（环境工程专业论文）氧化沟推流的优化试验研究.pdf

摘要 我国污水厂普遍存在运行能耗高且对污水的脱氮除磷效果差，难以满足城市污水排放 量大的要求，因此在有效利用能源的情况下达到对水质的有效去除成为污水厂当前最主要的 任务。本课题通过对桂林市七里店城市污水厂的卡鲁塞尔( c a r r o u s e l ) 氧化沟系统中流体力 学及优化运行进行了试验研究，为解决了沟内存在的污泥沉积、流速不高等问题提供一定的 参考价值。 首先对曝气转刷及潜水式推进器的推动能力进行了理论分析，对不同类型的推流方式进 行了理论计算，结果表明潜水式推进器对氧化沟流体的推动能力比曝气转刷高3 倍左右。同 时还针对潜水式推进器的不同推力情况进行了简单的理论分析，分析结果表明开启6 台推进 器时的推力大小为8 8 6 8 9 n ，开启7 台推进器时的推力大小为1 2 0 4 4 5 n ，开启8 台推进器时的 推力大小为1 5 0 8 5 3 n ，此时氧化沟的流速为0 3 1 m s 。 利用f l u e n t 流场模拟软件，直观的分析氧化沟流场状况。结果表明单个推进器对氧化 沟的流体具有一定的推动作用，但是会引起沟内的水流速度不均上部流速明显大于下部流 速夫导致池底的淤泥沉积：随着推进器开启台数的增加，模拟图中流速明显增加，开启l 台 推进器时的平均流速为0 1 9 8 6 m s ，而开启6 台推进器是平均流速增加到0 3 9 4 m s ，开启7 台推 进器时平均流速达到0 4 7 0 m s ，开启8 台推进器时的平均流速为0 5 4 2 m s 。这与现场测量数据 基本吻合。对开启8 台推进器时氧化沟不同层面的流速比较得到，氧化沟的中部流速最大， 底部流速较上部流速要高，此时的氧化沟平均流速在0 3 m s 以上可以有效的防止污泥的沉积 现象，同时通过压力模拟值显示，8 台推进器产生的压力能够使流体在氧化沟内保持良好循 环流动效果。 对c a r r o u s e l 氧化沟进行现场测试分析，对比发现氧化沟同时开启8 台推进器时氧化沟 的整体流速达到0 3i m s ，没有悬浮污泥及污泥沉积现象。同时对氧化沟的溶解氧、m l s s 及水质指标进行现场检测。检测和分析结果表明，溶解氧在氧化沟形成缺氧一好氧缺 氧的循环状态，对氧化沟内的微生物进行脱氮除磷提供了较好的环境；m l s s 的测试结果显 示m l s s 值在2 0 0 0 2 4 0 0 m g n 之间，从另一侧面印证了沟内无污泥沉积现象；水质指标的检 测中c o d 、b o d 5 、s s 、总氮、氨氮及p h 的处理效果均较好，能达到城镇污水厂污染物 排放标准 ( g b1 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 一级a 标准，可以直接排放 关键词：c a r r o u s e l 氧化沟；三维模拟：流速 a b s t r a c t t h el o we f f i c i e n c ya n dh i g he n e r g yc o n s u m p t i o no x i d a t i o nd i t c ht h a tr e m o v e dn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sw a sw i l d l yu s e di nc h i n a i ti sd i f f i c u l tt om e e tt h eh i 曲d e m a n d so ft h eu r b a ns e w a g e e m i s s i o n s ，t h e r e f o r e ，i nt h ec 丛eo f e f f i c i e n tu 辩o fe n e r g yt oa c h i e v ee f f e c t i v er e m o v a lo fw a t e r q u a l i t y 丛t h em o s ti m p o r t a n tt a s ko ft h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t t h i ss u b j e c tr e s e a r c hi nf l u i d m e c h a n i c sa n do p t i m a lo p e r a t i o no ft h ec a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c hs y s t e mi ng u i l i nq il i d i a n , a n d i tp r o v i d es o m er e f e r e n c ev a l u ei no r d e rt os o l v et h es l u d g ed e p o s i t i o na n dl o wo ff l o wr a t e si nt h e o x i d a t i o nd i t c h f i r s t , w ea n a l y s i so ft h