氧化沟-工艺详解

氧化沟工艺历史与现状氧化沟(OxidationDitch)是本世纪50年代由荷兰工程师发明的一种新型活性污泥法，属于延时曝气活性污泥法的变种。自1954年荷兰建成第一座间歇运行的氧化沟以来，氧化沟在欧洲、北美、南非及澳大利亚得到了迅速的推广应用，其工艺和构造也有了很大的发展和进步，处理能力不断地提高，已经建成规模为650,000m3/d的大型的以氧化沟为主要工艺的污水处理厂；同时处理范围不断地扩大，不仅能处理生活污水，也能处理工业废水，而且在脱氮除磷方面表现了极好的性能。历史与现状我国近10年来在研究和推广应用氧化沟技术方面也有了很迅速的发展。据不完全统计，目前已有10余座大型氧化沟污水厂在运行中，其中邯郸市东污水厂处理能力(第一期)为66,000m3/d；昆明市第一污水厂处理能力为55,000m3/d；桂林市东区污水厂处理能力为40,000m3/d；金山水质净化总厂的三槽式氧化沟处理能力已经达到138,800m3/d；另外，有一些小型氧化沟，处理能力为200~1000m3/d不等，主要用于小区及工业废水的处理。最初的氧化沟主要用于去除水中的BOD和COD，以满足污水的排放标准。随着水体富营养化问题的出现，许多国家都开始控制进入水体中的氮和磷的排放量，并制定了较为严格的污水处理厂出水中氮和磷的排放标准。一些不仅能去除污水中的BOD和COD，而且兼具有生物脱氮除磷功能的氧化沟应运而生，这就是第二代氧化沟。氧化沟工艺的演变图三沟式单沟式双沟式AE型DE型(BioDNP)DE型(BioDN)出水堰厌氧池沉淀池氧化沟转刷图例工作特性分析根据A/O和A2/O生物脱氮除磷的工艺原理，人们发现改变氧化沟的构造和操作方式就可以在其中形成与A/O和A2/O工艺类似的环境，从而使其实现脱氮除磷的目的。这是因为氧化沟具有其特殊的水流混合特性，它界于推流式和完全混合式之间，或者说基本上是完全混合式，同时又具有推流式的某些特征。如果着眼于整体，可以认为氧化沟是一个完全混合池，其中的污水水质几近一致，它因此可以处理高浓度有机废水，能够承受水量和水质的冲击负荷。如果着眼于氧化沟中的某一段，就可以发现某些推流式的特征。这种水流搅动情况和溶解氧浓度沿池长变化的特征，十分有利于活性污泥的生物凝聚作用，且可以利用来进行硝化、反硝化作用以及吸磷、释磷作用，以达到生物脱氮除磷的效果。工艺特点生产实践和试验研究表明，氧化沟污水处理技术的主要优点是：处理流程简单，构筑物少，一般情况下可不建初沉池和污泥消化池，某些条件下还可以不建二沉池和污泥回流系统，因此基建费用较省；处理效果好且稳定可靠，出水水质不仅可满足BOD5和SS的排放标准，且可实现脱氮、除磷等深度处理的要求；工艺特点采用的机械设备少，运行管理十分方便，不要求具有高技术水平的管理人员；对高浓度工业废水有很大的稀释能力，能承受水量、水质的冲击负荷，消除其对活性污泥细菌的抑制作用，而且对其中含有的不易降解的有机物也有较好的处理效果；氧化沟污泥生成量少，且已在氧化沟中得到好氧稳定，不需要设污泥消化池，因而使得污泥后处理大大简化，节省运行费用，且便于管理；当需要进行脱氮除磷处理时，氧化沟的能耗和运行费用较传统的处理流程低。氧化沟技术由于具有以上的潜质和灵活机动性，因而越来越受到各国环保专家和环保工作者的重视，不仅在欧洲得到了相当程度的普及，也受到了美国等国家的欢迎。美国环保局(EPA)曾对氧化沟系统及其它生物处理系统的基建费用和运行费用进行了比较，其报告结论是：“氧化沟能够通过最低限度的操作，稳定地达到BOD5和TSS去除率的要求。同时，成本数据……表明，在379m3/d~3,7850m3/d的流量范围内，氧化沟比其他技术更经济有效。”氧化沟的形式氧化沟根据其构造和运行特征，并根据不同的发明者和专利情况可分为不同的类型。以下介绍几种常用的典型的氧化沟系统。