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氧化溝工藝在污水處理中的應(yīng)用與發(fā)展
摘要： 本文主要闡述了Carrousel氧化溝的結(jié)構(gòu)、工藝機(jī)理、運(yùn)行過程中存在的問題和相應(yīng)的解決方法。最后，介紹了Carrousel氧化溝的最新的研究進(jìn)展并指出了未來的主要研究方向。
關(guān)鍵詞： Carrousel 氧化溝 除磷脫氮 結(jié)構(gòu) 機(jī)理
Application and Development of Carrousel Oxidation Ditch Process on Wastewater Treatment
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(xù)循環(huán)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(jì)50年代由荷蘭衛(wèi)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(zhì)好、運(yùn)行穩(wěn)定、管理方便等技術(shù)特點(diǎn)，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外廣泛的應(yīng)用于生活污水和工業(yè)污水的治理[1]。
目前應(yīng)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(jié)構(gòu)和運(yùn)行上存在差異，因此各具特點(diǎn)[2]。本文將主要介紹Carrousel氧化溝的結(jié)構(gòu)、機(jī)理、存在的問題及其最新發(fā)展。
2. Carrousel氧化溝的結(jié)構(gòu)
Carrousel氧化溝是1967年由荷蘭的DHV公司開發(fā)研制。在原Carrousel氧化溝的基礎(chǔ)上DHV公司和其在美國(guó)的專利特許公司EIMCO又發(fā)明了Carrousel 2000系統(tǒng)（見圖1），實(shí)現(xiàn)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(tǒng)正在運(yùn)行[3]。
由圖可見，Carrousel氧化溝使用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)的混合液在氧化溝閉合渠道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。因此氧化溝具有特殊的水力學(xué)流態(tài)，既有完全混合式反應(yīng)器的特點(diǎn)，又有推流式反應(yīng)器的特點(diǎn)，溝內(nèi)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(nèi)水深一般為2.5～4.5ｍ，寬深比為2:1，亦有水深達(dá)7m的，溝中水流平均速度為0.3m/s。氧化溝曝氣混合設(shè)備有表面曝氣機(jī)、曝氣轉(zhuǎn)刷或轉(zhuǎn)盤、射流曝氣器、導(dǎo)管式曝氣器和提升管式曝氣機(jī)等，近年來配合使用的還有水下推動(dòng)器[4~6]。
圖1 Carrousel 2000系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)圖
3. Carrousel氧化溝的機(jī)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(jìn)入氧化溝系統(tǒng)。表面曝氣機(jī)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(shí)，氨也被氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽，此時(shí)，混合液處于有氧狀態(tài)。在曝氣機(jī)下游，水流由曝氣區(qū)的湍流狀態(tài)變成之后的平流狀態(tài)，水流維持在最小流速，保證活性污泥處于懸浮狀態(tài)（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(tài)。經(jīng)過缺氧區(qū)的反硝化作用，混合液進(jìn)入有氧區(qū)，完成一次循環(huán)。該系統(tǒng)中，BOD降解是一個(gè)連續(xù)過程，硝化作用和反硝化作用發(fā)生在同一池中。由于結(jié)構(gòu)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(tǒng)在普通Carrousel氧化溝前增加了一個(gè)厭氧區(qū)和絕氧區(qū)（又稱前反硝化區(qū)）。全部回流污泥和10-30%的污水進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，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(chuàng)造絕氧條件。