工程中常用的幾種氧化溝及其發(fā)展
摘要: 簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)今工程中常用的幾種氧化溝技術(shù)的特點(diǎn)及其發(fā)展歷程, 主要包括Carrousel 氧化溝、Orbal 氧化溝、交替式氧化溝以及一體化氧化溝。
關(guān)鍵詞: 氧化溝; 污水處理; 脫氮除磷
氧化溝( Oxidation Ditch ,OD) 污水處理工藝于20 世紀(jì)50 年代初期發(fā)展形成, 屬于延時(shí)曝氣活性污泥法。20 世紀(jì)60 年代以來(lái), 氧化溝技術(shù)在歐洲、北美、南非、大洋洲等地得到了迅速的推廣和應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì), 丹麥已興建了300 多座氧化溝污水處理廠, 占其污水處理廠的40%, 美國(guó)有500 多座氧化溝污水處理廠。我國(guó)自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)從丹麥、美國(guó)等國(guó)家引進(jìn)氧化溝技術(shù), 建成了大約40 多座不同種類的氧化溝污水處理廠, 設(shè)計(jì)水量最大的達(dá)到30 萬(wàn)t/d,最小的有72 t/d。氧化溝技術(shù)的發(fā)展不僅體現(xiàn)在數(shù)量增加上, 也體現(xiàn)在處理規(guī)模和處理對(duì)象的不斷擴(kuò)大上。氧化溝的處理能力為500 萬(wàn)人口當(dāng)量至1000 萬(wàn)人口當(dāng)量, 既能用于生活污水的處理, 也能用于工業(yè)廢水和城市污水的處理。經(jīng)過(guò)幾十年的實(shí)踐和發(fā)展, 氧化溝技術(shù)被認(rèn)為是出水水質(zhì)好、運(yùn)行穩(wěn)定、基建投資費(fèi)用和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低的污水生物處理方法。根據(jù)其構(gòu)造和運(yùn)行特征, 并根據(jù)不同的發(fā)明者和專利情況氧化溝可分為不同的類型, 下面介紹幾種工程中常用的具有代表性的氧化溝。
1 Carrousel 氧化溝
1.1 Carrousel 氧化溝的特征
Carrousel 氧化溝是一種單溝式環(huán)形氧化溝, 水深5 m 以上, 水與污泥混合后在溝渠內(nèi)作不停地循環(huán)流動(dòng)。每組溝渠的同一端安裝一個(gè)垂直表面曝氣機(jī), 該曝氣機(jī)兼有供氧和推流攪拌作用。Carrousel 氧化溝獨(dú)特的池型與相應(yīng)的曝氣設(shè)備布局使之形成了靠近曝氣機(jī)下游的富氧區(qū)和曝氣機(jī)上游以及外環(huán)的缺氧區(qū), 這不僅有利于生物凝聚, 還使活性污泥易于沉淀。由于曝氣機(jī)周圍的局部地區(qū)能量強(qiáng)度比傳統(tǒng)活性污泥曝氣池中的能量強(qiáng)度高很多, 使得氧的轉(zhuǎn)移效率大大提高, 平均傳氧效率達(dá)到至少2.1 kg/( kW·h) 。因此,Carrousel 氧化溝具有極強(qiáng)的混合攪拌耐沖擊能力。當(dāng)有機(jī)負(fù)荷較低時(shí), 可以停止某些曝氣器的運(yùn)行, 在保證水流攪拌混合循環(huán)流動(dòng)的前提下, 節(jié)約能量消耗。和其他氧化溝工藝相比,Carrousel 氧化溝占地面積少, 土建費(fèi)用低, 節(jié)能效果顯著, 管理維護(hù)簡(jiǎn)單。其BOD 去除率高達(dá)95%～99%, 脫氮率可達(dá)90%以上, 除磷率在50%左右, 如配以投加混凝劑, 除磷效果可達(dá)95%。所以, 在所有的氧化溝處理工藝中它的應(yīng)用最廣泛。
1.2 Carrousel 氧化溝的發(fā)展
從1968 年第一座Carrousel 氧化溝到今天的帶厭氧區(qū)的Carrousel氧化溝系統(tǒng), Carrousel 氧化溝發(fā)生了巨大的變化。其發(fā)展歷程可分為三代: 第一代普通Carrousel 氧化溝以去除BOD 為主要目的, 系統(tǒng)內(nèi)具備模糊的A/O 系統(tǒng), 硝化作用和反硝化作用發(fā)生在同一池中, 具有一定的脫氮除磷效果。第二代Carrousel2000 氧化溝系統(tǒng)強(qiáng)化了普通Carrousel 氧化溝系統(tǒng)的脫氮除磷功能, 此系統(tǒng)在普通Carrousel 氧化溝前增加一個(gè)厭氧池和一個(gè)缺氧池, 以便有利于脫氮除磷。第三代Carrousel3000 氧化溝是在Carrousel2000 氧化溝系統(tǒng)前再加一個(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, 抑制絲狀細(xì)菌的增長(zhǎng), 提高各污染物的去除率。其后的工藝原理與Carrousel2000 氧化溝系統(tǒng)相同。
