废水处理设备

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氧化沟

2019-01-07
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1.概述

氧化沟是一种活性污泥处理系统,其曝气池呈封闭的沟渠型,所以它在水力流态上不同于传统的活性污泥法,它是一种首尾相连的循环流曝气沟渠,又称循环曝气池。最早的氧化沟渠不是由钢筋混凝土建成的,而是加以护坡处理的土沟渠,是间歇进水间歇曝气的,从这一点上来说,氧化沟最早是以序批方式处理污水的技术。

1954年荷兰建成了世界上第一座氧化沟污水处理厂,其原型为一个环状跑道式的斜坡池壁的间歇运行反应池,白天用作曝气池,晚上用作沉淀池,其生化需氧量(BOD)去除率可达97%,由于其结构简单,处理效果好,从而引起了世界各国广泛的兴趣和关注。

氧化沟(Oxidation Ditch)污水处理的整个过程如进水、曝气、沉淀、污泥稳定和出水等全部集中在氧化沟内完成,最早的氧化沟不需另设初次沉淀池、二次沉淀池和污泥回流设备。后来处理规模和范围逐渐扩大,它通常采用延时曝气,连续进出水,所产生的微生物污泥在污水曝气净化的同时得到稳定,不需设置初沉池和污泥消化池,处理设施大大简化。不仅各国环境保护机构非常重视,而且世界卫生组织(WHO)也非常重视。在美国已建成的污水处理厂有几百座,欧洲已有上千座。在我国,氧化沟技术的研究和工程实践始于上一世纪70年代,氧化沟工艺以其经济简便的突出优势已成为中小型城市污水厂的首选工艺。

2.发展过程

氧化沟工艺自诞生以来,其发展过程可分为四个阶段:

第一代氧化沟

Pasveer氧化沟当时用来处理村镇的污水,服务人口只有340人。这是一种间歇流的处理厂,它把常规处理系统的四个主要内容合并在一个沟中完成,白天进水曝气,夜间用作沉淀池,BOD5的去除率达到97%左右。

采用卧式表面曝气机曝气及推流,每隔一段时间,Pasveer氧化沟的曝气机就需停下来,使沟内的污泥沉淀,排出处理后的出水。第一代氧化沟沟深1~2.5m,为了达到连续运行,Pasveer氧化沟发展的多种形式,设置了二沉池。这一阶段的氧化沟主要是延时曝气系统。

第二代氧化沟

氧化沟因其简易、运行管理方便等优点,自60年代以来其数量和规模不断增长和扩大,处理能力已从300人口当量发展到目前的1000万人口当量。处理对象也从处理生活污水发展到既能处理城市污水又能处理工业废水。这期间,有相当多的工业废水也相继采用氧化沟技术进行处理的工程范例。

新一代氧化沟由于采用直径1米的曝气刷(Mammoth Rotor系由Passavant公司生产)和立式曝气器(DHV公司),使氧化沟的沟深逐步扩大。使用Mammoth Rotor沟深可达3.5m,沟宽可达20m。而使用立式曝气器的氧化沟,后来称为Carrousel氧化沟,沟深可达4.5m。这一阶段的氧化沟考虑到了硝化和反硝化(Simultaneous Nitrification/Denitrification)。

第三代氧化沟

随着氧化沟技术的发展,人们从不同的角度对氧化沟作了深入细致的研究,出现了许多种新型的氧化沟,如:

·DHV公司的Carrousel 2000型、Carrousel Dlenit型、DHV—EIMCO Carrousel氧化沟

·丹麦Kruger公司的双沟、三沟式氧化沟

·德国Passavant公司使用Mammoth Rotor的深型氧化沟

·美国Envirex公司的Orbal多环型氧化沟

这一阶段的氧化沟进一步考虑到了利用氧化沟进行除磷脱氮处理,许多新的概念被提出来,产生了许多新的设计方法。在这一时期,氧化沟出现不只是延时曝气低负荷系统,还出现了所谓“高负荷氧化沟”、“要求硝化的氧化沟”、“要求硝化反硝化及除磷的氧化沟”及“要求污泥稳定的氧化沟”等,还有许多的新的沟型出现。

第四代的氧化沟

80年代初期,美国最早提出将二沉淀池直接设置在氧化沟中的一体氧化沟概念,在短短的十几年中,这一概念在实际中得到迅速发展和应用,并显示出极为广阔的前景。所谓一体化氧化沟,就是充分利用氧化沟较大的容积和水面,在不影响氧化沟正常运行的情况下,通过改进氧化沟部分区域的结构或在沟内设置一定的装置,使污水分离过程在氧化沟内完成。美国环境保护局将这一技术称之谓革新即可选择的(I/A)技术。

一体化氧化沟由于其中沉淀区结构形式及运行方式不同,有多种型式,例如:

1)带沟内分离器的一体化氧化沟(BMTS式)

2)船形一体化氧化沟

3)侧沟或中心岛式一体化氧化沟(中国)

