氧化溝又名連續(xù)循環(huán)曝氣池，是由荷蘭衛(wèi)生工程研究所在上世紀(jì)50年代研制開發(fā)的廢水生物處理技術(shù)。歐州的氧化溝污水廠已有上千座，氧化溝工藝也已成為我國城市污水處理的主要工藝。
概述：氧化溝工藝的介紹
氧化溝(oxidation ditch)又名連續(xù)循環(huán)曝氣池(Continuousloop reactor)，是活性污泥法的一種變形。氧化溝工藝在城市生活污水及工業(yè)廢水處理領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，并成為當(dāng)前占主導(dǎo)地位的活性污泥污水處理技術(shù)。尤其在我國，污水處理廠的建設(shè)以中小型規(guī)模為主，各類氧化溝工藝得到普遍應(yīng)用，其中奧貝爾氧化溝應(yīng)用較廣，DE及T型多溝交替式在中高濃度污水處理廠應(yīng)用較多，而卡魯塞爾氧化溝以外貸項目為主。
氧化溝是由荷蘭衛(wèi)生工程研究所在上世紀(jì)50年代研制開發(fā)的廢水生物處理技術(shù)，是活性污泥法的一種改型，屬延時曝氣的一種特殊形式。其基本特征是曝氣池呈封閉、環(huán)狀跑道式，池體狹長，池深較淺，在溝槽中設(shè)有表面曝氣裝置。廢水和活性污泥以及各種微生物混合在溝渠中作不停地循環(huán)流動，完成對廢水的硝化與反硝化處理。生物氧化溝兼有完全混合式、推流式和氧化塘的特點。在技術(shù)上具有凈化程度高、耐沖擊、運行穩(wěn)定可靠、操作簡單、運行管理方便、維修簡單、投資少、能耗低等特點。氧化溝在空間上形成了好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，具有良好的脫氮功能。
1 氧化溝工藝概述
1.1 氧化溝工藝基本原理和主要設(shè)計參數(shù)
氧化溝又名氧化渠，因其構(gòu)筑物呈封閉的環(huán)形溝渠而得名。它是活性污泥法的一種變型。因為污水和活性污泥在曝氣渠道中不斷循環(huán)流動，因此有人稱其為“循環(huán)曝氣池”、“無終端曝氣池”。氧化溝的水力停留時間長，有機(jī)負(fù)荷低，其本質(zhì)上屬于延時曝氣系統(tǒng)。以下為一般氧化溝法的主要設(shè)計參數(shù)：
水力停留時間：10-40小時；
污泥齡：一般大于20天；
有機(jī)負(fù)荷：0.05-0.15kgBOD5/(kgMLSS.d)；
容積負(fù)荷：0.2-0.4kgBOD5/(m3.d)；
活性污泥濃度：2000-6000mg/l；
溝內(nèi)平均流速：0.3-0.5m/s
1.2 氧化溝的技術(shù)特點：
氧化溝利用連續(xù)環(huán)式反應(yīng)池(Cintinuous Loop Reator,簡稱CLR)作生物反應(yīng)池，混合液在該反應(yīng)池中一條閉合曝氣渠道進(jìn)行連續(xù)循環(huán)，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(yīng)池中的物質(zhì)傳遞水平速度，從而使被攪動的液體在閉合式渠道中循環(huán)。
氧化溝一般由溝體、曝氣設(shè)備、進(jìn)出水裝置、導(dǎo)流和混合設(shè)備組成，溝體的平面形狀一般呈環(huán)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。
