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一种新型的处理生活污水的立体循环一体化氧化沟 夏世斌 刘俊新水污染控制技术部门，生态环境科学研究院，中国科学院院士摘要 用创新型立体循环一体化氧化沟工艺处理污水，以消除水中含碳有机物和氨氮的试验的研究。这种新工艺不仅降低了氧化沟50%的占地面积，而且能源消耗仅为传统工艺的40%，而且它具有结构紧凑，操作简单，维护方便等特点。这种新的处理方法，沉淀区与氧化沟合建，沉淀的污泥可自动回流到氧化沟内，无需污泥回流设备。混合液流态无任何影响。在硝化过程中，有机碳能被很好的降解。在水力停留时间为12-20小时和温度为10-30，进水中化学需氧量，悬浮物，和NH4+N的平均浓度分别为420，152和59.2毫克/升时，出水中化学需氧量，悬浮物，和NH4+N的平均浓度分别为21，15.2和1毫克/升。关键词：一体化氧化沟 立体循环 废水处理1、 总述氧化沟工艺最初是由帕斯维尔博士在60年代设计的。世界上第一家氧化沟在荷兰北部的沃绍本投入使用，是一种间歇运行、曝气和沉淀利用一沟完成的氧化沟，一般来说，氧化沟断面为矩形或梯形，通过一种定向控制的曝气和搅动装置提供氧，随着氧化沟工艺不断改进，混合和曝气逐步代替二次沉淀池，沉淀后的污泥通过污泥泵回流系统返回到氧化沟。该氧化沟系统于20世纪60年代用于生活污水处理，它是一个具有成本效益的二级处理1。在20世纪6070年代，氧化沟普遍应用于整个欧洲（尤其是北欧国家)美国，澳大利亚，加拿大和南非，除了原有的帕斯维尔氧化沟，一些新型的氧化沟工艺和曝气设备逐渐形成。比如奥贝尔，卡鲁赛尔，一体化氧化沟，射流曝气等2。随着第二代氧化沟的发展，包括卡鲁赛尔D型、和T型的发展，沟内式氧化沟最早出现在美国,船形二沉池设置于氧化沟内3，不设污泥回流系统。沟内式氧化沟在处理污水过程中，由于不用单独设置二次沉淀池，污泥回流泵和管道，因此也称为一体化氧化沟，4-6。迄今为止，美国有约9200例氧化沟污水处理工艺，中国从第一座奥贝尔氧化沟在黄村污水处理厂建设以来，也有约40座氧化沟系统投入使用。氧化沟工艺的主要缺点是占地面积较大，这会使得城市，郊区或其他地区土地收购成本相对较高，从而限制氧化沟工艺系统的普及。 中国工业的迅速发展导致了工业废水排放量大幅度增加，再加上不适当的环境管理和规划，以及用于污水处理基础设施投资资金的有限性。据估计，从2000年到2010年中国将建成400座污水处理厂。由于中国是世界上人口最多的国家，土地已成为污水处理厂工艺选择的一个关键因素。因此，城市污水处理厂建设的困难是城市污水处理厂的日益需要和土地的限制。考虑到中国的这一挑战，一个新的氧化沟系统不但要保持传统氧化沟的优点还要减小占地面积，在这项研究中，一种创新的一体化氧化沟工艺，即带船式分离器的氧化沟污水处理系统在生活污水处理实验室被研究，这种氧化沟的混合液不再是水平循环而是立体循环的，其目的的减少氧化沟的占地面积和节约电力成本。2、材料和方法2.1 测试系统 船式氧化沟系统如图一所示。实验装置包括有机玻璃，一个单一沟道，一组曝气转刷和表一中的创新型整体净化系统组成，（表一）沟道道分为两层，一个置于底端，一个置于顶端，与水平循环的氧化沟不同，这种氧化沟的上层为好氧区，下层为缺氧区，通过曝气转刷的转动使混合液在上下循环过程中完成降解有机物和生物脱氮。在稳定的氧化沟系统中，厌氧区、缺氧区、好氧区的体积为10%，约50-70，约总沟的35-20，根据在不同的区域测定溶解氧（DO）浓度计算，在这种新工艺中，沉淀区设在氧化沟曝气转刷的另一端。它不影响混合液体的流态，无需回流泵，污泥可以自动回流到氧化沟。 1、实验装置图组成：（1）进水 （2）曝气转刷 （3）水面 （4） 沉淀池 （5）转刷 （6）废水 （7） 前沟 （8）回流污泥 （9） 混合液 （10）底沟 （11）隔板 表一 小规模船型氧化沟系统尺寸曝气沟参数曝气机参数长度(mm)590曝气转刷 宽度(mm)100长度（mm）80有效深度（mm）560直径（mm）140有效容积 （L)30浸没深度（mm）2025转子功率（kw）60旋转速度（r/min）602.2 分析 每天监测氧化沟的进水流量，PH值和温度，测量进出水中的SS, COD, NH+4 N, 和 NO3N的浓度以及采用标准分析方法分析总悬浮固体和挥发性悬浮固体10。