浓度梯度，有利于形成硝化—反硝化的生物处理条件
混合液在曝气区内溶解氧浓度较高，然后在循环流动中逐步下降，到下游区溶解氧浓度很低，基本上处于缺氧状态，出现明显的溶解氧浓度梯度，从而形成硝化—反硝化条件，有利于氮的去除，同时还可以通过反硝化很好地补充硝化过程中消耗的碱度。
1.3功率密度不均匀分配有利于氧的传质、液体混合和污泥絮凝
由于氧化沟曝气设备的不均匀设置，使氧化沟内存在2个能量区:一个是设有曝气装置的高能量区，一个是非曝气区的低能量区。在这两者之间的过渡区，可以认为是能量由高变低的消散过程。高能量区一般具有大于100s-1的平均速度梯度(G);低能量区平均速度梯度通常小于30s-1。当系统中的G值较低时，混合液中的固体就能产生良好的生物絮凝。这样，氧化沟中的非曝气部分就提供了对絮凝有利的条件。氧化沟的处理能力高于其他生物处理系统，其重要原因就在于它具有独特的水力混合性能，这种混合作用对于有机碳、氨、硝酸盐和固体的去除皆有重要作用。
1.4整体功率密度较低，节省能源
氧化沟中的曝气装置不是沿沟长均匀分布的，而是集中布置在几处，所以氧化沟可比其他系统以低得多的整体功率密度来维持液体流动、固体悬浮和充氧，能量消耗低。另外，氧化沟遵守动量守恒原则，一旦池内混合液被加速到所需流速时，维持循环所需要的水力动力只要克服沿程和弯道的水头损失即可，在循环流动中产生的循环或对流混合能够增强其自身的搅动作用。这样，为了保持使固体悬浮的速度，所需要的单位容积动力就大大低于其他系统。
1.5构造形式多种多样，运行灵活
氧化沟最根本的特点是曝气池呈封闭的沟渠形，而沟渠的形状和构造则多种多样，沟渠可以呈圆形和椭圆形等，可以是单沟系统或多沟系统。多沟系统可以是互相平行、尺寸相同的一组沟渠，也可以是一组同心的互相连通的环形沟渠，有与二次沉淀池分建的，也有合建的氧化沟。氧化沟运行的灵活性还表现在可以通过自由改变出水堰的高度调节曝气机的曝气强度，达到不同的充氧效果。
1.6工艺流程简单、构筑物少、便于管理
氧化沟的水力停留时间和污泥龄都比一般生物处理法长，悬浮状有机物可以与溶解性有机物同时得到较彻底的稳定，所以氧化沟不要求设置初沉池。由于氧化沟工艺的污泥龄长、负荷低，排出的剩余污泥已得到高度稳定，剩余污泥量也较少，因此不再需要消化池消化。虽然氧化沟采用的水力停留时间较长，但总占地面积不仅没有增大，相反还可缩小。
1.7低负荷、长泥龄及水力停留时间长
这使得氧化沟出水水质好，产泥量少，污泥性质稳定。
氧化沟自创造以来，以其优良的处理能力、简便的维护管理博得世人的瞩目，现已发展为2种组合形式(与沉淀池分建式或合建式)、3种工作模式(交替式、半交替式和连续式)、20多种型式。
2.1交替工作式氧化沟
是指在一沟或多沟中按时间顺序对氧化沟的曝气操作和沉淀操作作出调整换位，以取得最佳的或要求的处理效果。其特点是氧化沟曝气、沉淀交替轮作，不设二沉池，不需污泥回流装置。基本类型有A型、D型、T型和VR型4种。
2.1.1A型氧化沟
是单沟运行系统(图1)，即在一个沟渠中交替完成进水、曝气、沉淀和排水4个过程，主要用于水量较小、间歇运行的污水处理，如早期的P型氧化沟。
2.1.2D型氧化沟
是双沟交替运行系统(图2)，一般由池容完全相同的2个氧化沟组成，2池串联运行，交替作为曝气池和沉淀池，通常以8h为1个工作周期，分4个阶段，控制运行工况可以实现硝化和一定的反硝化。该系统出水水质稳定、不需设污泥回流装置。但在2个池交替作为曝气池和沉淀池的过程中，存在一个过渡轮换期，此时转刷全部停止工作，因此转刷的实际利用率低，仅为37.5%。
2.1.3T型氧化沟