氧化溝法由于具有較長的水力停留時間，較低的有機(jī)負(fù)荷和較長的污泥齡。因此相比傳統(tǒng)活性污泥法，可以省略調(diào)節(jié)池，初沉池，污泥消化池，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(jié)合了CLR形式和曝氣裝置特定的定位布置，是式氧化溝具有獨特水力學(xué)特征和工作特性：
1) 氧化溝結(jié)合推流和完全混合的特點，有力于克服短流和提高緩沖能力，通常在氧化溝曝氣區(qū)上游安排入流，在入流點的再上游點安排出流。入流通過曝氣區(qū)在循環(huán)中很好的被混合和分散，混合液再次圍繞CLR繼續(xù)循環(huán)。這樣，氧化溝在短期內(nèi)(如一個循環(huán))呈推流狀態(tài)，而在長期內(nèi)(如多次循環(huán))又呈混合狀態(tài)。這兩者的結(jié)合，即使入流至少經(jīng)歷一個循環(huán)而基本杜絕短流，又可以提供很大的稀釋倍數(shù)而提高了緩沖能力。同時為了防止污泥沉積，必須保證溝內(nèi)足夠的流速(一般平均流速大于0.3m/s)，而污水在溝內(nèi)的停留時間又較長，這就要求溝內(nèi)由較大的循環(huán)流量(一般是污水進(jìn)水流量的數(shù)倍乃至數(shù)十倍)，進(jìn)入溝內(nèi)污水立即被大量的循環(huán)液所混合稀釋，因此氧化溝系統(tǒng)具有很強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力，對不易降解的有機(jī)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，特別適用于硝化-反硝化生物處理工藝。氧化溝從整體上說又是完全混合的，而液體流動卻保持著推流前進(jìn)，其曝氣裝置是定位的，因此，混合液在曝氣區(qū)內(nèi)溶解氧濃度是上游高，然后沿溝長逐步下降，出現(xiàn)明顯的濃度梯度，到下游區(qū)溶解氧濃度就很低，基本上處于缺氧狀態(tài)。氧化溝設(shè)計可按要求安排好氧區(qū)和缺氧區(qū)實現(xiàn)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(bǔ)充硝化過程中消耗的堿度。這些有利于節(jié)省能耗和減少甚至免去硝化過程中需要投加的化學(xué)藥品數(shù)量。
3) 氧化溝溝內(nèi)功率密度的不均勻配備，有利于氧的傳質(zhì)，液體混合和污泥絮凝。傳統(tǒng)曝氣的功率密度一般僅為20-30瓦/米3，平均速度梯度G大于100秒-1。這不僅有利于氧的傳遞和液體混合，而且有利于充分切割絮凝的污泥顆粒。當(dāng)混合液經(jīng)平穩(wěn)的輸送區(qū)到達(dá)好氧區(qū)后期，平均速度梯度G小于30秒-1，污泥仍有再絮凝的機(jī)會，因而也能改善污泥的絮凝性能。有污水需要處理的單位，也可以到污水寶項目服務(wù)平臺咨詢具備類似污水處理經(jīng)驗的企業(yè)。
4) 氧化溝的整體功率密度較低，可節(jié)約能源。氧化溝的混合液一旦被加速到溝中的平均流速，對于維持循環(huán)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(tǒng)以低得多的整體功率密度來維持混合液流動和活性污泥懸浮狀態(tài)。據(jù)國外的一些報道，氧化溝比常規(guī)的活性污泥法能耗降低20%-30%。