同時(shí)，厭氧區(qū)中的兼性細(xì)菌將可溶性BOD轉(zhuǎn)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(dǎo)致磷酸鹽的釋放。厭氧區(qū)出水進(jìn)入內(nèi)部安裝有攪拌器的絕氧區(qū)，所謂絕氧就是池內(nèi)混合液既無分子氧，也無化合物氧（硝酸根）， 在此絕氧環(huán)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(qū)后接普通Carrousel氧化溝系統(tǒng)，進(jìn)一步完成去除BOD、脫氮和除磷。最后，混合液在氧化溝富氧區(qū)排出，在富氧環(huán)境下聚磷菌過量吸磷，將磷從水中轉(zhuǎn)移到污泥中，隨剩余污泥排出系統(tǒng)。這樣，在Carrousel 2000系統(tǒng)內(nèi)，較好的同時(shí)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(zhǎng)沙市第二污水凈化中心[10]及漯河市污水處理廠的運(yùn)行效果可見：經(jīng)過Carrousel 2000系統(tǒng)處理后，BOD、COD、SS的去除率均達(dá)到了90%以上，TN的去除率達(dá)到了80%，TP的去除率也達(dá)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(zhì)濃度。研究表明，當(dāng)總污泥齡為8~10d時(shí)活性污泥中的最大磷含量為其干污泥量的4%，為異養(yǎng)菌體質(zhì)量的11%，但當(dāng)污泥齡超過15d時(shí)污泥中最大含磷量明顯下降，反而達(dá)不到最大除磷效果。因此，一味延長(zhǎng)污泥齡（例如20d、25d、30d）是沒有必要的，宜在8~15d范圍內(nèi)選用。同時(shí)，高硝酸鹽濃度和低基質(zhì)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(nèi)存在溶解氧濃度梯度即好氧區(qū)DO達(dá)到3~3.5mg/L，缺氧區(qū)DO達(dá)到0~0.5mg/L是發(fā)生硝化反應(yīng)及反硝化反應(yīng)的前提條件。同時(shí)，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(zhì)好、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、除磷脫氮效率高、污泥易穩(wěn)定、能耗省、便于自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。但是，在實(shí)際的運(yùn)行過程中，仍存在一系列的問題。
4.1 污泥膨脹問題
當(dāng)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(fù)荷過高，溶解氧濃度不足，排泥不暢等易引發(fā)絲狀菌性污泥膨脹；非絲狀菌性污泥膨脹主要發(fā)生在廢水水溫較低而污泥負(fù)荷較高時(shí)。微生物的負(fù)荷高，細(xì)菌吸取了大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，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(zhì)，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(duì)污泥膨脹的起因，可采取不同對(duì)策：由缺氧、水溫高造成的，可加大曝氣量或降低進(jìn)水量以減輕負(fù)荷，或適當(dāng)降低MLSS（控制污泥回流量），使需氧量減少；如污泥負(fù)荷過高，可提高M(jìn)LSS，以調(diào)整負(fù)荷，必要時(shí)可停止進(jìn)水，悶曝一段時(shí)間；可通過投加氮肥、磷肥，調(diào)整混合液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)平衡（BOD5：N：P=100：5：1）；pH值過低，可投加石灰調(diào)節(jié)；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(jié)合水性污泥膨脹[11]。
4.2 泡沫問題
由于進(jìn)水中帶有大量油脂，處理系統(tǒng)不能完全有效地將其除去，部分油脂富集于污泥中，經(jīng)轉(zhuǎn)刷充氧攪拌，產(chǎn)生大量泡沫；泥齡偏長(zhǎng)，污泥老化，也易產(chǎn)生泡沫。用表面噴淋水或除沫劑去除泡沫，常用除沫劑有機(jī)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(dāng)減小曝氣量，也能有效控制泡沫產(chǎn)生。當(dāng)廢水中含表面活性物質(zhì)較多時(shí)，易預(yù)先用泡沫分離法或其他方法去除。另外也可考慮增設(shè)一套除油裝置。但最重要的是要加強(qiáng)水源管理，減少含油過高廢水及其它有毒廢水的進(jìn)入[12]。