是3沟交替运行系统(图3)，由3个池容相同的氧化沟组建在一起，3沟连通，进水交替进入各沟，从两侧的边沟出水，两侧氧化沟起曝气和沉淀双重作用，中间的氧化沟始终进行曝气，不设二沉池及污泥回流装置，具有去除BOD5及硝化脱氮的功能。T型氧化沟可按6个或8个阶段运行，运行周期一般为8h。中沟始终作为曝气池使用，侧沟交替作为曝气池和沉淀池运行，提高了转刷的利用率。
2.1.4VR型氧化沟。
是单沟交替运行系统(图4)，其构造特点是将氧化沟分成容积基本相等的2部分，其间有单向活拍门相连，利用定时改变曝气转刷的旋转方向来改变沟内水流方向，使2部分氧化沟交替地作为曝气区和沉淀区，不需设二沉池和污泥回流装置。VR型氧化沟有2道单向活拍门和2道出水堰，可实现连续进水或间歇进水。一般一个工作周期为8h，分4个阶段，操作简便，机械设备少，出水水质稳定良好，其转刷的实际利用率可达到75.0%。
2.2半交替工作式氧化沟兼具连续工作式和交替工作式的特点。
该类氧化沟系统设有单独的二沉池，实现曝气和沉淀的完全分离。最典型的半交替工作式氧化沟就是DE型39卷23期郭昌梓等氧化沟的优缺点及发展应用型式14289氧化沟。DE型氧化沟是指由2个相同容积的氧化沟组成的双沟半交替工作系统，具有良好的生物除氮功能。2个氧化沟相互连通，串联运行，可交替进出水，终沉池与氧化沟分建，有独立的污泥回流系统。氧化沟内曝气转刷一般为双速，高速工作时为曝气充氧，低速运行时只推动水流，不充氧。通过2沟内转刷交替处于高速和低速运行，可使2沟交替处于缺氧和好氧状态，从而达到脱氮的目的(图5)。它与D型、T型氧化沟不同之处是氧化沟与二沉池分开，有独立的污泥回流系统。
2.3连续工作分建式氧化沟特点
是氧化沟只作曝气池使用，且进出水流向不变，另设单独的沉淀池。连续工作分建式氧化沟的主要型式有3种:Pasveer氧化沟、Carrousel氧化沟和Orbal氧化沟。
2.3.1Pasveer氧化沟
简称P型氧化沟，是早期开发的氧化沟型式，属于第1代氧化沟，最先用于处理村镇污水，间歇运行，后来发展为连续运行，具有分建的沉淀池。氧化沟为跑道形的沟渠，沟上装设1个或数个曝气器推动混合液在沟内循环流动，曝气器主要采用的是水平卧式曝气转刷(图6)。
2.3.2Carrousel氧化沟
采用立式低速表面曝气器供氧并推动水流前进。Carrousel氧化沟为多沟串联系统，其特点是表面曝气器设于每沟的端头，在系统中形成好氧、缺氧区，有利于生物脱氮(图7)。由于倒伞型立式表曝机搅拌能力强，传氧效率高，设备数量少，易于管理和维护，所以节能效果显著。因此，Carrousel氧化沟适用于处理规模较大的污水处理厂，在所有氧化沟处理工艺中应用最为广泛，是目前世界上最流行的氧化沟系统。
2.3.3Orbal氧化沟。
是在P型氧化沟的基础上发展起来的一种新工艺，是一种多级氧化沟，采用多孔曝气转盘进行传氧和混合。由南非的休斯曼(Huisman)设计发明，南非国家水研究所研究和发展的，后来该技术被转让给美国的恩维芮克斯公司(EnvirexInc)加以推广，于1970开始投放市场。典型的Orbal氧化沟由3个椭圆形沟渠构成，污水先引入外沟，在其中不断循环的同时，依次引入下一个沟渠，最后从内沟排水。Orbal氧化沟采用转碟替代转刷进行充氧和推动水流，可通过调整转碟片数和转速调节充氧能力，使其更为灵活(图8)。
2.4连续工作合建式氧化沟又称一体化氧化沟(InterchannelClarifierOxidationDitch，ICC-OD)
是将沉淀池设置于氧化沟内，集曝气、沉淀、泥水分离和污泥回流功能为一体。出水由上部排出，回流污泥由沉淀区底部直接进入氧化沟内(图9)。它是美国于20世纪70年代末80年代初至今一直在研究和开发的一种新型氧化沟技术。我国从1986年开始对这一技术进行研究开发。