ed r i v e na b o u tf l o wp r o p e l l e ro fs u b m e r s i b l ea n da e r a t i o nr o t a t i n g b r u s hi nt h e o r e t i c a l l y , a n dc a l c u l a t i o no ft h ed i f f e r e n tt y p e so fp l u gf l o wi nt h e o r e t i c a l l y , t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o wp r o p e l l e ro fs u b m e r s i b l eh a st h r e et i m e sh i g h e rt h a nt h ea e r a t i o n r o t a t i n gb m s hi n d r i v e no x i d a t i o n a l s ow eh a v eas i m p l ea n a l y s i so ft h ed i f f e r e n tt y p e so f s u b m e r s i b l ef l o wp r o p e l l e r , t h ei m p e t u si s8 8 6 8 9 nw h e ns i xp r o p e l l e ri st u r n e do n ；t h ei m p e t u si s 12 0 4 4 5 nw h e ns e v e np r o p e l l e ri st u r n e do n ；t h ei m p e t u si s15 0 8 5 3 nw h e ne i g h tp r o p e l l e ri s t u r n e do n , a n dt h ef l o wr a t ei s0 3lm so ft h eo x i d a t i o nd i t c h f l u e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ew a su s e dw h i c ha n a l y s i so ff l o wf i e l do fo x i d a t i o nd i t c h t h e r e s u l t ss h o wt h a tas i n g l ep r o p e l l e ro no x i d a t i o nd i t c hf l o ww i t hac e r t a i nr o l e ，b u tw i l lc a u s et h e d i t c hw a t e ru n - u n i f o r mv e l o c i t y , v e l o c i t yw a ss i g n i f i c a n t l yl a r g e rt h a nt h eu p p e rl o w e rv e l o c i t y d u et ot h ep o o lb o t t o ms i l td e p o s i t i o n ；a l o n gw i it h ep r o p e l l e ro p e n i n gn u m b e ri n c r e a s e , s i m u l a t i o no ff l o wv e l o c i t yi n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , t oo p e no n ep r o p e l l e ro ft h ea v e r a g ev e l o c i t yi s q 19 8 6 m | s 。o p e n6p r o p e l l e ro f t h ea v e r a g ev e l o c i t yi s0 3 9 4 m | s 。o p e n7p r o p e l l e ro f t h ea v e r a g e v e l o c i t yi s0 4 7 0 m ，s ，o p e n8p r o p e l l e ro ft h ea v e r a g ev e l o c i t yi s0 5 4 2 m ，s i ti sc o n s i s t e n t 州廿l f i e l dm e a s u r e m e n td a t a o nt h eo p e n i n g8p r o p e l l e ra td i f f e r e n tl e v e l so ft h eo x i d a t i o nd i t c hf l o w a r ec o m p a r e d , o x i d a t i o nd i t c hb o t t o mf l o wv e l o c i t yi nt h em i d d l e ，u p p e rf