氧化溝工藝在污水處理中的應用與發展

摘要： 本文主要闡述了carrousel氧化溝的結構、工藝機理、運行過程中存在的問題和相應的解決方法。最后，介紹了carrousel氧化溝的最新的研究進展并指出了未來的主要研究方向。
 
關鍵詞： carrousel 氧化溝 除磷脫氮 結構 機理

application and development of carrousel oxidation ditch process on wastewater treatment

zhao jin-ping

abstract: the structure and the techniques of carrousel oxidation ditch process on nitrogen and phosphor removal are introduced in this paper. the problems in running and their corresponding resolvent are also pointed. at last, the author showed the up to date research improvement and the mainly future research direction.

key words: carrousel; oxidation ditch; nitrogen and phosphor removal; structure；techniques

 

1. 前言

　　氧化溝（oxidation ditch）又名連續循環曝氣池（continuous loop reactor），是活性污泥法的一種變形。氧化溝污水處理工藝是在20世紀50年代由荷蘭衛生工程研究所研制成功的。自從1954年在荷蘭的首次投入使用以來。由于其出水水質好、運行穩定、管理方便等技術特點，已經在國內外廣泛的應用于生活污水和工業污水的治理^[1]。

　　目前應用較為廣泛的氧化溝類型包括：帕斯韋爾（pasveer）氧化溝、卡魯塞爾（carrousel）氧化溝 、奧爾伯（orbal）氧化溝、t型氧化溝（三溝式氧化溝）、de型氧化溝和一體化氧化溝。這些氧化溝由于在結構和運行上存在差異，因此各具特點^[2]。本文將主要介紹carrousel氧化溝的結構、機理、存在的問題及其最新發展。

2. carrousel氧化溝的結構

　　carrousel氧化溝是1967年由荷蘭的dhv公司開發研制。在原carrousel氧化溝的基礎上dhv公司和其在美國的專利特許公司eimco又發明了carrousel 2000系統（見圖1），實現了更高要求的生物脫氮和除磷功能。至今世界上已有850多座carrousel氧化溝和carrousel 2000系統正在運行^[3]。

　　由圖可見，carrousel氧化溝使用定向控制的曝氣和攪動裝置，向混合液傳遞水平速度，從而使被攪動的混合液在氧化溝閉合渠道內循環流動。因此氧化溝具有特殊的水力學流態，既有完全混合式反應器的特點，又有推流式反應器的特點，溝內存在明顯的溶解氧濃度梯度。氧化溝斷面為矩形或梯形，平面形狀多為橢圓形，溝內水深一般為2.5～4.5ｍ，寬深比為2:1，亦有水深達7m的，溝中水流平均速度為0.3m/s。氧化溝曝氣混合設備有表面曝氣機、曝氣轉刷或轉盤、射流曝氣器、導管式曝氣器和提升管式曝氣機等，近年來配合使用的還有水下推動器^[4~6]。

圖1 carrousel 2000系統平面結構圖

3. carrousel氧化溝的機理

3.1 carrousel氧化溝處理污水的原理

　　最初的普通carrousel氧化溝的工藝中污水直接與回流污泥一起進入氧化溝系統。表面曝氣機使混合液中溶解氧do的濃度增加到大約2～3mg/l。在這種充分摻氧的條件下，微生物得到足夠的溶解氧來去除bod；同時，氨也被氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽，此時，混合液處于有氧狀態。在曝氣機下游，水流由曝氣區的湍流狀態變成之后的平流狀態，水流維持在最小流速，保證活性污泥處于懸浮狀態（平均流速>0.3m/s）。微生物的氧化過程消耗了水中溶解氧，直到do值降為零，混合液呈缺氧狀態。經過缺氧區的反硝化作用，混合液進入有氧區，完成一次循環。該系統中，bod降解是一個連續過程，硝化作用和反硝化作用發生在同一池中。由于結構的限制，這種氧化溝雖然可以有效的去處bod，但除磷脫氮的能力有限^[7]。

