氧化溝(大型汙水處理廠常用工藝)
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氧化溝是一種活性汙泥處理系統，其曝氣池呈封閉的溝渠型，所以它在水力流態上不同於傳統的活性汙泥法，它是一種首尾相連的循環流曝氣溝渠，又稱循環曝氣池。最早的氧化溝渠不是由鋼筋混凝土建成的，而是加以護坡處理的土溝渠，是間歇進水間歇曝氣的，從這一點上來說，氧化溝最早是以序批方式處理汙水的技術。
氧化溝工藝自誕生以來，其發展過程可分為四個階段：
第一代氧化溝
Pasveer氧化溝當時用來處理村鎮的汙水，服務人口只有340人。這是一種間歇流的處理廠，它把常規處理系統的四個主要內容合併在一個溝中完成，白天進水曝氣，夜間用作沉澱池，BOD5的去除率達到97%左右。
採用臥式表面曝氣機曝氣及推流，每隔一段時間，Pasveer氧化溝的曝氣機就需停下來，使溝內的汙泥沉澱，排出處理後的出水。第一代氧化溝溝深1～2.5m，為了達到連續運行，Pasveer氧化溝發展的多種形式，設置了二沉池。這一階段的氧化溝主要是延時曝氣系統。
第二代氧化溝
氧化溝因其簡易、運行管理方便等優點，自60年代以來其數量和規模不斷增長和擴大，處理能力已從300人口當量發展到目前的1000萬人口當量。處理對象也從處理生活汙水發展到既能處理城市汙水又能處理工業廢水。這期間，有相當多的工業廢水也相繼採用氧化溝技術進行處理的工程範例。
新一代氧化溝由於採用直徑1米的曝氣刷(Mammoth Rotor系由Passavant公司生產)和立式曝氣器(DHV公司)，使氧化溝的溝深逐步擴大。使用Mammoth Rotor溝深可達3.5m，溝寬可達20m。而使用立式曝氣器的氧化溝，後來稱為Carrousel氧化溝，溝深可達4.5m。這一階段的氧化溝考慮到了硝化和反硝化(Simultaneous Nitrification/Denitrification)。
第三代氧化溝
隨著氧化溝技術的發展，人們從不同的角度對氧化溝作了深入細緻的研究，出現了許多種新型的氧化溝，如：
·DHV公司的Carrousel 2000型、Carrousel Dlenit型、DHV—EIMCO Carrousel氧化溝
·丹麥Kruger公司的雙溝、三溝式氧化溝
·德國Passavant公司使用Mammoth Rotor的深型氧化溝
·美國Envirex公司的Orbal多環形氧化溝
這一階段的氧化溝進一步考慮到了利用氧化溝進行除磷脫氮處理，許多新的概念被提出來，產生了許多新的設計方法。在這一時期，氧化溝出現不只是延時曝氣低負荷系統，還出現了所謂「高負荷氧化溝」、「要求硝化的氧化溝」、「要求硝化反硝化及除磷的氧化溝」及「要求汙泥穩定的氧化溝」等，還有許多的新的溝型出現。
第四代的氧化溝
80年代初期，美國最早提出將二沉澱池直接設置在氧化溝中的一體氧化溝概念，在短短的十幾年中，這一概念在實際中得到迅速發展和應用，並顯示出極為廣闊的前景。所謂一體化氧化溝，就是充分利用氧化溝較大的容積和水面，在不影響氧化溝正常運行的情況下，通過改進氧化溝部分區域的結構或在溝內設置一定的裝置，使汙水分離過程在氧化溝內完成。美國環境保護局將這一技術稱之謂革新即可選擇的(I/A)技術。
一體化氧化溝由於其中沉澱區結構形式及運行方式不同，有多種形式，例如：
1)帶溝內分離器的一體化氧化溝(BMTS式)
2)船形一體化氧化溝
3)側溝或中心島式一體化氧化溝(中國)
4)交替曝氣式氧化溝
設計參數
根據美國環保局(EPA)2000年發布的設計指導參數中，氧化溝的平均速度要達到0.25m/s-0.35m/s，以保持氧化溝中活性汙泥處於懸浮狀態。另還有功率參數。
技術展望
氧化溝自從Pasveer氧化溝1954年出現以來，就是依靠其簡便的方式處理汙水而得到不斷發展的。氧化溝應用多年，經久不衰，而且取得相當多的突破，例如：1968年出現了Carrousel氧化溝，1970年出現了Orbal氧化溝，1993年出現了Carrousel 2000型氧化溝，1998年出現了Carrousel 1000型氧化溝，而且還在不斷發展，1999年又出現了Carrousel 3000型氧化溝，80年代初出現了一體化氧化溝等。