根据沉淀器置于氧化沟的不同部位，一体化氧化沟可分为3类：沟内式、侧沟式和中心岛式。沟内式一体化氧化沟将固液分离器设置于氧化沟主沟内，其主要优点是较为节省占地，但由于主沟水流要从固液分离器的底部组件通过，流态复杂，不利于固液分离与污泥回流，主要应用型式有BMTS式、BOAT式、C型沟内式、D型沟内式、管式和多斗式等。
侧沟式一体化氧化沟将固液分离器设置在氧化沟的边墙上或外侧，由于减少了水头损失和主沟紊动对分离器的影响，其水力条件和水流流态都比沟内式一体化氧化沟优越，使得氧化沟整体效率更高，主要型式有边墙和中心隔墙式、竖向循环式、侧渠式和斜板式等。
中心岛式一体化氧化沟是将固液分离器设置在氧化沟的中心岛处，由于消除了分离器对主沟中流态的影响，减少了水头损失，故节省了曝气设备的能量，同时充分利用了氧化沟中心岛部分的空间，故减少了占地。
14290安徽农业科学2011年连续工作合建式氧化沟的出现使氧化沟技术向前迈进了一大步，与传统的氧化沟技术相比，该工艺具有以下主要特点:①工艺流程短，构筑物和设备少，污泥自动回流，管理简便;②占地少、造价低、建造快，设备事故率低;③污泥回流及时，减少了污泥膨胀的可能。但是目前一体化氧化沟在实际中的应用有一定的不稳定性，在运行和启动方面有不少问题还需要解决。在国内，一体化氧化沟技术仍处于试验和完善阶段。
2.5微曝氧化沟
是利用微孔曝气器具有氧利用率高的特点，采用深水微孔曝气，与水下推流相结合，使污泥与原水充分混合，避免了传统机械曝气氧化沟供氧效率低、污泥容易沉积等缺点。它是在氧化沟池底分块铺设微孔曝气器通过鼓风曝气进行供氧的，将充氧设备和水流推动设备分开设置。
由于气泡经曝气头释放后经历从池底至水面的全过程，池越深其在水中的停留时间越长，从而大大提高了供氧能力和氧利用率，使曝气能耗显著降低，与传统氧化沟工艺相比，综合能耗降低30%，运行费用节约20%。该氧化沟在德国等欧美发达国家使用较多，国内也在逐步推广和使用之中。
3.1占地面积大
氧化沟是一种延时曝气活性污泥法，负荷低，曝气池的池容大，所需相关设备投资大，应用受到场地、设备等限制。
3.2污泥易沉积
这是氧化沟工艺的最大问题，主要是由于氧化沟的表面曝气方式产生的。由于氧化沟一般都采用表面曝气器，且呈现不均匀分布，这样就产生的不同的能量分区，在低能量区就会因混合液缓慢流容易形成污泥沉积。
3.3易产生浮泥和漂泥等
在氧化沟工艺中，水力停留时间较长，发生高度的硝化作用，在二沉池中容易发生反硝化作用，产生污泥上浮。同时，氧化沟的负荷低、泥龄长，使氧化沟内活性污泥微生物大多处于内源呼吸状态，污泥老化，老化的污泥絮体易被曝气打碎，从而在二沉池形成漂泥。
3.4氧化沟好氧区和缺氧区的设计还不完善
目前仍然根据经验计算法或动力学计算法计算出所需好氧和缺氧区的总容积，然后根据曝气设备的数量在单沟中均匀分布。这样，在单沟循环中容易导致好氧区和缺氧区的分布不合理，从而影响脱氮效果。
从氧化沟的特点和运行方式可知，正是由于氧化沟的封闭环流和曝气设备分散布置的特点，使其具有独特的应用优势和优良稳定的运行效果，可有效地达到去除有机物、SS及脱氮除磷效果，通过时空的合理安排使氧化沟的运行方式多种多样、灵活多变，因而被广泛应用于城市污水或工业废水处理。针对氧化沟工艺存在的问题和不足，目前，氧化沟工艺的研究应着重于:①制定氧化沟分区设计计算方法，建立合理分区优化供氧，提高脱氮除磷效果，尤其是提高除磷效率;②开发研制新型曝气设备，提高氧利用率;③改善曝气充氧和推进水流的关系，完善运行效果和降低能耗;④改进沟渠型式，使运行工艺简单化、集成化、自动化;⑤开发氧化沟组合工艺，如AB工艺型氧化沟、生物膜氧化沟或采用高负荷氧化沟等工艺以深入推进其在工业废水处理中的广泛应用。