　　為了取得更好的除磷脫氮的效果，carrousel 2000系統在普通carrousel氧化溝前增加了一個厭氧區和絕氧區（又稱前反硝化區）。全部回流污泥和10-30%的污水進入厭氧區，可將回流污泥中的殘留硝酸氮在缺氧和10-30%碳源條件下完成反硝化，為以后的絕氧池創造絕氧條件。同時，厭氧區中的兼性細菌將可溶性bod轉化成vfa，聚磷菌獲得vfa將其同化成phb，所需能量來源于聚磷的水解并導致磷酸鹽的釋放。厭氧區出水進入內部安裝有攪拌器的絕氧區，所謂絕氧就是池內混合液既無分子氧，也無化合物氧（硝酸根）， 在此絕氧環境下，70-90%的污水可提供足夠的碳源，使聚磷菌能充分釋磷。絕氧區后接普通carrousel氧化溝系統，進一步完成去除bod、脫氮和除磷。最后，混合液在氧化溝富氧區排出，在富氧環境下聚磷菌過量吸磷，將磷從水中轉移到污泥中，隨剩余污泥排出系統。這樣，在carrousel 2000系統內，較好的同時完成了去除bod、cod和脫氮除磷^[8]。

　　綜合采用該工藝的昆明第一污水廠^[9]、長沙市第二污水凈化中心^[10]及漯河市污水處理廠的運行效果可見：經過carrousel 2000系統處理后，bod、cod、ss的去除率均達到了90%以上，tn的去除率達到了80%，tp的去除率也達到了90%。

3.2 carrousel氧化溝除磷脫氮的影響因素

　　影響carrousel氧化溝除磷的因素主要是污泥齡、硝酸鹽濃度及基質濃度。研究表明，當總污泥齡為8~10d時活性污泥中的最大磷含量為其干污泥量的4%，為異養菌體質量的11%，但當污泥齡超過15d時污泥中最大含磷量明顯下降，反而達不到最大除磷效果。因此，一味延長污泥齡（例如20d、25d、30d）是沒有必要的，宜在8~15d范圍內選用。同時，高硝酸鹽濃度和低基質濃度不利于除磷過程。

　　影響carrousel氧化溝脫氮的主要因素是do、硝酸鹽濃度及碳源濃度。研究表明，氧化溝內存在溶解氧濃度梯度即好氧區do達到3~3.5mg/l，缺氧區do達到0~0.5mg/l是發生硝化反應及反硝化反應的前提條件。同時，充足的碳源及較高的c/n比有利于脫氮的完成^[7]。

4. carrousel氧化溝存在的問題及解決方法

　　盡管carrousel氧化溝具有出水水質好、抗沖擊負荷能力強、除磷脫氮效率高、污泥易穩定、能耗省、便于自動化控制等優點。但是，在實際的運行過程中，仍存在一系列的問題。

4.1 污泥膨脹問題

　　當廢水中的碳水化合物較多，n、p含量不平衡，ph值偏低，氧化溝中污泥負荷過高，溶解氧濃度不足，排泥不暢等易引發絲狀菌性污泥膨脹；非絲狀菌性污泥膨脹主要發生在廢水水溫較低而污泥負荷較高時。微生物的負荷高，細菌吸取了大量營養物質，由于溫度低，代謝速度較慢，積貯起大量高粘性的多糖類物質，使活性污泥的表面附著水大大增加，svi值很高，形成污泥膨脹。

　　針對污泥膨脹的起因，可采取不同對策：由缺氧、水溫高造成的，可加大曝氣量或降低進水量以減輕負荷，或適當降低mlss（控制污泥回流量），使需氧量減少；如污泥負荷過高，可提高mlss，以調整負荷，必要時可停止進水，悶曝一段時間；可通過投加氮肥、磷肥，調整混合液中的營養物質平衡（bod₅：n：p=100：5：1）；ph值過低，可投加石灰調節；漂白粉和液氯（按干污泥的0.3%~0.6%投加），能抑制絲狀菌繁殖，控制結合水性污泥膨脹^[11]。

