簡介： 本文在閱讀大量文獻資料的基礎上，較為全面的闡述了氧化溝工藝的原理、技術特點及其工藝的發展過程，著重介紹了氧化溝脫氮除磷的工藝，最后針對氧化溝的工藝及其發展方向提出了討論。
關鍵字：污水處理 氧化溝 脫氮除磷
1 氧化溝工藝概述
1.1 氧化溝工藝基本原理和主要設計參數
氧化溝又名氧化渠，因其構筑物呈封閉的環形溝渠而得名。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，其本質上屬于延時曝氣系統。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；
污泥齡：一般大于20天；
有機負荷：0.05－0.15kgbod5/(kgmlss.d)；
容積負荷：0.2－0.4kgbod5/(m3.d)；
活性污泥濃度：2000－6000mg/l；
溝內平均流速：0.3－0.5m/s
1.2 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。
氧化溝法由于具有較長的水力停留時間，較低的有機負荷和較長的污泥齡。因此相比傳統活性污泥法，可以省略調節池，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特征和工作特性：
1) 氧化溝結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。入流通過曝氣區在循環中很好的被混合和分散，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沖能力。同時為了防止污泥沉積，必須保證溝內足夠的流速（一般平均流速大于0.3m/s），而污水在溝內的停留時間又較長，這就要求溝內由較大的循環流量（一般是污水進水流量的數倍乃至數十倍），進入溝內污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沖擊負荷能力，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，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游高，然后沿溝長逐步下降，出現明顯的濃度梯度，到下游區溶解氧濃度就很低，基本上處于缺氧狀態。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堿度。這些有利于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，有利于氧的傳質，液體混合和污泥絮凝。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。當混合液經平穩的輸送區到達好氧區后期，平均速度梯度g小于30秒－1，污泥仍有再絮凝的機會，因而也能改善污泥的絮凝性能。
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，對于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污泥懸浮狀態。據國外的一些報道，氧化溝比常規的活性污泥法能耗降低20％－30％。
另外，據國內外統計資料顯示，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；出水水質好，工藝可靠性強；基建投資省，運行費用低等特點。
1.3 氧化溝技術的發展
自1920年英國sheffield建立的污水廠成為氧化溝技術先驅以來，氧化溝技術一直在不斷的發展和完善。其技術方面的提高是在兩個方面同時展開的：一是工藝的改良；二是曝氣設備的革新。
1.3.1 工藝的改良
工藝的改良過程大致可分為四個階段：
階段 型式
初期氧化溝 1954年，pasveer教授建造的voorshopen氧化溝，間歇運行。分進水、曝氣凈化、沉淀和排水四個基本工序
規模型氧化溝 增加沉淀池，使曝氣和沉淀分別在兩個區域進行，可以連續進水
多樣型氧化溝 考慮脫氮除磷等要求。著名的有de型氧化溝，carrousel氧化溝及orbal氧化溝等
一體化氧化溝 時空調配型（d型，vr型，t型等）合建式（bmts式，側溝式，中心島式等）
1.3.2 曝氣設備的革新：
曝氣設備對氧化溝的處理效率，能耗及處理穩定性有關鍵性影響，其作用主要表現在以下四個方面：向水中供氧；推進水流前進，使水流在池內作循環流動；保證溝內活性污泥處于懸浮狀態；使氧、有機物、微生物充分混合。針對以上幾個要求，曝氣設備也一直在改進和完善。常規的氧化溝曝氣設備有橫軸曝氣裝置及豎軸曝氣裝置。
1) 橫軸曝氣裝置為轉刷和轉盤。其中轉刷更為常見，轉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。從而造成傳統氧化溝較淺，占地面積大的弊端。近幾年開發了水下推進器配合轉刷，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，轉刷技術運用已相當成熟，但因其供氧率低，能耗大，故其逐漸被另外先進的曝氣技術所取代。
2) 豎軸式表面曝氣機，各種類型的表面曝氣機均可用于氧化溝，一般安裝在溝渠的轉彎處，這種曝氣裝置有較大的提升能力，氧化溝水深可達4－4.5米，如1968年荷蘭phv開發的著名carrousel氧化溝在一端的中心設垂直軸的一定方向的低速表曝葉輪，葉輪轉動時除向污水供氧外，還能使溝中水體沿一定方向循環流動。表曝設備價格較便宜，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，而國內通常是自吸空氣式，jac的優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，現在應用較多的微孔曝氣裝置，采用多孔性空氣擴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，在氧化溝技術運用中越來越廣泛，目前，我國廣東省某污水廠已成功運用此種曝氣系統。
5) 其他曝氣設備，包括一些新型的曝氣推動設備，如浙江某公司開發的復葉節流新型曝氣器，氧利用率較高，浮于水面，易檢修，充氧能力可達水下7米，推動能力相當強，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。
氧化溝在國內外都發展很快。歐州的氧化溝污水廠已有上千座，在國內，從20世紀80年代末開始在城市污水和工業廢水中引進國外氧化溝的先進技術，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 傳統氧化溝的脫氮除磷
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并非總是處于最佳的生長代謝環境中，由此也影響單位體積構筑物的處理能力。
