工程中常用的几种氧化沟及其发展
摘要: 简要介绍了当今工程中常用的几种氧化沟技术的特点及其发展历程, 主要包括Carrousel 氧化沟、Orbal 氧化沟、交替式氧化沟以及一体化氧化沟。
关键词: 氧化沟; 污水处理; 脱氮除磷
氧化沟( Oxidation Ditch ,OD) 污水处理工艺于20 世纪50 年代初期发展形成, 属于延时曝气活性污泥法。20 世纪60 年代以来, 氧化沟技术在欧洲、北美、南非、大洋洲等地得到了迅速的推广和应用。据统计, 丹麦已兴建了300 多座氧化沟污水处理厂, 占其污水处理厂的40%, 美国有500 多座氧化沟污水处理厂。我国自20 世纪80 年代以来从丹麦、美国等国家引进氧化沟技术, 建成了大约40 多座不同种类的氧化沟污水处理厂, 设计水量最大的达到30 万t/d,最小的有72 t/d。氧化沟技术的发展不仅体现在数量增加上, 也体现在处理规模和处理对象的不断扩大上。氧化沟的处理能力为500 万人口当量至1000 万人口当量, 既能用于生活污水的处理, 也能用于工业废水和城市污水的处理。经过几十年的实践和发展, 氧化沟技术被认为是出水水质好、运行稳定、基建投资费用和运转费用低的污水生物处理方法。根据其构造和运行特征, 并根据不同的发明者和专利情况氧化沟可分为不同的类型, 下面介绍几种工程中常用的具有代表性的氧化沟。
1 Carrousel 氧化沟
1.1 Carrousel 氧化沟的特征
Carrousel 氧化沟是一种单沟式环形氧化沟, 水深5 m 以上, 水与污泥混合后在沟渠内作不停地循环流动。每组沟渠的同一端安装一个垂直表面曝气机, 该曝气机兼有供氧和推流搅拌作用。Carrousel 氧化沟独特的池型与相应的曝气设备布局使之形成了靠近曝气机下游的富氧区和曝气机上游以及外环的缺氧区, 这不仅有利于生物凝聚, 还使活性污泥易于沉淀。由于曝气机周围的局部地区能量强度比传统活性污泥曝气池中的能量强度高很多, 使得氧的转移效率大大提高, 平均传氧效率达到至少2.1 kg/( kW·h) 。因此,Carrousel 氧化沟具有极强的混合搅拌耐冲击能力。当有机负荷较低时, 可以停止某些曝气器的运行, 在保证水流搅拌混合循环流动的前提下, 节约能量消耗。和其他氧化沟工艺相比,Carrousel 氧化沟占地面积少, 土建费用低, 节能效果显著, 管理维护简单。其BOD 去除率高达95%～99%, 脱氮率可达90%以上, 除磷率在50%左右, 如配以投加混凝剂, 除磷效果可达95%。所以, 在所有的氧化沟处理工艺中它的应用最广泛。
1.2 Carrousel 氧化沟的发展
从1968 年第一座Carrousel 氧化沟到今天的带厌氧区的Carrousel氧化沟系统, Carrousel 氧化沟发生了巨大的变化。其发展历程可分为三代: 第一代普通Carrousel 氧化沟以去除BOD 为主要目的, 系统内具备模糊的A/O 系统, 硝化作用和反硝化作用发生在同一池中, 具有一定的脱氮除磷效果。第二代Carrousel2000 氧化沟系统强化了普通Carrousel 氧化沟系统的脱氮除磷功能, 此系统在普通Carrousel 氧化沟前增加一个厌氧池和一个缺氧池, 以便有利于脱氮除磷。第三代Carrousel3000 氧化沟是在Carrousel2000 氧化沟系统前再加一个生物选择区。该生物选择区是利用高有机负荷筛选菌种, 抑制丝状细菌的增长, 提高各污染物的去除率。其后的工艺原理与Carrousel2000 氧化沟系统相同。
2 Orbal 氧化沟
起源于南非、发展于美国的Orbal 氧化沟是具有脱氮除磷的新工艺之一, 因其在技术、经济上具有独特优势而受到国内外污水处理界的重视。Orbal 氧化沟是一种多渠道氧化沟系统, 一般由3 条同心圆形成或椭圆形渠道组成, 各渠道之间相通。进水先引入最外侧的渠道, 在其中不断循环流动的同时, 依次进入下一个渠道, 相当于一系列完全混合反应池串联在一起, 最后从中心渠道排出。渠内设导向阀, 使进水位于出水口的下游, 以避免污水的短流。曝气设备多采用曝气转盘, 转盘的数量取决于渠内所需的溶解氧量, 水深一般3.5 m～4.5 m, 并保持沟底流速为0.3 m/s ～0.9 m/s。在3 条渠道系统中, 从外到内, 第一渠道的容积约为总容积的60%～70%, 第二渠约为总容积的20%～30%, 第三渠则仅占总容积的10%。在运行时应保持第一、二及三渠的溶解氧分别为0 mg/L,1 mg/L,2 mg/L,即所谓三沟DO 的0- 1- 2 梯度分布。第一渠中氧的吸收率很高, 通常高于供氧速率, 供给的大部分溶解氧立即被消耗掉; 在第二、三渠道中, 氧的吸收率低, 尽管反应池中的供氧量比较低, 溶解氧的量却可以保持较高水平。这种供氧方式有以下几个优点: 一是第一渠的供氧既能满足降解BOD 需要, 又能维持渠内的溶解氧为零, 这样既能节约能耗, 又能满足反硝化条件; 二是在第一渠缺氧的条件下, 微生物可进行磷的释放, 以使它们在好氧环境下吸收废水中磷, 达到除磷效果; 三是在3 条沟渠中形成较大的溶解氧梯度, 有利于提高充氧效率。