Carrousel氧化沟Carrousel氧化沟Carrousel氧化沟是60年代末由荷兰DHV公司研制成功的，当时开发这一工艺的主要目的是寻求一种渠道更深、效率更高和机械性能更好的系统设备，来改善和弥补当时流行的转刷式氧化沟的技术弱点。其构造如图所示。卡鲁塞尔氧化沟图1一出水堰：2一曝气器技术特征由图可知，这是一个多沟串联的系统，进水与活性污泥混合后沿箭头方向在沟内作不停的循环流动。Carrousel氧化沟采用垂直安装的低速表面曝气器，每组沟渠安装一个，均安装在同一端，因此形成了靠近曝气器下游的富氧区和曝气器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。其BOD5去除率可达95%—99%，脱氮效率约为90%，除磷效率约为50%。Carousel氧化沟的表面曝气机单机功率大，其水深可达5m以上，使氧化沟占地面积减少，土建费用降低。由于曝气机周围的局部区域能量强度比传统活性污泥曝气池中的强度高得多，使得氧的转移效率大大提高，平均传氧效率达到至少2.1kg/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。Carrousel氧化沟的发展为了满足越来越严格的水质排放标准，Carrousel氧化沟在原有的基础上开发出了许多新的设计，实现了新的功能。这些新的Carrousel氧化沟在提高处理效率、降低运行能耗、改进活性污泥性能和生物脱氮除磷方面成为新沟型。主要包括:单级标准Carrousel工艺和变形；CarrouselDN/Carrousel2000工艺；新型的四段、五段Carrousel/BardenPho工艺系统。Carrousel氧化沟的发展Carrousel2000是一种反硝化脱氮工艺，其突出的优点是可实现硝化液的高回流比，达到较高程度的脱氮率，同时无需任何回流提升动力。卡鲁塞尔BarDNP系统是在Carrousel2000下游增设了第二缺氧池及再曝气池，达到了更高程度的脱氮。Carrousel氧化沟的发展目前，一种最新型的Carrousel氧化沟系统诞生在荷兰的Dukh城西部的LeidscheRijn，其主要特点是比普通Carrousel氧化沟深，达到7.5m，独特的圆形缠绕式设计降低了建设成本和减少了污水厂土地占用。但随着对环境要求严格，去除污染物目标的增加，氧化沟工艺流程也变得越来越复杂，增加了应用的局限性。工程实例－昆明第一污水处理厂昆明第一污水处理厂采用了Carrousel/BarDNP氧化沟，其主要设计指标如表所示。设计运行参数为：混合液浓度：4g/L污泥负荷：0.05kgBOD5/kgMLSSd污泥产率：0.65kgMLSS/kgBOD5回流污泥浓度：8g/L污泥回流比：100%污泥龄：＞30d流速：0.3m/s项目BOD5(mg/L)COD(mg/L)SS(mg/L)TN(mg/L)TP(mg/L)进水18036020030－出水153010100.5~1昆明第一污水处理厂该厂于1991年投产以来，大部分出水指标均能达到设计要求，且磷的去除效果十分理想，出水TP能维持在0.5mg/L以下，去除率稳定在90%左右。效果较差、且不稳定的是TN指标。运行中主要存在的问题是氧化沟流速不够，推动力不能满足需要，使得氧化沟中存在污泥沉淀现象，有时甚至比较严重。再则是氧化沟中供氧不足，这是造成NH4+-N硝化不好、总氮去除效果差的主要原因。交替式氧化沟交替式氧化沟是由丹麦Krϋger公司创建的，有二池和三池交替工作的两种情况。二池交替工作的氧化沟又可分为V—R型、D型，如图所示。交替工作的氧化沟(V-R型)图1－沉砂池；2－曝气转刷；3－出水堰；4－排泥管；5－污泥井；6－氧化沟二池交替工作的氧化沟(D型)图1－沉砂池；2－曝气转刷：3一出水堰4一排泥管；5一污泥井V—R型氧化沟是将曝气沟渠分为A、B两部分，其间有单向活扳门相连。利用定时改变曝气转刷的旋转方向，以改变沟渠中的水流方向，使A和B两部分交替地作为曝气区和沉淀区，因此不需另设二沉池。