污水處理技術(shù)篇：氧化溝的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展應(yīng)用型式
2016/6/8
本文闡述氧化溝工藝的發(fā)展、特點(diǎn)及主要運(yùn)行型式: 交替工作式氧化溝、半交替工作式氧化溝、連續(xù)工作分建式氧化溝、連續(xù)工作合建式氧化溝及微曝氧化溝等; 介紹氧化溝不同運(yùn)行型式的發(fā)展優(yōu)勢(shì)、運(yùn)行方式及用途; 分析氧化溝工藝設(shè)計(jì)和應(yīng)用中存在的缺點(diǎn)和問(wèn)題;提出氧化溝處理生活污水和工業(yè)廢水的完善措施和發(fā)展趨勢(shì)。
氧化溝( Oxidation Ditch，OD) 又稱(chēng)為連續(xù)循環(huán)式反應(yīng)器( Continuous Loop Reactor，CLR) ，是活性污泥法的一種變型，屬于延時(shí)曝氣活性污泥法。1920 年，在英國(guó)Sheffield 建成了采用槳板曝氣機(jī)充氧的溝渠形污水處理廠，但曝氣效果不理想，被認(rèn)為是現(xiàn)代氧化溝的雛形。1954 年，第1 個(gè)氧化溝在荷蘭海牙北部的沃紹本( Voorschoten) 建造并試驗(yàn)成功，其基本特征是跑道型循環(huán)混合式曝氣池。該技術(shù)是由荷蘭國(guó)立衛(wèi)生研究所( TNO) 的帕斯維爾( A˙Pasveer) 教授發(fā)明的，故被命名為帕斯維爾( Pasveer) 氧化溝。從此開(kāi)始有“氧化溝”這一專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)。此后，氧化溝經(jīng)過(guò)廣泛應(yīng)用和不斷發(fā)展，在污水處理中凸現(xiàn)出其獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)良的處理效果而博得世人青睞。
我國(guó)于20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始引進(jìn)和研究這項(xiàng)技術(shù)，現(xiàn)已日益應(yīng)用于城市污水以及石油廢水、化工廢水、造紙廢水、印染廢水和食品加工廢水等工業(yè)廢水處理之中。
1. 氧化溝工藝的特點(diǎn)
氧化溝工藝是通過(guò)一種定向控制的曝氣和攪動(dòng)裝置，向混合液傳遞水平速度，從而使被攪動(dòng)的混合液在氧化溝封閉渠道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，具有特殊的水力學(xué)流態(tài)和獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。
1.1 具有推流式和完全混合式的特點(diǎn)，可有力地克服短流和提高緩沖能力
由于混合液在反應(yīng)池中循環(huán)流動(dòng)，因此，在短期內(nèi)( 如一個(gè)循環(huán)) 呈推流狀態(tài)，而在長(zhǎng)期內(nèi)( 如多次循環(huán)) 又呈混合狀態(tài)。同時(shí)，污水在溝內(nèi)的停留時(shí)間較長(zhǎng)，這就要求溝內(nèi)有較大的循環(huán)流量( 一般是污水進(jìn)水流量的數(shù)倍乃至數(shù)十倍) ，進(jìn)入溝內(nèi)的污水立即被大量的循環(huán)液所混合稀釋?zhuān)虼搜趸瘻霞瓤啥沤^短流又可以提供很大的稀釋倍數(shù)，從而提高緩沖能力，有很強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力，對(duì)不易降解的有機(jī)物也有較好的處理能力。
1.2 具有明顯的溶解氧濃度梯度，有利于形成硝化—反硝化的生物處理?xiàng)l件
混合液在曝氣區(qū)內(nèi)溶解氧濃度較高，然后在循環(huán)流動(dòng)中逐步下降，到下游區(qū)溶解氧濃度很低，基本上處于缺氧狀態(tài)，出現(xiàn)明顯的溶解氧濃度梯度，從而形成硝化—反硝化條件，有利于氮的去除，同時(shí)還可以通過(guò)反硝化很好地補(bǔ)充硝化過(guò)程中消耗的堿度。
1.3 功率密度不均勻分配有利于氧的傳質(zhì)、液體混合和污泥絮凝