4.3 污泥上浮問題
當(dāng)廢水中含油量過大，整個(gè)系統(tǒng)泥質(zhì)變輕，在操作過程中不能很好控制其在二沉池的停留時(shí)間，易造成缺氧，產(chǎn)生腐化污泥上??；當(dāng)曝氣時(shí)間過長(zhǎng)，在池中發(fā)生高度硝化作用，使硝酸鹽濃度高，在二沉池易發(fā)生反硝化作用，產(chǎn)生氮?dú)?，使污泥上??；另外，廢水中含油量過大，污泥可能挾油上浮。
發(fā)生污泥上浮后應(yīng)暫停進(jìn)水，打碎或清除污泥，判明原因，調(diào)整操作。污泥沉降性差，可投加混凝劑或惰性物質(zhì)，改善沉淀性；如進(jìn)水負(fù)荷大應(yīng)減小進(jìn)水量或加大回流量；如污泥顆粒細(xì)小可降低曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速；如發(fā)現(xiàn)反硝化，應(yīng)減小曝氣量，增大回流或排泥量；如發(fā)現(xiàn)污泥腐化，應(yīng)加大曝氣量，清除積泥，并設(shè)法改善池內(nèi)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(dú)特的混合和處理效果，混合液必須以一定的流速在溝內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。一般認(rèn)為，最低流速應(yīng)為0.15m/s，不發(fā)生沉積的平均流速應(yīng)達(dá)到0.3~0.5m/s。氧化溝的曝氣設(shè)備一般為曝氣轉(zhuǎn)刷和曝氣轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)刷的浸沒深度為250~300mm，轉(zhuǎn)盤的浸沒深度為480~ 530mm。與氧化溝水深（3.0~3.6m）相比，轉(zhuǎn)刷只占了水深的1/10~1/12，轉(zhuǎn)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?。ㄌ貏e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(shí)積泥厚度達(dá)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(zhì)。
加裝上、下游導(dǎo)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(dǎo)流板安裝在距轉(zhuǎn)盤（轉(zhuǎn)刷）軸心4.0處（上游），導(dǎo)流板高度為水深的1/5~1/6，并垂直于水面安裝；下游導(dǎo)流板安裝在距轉(zhuǎn)盤（轉(zhuǎn)刷）軸心3.0m處。導(dǎo)流板的材料可以用金屬或玻璃鋼，但以玻璃鋼為佳。導(dǎo)流板與其他改善措施相比，不僅不會(huì)增加動(dòng)力消耗和運(yùn)轉(zhuǎn)成本，而且還能夠較大幅度地提高充氧能力和理論動(dòng)力效率[13]。
另外，通過在曝氣機(jī)上游設(shè)置水下推動(dòng)器也可以對(duì)曝氣轉(zhuǎn)刷底部低速區(qū)的混合液循環(huán)流動(dòng)起到積極推動(dòng)作用，從而解決氧化溝底部流速低、污泥沉積的問題。設(shè)置水下推動(dòng)器專門
用于推動(dòng)混合液可以使氧化溝的運(yùn)行方式更加靈活，這對(duì)于節(jié)約能源、提高效率具有十分重要的意義[14]。
5. Carrousel氧化溝的發(fā)展
由于污水處理標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)除磷脫氮的要求越來越嚴(yán)格，Carrousel氧化溝也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。目前，研究及應(yīng)用較多的包括以下兩種類型：微孔曝氣型Carrousel 2000系統(tǒng)、Carrousel 3000系統(tǒng)。
5.1 微孔曝氣型Carrousel 2000系統(tǒng)
微孔曝氣型Carrousel 2000系統(tǒng)采用微孔曝氣（供氧設(shè)備為鼓風(fēng)機(jī)），微孔曝氣器可產(chǎn)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(zhuǎn)移總量增大（如池深增加則其傳質(zhì)效率將更高）。根據(jù)目前鼓風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家的技術(shù)能力，池的有效水深最大可達(dá)8m，因此可根據(jù)不同的工藝要求選取合適的水深。傳統(tǒng)氧化溝的推流是利用轉(zhuǎn)刷、轉(zhuǎn)碟或倒傘型表曝機(jī)實(shí)現(xiàn)的，其設(shè)備利用率低、動(dòng)力消耗大。