在研究中，由于进水中有机氮NO2- _ N的浓度很低，因此忽略不计，则总氮为氨氮和硝酸氮的和。pH值用PHS3C型pH计测定；DO用YSI52型DO仪测定；NO2 _ N用离子色谱分析仪测定；COD和BOD5分别用CTL12型化学需氧量快速测试仪和BODTrakTM型生化需氧量测定仪侧定。 图2 溶解氧测量点和TOD的水流动力学特性 （1）进水 （2） 曝气转刷 （3）沟：（A），（B）和（E）层流区；（D）在E区和污泥区之间的涡流区 ，（G）涡流区2.3 原废水 该实验由中科院院士、生态环境科学研究中心中心负责，原废水来自邻近RCEES的下水道系统，首先通过泵打到船型氧化沟，实验过程各污染物特点如表2所示。 原废水 浓度范围 浓度 参数PH7.08.17.4流量（l/h）1.25.0SS（mg/l）50511152水力停留时间（h）625BOD5（mg/l）100280168污泥泥龄（d）3040COD（mg/l）273911420F/M（kgCOD/MLSS.d）0.120.25NH4+_N（mg/l）308059.2MLSS（g/L）1.94.9NO3-（mg/l）1.810.25.8TN（mg/l）3290652.4 操作条件 开始时进水流量较低，后来随着活性污泥量的增加而逐渐增加。随着进水流量的变化，当停留时间稳定时，COD的含量开始减少，且氨氮被清除。相应地，当水力停留时间分别为表二中的665小时中的七个值时，控制操作温度为1030，pH值为6.88.1。在上述条件下，个氧化沟系统运行四个月，即从2001年3月2001年7月，污泥泥龄控制在30-40天，每天都排放剩余污泥。3. 理论计算3.1 占地面积 容积率nV是废水处理过程中的重要参数。 （1） （2） 式中 Nv容积率（KgBOD5/m.d）； Q进水流量（m/d）； Sa进水中BOD5的浓度（mg/l）； V生物反应器的容积（m），V=SH，S氧化沟的面积，H氧化沟的有效水深。 3.2 能源消耗 氧化沟中水的流速可通过水力循环关系而计算出来，计算中忽略氧化沟的局部水头损失。 （3）式中： v氧化沟中水的流速（m/s）； P曝气机的功率（W）； R沟内的水力半径（m)； N曼宁系数（s/m1/3）； 效率（%）； 水的密度（kg/m）； g重力加速度（m/s2）； V氧化沟的体积（m）。 根据公式3 ，可以通过下式计算出曝气机的功率。 （4） （5） 式中常数如果氧化沟V和R保持不变，则氧化沟沉淀区的曝气机功率可通过下式计算： 4. 结果和讨论4.1 COD的去除对于有机碳，因为可以在低负荷的条件下完成降解，在该工艺中，氧化沟顶部强烈的动荡加速了活性污泥和废水的混合，生物的降解主要在好氧区中完成，整个处理过程中COD的去处效率如图3所示，COD的平均去除率为95%，最大去除率为98.5%，在氧化沟的缺氧区，反硝化细菌利用含碳有机物作为碳源，这可以消除对碳源的需要，减少好氧有机物降解所需的能源。分析过程中，把BOD5的含量作为一个衡量，COD的去除率可以从95%提高到98%。 图3 氧化沟中COD的去除率 4.2 NH4+N的去除 NH4+N的去除是通过微生物的好氧硝化实现的，通过进出水中 NH4+N含量的变化可以得出 NH4+N的去除率如图4所示， NH4+N的浓度较稳定，一般为0.51.5毫克/升，但由于在夜间氧化沟的前沟曝气转刷打滑等会使氧化沟中溶解氧的浓度较低，因此NH4+N得浓度偶尔也会偏高（5.6毫克/升）。4.3 反硝化反硝化作用主要在缺氧区中完成，而且受溶解氧浓度的影响。是由溶解氧抑制。 据Krul 12报导，但溶解氧浓度降低到0.1mg/l时，被还原的硝酸盐量会增加。即氧化沟中溶解氧的浓度很高13，缺氧区也会形成生物絮体。反硝化作用和硝化作用可以在平均溶解氧浓度在0.1和0.514-17毫克/升的一个单一的氧化沟 14中同时作用。在氧化沟系统中，可以通过调节曝气转刷在氧化沟中的浸没深度来保证缺氧区的溶解氧量，好氧区和缺氧的生物絮体可以存在。有人指出，如果出现污泥膨胀会形成图2中的污泥层。