由于氧化溝曝氣設(shè)備的不均勻設(shè)置，使氧化溝內(nèi)存在2 個(gè)能量區(qū): 一個(gè)是設(shè)有曝氣裝置的高能量區(qū)，一個(gè)是非曝氣區(qū)的低能量區(qū)。在這兩者之間的過(guò)渡區(qū)，可以認(rèn)為是能量由高變低的消散過(guò)程。高能量區(qū)一般具有大于100 s -1 的平均速度梯度( G) ; 低能量區(qū)平均速度梯度通常小于30s -1。當(dāng)系統(tǒng)中的G 值較低時(shí)，混合液中的固體就能產(chǎn)生良好的生物絮凝。這樣，氧化溝中的非曝氣部分就提供了對(duì)絮凝有利的條件。氧化溝的處理能力高于其他生物處理系統(tǒng)，其重要原因就在于它具有獨(dú)特的水力混合性能，這種混合作用對(duì)于有機(jī)碳、氨、硝酸鹽和固體的去除皆有重要作用。
1.4 整體功率密度較低，節(jié)省能源
氧化溝中的曝氣裝置不是沿溝長(zhǎng)均勻分布的，而是集中布置在幾處，所以氧化溝可比其他系統(tǒng)以低得多的整體功率密度來(lái)維持液體流動(dòng)、固體懸浮和充氧，能量消耗低。另外，氧化溝遵守動(dòng)量守恒原則，一旦池內(nèi)混合液被加速到所需流速時(shí)，維持循環(huán)所需要的水力動(dòng)力只要克服沿程和彎道的水頭損失即可，在循環(huán)流動(dòng)中產(chǎn)生的循環(huán)或?qū)α骰旌夏軌蛟鰪?qiáng)其自身的攪動(dòng)作用。這樣，為了保持使固體懸浮的速度，所需要的單位容積動(dòng)力就大大低于其他系統(tǒng)。
1.5 構(gòu)造形式多種多樣，運(yùn)行靈活
氧化溝最根本的特點(diǎn)是曝氣池呈封閉的溝渠形，而溝渠的形狀和構(gòu)造則多種多樣，溝渠可以呈圓形和橢圓形等，可以是單溝系統(tǒng)或多溝系統(tǒng)。多溝系統(tǒng)可以是互相平行、尺寸相同的一組溝渠，也可以是一組同心的互相連通的環(huán)形溝渠，有與二次沉淀池分建的，也有合建的氧化溝。氧化溝運(yùn)行的靈活性還表現(xiàn)在可以通過(guò)自由改變出水堰的高度調(diào)節(jié)曝氣機(jī)的曝氣強(qiáng)度，達(dá)到不同的充氧效果。
1.6 工藝流程簡(jiǎn)單、構(gòu)筑物少、便于管理
氧化溝的水力停留時(shí)間和污泥齡都比一般生物處理法長(zhǎng)，懸浮狀有機(jī)物可以與溶解性有機(jī)物同時(shí)得到較徹底的穩(wěn)定，所以氧化溝不要求設(shè)置初沉池。由于氧化溝工藝的污泥齡長(zhǎng)、負(fù)荷低，排出的剩余污泥已得到高度穩(wěn)定，剩余污泥量也較少，因此不再需要消化池消化。雖然氧化溝采用的水力停留時(shí)間較長(zhǎng)，但總占地面積不僅沒(méi)有增大，相反還可縮小。
1.7 低負(fù)荷、長(zhǎng)泥齡及水力停留時(shí)間長(zhǎng)
這使得氧化溝出水水質(zhì)好，產(chǎn)泥量少，污泥性質(zhì)穩(wěn)定。
2. 氧化溝工藝的應(yīng)用型式
氧化溝自創(chuàng)造以來(lái)，以其優(yōu)良的處理能力、簡(jiǎn)便的維護(hù)管理博得世人的矚目，現(xiàn)已發(fā)展為2 種組合形式( 與沉淀池分建式或合建式) 、3 種工作模式( 交替式、半交替式和連續(xù)式) 、20 多種型式。
2.1 交替工作式氧化溝
是指在一溝或多溝中按時(shí)間順序?qū)ρ趸瘻系钠貧獠僮骱统恋聿僮髯鞒稣{(diào)整換位，以取得最佳的或要求的處理效果。其特點(diǎn)是氧化溝曝氣、沉淀交替輪作，不設(shè)二沉池，不需污泥回流裝置。基本類(lèi)型有A 型、D型、T 型和VR 型4 種。
2.1.1 A 型氧化溝
是單溝運(yùn)行系統(tǒng)( 圖1) ，即在一個(gè)溝渠中交替完成進(jìn)水、曝氣、沉淀和排水4 個(gè)過(guò)程，主要用于水量較小、間歇運(yùn)行的污水處理，如早期的P 型氧化溝。
2. 1.2 D 型氧化溝
是雙溝交替運(yùn)行系統(tǒng)( 圖2) ，一般由池容完全相同的2 個(gè)氧化溝組成，2池串聯(lián)運(yùn)行，交替作為曝氣池和沉淀池，通常以8 h 為1 個(gè)工作周期，分4 個(gè)階段，控制運(yùn)行工況可以實(shí)現(xiàn)硝化和一定的反硝化。該系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定、不需設(shè)污泥回流裝置。但在2 個(gè)池交替作為曝氣池和沉淀池的過(guò)程中，存在一個(gè)過(guò)渡輪換期，此時(shí)轉(zhuǎn)刷全部停止工作，因此轉(zhuǎn)刷的實(shí)際利用率低，僅為37.5%。