2 Orbal 氧化溝
起源于南非、發(fā)展于美國(guó)的Orbal 氧化溝是具有脫氮除磷的新工藝之一, 因其在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而受到國(guó)內(nèi)外污水處理界的重視。Orbal 氧化溝是一種多渠道氧化溝系統(tǒng), 一般由3 條同心圓形成或橢圓形渠道組成, 各渠道之間相通。進(jìn)水先引入最外側(cè)的渠道, 在其中不斷循環(huán)流動(dòng)的同時(shí), 依次進(jìn)入下一個(gè)渠道, 相當(dāng)于一系列完全混合反應(yīng)池串聯(lián)在一起, 最后從中心渠道排出。渠內(nèi)設(shè)導(dǎo)向閥, 使進(jìn)水位于出水口的下游, 以避免污水的短流。曝氣設(shè)備多采用曝氣轉(zhuǎn)盤, 轉(zhuǎn)盤的數(shù)量取決于渠內(nèi)所需的溶解氧量, 水深一般3.5 m～4.5 m, 并保持溝底流速為0.3 m/s ～0.9 m/s。在3 條渠道系統(tǒng)中, 從外到內(nèi), 第一渠道的容積約為總?cè)莘e的60%～70%, 第二渠約為總?cè)莘e的20%～30%, 第三渠則僅占總?cè)莘e的10%。在運(yùn)行時(shí)應(yīng)保持第一、二及三渠的溶解氧分別為0 mg/L,1 mg/L,2 mg/L,即所謂三溝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, 供給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, 盡管反應(yīng)池中的供氧量比較低, 溶解氧的量卻可以保持較高水平。這種供氧方式有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn): 一是第一渠的供氧既能滿足降解BOD 需要, 又能維持渠內(nèi)的溶解氧為零, 這樣既能節(jié)約能耗, 又能滿足反硝化條件; 二是在第一渠缺氧的條件下, 微生物可進(jìn)行磷的釋放, 以使它們?cè)诤醚醐h(huán)境下吸收廢水中磷, 達(dá)到除磷效果; 三是在3 條溝渠中形成較大的溶解氧梯度, 有利于提高充氧效率。
隨著Orbal 氧化溝工藝優(yōu)越性的展現(xiàn), 采用此工藝的污水處理廠日益增多。我國(guó)20 世紀(jì)80 年代就引進(jìn)了此項(xiàng)技術(shù), 但真正引起重視卻是在最近幾年。由于對(duì)Orbal 氧化溝系統(tǒng)的研究還不夠成熟, 故引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)設(shè)備多, 自己的東西少, 缺乏系統(tǒng)的研究與總結(jié), 也缺乏實(shí)際操作、運(yùn)行、控制經(jīng)驗(yàn)。我們應(yīng)對(duì)該工藝進(jìn)行更進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用考察和性能研究, 為今后的工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供參考依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo), 使其適合國(guó)內(nèi)需要且能最大限度地發(fā)揮功效。
3 交替式氧化溝
交替式氧化溝是由丹麥Kruger 公司創(chuàng)建, 有二池交替( D 型) 和三池交替( T 型) 運(yùn)行的氧化溝。它們可以在不設(shè)二沉池的條件下連續(xù)運(yùn)行,溝深可以在2 m～3.5 m 之間調(diào)整。D 型氧化溝由容積相同的A,B 兩池組成, 串聯(lián)運(yùn)動(dòng), 交替地作為曝氣池和沉淀池, 一般以8 h 為一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期。