B区的溶解氧浓度最高，随着溶解氧浓度增加，水力停留时间也会增长，同时进水和污泥时，溶解氧的浓度会减小，溶解氧浓度随进水量和水力停留时间的变化关系如下表3所示。当B区溶解氧浓度下降到低于2.0毫克/升时，曝气转刷的转速会6072r/min。4.4 氧气供应和溶解氧浓度曝气转刷的主要功能是曝气。通过转动可以把大气中的氧气带入氧化沟混合液中，氧化沟氧气的需求取决于有机物（COD）去除率和硝化作用。曝气转刷的浸没深度，转动速度，温度以及污泥浓度和水力停留时间都会影响供氧能力和氧化沟中溶解氧浓度。如图2所示，在氧化沟中，好氧区为A和B量部分，缺氧区C和E和F沿沟体上游循环流动，D去为稳定的厌氧区。B区的溶解氧浓度最高，随着溶解氧浓度增加，水力停留时间也会增长，同时进水和污泥时，溶解氧的浓度会减小，溶解氧浓度随进水量和水力停留时间的变化关系如下表3所示。当B区溶解氧浓度下降到低于2.0毫克/升时，曝气转刷的转速会6072r/min。 4.5 污泥特性 如上面所论的，氧化沟的反硝化作用在沟道的上层完成，（图2中的D区)当系统处于稳定状态时，可以观察到污泥的颜色和污泥层。氧化沟中的污泥浓度为1.94.9g/l，MLVSS和MLSS的比为75%82%， SVI值维持在50-120毫升/克时，污泥泥龄为30天，维持在15-196毫克/升时，污泥泥龄为40天。当发生污泥膨胀时，SVI会连续两天达到268毫克/升。在整个实验期间，SVI值对SS去除率的影响不大。影响趋势如图5所示。4.6 力学特性在氧化沟处理系统中，水循环从曝气转刷开始，曝气转刷也是生物反应氧气的来源，在氧化沟中，水流速度应合理，以避免生物沉淀。如图2 所示，在氧化沟中，水流方向不是同一的，在沟道内，测量A、B、E区不同深度的流量，其他区产生动荡和涡流。在沟底部的层流速度为0.25m/s,顶层E去的流速为0.35m/s,这表明，在整个污水处理系统中，动量是守恒的。在该工艺中，混合污泥处于稳定状态。如图2所示，氧化沟中的平均水平速度直接对固体悬浮物浓度造成影响。因此，在表一的操作条件下，当水流速度为0.25m/s时污泥浓度最低。4.7 氧化沟中的水力停留时间和氨氮的去除 如图6所示，当进水中COD的浓度为503.2mg/l,氨氮浓度为67.18mg/l时，MLSS的浓度为3.6233.764，反应温度为2224时，如果水力停留时间从6小时增加到16.5小时，COD和氨氮的去除率会增加。当水力停留时间为6小时时，氨氮的去除率为66%，因此水力停留时间对氨氮去除率的影响较小，如图7和图8所示，在水力停留时间为16.5小时，MLSS浓度为3.063.83g/l，温度为2224摄氏度时，COD进水浓度从470.5增加到811.9mg/l，则出水中COD的去除率有93.4%降低到76%,但进水为4567mg/l的氨氮的去除率仍保持在98%99%。上述结果表明，有效地提高氧化沟系统中COD和有机物的去除效率需要增加水力停留时间。 图6 水力停留时间对COD、氨氮去除率的影响 COD=503.2mg/l ，氨氮的浓度为67.18mg/l，MLSS=3.6233.724mg/l，T=2224。 图7 水力停留时间为16.5小时，MLSS为3.063.83g/l，温度为 2224时COD的去除率 图 8 水力停留时间为16.5小时，MLSS为3.063.83g/l，温度为2224时COD的去除率4.8 土地面积和能源消耗4.8.1 节约土地面积 根据公式（1）和公式（2），无论是传统的氧化沟还是新型的一体化氧化沟，他们的容积率、进水流量和进水中BOD5的都是相同的，在传统的氧化沟中，有V=H1S1 ，在一体化氧化沟中，有V=H2S2因此有，在中国，传统氧化沟的有效水深为2.53米，18，而新型氧化沟的有效水深为5.5米，因此H2是H1的1.82倍。因此一体化氧化沟可以节约50%的占地面积。4.8.2 能源消耗 根据公式6，电力需求量与水流速度的三次方成正比，在传统的氧化沟沉淀区内，沟内水的最低流速为0.3m/s5,19,在一体化氧化沟中，上层曝气转刷的转动使水流速度达到0.25m/s，这是传统氧化沟系统的5/6,因此，当处理能力相同时，这种新型一体化氧化沟可节省40%的能源消耗。5. 