究其原因，可以這樣說，氧化溝技術發展的強勢在於氧化溝的環流，由於這種環流，是造成氧化溝長久不衰的內在原因，外在原因則是其具有多功能性、汙泥穩定、出水水質好和易於管理。氧化溝有別於其它活性汙泥的主要特徵是環形池型，或者說只要保持溝渠首尾相接，水流循環流動，選用的特定設計參數、溝型和運行方式，就會給運行者和設計者帶來極大方便，其靈活性和適應性也非常強，有進一步研究、發展和應用的廣闊空間。
技術特點
氧化溝又名氧化渠，因其構築物呈封閉的環形溝渠而得名。它是活性汙泥法的一種變形。因為汙水和活性汙泥在曝氣渠道中不斷循環流動，因此有人稱其為「循環曝氣池」、「無終端曝氣池」。氧化溝的水力停留時間長，有機負荷低，其本質上屬於延時曝氣系統。以下為一般氧化溝法的主要設計參數：
水力停留時間：10-40小時；
汙泥齡：一般大於20天；
有機負荷：0.05-0.15kgBOD5/(kgMLSS.d);
容積負荷：0.2-0.4kgBOD5/(m3.d);
活性汙泥濃度：2500-4500mg/l;
溝內平均流速：0.3-0.5m/s。
氧化溝的技術特點：
氧化溝利用連續環式反應池(Cintinuous Loop Reator,簡稱CLR)作生物反應池，混合液在該反應池中一條閉合曝氣渠道進行連續循環，氧化溝通常在延時曝氣條件下使用。氧化溝使用一種帶方向控制的曝氣和攪動裝置，向反應池中的物質傳遞水平速度，從而使被攪動的液體在閉合式渠道中循環。
氧化溝一般由溝體、曝氣設備、進出水裝置、導流和混合設備組成，溝體的平面形狀一般呈環形，也可以是長方形、L形、圓形或其他形狀，溝端面形狀多為矩形和梯形。
氧化溝法由於具有較長的水力停留時間，較低的有機負荷和較長的汙泥齡。因此相比傳統活性汙泥法，可以省略調節池，初沉池，汙泥消化池，有的還可以省略二沉池。氧化溝能保證較好的處理效果，這主要是因為巧妙結合了CLR形式和曝氣裝置特定的定位布置，是氧化溝具有獨特水力學特徵和工作特性：
1) 氧化溝結合推流和完全混合的特點，有利於克服短流和提高緩衝能力，通常在氧化溝曝氣區上遊安排入流，在入流點的再上遊點安排出流。入流通過曝氣區在循環中很好地被混合和分散，混合液再次圍繞CLR繼續循環。這樣，氧化溝在短期內(如一個循環)呈推流狀態，而在長期內(如多次循環)又呈混合狀態。這兩者的結合，即使入流至少經歷一個循環而基本杜絕短流，又可以提供很大的稀釋倍數而提高了緩衝能力。同時為了防止汙泥沉積，必須保證溝內足夠的流速(一般平均流速大於0.3m/s)，而汙水在溝內的停留時間又較長，這就要求溝內有較大的循環流量(一般是汙水進水流量的數倍乃至數十倍)，進入溝內汙水立即被大量的循環液所混合稀釋，因此氧化溝系統具有很強的耐衝擊負荷能力，對不易降解的有機物也有較好的處理能力。
2) 氧化溝具有明顯的溶解氧濃度梯度，特別適用於硝化-反硝化生物處理工藝。氧化溝從整體上說是完全混合的，而液體流動卻又保持著推流前進，其曝氣裝置是定位的，因此，混合液在曝氣區內溶解氧濃度是上遊高，然後沿溝長逐步下降，出現明顯的濃度梯度，到下遊區溶解氧濃度就很低，基本上處於缺氧狀態。氧化溝設計可按要求安排好氧區和缺氧區實現硝化-反硝化工藝，不僅可以利用硝酸鹽中的氧滿足一定的需氧量，而且可以通過反硝化補充硝化過程中消耗的鹼度。這些有利於節省能耗和減少甚至免去硝化過程中需要投加的化學藥品數量。
3) 氧化溝溝內功率密度的不均勻配備，有利於氧的傳質，液體混合和汙泥絮凝。傳統曝氣的功率密度一般僅為20-30瓦/米3，平均速度梯度G大於100秒-1。這不僅有利於氧的傳遞和液體混合，而且有利於充分切割絮凝的汙泥顆粒。當混合液經平穩的輸送區到達好氧區後期，平均速度梯度G小於30秒-1，汙泥仍有再絮凝的機會，因而也能改善汙泥的絮凝性能。
4) 氧化溝的整體功率密度較低，可節約能源。氧化溝的混合液一旦被加速到溝中的平均流速，對於維持循環僅需克服沿程和彎道的水頭損失，因而氧化溝可比其他系統以低得多的整體功率密度來維持混合液流動和活性汙泥懸浮狀態。據國外的一些報導，氧化溝比常規的活性汙泥法能耗降低20%-30%。