l o wm u s tb eh i g h , t h e o x i d a t i o nd i t c ht h em e s a lv e l o c i t yo ff l o wi nt h e0 3 m ，sa b o v ec a ne f f e c t i v e l yp r e v e n ts l u d g e d e p o s i t i o np h e n o m e n o n , a tt h es s n et i m et h r o u g hp r e s s u r es i m u l a t i o nv a l u ed i s p l a y , 8s e t so f t h r u s t e r sp r o d u c i n gp r e s s u r e 啪t h ef l u i di nt h eo x i d a t i o nd i t c ht om a i n t a i ng o o dc i r c u l a t i o nf l o w e f f e c t o nc a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c hf o rf i e l dt e s t i n ga n a l y s i s ，c o m p a r i s o ns h o w st h a tt h eo x i d a t i o n d i t c ha tt h eo p e n i n go f8p r o p e l l e ra to x i d a t i o nd i t c ho v e r a l lv e l o c i t yr e a c h e d0 31m | s n o s u s p e n d e ds l u d g ea n ds l u d g es e d i m e n t a t i o n a tt h es a m et i m e0 1 1t h eo x i d a t i o nd i t c hd i s s o l v e d o x y g e n , m l s sa n dw a t e 4 q u a l i t yi n d e xf o ro n - s i t ed e t e c t i o n d e t e c t i o na n da n a l y s i st h er e s u l t s s h o wt l i a l t h ed i s s o l v e do x y g e ni no x i d a t i o nd i t c ht h ef o r m a t i o no fa n o x i ca e r o b i c 蛐o 】i 口皓 u c i r c u l a t i o ns t a t eo fo x i d a t i o nd i t c h , t h em i c r o b i a lr e m o v a lo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u st op r o v i d ea b e t t e re n v i r o n m e n t ；m l s st e s tr e s u l t ss h o wt h a tm l s si n2 0 0 0 2 4 0 0 m g l ，f r o ma n o t h e rf l a n k c o n f i r mt r e n c hw i t h o u ts l u d g es e d i m e n t a t i o n ；w a t e rq u a l i t yi n d e xd e t e c t i o no f c o d , b o d 5 ，s s ， t o t a ln i 仃o g e n , a m m o n i an i 仃o g e n , a n dp hp r o c e s s i n ge f f e c ti sc o m p l i a n c e ，c a na c h i e v et h e ”u r b a n s e w a g ep l a n tp o l l u t a n td i s c h a r g es t a n d a r d ”( g b18 918 2 0 0 2 ) l e v e las t a n d a r d s ，锄b ed i r e c t l y d i s c h a r g e d k e yw o r d s ：c a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c h ；t h r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n ；v e l o c i t y 1 i i 桂林理工大学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 目前城镇水资源及污水处理现状 自古以来，水是生命之源，地球上水面积占7 0 8 ，但淡水资源却极其有限， 同时经济的高速发展使得人类活动逐步污染甚至破坏着自己赖以生存的水环境， 因此，如何保护和利用水资源成为当下迫切需要解决的问题。