另外，據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計資料顯示，與其他污水生物處理方法相比，氧化溝具有處理流程簡單，超作管理方便；出水水質(zhì)好，工藝可靠性強(qiáng)；基建投資省，運行費用低等特點。
1.3曝氣設(shè)備的革新：
曝氣設(shè)備對氧化溝的處理效率，能耗及處理穩(wěn)定性有關(guān)鍵性影響，其作用主要表現(xiàn)在以下四個方面：向水中供氧；推進(jìn)水流前進(jìn)，使水流在池內(nèi)作循環(huán)流動；保證溝內(nèi)活性污泥處于懸浮狀態(tài)；使氧、有機(jī)物、微生物充分混合。針對以上幾個要求，曝氣設(shè)備也一直在改進(jìn)和完善。常規(guī)的氧化溝曝氣設(shè)備有橫軸曝氣裝置及豎軸曝氣裝置。
1) 橫軸曝氣裝置為轉(zhuǎn)刷和轉(zhuǎn)盤。其中轉(zhuǎn)刷更為常見，轉(zhuǎn)刷單獨使用通常只能滿足水深較淺的氧化溝，有效水深不大于2.0-3.5米。從而造成傳統(tǒng)氧化溝較淺，占地面積大的弊端。近幾年開發(fā)了水下推進(jìn)器配合轉(zhuǎn)刷，解決了這個問題，如山東高密污水廠，有效水深為4.5米，保證溝內(nèi)平均流速大于0.3米/秒，溝底流速不低于0.1米/秒，這樣氧化溝占地大大減少，轉(zhuǎn)刷技術(shù)運用已相當(dāng)成熟，但因其供氧率低，能耗大，故其逐漸被另外先進(jìn)的曝氣技術(shù)所取代。
2) 豎軸式表面曝氣機(jī)，各種類型的表面曝氣機(jī)均可用于氧化溝，一般安裝在溝渠的轉(zhuǎn)彎處，這種曝氣裝置有較大的提升能力，氧化溝水深可達(dá)4-4.5米，如1968年荷蘭PHV開發(fā)的著名Carrousel氧化溝在一端的中心設(shè)垂直軸的一定方向的低速表曝葉輪，葉輪轉(zhuǎn)動時除向污水供氧外，還能使溝中水體沿一定方向循環(huán)流動。表曝設(shè)備價格較便宜，但能耗大易出故障，且維修困難。
3) 射流曝氣，1969年Lewrnpt等創(chuàng)建了第一座試驗性射流曝氣氧化溝(JAC)，國外的射流曝氣多為壓力供氣式，而國內(nèi)通常是自吸空氣式，JAC的優(yōu)點是氧化溝的寬度和水的深度不受限制，可以用于深水曝氣，且氧的利用率高，目前最大的JAC在奧地利的林茨，處理流量為17.2萬噸/天，水深7.5米。
4) 微孔曝氣，現(xiàn)在應(yīng)用較多的微孔曝氣裝置，采用多孔性空氣擴(kuò)散裝置克服了以往裝置氣壓損失大，易堵塞的毛病，且氧利用率較高，在氧化溝技術(shù)運用中越來越廣泛。
5) 其他曝氣設(shè)備，包括一些新型的曝氣推動設(shè)備，如復(fù)葉節(jié)流新型曝氣器，氧利用率較高，浮于水面，易檢修，充氧能力可達(dá)水下7米，推動能力相當(dāng)強(qiáng)，滿足氧化溝的曝氣推動一體化要求，同時能夠滿足氧化溝底部的充氧和推動。
氧化溝在國內(nèi)外都發(fā)展很快。歐州的氧化溝污水廠已有上千座，在國內(nèi)，從20世紀(jì)80年代末開始在城市污水和工業(yè)廢水中引進(jìn)國外氧化溝的先進(jìn)技術(shù)，從原來的日處理量3000立方米到目前10萬噸以上的污水處理廠已比較普遍，氧化溝工藝已成為我國城市污水處理的主要工藝。
2.氧化溝脫氮除磷工藝
2.1 傳統(tǒng)氧化溝的脫氮除磷