4.2 泡沫問題

　　由于進水中帶有大量油脂，處理系統不能完全有效地將其除去，部分油脂富集于污泥中，經轉刷充氧攪拌，產生大量泡沫；泥齡偏長，污泥老化，也易產生泡沫。用表面噴淋水或除沫劑去除泡沫，常用除沫劑有機油、煤油、硅油，投量為0.5~1.5mg/l。通過增加曝氣池污泥濃度或適當減小曝氣量，也能有效控制泡沫產生。當廢水中含表面活性物質較多時，易預先用泡沫分離法或其他方法去除。另外也可考慮增設一套除油裝置。但最重要的是要加強水源管理，減少含油過高廢水及其它有毒廢水的進入^[12]。

4.3 污泥上浮問題

　　當廢水中含油量過大，整個系統泥質變輕，在操作過程中不能很好控制其在二沉池的停留時間，易造成缺氧，產生腐化污泥上浮；當曝氣時間過長，在池中發生高度硝化作用，使硝酸鹽濃度高，在二沉池易發生反硝化作用，產生氮氣，使污泥上浮；另外，廢水中含油量過大，污泥可能挾油上浮。

　　發生污泥上浮后應暫停進水，打碎或清除污泥，判明原因，調整操作。污泥沉降性差，可投加混凝劑或惰性物質，改善沉淀性；如進水負荷大應減小進水量或加大回流量；如污泥顆粒細小可降低曝氣機轉速；如發現反硝化，應減小曝氣量，增大回流或排泥量；如發現污泥腐化，應加大曝氣量，清除積泥，并設法改善池內水力條件^[12]。

4.4 流速不均及污泥沉積問題

　　在carrousel氧化溝中，為了獲得其獨特的混合和處理效果，混合液必須以一定的流速在溝內循環流動。一般認為，最低流速應為0.15m/s，不發生沉積的平均流速應達到0.3~0.5m/s。氧化溝的曝氣設備一般為曝氣轉刷和曝氣轉盤，轉刷的浸沒深度為250~300mm，轉盤的浸沒深度為480~ 530mm。與氧化溝水深（3.0~3.6m）相比，轉刷只占了水深的1/10~1/12，轉盤也只占了1/6~1/7，因此造成氧化溝上部流速較大（約為0.8~1.2m，甚至更大），而底部流速很小（特別是在水深的2/3或3/4以下，混合液幾乎沒有流速），致使溝底大量積泥（有時積泥厚度達1.0m），大大減少了氧化溝的有效容積，降低了處理效果，影響了出水水質。

　　加裝上、下游導流板是改善流速分布、提高充氧能力的有效方法和最方便的措施。上游導流板安裝在距轉盤（轉刷）軸心4.0處（上游），導流板高度為水深的1/5~1/6，并垂直于水面安裝；下游導流板安裝在距轉盤（轉刷）軸心3.0m處。導流板的材料可以用金屬或玻璃鋼，但以玻璃鋼為佳。導流板與其他改善措施相比，不僅不會增加動力消耗和運轉成本，而且還能夠較大幅度地提高充氧能力和理論動力效率^[13]。

　　另外，通過在曝氣機上游設置水下推動器也可以對曝氣轉刷底部低速區的混合液循環流動起到積極推動作用，從而解決氧化溝底部流速低、污泥沉積的問題。設置水下推動器專門用于推動混合液可以使氧化溝的運行方式更加靈活，這對于節約能源、提高效率具有十分重要的意義^[14]。

5. carrousel氧化溝的發展

　　由于污水處理標準中對除磷脫氮的要求越來越嚴格，carrousel氧化溝也得到了進一步的發展。目前，研究及應用較多的包括以下兩種類型：微孔曝氣型carrousel 2000系統、carrousel 3000系統。

5.1 微孔曝氣型carrousel 2000系統

　　微孔曝氣型carrousel 2000系統采用微孔曝氣（供氧設備為鼓風機），微孔曝氣器可產生大量直徑為1mm左右的微小氣泡，這大大提高了氣泡的表面積，使得在池容積一定的情況下氧轉移總量增大（如池深增加則其傳質效率將更高）。根據目前鼓風機生產廠家的技術能力，池的有效水深最大可達8m，因此可根據不同的工藝要求選取合適的水深。傳統氧化溝的推流是利用轉刷、轉碟或倒傘型表曝機實現的，其設備利用率低、動力消耗大。微孔曝氣型carrousel 2000系統則采用了水下推流的方式，即把潛水推進器葉輪產生的推動力直接作用于水體，在起推流作用的同時又可有效防止污泥的沉降。因而，采用潛水推進器既降低了動力消耗，又使泥水得到了充分地混合。