4)交替曝气式氧化沟

3.技术特点

氧化沟又名氧化渠,因其构筑物呈封闭的环形沟渠而得名。它是活性污泥法的一种变型。因为污水和活性污泥在曝气渠道中不断循环流动,因此有人称其为“循环曝气池”、“无终端曝气池”。氧化沟的水力停留时间长,有机负荷低,其本质上属于延时曝气系统。以下为一般氧化沟法的主要设计参数:

水力停留时间:10-40小时;

污泥龄:一般大于20天;

有机负荷:0.05-0.15kgBOD5/(kgMLSS.d);

容积负荷:0.2-0.4kgBOD5/(m3.d);

活性污泥浓度:2500-4500mg/l;

沟内平均流速:0.3-0.5m/s。

氧化沟的技术特点:

氧化沟利用连续环式反应池(Continuous Loop Reactor,简称CLR)作生物反应池,混合液在该反应池中一条闭合曝气渠道进行连续循环,氧化沟通常在延时曝气条件下使用。氧化沟使用一种带方向控制的曝气和搅动装置,向反应池中的物质传递水平速度,从而使被搅动的液体在闭合式渠道中循环。

氧化沟一般由沟体、曝气设备、进出水装置、导流和混合设备组成,沟体的平面形状一般呈环形,也可以是长方形、L形、圆形或其他形状,沟端面形状多为矩形和梯形。

氧化沟法由于具有较长的水力停留时间,较低的有机负荷和较长的污泥龄。因此相比传统活性污泥法,可以省略调节池,初沉池,污泥消化池,有的还可以省略二沉池。氧化沟能保证较好的处理效果,这主要是因为巧妙结合了CLR形式和曝气装置特定的定位布置,是氧化沟具有独特水力学特征和工作特性:

1) 氧化沟结合推流和完全混合的特点,有利于克服短流和提高缓冲能力,通常在氧化沟曝气区上游安排入流,在入流点的再上游点安排出流。入流通过曝气区在循环中很好地被混合和分散,混合液再次围绕CLR继续循环。这样,氧化沟在短期内(如一个循环)呈推流状态,而在长期内(如多次循环)又呈混合状态。这两者的结合,即使入流至少经历一个循环而基本杜绝短流,又可以提供很大的稀释倍数而提高了缓冲能力。同时为了防止污泥沉积,必须保证沟内足够的流速(一般平均流速大于0.3m/s),而污水在沟内的停留时间又较长,这就要求沟内有较大的循环流量(一般是污水进水流量的数倍乃至数十倍),进入沟内污水立即被大量的循环液所混合稀释,因此氧化沟系统具有很强的耐冲击负荷能力,对不易降解的有机物也有较好的处理能力。

2) 氧化沟具有明显的溶解氧浓度梯度,特别适用于硝化-反硝化生物处理工艺。氧化沟从整体上说是完全混合的,而液体流动却又保持着推流前进,其曝气装置是定位的,因此,混合液在曝气区内溶解氧浓度是上游高,然后沿沟长逐步下降,出现明显的浓度梯度,到下游区溶解氧浓度就很低,基本上处于缺氧状态。氧化沟设计可按要求安排好氧区和缺氧区实现硝化-反硝化工艺,不仅可以利用硝酸盐中的氧满足一定的需氧量,而且可以通过反硝化补充硝化过程中消耗的碱度。这些有利于节省能耗和减少甚至免去硝化过程中需要投加的化学药品数量。

3) 氧化沟沟内功率密度的不均匀配备,有利于氧的传质,液体混合和污泥絮凝。传统曝气的功率密度一般仅为20-30瓦/米3,平均速度梯度G大于100秒-1。这不仅有利于氧的传递和液体混合,而且有利于充分切割絮凝的污泥颗粒。当混合液经平稳的输送区到达好氧区后期,平均速度梯度G小于30秒-1,污泥仍有再絮凝的机会,因而也能改善污泥的絮凝性能。

4) 氧化沟的整体功率密度较低,可节约能源。氧化沟的混合液一旦被加速到沟中的平均流速,对于维持循环仅需克服沿程和弯道的水头损失,因而氧化沟可比其他系统以低得多的整体功率密度来维持混合液流动和活性污泥悬浮状态。据国外的一些报道,氧化沟比常规的活性污泥法能耗降低20%-30%。

另外,据国内外统计资料显示,与其他污水生物处理方法相比,氧化沟具有处理流程简单,操作管理方便;出水水质好,工艺可靠性强;基建投资省,运行费用低等特点。

传统氧化沟的脱氮,主要是利用沟内溶解氧分布的不均匀性,通过合理的设计,使沟中产生交替循环的好氧区和缺氧区,从而达到脱氮的目的。其最大的优点是在不外加碳源的情况下在同一沟中实现有机物和总氮的去除,因此是非常经济的。但在同一沟中好氧区与缺氧区各自的体积和溶解氧浓度很难准确地加以控制,因此对除氮的效果是有限的,而对除磷几乎不起作用。另外,在传统的单沟式氧化沟中,微生物在好氧-缺氧-好氧短暂的经常性的环境变化中使硝化菌和反硝化菌群并非总是处于最佳的生长代谢环境中,由此也影响单位体积构筑物的处理能力。