当沉淀区改变为曝气区运行时，己沉淀的污泥会自动与水相混合，因此不需设置污泥回流装置。这种系统简化了流程，节省了基建费用和运行费用，管理也很方便。D型氧化沟由容积相同的A、B两池组成。串联运行，交替地作为曝气池和沉淀池，一般以8小时为一个运行周期。该系统可得十分优质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，Krϋger公司又开发了三沟式(T型)氧化沟，从而将设备利用率提高到了58%，而后发展的动态顺序沉淀(DSS)氧化沟的设备利用率为70%。三池交替工作氧化沟系统(T型)图1－沉砂池：2－曝气转刷：3－出水溢流堰：4－排泥井：5－污泥井交替式氧化沟主要是为了去除BOD5。如果要同时除磷脱氮，对于双沟式氧化沟就需在氧化沟前后分别增设厌氧池和沉淀池(DE型)。三沟式氧化沟除磷脱氮可在同一反应器中完成。值得一提的是，这些简单的氧化沟系统没有单独设置反硝化区，但由于运行过程中设置了停曝期来进行反硝化，从而获得较高的氮去除率。除磷脱氮双沟式氧化沟技术原理双沟式氧化沟的生物脱氮功能是通过特殊的运行方式，创造一定的条件，使硝化和反硝化在沟中交替发生而完成的。生物脱氮氧化沟工艺原理图(交替式氧化沟生物除磷脱氮工作状态)N－好氧状态：DN－脱氮处理：AN－厌氧预处理：S－沉淀：A、B、C、D－运行状态双沟式氧化沟工艺就是根据以上原理，利用逻辑程控系统使污水交替进入氧化沟，并利用双速转刷来控制溶解氧的浓度，以达到在沟中交替进行硝化及反硝化作用，从而达到脱氮的目的。双沟式氧化沟工艺通过在氧化沟前加厌氧池，达到除磷的目的。工程实例－东莞市塘厦镇水质净化厂东莞市塘厦镇水质净化厂是我国最早应用“除磷脱氮双沟式氧化沟技术”的污水处理厂。设计规模为3×104m3/d，一期工程为1.5×104m3/d。该厂于1996年4月通过验收，稳定运行至今。其主要工艺流程如图所示。东莞市塘厦镇水质净化厂处理流程图沟1及沟2硝化及反硝化交替进行，一个周期循环时间240min。硝化阶段按溶解氧的要求来控制转刷的开启(溶解氧设计值3mg/L)。反硝化阶段双速转刷(慢速)以停35min、开5min的程序交替进行。主要技术参数pH值：6.5~7.5碳氮比值：BOD:TN＞4.8碳磷比值：BOD:TP＞30BOD负荷：0.05~0.15kgBOD5/kgMLSSd污泥龄：15~20d混合液浓度：4000~5000mg/L溶解氧：厌氧段DO0.2mg/L，缺氧段DO=0.5~0.8mg/L，好氧段DO=2~3mg/L关键设备：转刷为Krϋger公司专利产品，氧的利用率高，并可按硝化和反硝化过程而改变转刷的速度，控制沟中溶解氧以达到降低能耗的目的。PLC逻辑程控系统，可靠性高，实现工艺控制参数简单灵活，修改行程指令、与其他装置联接方便。三沟式氧化沟技术特征该系统由三个相同的氧化沟组建在一起作为一个单元运行，三个氧化沟之间相互双双连通。在运行时，两侧的A、C两池交替地用作曝气池和沉淀池。中间的B池一直维持曝气，进水交替地引入A池或C池，出水相应地从C池或A池引出。这样做提高了曝气转刷的利用率，还有利于生物除磷。进水的分配和出水调节堰完全靠自控装置控制。三沟式氧化沟的脱氮是通过双速电机来实现的，曝气转刷能起到混合器和曝气器的双重功能。三沟式氧化沟的技术原理三池交替工作式氧化沟的运行过程可分为6个阶段，如图所示。整个工作周期为8小时，上述各工作阶段的时间，应根据水质情况进行调整。显然，三沟式氧化沟是A-O(兼氧/好氧)活性污泥系统，可以完成有机物的降解和硝化反硝化过程，取得良好的BOD5去除效果和脱氮效果。依靠三池工作状态的转换，可以免除污泥回流和混合液回流，运用费用可大大节省。工程实例－邯郸市东污水处理厂邯郸市东污水处理厂是我国利用丹麦政府赠款引进丹麦Krϋger公司三沟式氧化沟技术修建的，也是我国的第一座三沟式氧化沟污水处理厂。该厂占地5万m2，总设计规模为10万m3/d，其中