隨著氧化溝工藝的反展，目前，在工程應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）及其改進型、卡魯塞爾氧化溝及其改進型、奧貝爾(orbal)氧化溝及其改進型、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，因而開發出現了功能加強的pi型氧化溝，主要由kruger公司與demmark技術學院合作開發的，稱為bio-denitro和bio-denipho工藝，這兩種工藝都是根據a/o和a2/o生物脫氮除磷原理，創造缺氧/好氧，厭氧/缺氧/好氧的工藝環境，達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，t型氧化溝為三溝系統，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刷的調速，在溝中創造交替的硝化，反硝化條件，以達到脫氮的目的。其不同之處在于de型氧化溝系統是二沉池與氧化溝分建，有獨立的污泥回流系統；而t型氧化溝的兩側溝輪流作為沉淀池。
2.2.2 vr型氧化溝脫氮工藝
vr氧化溝溝型宛如通常的環形跑道，中央有一小島的直壁結構，氧化溝分為兩個容積相當的部分，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行連續和恒水位運行。
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，為了達到除磷效果，通常在氧化溝前設置相應的厭氧區或構筑物或改變其運行方式。據國內外實際運行經驗顯示，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（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果表明，de型氧化溝處理城市污水效果顯著。cod、tn、tp的總去除效率分別達到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,出水水質優于國家二級出水排放標準。
上述三種pi型氧化溝脫氮除磷工藝都有轉刷的調速，活門、出水堰的啟閉切換頻繁的特點，對自動化要求高，轉刷利用率低，故在經濟欠發達的地區受到很大的限制。
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。應用上多為橢圓形的三環道組成，三個環道用不同的do(如外環為0，中環為1，內環為2)，有利于脫氮除磷。采用轉碟曝氣，水深一般在4.0～4.5m,動力效率與轉刷接近，現已在山東濰坊、北京黃村和合肥王小郢的城市污水處理廠應用。
2.4 卡魯塞爾氧化溝脫氮除磷工藝
2.4.1傳統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費用低等優點。carrousel氧化溝使用立式表曝機，曝氣機安裝在溝的一端，因此形成了靠近曝氣機下游的富氧區和上游的缺氧區，有利于生物絮凝，使活性污泥易于沉降，設計有效水深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，可在單一池內實現部分反硝化作用，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有氧化溝的改造，與標準的卡魯塞爾氧化溝工藝相比變動不大，相當于傳統活性污泥工藝的a/o和a2/o工藝。
2.4.3.合建式卡魯塞爾氧化溝
缺氧區與好氧區合建式氧化溝式美國eimco公司專為卡魯塞爾系統設計的一種先進的生物脫氮除磷工藝（卡魯塞爾2000型）。它的構造上的主要改進是在氧化溝內設置了一個獨立的缺氧區。缺氧區回流渠的端口處裝有一個可調節的活門。根據出水含氮量的要求，調節活門張開程度，可控制進入缺氧區的流量。缺氧和好氧區合建式氧化溝的關鍵在與于對曝氣設備充氧量的控制，必須保證進入回流渠處的混合液處于缺氧狀態，為反硝化創造良好環境。缺氧區內有潛水攪拌器，具有混合和維持污泥懸浮的作用。
在卡魯塞爾2000型基礎上增加前置厭氧區，可以達到脫氮除磷的目的，被稱為a2/c卡魯塞爾氧化溝。
四階段卡魯塞爾bardenpho系統在卡魯塞爾2000型系統下游增加了第二缺氧池及再曝氣池，實現更高程度的脫氮。五階段卡魯塞爾bardenpho系統在a2/c卡魯塞爾系統的下游增加了第二缺氧池和在曝氣池，實現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可以分為三階段a2/o系統以及四、五階段bardenpho系統，這幾個系統均是a/o系統的強化和反復，因此這種工藝的脫氮除磷效果很好，脫氮率達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。這種氧化溝設有專門的固液分離裝置和措施。它既是連續進出水，又是合建式，且不用倒換功能，從理論上講最經濟合理，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點外，還有以下獨特的優點：
①工藝流程短，構筑物和設備少，不設初沉池、調節池和單獨的二沉池；
②污泥自動回流，投資少、能耗低、占地少、管理簡便；
③造價低，建造快，設備事故率低，運行管理工作量少；
④固液分離效果比一般二次沉淀池高，使系統在較大的流量濃度范圍內穩定運行。
一體化氧化溝的工藝特點見下圖：
3 討論
1）提高中小城市污水治理率是今后污水治理領域的重點，對于規模小于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，國內應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混合作用與曝氣傳氧作用區分開來，使氧化溝中交替出現缺氧與好氧狀態，已達到脫氮除磷目的，同時這種運行方式還能取得節能的效果。據報道，這種綜合曝氣系統已在國外得到應用，在國內也可嘗試并推廣采用這種綜合曝氣設備。
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流動的特點，又克服了氧化溝因采用表面曝氣機而占地面積大，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，在取得較準確的設計參數的基礎上，可考慮使用立體式循環氧化溝。
5）在氧化溝工藝設計中，溝深的設計是一個很重要的問題，盡管水下推進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，從而需增加動力設備就不同，引起投資和運行費用的提高。不同地質情況，不同進水水質及處理要求，有不同的溝深要求。因此，每一個選用氧化溝工藝的污水廠，都因根據各種因素綜合分析以確定最佳的溝深。
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