2.1.3 T 型氧化溝
是3 溝交替運(yùn)行系統(tǒng)( 圖3) ，由3 個(gè)池容相同的氧化溝組建在一起，3溝連通，進(jìn)水交替進(jìn)入各溝，從兩側(cè)的邊溝出水，兩側(cè)氧化溝起曝氣和沉淀雙重作用，中間的氧化溝始終進(jìn)行曝氣，不設(shè)二沉池及污泥回流裝置，具有去除BOD5及硝化脫氮的功能。T 型氧化溝可按6 個(gè)或8個(gè)階段運(yùn)行，運(yùn)行周期一般為8 h。中溝始終作為曝氣池使用，側(cè)溝交替作為曝氣池和沉淀池運(yùn)行，提高了轉(zhuǎn)刷的利用率。
2.1.4 VR 型氧化溝。
是單溝交替運(yùn)行系統(tǒng)( 圖4) ，其構(gòu)造特點(diǎn)是將氧化溝分成容積基本相等的2 部分，其間有單向活拍門(mén)相連，利用定時(shí)改變曝氣轉(zhuǎn)刷的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)改變溝內(nèi)水流方向，使2 部分氧化溝交替地作為曝氣區(qū)和沉淀區(qū)，不需設(shè)二沉池和污泥回流裝置。VR 型氧化溝有2 道單向活拍門(mén)和2 道出水堰，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)水或間歇進(jìn)水。一般一個(gè)工作周期為8 h，分4 個(gè)階段，操作簡(jiǎn)便，機(jī)械設(shè)備少，出水水質(zhì)穩(wěn)定良好，其轉(zhuǎn)刷的實(shí)際利用率可達(dá)到75.0%。
2.2 半交替工作式氧化溝兼具連續(xù)工作式和交替工作式的特點(diǎn)。
該類(lèi)氧化溝系統(tǒng)設(shè)有單獨(dú)的二沉池，實(shí)現(xiàn)曝氣和沉淀的完全分離。最典型的半交替工作式氧化溝就是DE 型39 卷23 期 郭昌梓等 氧化溝的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展應(yīng)用型式 14289氧化溝。DE 型氧化溝是指由2 個(gè)相同容積的氧化溝組成的雙溝半交替工作系統(tǒng)，具有良好的生物除氮功能。2 個(gè)氧化溝相互連通，串聯(lián)運(yùn)行，可交替進(jìn)出水，終沉池與氧化溝分建，有獨(dú)立的污泥回流系統(tǒng)。氧化溝內(nèi)曝氣轉(zhuǎn)刷一般為雙速，高速工作時(shí)為曝氣充氧，低速運(yùn)行時(shí)只推動(dòng)水流，不充氧。通過(guò)2 溝內(nèi)轉(zhuǎn)刷交替處于高速和低速運(yùn)行，可使2 溝交替處于缺氧和好氧狀態(tài)，從而達(dá)到脫氮的目的( 圖5) 。它與D 型、T 型氧化溝不同之處是氧化溝與二沉池分開(kāi)，有獨(dú)立的污泥回流系統(tǒng)。
2.3 連續(xù)工作分建式氧化溝特點(diǎn)
是氧化溝只作曝氣池使用，且進(jìn)出水流向不變，另設(shè)單獨(dú)的沉淀池。連續(xù)工作分建式氧化溝的主要型式有3 種: Pasveer 氧化溝、Carrousel 氧化溝和Orbal 氧化溝。
2.3. 1 Pasveer 氧化溝
簡(jiǎn)稱(chēng)P 型氧化溝，是早期開(kāi)發(fā)的氧化溝型式，屬于第1 代氧化溝，最先用于處理村鎮(zhèn)污水，間歇運(yùn)行，后來(lái)發(fā)展為連續(xù)運(yùn)行，具有分建的沉淀池。氧化溝為跑道形的溝渠，溝上裝設(shè)1 個(gè)或數(shù)個(gè)曝氣器推動(dòng)混合液在溝內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，曝氣器主要采用的是水平臥式曝氣轉(zhuǎn)刷( 圖6) 。
2.3.2 Carrousel 氧化溝
