污水處理技術(shù)篇：氧化溝的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展應用型式

本文闡述氧化溝工藝的發(fā)展、特點(diǎn)及主要運行型式: 交替工作式氧化溝、半交替工作式氧化溝、連續工作分建式氧化溝、連續工作合建式氧化溝及微曝氧化溝等; 介紹氧化溝不同運行型式的發(fā)展優(yōu)勢、運行方式及用途; 分析氧化溝工藝設計和應用中存在的缺點(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。

氧化溝( Oxidation Ditch，OD) 又稱(chēng)為連續循環(huán)式反應器( 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Sheffield 建成了采用槳板曝氣機充氧的溝渠形污水處理廠(chǎng)，但曝氣效果不理想，被認為是現代氧化溝的雛形。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)是由荷蘭國立衛生研究所( 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)廣泛應用和不斷發(fā)展，在污水處理中凸現出其獨特的特點(diǎn)和優(yōu)良的處理效果而博得世人青睞。

我國于20 世紀80 年代開(kāi)始引進(jìn)和研究這項技術(shù)，現已日益應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循環(huán)流動(dòng)，具有特殊的水力學(xué)流態(tài)和獨特的優(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

由于混合液在反應池中循環(huán)流動(dòng)，因此，在短期內( 如一個(gè)循環(huán)) 呈推流狀態(tài)，而在長(cháng)期內( 如多次循環(huán)) 又呈混合狀態(tài)。同時(shí)，污水在溝內的停留時(shí)間較長(cháng)，這就要求溝內有較大的循環(huán)流量( 一般是污水進(jìn)水流量的數倍乃至數十倍) ，進(jìn)入溝內的污水立即被大量的循環(huán)液所混合稀釋?zhuān)�因此氧化溝既可杜絕短流又可以提供很大的稀釋倍數，從而提高緩沖能力，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。

1.2 具有明顯的溶解氧濃度梯度，有利于形成硝化—反硝化的生物處理條件

混合液在曝氣區內溶解氧濃度較高，然后在循環(huán)流動(dòng)中逐步下降，到下游區溶解氧濃度很低，基本上處于缺氧狀態(tài)，出現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

由于氧化溝曝氣設備的不均勻設置，使氧化溝內存在2 個(gè)能量區: 一個(gè)是設有曝氣裝置的高能量區，一個(gè)是非曝氣區的低能量區。在這兩者之間的過(guò)渡區，可以認為是能量由高變低的消散過(guò)程。高能量區一般具有大于100 s -1 的平均速度梯度( G) ; 低能量區平均速度梯度通常小于30s -1。當系統中的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，其重要原因就在于它具有獨特的水力混合性能，這種混合作用對于有機碳、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，節省能源

氧化溝中的曝氣裝置不是沿溝長(cháng)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)或對流混合能夠增強其自身的攪動(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。

1.5 構造形式多種多樣，運行靈活

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，可以是單溝系統或多溝系統。多溝系統可以是互相平行、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。氧化溝運行的靈活性還表現在可以通過(guò)自由改變出水堰的高度調節曝氣機的曝氣強度，達到不同的充氧效果。

1.6 工藝流程簡(jiǎn)單、構筑物少、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(cháng)，懸浮狀有機物可以與溶解性有機物同時(shí)得到較徹底的穩定，所以氧化溝不要求設置初沉池。由于氧化溝工藝的污泥齡長(cháng)、負荷低，排出的剩余污泥已得到高度穩定，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(cháng)，但總占地面積不僅沒(méi)有增大，相反還可縮小。

1.7 低負荷、長(cháng)泥齡及水力停留時(shí)間長(cháng)

這使得氧化溝出水水質(zhì)好，產(chǎn)泥量少，污泥性質(zhì)穩定。

2. 氧化溝工藝的應用型式

氧化溝自創(chuàng )造以來(lái)，以其優(yōu)良的處理能力、簡(jiǎn)便的維護管理博得世人的矚目，現已發(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)間順序對氧化溝的曝氣操作和沉淀操作作出調整換位，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

是單溝運行系統，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

是雙溝交替運行系統，一般由池容完全相同的2 個(gè)氧化溝組成，2池串聯(lián)運行，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，控制運行工況可以實(shí)現硝化和一定的反硝化。該系統出水水質(zhì)穩定、不需設污泥回流裝置。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)轉刷全部停止工作，因此轉刷的實(shí)際利用率低，僅為37.5%。

2.1.3 T 型氧化溝

是3 溝交替運行系統 ，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，從兩側的邊溝出水，兩側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)階段運行，運行周期一般為8 h。中溝始終作為曝氣池使用，側溝交替作為曝氣池和沉淀池運行，提高了轉刷的利用率。

2.1.4 VR 型氧化溝。

是單溝交替運行系統，其構造特點(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)改變曝氣轉刷的旋轉方向來(lái)改變溝內水流方向，使2 部分氧化溝交替地作為曝氣區和沉淀區，不需設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)現連續進(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，機械設備少，出水水質(zhì)穩定良好，其轉刷的實(shí)際利用率可達到75.0%。