　　從水力特性來看，微孔曝氣型carrousel 2000系統為環狀折流池型，兼有推流式和完全混合式的流態。就整個氧化溝來看，可認為氧化溝是一個完全混合曝氣池，其濃度變化系數極小甚至可以忽略不計，進水將迅速得到稀釋，因此它具有很強的抗沖擊負荷能力。但對于氧化溝中的某一段則具有某些推流式的特征，即在曝氣器下游附近地段do濃度較高，但隨著與曝氣器距離的不斷增加則do濃度不斷降低（出現缺氧區）。這種構造方式使缺氧區和好氧區存在于一個構筑物內，充分利用了其水力特性，達到了高效生物脫氮的目的。

　　微孔曝氣型carrousel 2000系統盡管具有充氧能力強、除磷脫氮效果好、占地面積少和能耗低等優點，但同時它也存在微孔曝氣設備維修的問題。目前，國內微孔曝氣器的使用壽命為4~5年，好的可達8~10年，但與進口微孔曝氣器相比還有一定的差距。曝氣器的維修不像表曝設備那樣方便，它需要干池才能檢修，也就是說一旦微孔曝氣器出現問題需采用平行兩組或三組來解決問題，或者采用提升裝置等來解決，這也將會給生產和管理帶來極大的不便^{[15 16]}。

5.2 carrousel 3000系統

　　carrousel 3000系統是在carrousel 2000系統前再加上一個生物選擇區。該生物選擇區是利用高有機負荷篩選菌種，抑制絲狀菌的增長，提高各污染物的去除率，其后的工藝原理同carrousel 2000系統。

　　carrousel 3000系統的較大提高表現在：一是增加了池深，可達7.5~8m，同心圓式，池壁共用，減少了占地面積，降低造價同時提高了耐低溫能力（可達7℃）；二是曝氣設備的巧妙設計，表曝機下安裝導流筒，抽吸缺氧的混合液，采用水下推進器解決流速問題；三是使用了先進的曝氣控制器qute（它采用一種多變量控制模式）。四是采用一體化設計，從中心開始，包括以下環狀連續工藝單元：進水井和用于回流活性污泥的分水器；分別由四部分組成的選擇池和厭氧池。這之外是有三個曝氣器和一個預反硝化池的carrousel 2000系統（如圖2 所示）。五是圓形一體化的設計使得氧化溝不需額外的管線，即可實現回流污泥在不同工藝單元間的分配^[17]。

6. 結論

　　carrousel氧化溝由于具有良好的出磷脫氮能力、抗沖擊負荷能力和運行管理方便等優點，已經得到了廣泛的應用。但由于科技的發展和社會的進步，該工藝必將得到進一步的提高。作者認為：carrousel氧化溝的未來研究方向將主要體現在以下幾方面。

1 結合生物膜法，研究和開發生物模型carrousel氧化溝。這樣不僅可以提高單位反應器的微生物總量，從而提高有機負荷，而且生物膜本身具有的內置a/o系統強化了脫氮效果^[18]。

2 不斷提高carrousel氧化溝中微生物的活性。例如在氧化溝中投加em專一菌種、投入鐵鹽使微生物馴化成生物鐵、投入活性炭增強菌膠團的形成并提高耐毒性沖擊等。

3 提高carrousel氧化溝設備性能和監控技術。提高表曝機、水下推進器的性能，減少維修工作量；利用do、orp等多目標監控技術及變頻技術是今后carrousel氧化溝科學運行的必由之路。

4 提高carrousel氧化溝的耐寒、耐毒性能，減少占地面積和工程造價。膜理論的應用、深池水力條件和工藝性能的研究為降低工程造價、提高耐寒耐毒性能等提供了可能的方向。

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