微孔曝氣型Carrousel 2000系統(tǒng)則采用了水下推流的方式，即把潛水推進(jìn)器葉輪產(chǎn)生的推動(dòng)力直接作用于水體，在起推流作用的同時(shí)又可有效防止污泥的沉降。因而，采用潛水推進(jìn)器既降低了動(dòng)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(tǒng)為環(huán)狀折流池型，兼有推流式和完全混合式的流態(tài)。就整個(gè)氧化溝來看，可認(rèn)為氧化溝是一個(gè)完全混合曝氣池，其濃度變化系數(shù)極小甚至可以忽略不計(jì)，進(jìn)水將迅速得到稀釋，因此它具有很強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。但對(duì)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(xiàn)缺氧區(qū)）。這種構(gòu)造方式使缺氧區(qū)和好氧區(qū)存在于一個(gè)構(gòu)筑物內(nèi)，充分利用了其水力特性，達(dá)到了高效生物脫氮的目的。
微孔曝氣型Carrousel 2000系統(tǒng)盡管具有充氧能力強(qiáng)、除磷脫氮效果好、占地面積少和能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它也存在微孔曝氣設(shè)備維修的問題。目前，國(guó)內(nèi)微孔曝氣器的使用壽命為4~5年，好的可達(dá)8~10年，但與進(jìn)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(shè)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(xiàn)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(huì)給生產(chǎn)和管理帶來極大的不便[15 16]。
5.2 Carrousel 3000系統(tǒng)
Carrousel 3000系統(tǒng)是在Carrousel 2000系統(tǒng)前再加上一個(gè)生物選擇區(qū)。該生物選擇區(qū)是利用高有機(jī)負(fù)荷篩選菌種，抑制絲狀菌的增長(zhǎng)，提高各污染物的去除率，其后的工藝原理同Carrousel 2000系統(tǒng)。
Carrousel 3000系統(tǒng)的較大提高表現(xiàn)在：一是增加了池深，可達(dá)7.5~8m，同心圓式，池壁共用，減少了占地面積，降低造價(jià)同時(shí)提高了耐低溫能力（可達(dá)7℃）；二是曝氣設(shè)備的巧妙設(shè)計(jì)，表曝機(jī)下安裝導(dǎo)流筒，抽吸缺氧的混合液，采用水下推進(jìn)器解決流速問題；三是使用了先進(jìn)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(shè)計(jì)，從中心開始，包括以下環(huán)狀連續(xù)工藝單元：進(jìn)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(gè)曝氣器和一個(gè)預(yù)反硝化池的Carrousel 2000系統(tǒng)（如圖2 所示）。五是圓形一體化的設(shè)計(jì)使得氧化溝不需額外的管線，即可實(shí)現(xiàn)回流污泥在不同工藝單元間的分配[17]。
6. 結(jié)論
Carrousel氧化溝由于具有良好的出磷脫氮能力、抗沖擊負(fù)荷能力和運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但由于科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，該工藝必將得到進(jìn)一步的提高。作者認(rèn)為：Carrousel氧化溝的未來研究方向?qū)⒅饕w現(xiàn)在以下幾方面。
1 結(jié)合生物膜法，研究和開發(fā)生物模型Carrousel氧化溝。這樣不僅可以提高單位反應(yīng)器的微生物總量，從而提高有機(jī)負(fù)荷，而且生物膜本身具有的內(nèi)置A/O系統(tǒng)強(qiáng)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(qiáng)菌膠團(tuán)的形成并提高耐毒性沖擊等。
3 提高Carrousel氧化溝設(shè)備性能和監(jiān)控技術(shù)。提高表曝機(jī)、水下推進(jìn)器的性能，減少維修工作量；利用DO、ORP等多目標(biāo)監(jiān)控技術(shù)及變頻技術(shù)是今后Carrousel氧化溝科學(xué)運(yùn)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(jià)。膜理論的應(yīng)用、深池水力條件和工藝性能的研究為降低工程造價(jià)、提高耐寒耐毒性能等提供了可能的方向。
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