2.2 半交替工作式氧化溝兼具連續工作式和交替工作式的特點(diǎn)。

該類(lèi)氧化溝系統設有單獨的二沉池，實(shí)現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，具有良好的生物除氮功能。2 個(gè)氧化溝相互連通，串聯(lián)運行，可交替進(jìn)出水，終沉池與氧化溝分建，有獨立的污泥回流系統。氧化溝內曝氣轉刷一般為雙速，高速工作時(shí)為曝氣充氧，低速運行時(shí)只推動(dòng)水流，不充氧。通過(guò)2 溝內轉刷交替處于高速和低速運行，可使2 溝交替處于缺氧和好氧狀態(tài)，從而達到脫氮的目的。它與D 型、T 型氧化溝不同之處是氧化溝與二沉池分開(kāi)，有獨立的污泥回流系統。

2.3 連續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，另設單獨的沉淀池。連續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，最先用于處理村鎮污水，間歇運行，后來(lái)發(fā)展為連續運行，具有分建的沉淀池。氧化溝為跑道形的溝渠，溝上裝設1 個(gè)或數個(gè)曝氣器推動(dòng)混合液在溝內循環(huán)流動(dòng)，曝氣器主要采用的是水平臥式曝氣轉刷。

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，其特點(diǎn)是表面曝氣器設于每溝的端頭，在系統中形成好氧、缺氧區，有利于生物脫氮( 圖7) 。由于倒傘型立式表曝機攪拌能力強，傳氧效率高，設備數量少，易于管理和維護，所以節能效果顯著(zhù)。因此，Carrousel 氧化溝適用于處理規模較大的污水處理廠(chǎng)，在所有氧化溝處理工藝中應用最為廣泛，是目前世界上最流行的氧化溝系統。

2.3.3 Orbal 氧化溝。

是在P 型氧化溝的基礎上發(fā)展起來(lái)的一種新工藝，是一種多級氧化溝，采用多孔曝氣轉盤(pán)進(jìn)行傳氧和混合。由南非的休斯曼( Huisman) 設計發(fā)明，南非國家水研究所研究和發(fā)展的，后來(lái)該技術(shù)被轉讓給美國的恩維芮克斯公司( 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，最后從內溝排水。Orbal 氧化溝采用轉碟替代轉刷進(jìn)行充氧和推動(dòng)水流，可通過(guò)調整轉碟片數和轉速調節充氧能力，使其更為靈活( 圖8) 。

2.4 連續工作合建式氧化溝又稱(chēng)一體化氧化溝( InterchannelClarifier Oxidation Ditch， ICC - OD)

是將沉淀池設置于氧化溝內，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，回流污泥由沉淀區底部直接進(jìn)入氧化溝內( 圖9) 。它是美國于20 世紀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)。我國從1986 年開(kāi)始對這一技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。

根據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): 溝內式、側溝式和中心島式。溝內式一體化氧化溝將固液分離器設置于氧化溝主溝內，其主要優(yōu)點(diǎn)是較為節省占地，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)復雜，不利于固液分離與污泥回流，主要應用型式有BMTS式、BOAT 式、C 型溝內式、D 型溝內式、管式和多斗式等。

側溝式一體化氧化溝將固液分離器設置在氧化溝的邊墻上或外側，由于減少了水頭損失和主溝紊動(dòng)對分離器的影響，其水力條件和水流流態(tài)都比溝內式一體化氧化溝優(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置在氧化溝的中心島處，由于消除了分離器對主溝中流態(tài)的影響，減少了水頭損失，故節省了曝氣設備的能量，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 安徽農業(yè)科學(xué)2011年連續工作合建式氧化溝的出現使氧化溝技術(shù)向前邁進(jìn)了一大步，與傳統的氧化溝技術(shù)相比，該工藝具有以下主要特點(diǎn):①工藝流程短，構筑物和設備少，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)際中的應用有一定的不穩定性，在運行和啟動(dòng)方面有不少問(wèn)題還需要解決。在國內，一體化氧化溝技術(shù)仍處于試驗和完善階段。

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，與水下推流相結合，使污泥與原水充分混合，避免了傳統機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微孔曝氣器通過(guò)鼓風(fēng)曝氣進(jìn)行供氧的，將充氧設備和水流推動(dòng)設備分開(kāi)設置 。

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(cháng)，從而大大提高了供氧能力和氧利用率，使曝氣能耗顯著(zhù)降低，與傳統氧化溝工藝相比，綜合能耗降低30% ，運行費用節約20%。該氧化溝在德國等歐美發(fā)達國家使用較多，國內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，負荷低，曝氣池的池容大，所需相關(guān)設備投資大，應用受到場(chǎng)地、設備等限制。

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，且呈現不均勻分布，這樣就產(chǎn)生的不同的能量分區，在低能量區就會(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(cháng)，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)，氧化溝的負荷低、泥齡長(cháng)，使氧化溝內活性污泥微生物大多處于內源呼吸狀態(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 氧化溝好氧區和缺氧區的設計還不完善

目前仍然根據經(jīng)驗計算法或動(dòng)力學(xué)計算法計算出所需好氧和缺氧區的總容積，然后根據曝氣設備的數量在單溝中均勻分布。這樣，在單溝循環(huán)中容易導致好氧區和缺氧區的分布不合理，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)和運行方式可知，正是由于氧化溝的封閉環(huán)流和曝氣設備分散布置的特點(diǎn)，使其具有獨特的應用優(yōu)勢和優(yōu)良穩定的運行效果，可有效地達到去除有機物、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行方式多種多樣、靈活多變，因而被廣泛應用于城市污水或工業(yè)廢水處理。針對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著(zhù)重于: ①制定氧化溝分區設計計算方法，建立合理分區優(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，完善運行效果和降低能耗; ④改進(jìn)溝渠型式，使運行工藝簡(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用。