结论这次调查的主要结论如下：（1） 一体化氧化沟工艺中，水力停留时间为1220小时，温度为1030，污泥泥龄为3040天时，COD和氨氮的去除效率较好。（2）一体化氧化沟中的混合液在缺氧区中为立体循环。（3）一体化氧化沟不仅可以节约50%的占地面积，40%的能源消耗，而且沉淀区和氧化沟合建，不设二次沉淀池和单独的污泥回流设备。致谢 本研究由中国科学院院士、国家自然科学发展基金委员会和中国节能投资公司提供资金支持。参考文献The main conclusions from this investigation can be summarized as follows: 1) The T.O.D system was capable of effectively removing COD and NH 4+-N at 12-20 h HRT, 10-30 C and 30-40 days SRT. 2) An anoxic zone was formed in the T.O.D system by utilization of vertical circulation instead of horizontal recycle. 3) The T.O.D system not only saves land area up to by 50% and energy consumption by 40%, but also it has advantages of eliminating the need for a separated secondary clarifier, return sludge pumping and pip- ing, comparing with the intrachannel clarifier oxidation ditches. Acknowledgements This research was financially supported by Chinese Academy of Sciences (CAS) (No. KZCX2-409); the Na- tional Natural Science Foundation of China and China En- ergy Conservation Investment Corporation (No. 50238050).References 1 Denton RS. History and development of oxidation ditch. Process Biochem 1977;Jan/Feb:3-6. 2 Mandt MG, Bell BA. Oxidation ditches in wastewater treatment. Ann Arbor Science Publishers, 1984. 3 Steusel HD. Oxidation ditch modification shows promise. Wat Eng Manag 1987;134:40-1. 4 Arcemont M. Wastewater process lives up to early promise. Wat Eng Manag 1993;140:28-9. 5 Velez OK, Foil J. Low-cost wastewater treatment with the use of an intrachannel clarifier in oxidation ditches. Wat Sci Technol 1988;19(Rio):625-32. 6 Navok JT, Christopher SA. Use of intrachannel clarification in the design of oxidation ditch. Civil Eng Prac Design Eng 1983;2:4445- 7 US Environmental Protection Agency, Office of Water, Washington, DC. 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