傳統(tǒng)氧化溝的脫氮，主要是利用溝內(nèi)溶解氧分布的不均勻性，通過合理的設(shè)計，使溝中產(chǎn)生交替循環(huán)的好氧區(qū)和缺氧區(qū)，從而達(dá)到脫氮的目的。其最大的優(yōu)點是在不外加碳源的情況下在同一溝中實現(xiàn)有機(jī)物和總氮的去除，因此是非常經(jīng)濟(jì)的。但在同一溝中好氧區(qū)與缺氧區(qū)各自的體積和溶解氧濃度很難準(zhǔn)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(tǒng)的單溝式氧化溝中，微生物在好氧-缺氧-好氧短暫的經(jīng)常性的環(huán)境變化中使硝化菌和反硝化菌群并非總是處于最佳的生長代謝環(huán)境中，由此也影響單位體積構(gòu)筑物的處理能力。
隨著氧化溝工藝的反展，目前，在工程應(yīng)用中比較有代表性的有形式有：多溝交替式氧化溝(如三溝式，五溝式)及其改進(jìn)型、卡魯塞爾氧化溝及其改進(jìn)型、奧貝爾(Orbal)氧化溝及其改進(jìn)型、一體化氧化溝等。他們都具有一定的脫氮除磷能力。
2.2.PI型氧化溝的脫氮除磷
PI(Phase Isolation)型氧化溝，即交替式和半交替式氧化溝，是七十年代在丹麥發(fā)展起來的，其中包括DE型、T型和VR型氧化溝，隨著各國對污水處理廠出水氮，磷含量要求越來越嚴(yán)，因而開發(fā)出現(xiàn)了功能加強(qiáng)的PI型氧化溝，主要由Kruger公司與Demmark技術(shù)學(xué)院合作開發(fā)的，稱為Bio-Denitro和Bio-Denipho工藝，這兩種工藝都是根據(jù)A/O和A2/O生物脫氮除磷原理，創(chuàng)造缺氧/好氧，厭氧/缺氧/好氧的工藝環(huán)境，達(dá)到生物脫氮除磷的目的。
2.2.1 DE型、T型氧化溝脫氮工藝
DE型氧化溝為雙溝系統(tǒng)，T型氧化溝為三溝系統(tǒng)，其運行方式比較相似，都是通過配水井對水流流向的切換，堰門的起閉以及曝氣轉(zhuǎn)刷的調(diào)速，在溝中創(chuàng)造交替的硝化，反硝化條件，以達(dá)到脫氮的目的。其不同之處在于DE型氧化溝系統(tǒng)是二沉池與氧化溝分建，有獨立的污泥回流系統(tǒng)；而T型氧化溝的兩側(cè)溝輪流作為沉淀池。
2.2.2 VR型氧化溝脫氮工藝
VR氧化溝溝型宛如通常的環(huán)形跑道，中央有一小島的直壁結(jié)構(gòu)，氧化溝分為兩個容積相當(dāng)?shù)牟糠?，其水平形式如反向的英文字母C，污水處理通過二道拍門和二道出流堰交替起閉進(jìn)行連續(xù)和恒水位運行。
2.2.3 PI型氧化溝同時脫氮除磷工藝
交替式氧化溝在脫氮效果上良好，為了達(dá)到除磷效果，通常在氧化溝前設(shè)置相應(yīng)的厭氧區(qū)或構(gòu)筑物或改變其運行方式。據(jù)國內(nèi)外實際運行經(jīng)驗顯示，這種同時脫氮除磷工藝只要運行時控制的好，可以取得很好的脫氮除磷效果。
西安北石橋污水凈化中心采用具有脫氮除磷的DE型氧化溝系統(tǒng)(前加厭氧池)，一期工程處理能力為15萬立方米/天，對各階段處理效果實測結(jié)果表明，DE型氧化溝處理城市污水效果顯著。COD、TN、TP的總?cè)コ史謩e達(dá)到87.5%-91.6%，63.6%-66.9%，85.0%-93.4%，出水TN為9.0-10.1mg/l,TP為0.42-0.45mg/l,出水水質(zhì)優(yōu)于國家二級出水排放標(biāo)準(zhǔn)。
上述三種PI型氧化溝脫氮除磷工藝都有轉(zhuǎn)刷的調(diào)速，活門、出水堰的啟閉切換頻繁的特點，對自動化要求高，轉(zhuǎn)刷利用率低，故在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的地區(qū)受到很大的限制。