4.工艺缺陷

尽管氧化沟具有出水水质好、抗冲击负荷能力强、除磷脱氮效率高、污泥易稳定、能耗省、便于自动化控制等优点。但是,在实际的运行过程中,仍存在一系列的问题。

1、污泥膨胀问题

当废水中的碳水化合物较多,N、P含量不平衡,pH值偏低,氧化沟中污泥负荷过高,溶解氧浓度不足,排泥不畅等易引发丝状菌性污泥膨胀;非丝状菌性污泥膨胀主要发生在废水水温较低而污泥负荷较高时。微生物的负荷高,细菌吸取了大量营养物质,由于温度低,代谢速度较慢,积贮起大量高粘性的多糖类物质,使活性污泥的表面附着水大大增加,SVI值很高,形成污泥膨胀。

针对污泥膨胀的起因,可采取不同对策:由缺氧、水温高造成的,可加大曝气量或降低进水量以减轻负荷,或适当降低MLSS(控制污泥回流量),使需氧量减少;如污泥负荷过高,可提高MLSS,以调整负荷,必要时可停止进水,闷曝一段时间;可通过投加氮肥、磷肥,调整混合液中的营养物质平衡(BOD5:N:P=100:5:1);pH值过低,可投加石灰调节;漂白粉和液氯(按干污泥的0.3%~0.6%投加),能抑制丝状菌繁殖,控制结合水性污泥膨胀[11]。

2、 泡沫问题

由于进水中带有大量油脂,处理系统不能完全有效地将其除去,部分油脂富集于污泥中,经转刷充氧搅拌,产生大量泡沫;泥龄偏长,污泥老化,也易产生泡沫。用表面喷淋水或除沫剂去除泡沫,常用除沫剂有机油、煤油、硅油,投量为0.5~1.5mg/L。通过增加曝气池污泥浓度或适当减小曝气量,也能有效控制泡沫产生。当废水中含表面活性物质较多时,易预先用泡沫分离法或其他方法去除。另外也可考虑增设一套除油装置。但最重要的是要加强水源管理,减少含油过高废水及其它有毒废水的进入。

3、污泥上浮问题

当废水中含油量过大,整个系统泥质变轻,在操作过程中不能很好控制其在二沉池的停留时间,易造成缺氧,产生腐化污泥上浮;当曝气时间过长,在池中发生高度硝化作用,使硝酸盐浓度高,在二沉池易发生反硝化作用,产生氮气,使污泥上浮;另外,废水中含油量过大,污泥可能挟油上浮。

发生污泥上浮后应暂停进水,打碎或清除污泥,判明原因,调整操作。污泥沉降性差,可投加混凝剂或惰性物质,改善沉淀性;如进水负荷大应减小进水量或加大回流量;如污泥颗粒细小可降低曝气机转速;如发现反硝化,应减小曝气量,增大回流或排泥量;如发现污泥腐化,应加大曝气量,清除积泥,并设法改善池内水力条件。

4、流速不均及污泥沉积问题

在氧化沟中,为了获得其独特的混合和处理效果,混合液必须以一定的流速在沟内循环流动。一般认为,最低流速应为0.15m/s,不发生沉积的平均流速应达到0.3~0.5m/s。氧化沟的曝气设备一般为曝气转刷和曝气转盘,转刷的浸没深度为250~300mm,转盘的浸没深度为480~ 530mm。与氧化沟水深(3.0~3.6m)相比,转刷只占了水深的1/10~1/12,转盘也只占了1/6~1/7,因此造成氧化沟上部流速较大(约为0.8~1.2m,甚至更大),而底部流速很小(特别是在水深的2/3或3/4以下,混合液几乎没有流速),致使沟底大量积泥(有时积泥厚度达1.0m),大大减少了氧化沟的有效容积,降低了处理效果,影响了出水水质。

加装上、下游导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。上游导流板安装在距转盘(转刷)轴心4.0处(上游),导流板高度为水深的1/5~1/6,并垂直于水面安装;下游导流板安装在距转盘(转刷)轴心3.0m处。导流板的材料可以用金属或玻璃钢,但以玻璃钢为佳。导流板与其他改善措施相比,不仅不会增加动力消耗和运转成本,而且还能够较大幅度地提高充氧能力和理论动力效率。

另外,通过在曝气机上游设置水下推动器也可以对曝气转刷底部低速区的混合液循环流动起到积极推动作用,从而解决氧化沟底部流速低、污泥沉积的问题。设置水下推动器专门用于推动混合液可以使氧化沟的运行方式更加灵活,这对于节约能源、提高效率具有十分重要的意义。

5、导致有较多的大肠杆菌散发到空气中,引发了毒黄瓜的事件。

6、对于BOD较小的水质完全没有处理能力。


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