另外，據國內外統計資料顯示，與其他汙水生物處理方法相比，氧化溝具有處理流程簡單，操作管理方便；出水水質好，工藝可靠性強；基建投資省，運行費用低等特點。
傳統氧化溝的脫氮，主要是利用溝內溶解氧分布的不均勻性，通過合理的設計，使溝中產生交替循環的好氧區和缺氧區，從而達到脫氮的目的。其最大的優點是在不外加碳源的情況下在同一溝中實現有機物和總氮的去除，因此是非常經濟的。但在同一溝中好氧區與缺氧區各自的體積和溶解氧濃度很難準確地加以控制，因此對除氮的效果是有限的，而對除磷幾乎不起作用。另外，在傳統的單溝式氧化溝中，微生物在好氧-缺氧-好氧短暫的經常性的環境變化中使硝化菌和反硝化菌群並非總是處於好的生長代謝環境中，由此也影響單位體積構築物的處理能力。
缺陷
儘管氧化溝具有出水水質好、抗衝擊負荷能力強、除磷脫氮效率高、汙泥易穩定、能耗省、便於自動化控制等優點。但是，在實際的運行過程中，仍存在一系列的問題。
1、汙泥膨脹問題
當廢水中的碳水化合物較多，N、P含量不平衡，pH值偏低，氧化溝中汙泥負荷過高，溶解氧濃度不足，排泥不暢等易引發絲狀菌性汙泥膨脹；非絲狀菌性汙泥膨脹主要發生在廢水水溫較低而汙泥負荷較高時。微生物的負荷高，細菌吸取了大量營養物質，由於溫度低，代謝速度較慢，積貯起大量高粘性的多糖類物質，使活性汙泥的表面附著水大大增加，SVI值很高，形成汙泥膨脹。
針對汙泥膨脹的起因，可採取不同對策：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(控制汙泥回流量)，使需氧量減少；如汙泥負荷過高，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(按幹汙泥的0.3%~0.6%投加)，能抑制絲狀菌繁殖，控制結合水性汙泥膨脹[11]。
2、 泡沫問題
由於進水中帶有大量油脂，處理系統不能完全有效地將其除去，部分油脂富集於汙泥中，經轉刷充氧攪拌，產生大量泡沫；泥齡偏長，汙泥老化，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、矽油，投量為0.5~1.5mg/L。通過增加曝氣池汙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。
3、汙泥上浮問題
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，產生腐化汙泥上浮；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，使汙泥上浮；另外，廢水中含油量過大，汙泥可能挾油上浮。
發生汙泥上浮後應暫停進水，打碎或清除汙泥，判明原因，調整操作。汙泥沉降性差，可投加混凝劑或惰性物質，改善沉澱性；如進水負荷大應減小進水量或加大回流量；如汙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；如發現汙泥腐化，應加大曝氣量，清除積泥，並設法改善池內水力條件。
4、流速不均及汙泥沉積問題
在氧化溝中，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，轉刷只佔了水深的1/10~1/12，轉盤也只佔了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、下遊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。上遊導流板安裝在距轉盤(轉刷)軸心4.0處(上遊)，導流板高度為水深的1/5~1/6，並垂直於水面安裝；下遊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。
另外，通過在曝氣機上遊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、汙泥沉積的問題。設置水下推動器專門用於推動混合液可以使氧化溝的運行方式更加靈活，這對於節約能源、提高效率具有十分重要的意義。
5、導致有較多的大腸桿菌散發到空氣中，引發了毒黃瓜的事件。
6、對於BOD較小的水質完全沒有處理能力。