采用立式低速表面曝氣器供氧并推動(dòng)水流前進(jìn)。Carrousel 氧化溝為多溝串聯(lián)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是表面曝氣器設(shè)于每溝的端頭，在系統(tǒng)中形成好氧、缺氧區(qū)，有利于生物脫氮( 圖7) 。由于倒傘型立式表曝機(jī)攪拌能力強(qiáng)，傳氧效率高，設(shè)備數(shù)量少，易于管理和維護(hù)，所以節(jié)能效果顯著。因此，Carrousel 氧化溝適用于處理規(guī)模較大的污水處理廠，在所有氧化溝處理工藝中應(yīng)用最為廣泛，是目前世界上最流行的氧化溝系統(tǒng)。
2.3.3 Orbal 氧化溝。
是在P 型氧化溝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新工藝，是一種多級(jí)氧化溝，采用多孔曝氣轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行傳氧和混合。由南非的休斯曼( Huisman) 設(shè)計(jì)發(fā)明，南非國(guó)家水研究所研究和發(fā)展的，后來(lái)該技術(shù)被轉(zhuǎn)讓給美國(guó)的恩維芮克斯公司( Envirex Inc) 加以推廣，于1970 開(kāi)始投放市場(chǎng)。典型的Orbal 氧化溝由3 個(gè)橢圓形溝渠構(gòu)成，污水先引入外溝，在其中不斷循環(huán)的同時(shí)，依次引入下一個(gè)溝渠，最后從內(nèi)溝排水。Orbal 氧化溝采用轉(zhuǎn)碟替代轉(zhuǎn)刷進(jìn)行充氧和推動(dòng)水流，可通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)碟片數(shù)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)充氧能力，使其更為靈活( 圖8) 。
2.4 連續(xù)工作合建式氧化溝又稱(chēng)一體化氧化溝( InterchannelClarifier Oxidation Ditch， ICC - OD)
是將沉淀池設(shè)置于氧化溝內(nèi)，集曝氣、沉淀、泥水分離和污泥回流功能為一體。出水由上部排出，回流污泥由沉淀區(qū)底部直接進(jìn)入氧化溝內(nèi)( 圖9) 。它是美國(guó)于20 世紀(jì)70 年代末80 年代初至今一直在研究和開(kāi)發(fā)的一種新型氧化溝技術(shù)。我國(guó)從1986 年開(kāi)始對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。
根據(jù)沉淀器置于氧化溝的不同部位，一體化氧化溝可分為3 類(lèi): 溝內(nèi)式、側(cè)溝式和中心島式。溝內(nèi)式一體化氧化溝將固液分離器設(shè)置于氧化溝主溝內(nèi)，其主要優(yōu)點(diǎn)是較為節(jié)省占地，但由于主溝水流要從固液分離器的底部組件通過(guò)，流態(tài)復(fù)雜，不利于固液分離與污泥回流，主要應(yīng)用型式有BMTS式、BOAT 式、C 型溝內(nèi)式、D 型溝內(nèi)式、管式和多斗式等。
側(cè)溝式一體化氧化溝將固液分離器設(shè)置在氧化溝的邊墻上或外側(cè)，由于減少了水頭損失和主溝紊動(dòng)對(duì)分離器的影響，其水力條件和水流流態(tài)都比溝內(nèi)式一體化氧化溝優(yōu)越，使得氧化溝整體效率更高，主要型式有邊墻和中心隔墻式、豎向循環(huán)式、側(cè)渠式和斜板式等。
中心島式一體化氧化溝是將固液分離器設(shè)置在氧化溝的中心島處，由于消除了分離器對(duì)主溝中流態(tài)的影響，減少了水頭損失，故節(jié)省了曝氣設(shè)備的能量，同時(shí)充分利用了氧化溝中心島部分的空間，故減少了占地。
14290 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2011年連續(xù)工作合建式氧化溝的出現(xiàn)使氧化溝技術(shù)向前邁進(jìn)了一大步，與傳統(tǒng)的氧化溝技術(shù)相比，該工藝具有以下主要特點(diǎn):①工藝流程短，構(gòu)筑物和設(shè)備少，污泥自動(dòng)回流，管理簡(jiǎn)便;②占地少、造價(jià)低、建造快，設(shè)備事故率低; ③污泥回流及時(shí)，減少了污泥膨脹的可能。但是目前一體化氧化溝在實(shí)際中的應(yīng)用有一定的不穩(wěn)定性，在運(yùn)行和啟動(dòng)方面有不少問(wèn)題還需要解決。在國(guó)內(nèi)，一體化氧化溝技術(shù)仍處于試驗(yàn)和完善階段。