随着Orbal 氧化沟工艺优越性的展现, 采用此工艺的污水处理厂日益增多。我国20 世纪80 年代就引进了此项技术, 但真正引起重视却是在最近几年。由于对Orbal 氧化沟系统的研究还不够成熟, 故引进国外的技术设备多, 自己的东西少, 缺乏系统的研究与总结, 也缺乏实际操作、运行、控制经验。我们应对该工艺进行更进一步的实际应用考察和性能研究, 为今后的工程设计和运行管理提供参考依据和技术指导, 使其适合国内需要且能最大限度地发挥功效。
3 交替式氧化沟
交替式氧化沟是由丹麦Kruger 公司创建, 有二池交替( D 型) 和三池交替( T 型) 运行的氧化沟。它们可以在不设二沉池的条件下连续运行,沟深可以在2 m～3.5 m 之间调整。D 型氧化沟由容积相同的A,B 两池组成, 串联运动, 交替地作为曝气池和沉淀池, 一般以8 h 为一个运动周期。
该系统可得到十分优良的出水和稳定的污泥, 同样不需设污泥回流装置, 缺点是曝气转刷的利用率仅为37.5%。为了克服D 型系统的缺点,Kruger 公司又开发了T 型氧化沟, 从而将设备利用率提高到58%, 而后发展的动态顺序沉淀( DSS) 氧化沟的设备利用率为70%。
D 型交替式氧化沟以去除BOD 为主, 若要同时脱氮除磷, 就需在氧化沟前后分别增设厌氧池和沉淀池。而三沟式氧化沟脱氮除磷可在同一反应器中完成。总之, 这种交替式运行工艺提高了处理效率, 同时脱氮除磷效果显著。但其容积利用率比较低, 使其占地面积远远大于其他氧化沟工艺, 因此在选择工艺时, 应慎重考虑, 权衡利弊。
4 一体化氧化沟
一体化氧化沟( Integrated Oxidation Ditch) 又称合建式氧化沟。广义地说, 一体化氧化沟就是不单独设二沉池及污泥回流装置的氧化沟。这一意义上的氧化沟包括早期间歇运行的Pasveer 氧化沟和20 世纪70 年代在丹麦发展起来的交替式氧化沟。狭义的氧化沟是指充分利用氧化沟的较大容积与水面, 在不影响氧化沟正常运行的情况下, 通过改进氧化沟部分区域的结构或在沟内设置一定的装置, 使泥水分离过程在沟内完成的氧化沟。这一概念在20 世纪80 年代初由美国最先提出, 并将此类型氧化沟统称为ICC( Interchannel Clarifier) 型氧化沟, 到目前为止, 美国已建有近百座这一类型的一体化氧化沟。
与其他氧化沟相比, 一体化氧化沟处理效果不是很好, 主要原因是:其一, 由于固液分离器和氧化沟渠的一体化设计, 使出水易受水质、水量波动的影响, 影响出水效果; 其二, 对固液分离器的设计和安装要求较高, 但工程上往往达不到要求。但一体化氧化沟也有显著优点: 由于省去了二沉池, 占地面积小, 污泥自动回流, 管理更方便, 能耗少, 投资成本和运行费用较低。所以, 该工艺特别适合在小城市和小城镇的污水处理、旅游景点的生活污水处理及类似情况下推广。
5 各种类型氧化沟的发展方向
( 1) 发展生物除磷脱氮技术。至今氧化沟系统多为活性污泥法,可以借鉴生物膜理论,提高单位反应器的微生物总量,从而提高有机负荷,但需着重解决水力设计问题。
( 2) 提高氧化沟中微生物的活性。在氧化沟中投加专一菌种、投入铁盐, 使微生物驯化成生物铁,投入活性炭增强菌胶团的形成并提高耐毒性冲击等都是氧化沟技术的研究方向。
( 3) 提高氧化沟设备性能和监控技术, 使氧化沟系统进一步节能。提高表面曝气机、水下推进器的性能,减少维修工作量。利用DO, ORP 等多目标监控技术及变频技术是今后氧化沟科学运行的必由之路。
( 4) 提高氧化沟的耐寒、耐毒性能,减少占地面积和工程造价。
6 结语
作为一种成熟的生物处理方法, 氧化沟具有处理效果好、能耗低、基建投资省、运行管理简单、污泥生成量少、耐冲击负荷等优点。在进行实际设计时应充分分析该技术在不同工程中的应用状况, 吸收消化国内工程设计的成功经验, 结合各地的水量、水质特征及经济发展水平, 综合确定氧化沟类型和具体的设计参数。
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