該系統(tǒng)可得到十分優(yōu)良的出水和穩(wěn)定的污泥, 同樣不需設(shè)污泥回流裝置, 缺點(diǎn)是曝氣轉(zhuǎn)刷的利用率僅為37.5%。為了克服D 型系統(tǒng)的缺點(diǎn),Kruger 公司又開發(fā)了T 型氧化溝, 從而將設(shè)備利用率提高到58%, 而后發(fā)展的動(dòng)態(tài)順序沉淀( DSS) 氧化溝的設(shè)備利用率為70%。
D 型交替式氧化溝以去除BOD 為主, 若要同時(shí)脫氮除磷, 就需在氧化溝前后分別增設(shè)厭氧池和沉淀池。而三溝式氧化溝脫氮除磷可在同一反應(yīng)器中完成。總之, 這種交替式運(yùn)行工藝提高了處理效率, 同時(shí)脫氮除磷效果顯著。但其容積利用率比較低, 使其占地面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他氧化溝工藝, 因此在選擇工藝時(shí), 應(yīng)慎重考慮, 權(quán)衡利弊。
4 一體化氧化溝
一體化氧化溝( Integrated Oxidation Ditch) 又稱合建式氧化溝。廣義地說(shuō), 一體化氧化溝就是不單獨(dú)設(shè)二沉池及污泥回流裝置的氧化溝。這一意義上的氧化溝包括早期間歇運(yùn)行的Pasveer 氧化溝和20 世紀(jì)70 年代在丹麥發(fā)展起來(lái)的交替式氧化溝。狹義的氧化溝是指充分利用氧化溝的較大容積與水面, 在不影響氧化溝正常運(yùn)行的情況下, 通過(guò)改進(jìn)氧化溝部分區(qū)域的結(jié)構(gòu)或在溝內(nèi)設(shè)置一定的裝置, 使泥水分離過(guò)程在溝內(nèi)完成的氧化溝。這一概念在20 世紀(jì)80 年代初由美國(guó)最先提出, 并將此類型氧化溝統(tǒng)稱為ICC( Interchannel Clarifier) 型氧化溝, 到目前為止, 美國(guó)已建有近百座這一類型的一體化氧化溝。
與其他氧化溝相比, 一體化氧化溝處理效果不是很好, 主要原因是:其一, 由于固液分離器和氧化溝渠的一體化設(shè)計(jì), 使出水易受水質(zhì)、水量波動(dòng)的影響, 影響出水效果; 其二, 對(duì)固液分離器的設(shè)計(jì)和安裝要求較高, 但工程上往往達(dá)不到要求。但一體化氧化溝也有顯著優(yōu)點(diǎn): 由于省去了二沉池, 占地面積小, 污泥自動(dòng)回流, 管理更方便, 能耗少, 投資成本和運(yùn)行費(fèi)用較低。所以, 該工藝特別適合在小城市和小城鎮(zhèn)的污水處理、旅游景點(diǎn)的生活污水處理及類似情況下推廣。
5 各種類型氧化溝的發(fā)展方向
( 1) 發(fā)展生物除磷脫氮技術(shù)。至今氧化溝系統(tǒng)多為活性污泥法,可以借鑒生物膜理論,提高單位反應(yīng)器的微生物總量,從而提高有機(jī)負(fù)荷,但需著重解決水力設(shè)計(jì)問(wèn)題。
( 2) 提高氧化溝中微生物的活性。在氧化溝中投加專一菌種、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都是氧化溝技術(shù)的研究方向。
( 3) 提高氧化溝設(shè)備性能和監(jiān)控技術(shù), 使氧化溝系統(tǒng)進(jìn)一步節(jié)能。提高表面曝氣機(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)是今后氧化溝科學(xué)運(yùn)行的必由之路。
( 4) 提高氧化溝的耐寒、耐毒性能,減少占地面積和工程造價(jià)。
6 結(jié)語(yǔ)
作為一種成熟的生物處理方法, 氧化溝具有處理效果好、能耗低、基建投資省、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單、污泥生成量少、耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)。在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分分析該技術(shù)在不同工程中的應(yīng)用狀況, 吸收消化國(guó)內(nèi)工程設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn), 結(jié)合各地的水量、水質(zhì)特征及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平, 綜合確定氧化溝類型和具體的設(shè)計(jì)參數(shù)。
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