2.5 微曝氧化溝
是利用微孔曝氣器具有氧利用率高的特點(diǎn)，采用深水微孔曝氣，與水下推流相結(jié)合，使污泥與原水充分混合，避免了傳統(tǒng)機(jī)械曝氣氧化溝供氧效率低、污泥容易沉積等缺點(diǎn)。它是在氧化溝池底分塊鋪設(shè)微孔曝氣器通過(guò)鼓風(fēng)曝氣進(jìn)行供氧的，將充氧設(shè)備和水流推動(dòng)設(shè)備分開(kāi)設(shè)置 。
由于氣泡經(jīng)曝氣頭釋放后經(jīng)歷從池底至水面的全過(guò)程，池越深其在水中的停留時(shí)間越長(zhǎng)，從而大大提高了供氧能力和氧利用率，使曝氣能耗顯著降低，與傳統(tǒng)氧化溝工藝相比，綜合能耗降低30% ，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約20%。該氧化溝在德國(guó)等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家使用較多，國(guó)內(nèi)也在逐步推廣和使用之中。
3. 氧化溝工藝的缺陷
3.1 占地面積大
氧化溝是一種延時(shí)曝氣活性污泥法，負(fù)荷低，曝氣池的池容大，所需相關(guān)設(shè)備投資大，應(yīng)用受到場(chǎng)地、設(shè)備等限制。
3.2 污泥易沉積
這是氧化溝工藝的最大問(wèn)題，主要是由于氧化溝的表面曝氣方式產(chǎn)生的。由于氧化溝一般都采用表面曝氣器，且呈現(xiàn)不均勻分布，這樣就產(chǎn)生的不同的能量分區(qū)，在低能量區(qū)就會(huì)因混合液緩慢流容易形成污泥沉積。
3.3 易產(chǎn)生浮泥和漂泥等
在氧化溝工藝中，水力停留時(shí)間較長(zhǎng)，發(fā)生高度的硝化作用，在二沉池中容易發(fā)生反硝化作用，產(chǎn)生污泥上浮。同時(shí)，氧化溝的負(fù)荷低、泥齡長(zhǎng)，使氧化溝內(nèi)活性污泥微生物大多處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)，污泥老化，老化的污泥絮體易被曝氣打碎，從而在二沉池形成漂泥。
3.4 氧化溝好氧區(qū)和缺氧區(qū)的設(shè)計(jì)還不完善
目前仍然根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法或動(dòng)力學(xué)計(jì)算法計(jì)算出所需好氧和缺氧區(qū)的總?cè)莘e，然后根據(jù)曝氣設(shè)備的數(shù)量在單溝中均勻分布。這樣，在單溝循環(huán)中容易導(dǎo)致好氧區(qū)和缺氧區(qū)的分布不合理，從而影響脫氮效果。
4. 氧化溝工藝的發(fā)展方向
從氧化溝的特點(diǎn)和運(yùn)行方式可知，正是由于氧化溝的封閉環(huán)流和曝氣設(shè)備分散布置的特點(diǎn)，使其具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和優(yōu)良穩(wěn)定的運(yùn)行效果，可有效地達(dá)到去除有機(jī)物、SS 及脫氮除磷效果，通過(guò)時(shí)空的合理安排使氧化溝的運(yùn)行方式多種多樣、靈活多變，因而被廣泛應(yīng)用于城市污水或工業(yè)廢水處理。針對(duì)氧化溝工藝存在的問(wèn)題和不足，目前，氧化溝工藝的研究應(yīng)著重于: ①制定氧化溝分區(qū)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，建立合理分區(qū)優(yōu)化供氧，提高脫氮除磷效果，尤其是提高除磷效率;②開(kāi)發(fā)研制新型曝氣設(shè)備，提高氧利用率;③改善曝氣充氧和推進(jìn)水流的關(guān)系，完善運(yùn)行效果和降低能耗; ④改進(jìn)溝渠型式，使運(yùn)行工藝簡(jiǎn)單化、集成化、自動(dòng)化; ⑤開(kāi)發(fā)氧化溝組合工藝，如AB 工藝型氧化溝、生物膜氧化溝或采用高負(fù)荷氧化溝等工藝以深入推進(jìn)其在工業(yè)廢水處理中的廣泛應(yīng)用。