2.3 奧貝爾氧化溝脫氮除磷工藝
Orbal氧化溝簡稱同心圓式，它也是分建式，有單獨二沉池，采用轉(zhuǎn)碟曝氣，溝深較大，它的脫氮效果很好，但除磷效率不夠高，要求除磷時還需前加厭氧池。
應(yīng)用上多為橢圓形的三環(huán)道組成，三個環(huán)道用不同的DO(如外環(huán)為0，中環(huán)為1，內(nèi)環(huán)為2)，有利于脫氮除磷。采用轉(zhuǎn)碟曝氣，水深一般在4.0～4.5m,動力效率與轉(zhuǎn)刷接近，現(xiàn)已在山東濰坊、北京黃村和合肥王小郢的城市污水處理廠應(yīng)用。
2.4 卡魯塞爾氧化溝脫氮除磷工藝
2.4.1傳統(tǒng)的卡魯塞爾氧化溝工藝
卡魯塞爾(Carrousel)氧化溝是1967年由荷蘭的DHV公司開發(fā)研制的。它的研制目的是為滿足在較深的氧化溝溝渠中使混合液充分混合，并能維持較高的傳質(zhì)效率，以克服小型氧化溝溝深較淺，混合效果差等缺陷。至今世界上已有850多座Carrousel氧化溝系統(tǒng)正在運行，實踐證明該工藝具有投資省、處理效率高、可靠性好、管理方便和運行維護(hù)費用低等優(yōu)點。Carrousel氧化溝使用立式表曝機(jī)，曝氣機(jī)安裝在溝的一端，因此形成了靠近曝氣機(jī)下游的富氧區(qū)和上游的缺氧區(qū)，有利于生物絮凝，使活性污泥易于沉降，設(shè)計有效水深4.0-4.5米，溝中的流速0.3米/秒。BOD5的去除率可達(dá)95%-99%，脫氮效率約為90%，除磷效率約為50%，如投加鐵鹽，除磷效率可達(dá)95%。
2.4.2.單級卡魯塞爾氧化溝脫氮除磷工藝
單級卡魯塞爾氧化溝有兩種形式：一是有缺氧段的卡魯塞爾氧化溝，可在單一池內(nèi)實現(xiàn)部分反硝化作用，使用于有部分反硝化要求，但要求不高的場合。另一種是卡魯塞爾A/C工藝，即在氧化溝上游加設(shè)厭氧池，可提高活性污泥的沉降性能，有效控制活性污泥膨脹，出水磷的含量通常在2.0mg/l以下。以上兩種工藝一般用于現(xiàn)有氧化溝的改造，與標(biāo)準(zhǔn)的卡魯塞爾氧化溝工藝相比變動不大，相當(dāng)于傳統(tǒng)活性污泥工藝的A/O和A2/O工藝。
2.4.3.合建式卡魯塞爾氧化溝
缺氧區(qū)與好氧區(qū)合建式氧化溝式美國EIMCO公司專為卡魯塞爾系統(tǒng)設(shè)計的一種先進(jìn)的生物脫氮除磷工藝(卡魯塞爾2000型)。它的構(gòu)造上的主要改進(jìn)是在氧化溝內(nèi)設(shè)置了一個獨立的缺氧區(qū)。缺氧區(qū)回流渠的端口處裝有一個可調(diào)節(jié)的活門。根據(jù)出水含氮量的要求，調(diào)節(jié)活門張開程度，可控制進(jìn)入缺氧區(qū)的流量。缺氧和好氧區(qū)合建式氧化溝的關(guān)鍵在與于對曝氣設(shè)備充氧量的控制，必須保證進(jìn)入回流渠處的混合液處于缺氧狀態(tài)，為反硝化創(chuàng)造良好環(huán)境。缺氧區(qū)內(nèi)有潛水?dāng)嚢杵?，具有混合和維持污泥懸浮的作用。
在卡魯塞爾2000型基礎(chǔ)上增加前置厭氧區(qū)，可以達(dá)到脫氮除磷的目的，被稱為A2/C卡魯塞爾氧化溝。
四階段卡魯塞爾Bardenpho系統(tǒng)在卡魯塞爾2000型系統(tǒng)下游增加了第二缺氧池及再曝氣池，實現(xiàn)更高程度的脫氮。五階段卡魯塞爾Bardenpho系統(tǒng)在A2/C卡魯塞爾系統(tǒng)的下游增加了第二缺氧池和在曝氣池，實現(xiàn)更高程度的脫氮和除磷。
綜上所述，厭氧，缺氧與好氧合建的氧化溝系統(tǒng)可以分為三階段A2/O系統(tǒng)以及四、五階段Bardenpho系統(tǒng)，這幾個系統(tǒng)均是A/O系統(tǒng)的強(qiáng)化和反復(fù)，因此這種工藝的脫氮除磷效果很好，脫氮率達(dá)90%-95%。
另外，卡魯塞爾3000型氧化溝也有較好的脫氮除磷效果。在此不加以詳述。
2.4.4. 合建式一體化氧化溝
是指集曝氣、沉淀、泥水分離和污泥回流功能為一體，無需建造單獨二沉池的氧化溝。這種氧化溝設(shè)有專門的固液分離裝置和措施。它既是連續(xù)進(jìn)出水，又是合建式，且不用倒換功能，從理論上講最經(jīng)濟(jì)合理，且具有很好的脫氮除磷效果。
一體化氧化溝除一般氧化溝所具有的優(yōu)點外，還有以下獨特的優(yōu)點：
?、俟に嚵鞒潭蹋瑯?gòu)筑物和設(shè)備少，不設(shè)初沉池、調(diào)節(jié)池和單獨的二沉池；
?、谖勰嘧詣踊亓?，投資少、能耗低、占地少、管理簡便；
?、墼靸r低，建造快，設(shè)備事故率低，運行管理工作量少；
?、芄桃悍蛛x效果比一般二次沉淀池高，使系統(tǒng)在較大的流量濃度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。
3、討論
1)提高中小城市污水治理率是今后污水治理領(lǐng)域的重點，對于規(guī)模小于10萬噸/天的中小型污水處理廠來說，氧化溝和SBR是首選工藝，目前總體來說應(yīng)用最多的是氧化溝工藝，在氧化溝各種工藝中，考慮其各自的特點及污水脫氮除磷的要求，推薦中小城市使用較成熟的卡魯塞爾氧化溝.對于合建式一體化氧化溝，國內(nèi)應(yīng)用該工藝的污水廠已超過十余座，其示范工程——四川新都污水處理廠己成功運行5年多，是未來氧化溝工藝發(fā)展的一個主要方向。
2)近年來，在氧化溝中嘗試使用各種綜合曝氣裝置，即采用曝氣器與水下混合器獨立運行，將氧化溝中的水流循環(huán)混合作用與曝氣傳氧作用區(qū)分開來，使氧化溝中交替出現(xiàn)缺氧與好氧狀態(tài)，已達(dá)到脫氮除磷目的，同時這種運行方式還能取得節(jié)能的效果。據(jù)報道，這種綜合曝氣系統(tǒng)已在國外得到應(yīng)用，在國內(nèi)也可嘗試并推廣采用這種綜合曝氣設(shè)備。
3)微孔曝氣氧化溝工藝即保留了氧化溝沿水流方向間斷曝氣和循環(huán)流動的特點，又克服了氧化溝因采用表面曝氣機(jī)而占地面積大，充氧效率低，水流斷面流速不均，池底易沉淀等不足，不失為一種可推廣使用的工藝。
4)在土地十分緊張的地區(qū)，在取得較準(zhǔn)確的設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，可考慮使用立體式循環(huán)氧化溝。
5)在氧化溝工藝設(shè)計中，溝深的設(shè)計是一個很重要的問題，盡管水下推進(jìn)器的使用使溝深有所提高，但也并非越大越好，因為有效水深的增加會引起能量模式的改變，從而需增加動力設(shè)備就不同，引起投資和運行費用的提高。不同地質(zhì)情況，不同進(jìn)水水質(zhì)及處理要求，有不同的溝深要求。因此，每一個選用氧化溝工藝的污水廠，都因根據(jù)各種因素綜合分析以確定最佳的溝深。
原標(biāo)題：氧化溝工藝的介紹