近年来，随着现代 社会经济的高速发展、人口密度的持续加大，导致了城市规模化发展速度的加快， 城市的供水压力随着人口的增加而逐步加大，从而使得我国城市水资源问题日渐 突出，对水环境的保护也越来越引起人们的重视。据统计，中国多年平均水资源 总量位于世界第6 位，达2 8 1 0 0 亿m 3 ，然而人均水资源量仅为2 2 0 0m 3 ，是世界 平均水平的四分之一，而且水资源的在空间分布上显得极不平均【l j ，南方的水资 源总量比北方要多5 倍。同时中国存在不同程度缺水的城市高达3 3 3 个，其中有 1 0 8 个城市属于特别缺水的区域【2 】，中国有接近4 0 0 0 万的人用水困难，城市日缺 水量近1 6 0 0 万m 31 3 1 。目前，我国大部分城市由于对水资源的浪费严重，使得很 多城市都面临了缺水的窘迫，加上一些城市缺乏对水资源的有效保护，导致了水 资源污染也日益加剧，这直接影响了工农业生产。统计表明，每年中国城市都会 因为水资源短缺而影响工业生产值，其导致的经济损失高达2 0 0 0 多亿元。以广 东省为例，其尽管其城市水资源总量占全国前列，但由于缺乏对水源的有效保护， 2 0 0 0 年由于水质差，水源无法利用等问题导致经济损失高达1 2 亿元。水资源的 污染问题不容小视，中国江、河、湖泊和水库已受污染的约占8 2 3 1 4 1 。由于大 量城市污水未经处理或处理不达标后直接排入河流水体导致对水体污染严重， 2 0 0 5 年有废水未经处理就直接排放的量占该年废水排放总量的3 0 以上，达到 1 5 8 7 亿m 31 5 1 ，到2 0 0 8 年全国废污水排放总量达到7 5 8 亿t 。因此，当前水污染 治理的重点是如何有效的处理城市生活污水。 从上个世纪至今，中国城市污水处理厂开始逐步进入全面建设时期。1 9 2 1 年，上海北区污水处理厂的建立标志着城市生活污水处理事业的正式开始。但是， 随着经济建设和人口的飞速增长，污水处理厂的建设远远赶不上社会经济发展的 速度，使得城市污水的污染问题越来越严重。在十五期间，国家要求城市建设污 水处理厂以提高污水处理率，保证污水达标排放，改善城市水环境状况为主要目 的1 6 ，采取有效的工艺技术处理污水，使其排入河流不造成水体污染。从2 0 0 0 年至2 0 0 5 年，中国城市污水处理厂增长了8 5 4 8 ，污水集中处理能力增长了 1 6 5 3 1 ，已经建成并运行的城镇污水处理厂有接近2 0 0 0 座，处理污水量高达 2 8 0 亿m 3 1 7 1 ，有效的保证了污水达标排放的问题。随着城市污水处理设施建设的 桂林理工大学硕士学位论文 迅速发展，污水年处理总量仍每年增加，从2 0 0 0 年的1 1 3 5 6 亿m 3 增长到2 0 0 5 年的1 8 6 7 6 亿m 3 ，同时污水处理率不断提高，平均每年增加约3 5 4 。由于污 水处理率受到排污量、地域等因素影响，据2 0 0 6 年统计，中国城镇生活污水处 理率只有4 3 8 ，其中，北京的城镇生活污水处理率居首位，达到8 9 3 ，上海 其次为7 7 o ，天津7 3 9 ，而污水排放量全国第一的广东省其污水处理效率仅 为4 2 7 ，低于全国平均水平；西部地区，如宁夏、云南等省份尽管城市污水排 放量小，但由于其污水处理配套设施跟不上，处理能力低，使其城市的污水处理 率高，基本位列全国前5 位，甚至要超过江浙地区的城市污水处理率邛j 。虽然 近年来中国各城市污水处理发展速度加快，污水处理率也有了很大的改善，但其 总体处理能力仍然偏低，加上地区的分布不均匀，与其他发达国家相比差距较大。 目前越来越多的人开始关注城市生活污水的治理问题，城市生活污水的处理 工艺也逐步呈现出多样化，自动化程度大幅加强，使得污水处理效果有大幅度地 提高。城市生活污水处理工艺包括物理化学法、高级氧化技术及生物处理技术等 阴。其优缺点如下： 表1 1 各种不同处理工艺优缺点 其中氧化沟由于其独特的净化机理与设备结构，从而在生物处理法中呈现出 了最明显的优势。美国环境保护署( e p a ) o 】将不同的生物处理工艺的基建投资费 用和运行成本进行了具体分析，结果表明：当城市生活污水处理量越小，其氧化 沟其所需的运行费用越低。当处理规模不同，建造成本也有所不同。例如处理量 为3 7 8 5m 3 d 和1 8 9 2 5m 3 d 时，氧化沟污水处理厂的基建投资费用相比于传统活 性污泥法时分别可以节约1 7 和2 2 。因此，氧化沟工艺在经济上拥有明显的 优势，特别适合于我国中小型城市污水处理l l 。 2 桂林理工大学硕士学位论文 1 2 氧化沟工艺介绍 氧化沟( o x i d a t i o nd i t c h ) i 艺是一种先进实用的生物处理技术，因运行稳 定、操作维护方便、出水水质优良且具有良好的脱氮除磷效果从而得到了广泛的 应用【l 引。2 0 世纪9 0 年代至今，为适应污水处理不断发展的要求，通过改进和完 善污水厂氧化沟的工艺和机械设备，通过在在传统氧化沟前增设了厌氧池和缺氧 池，使该工艺的生物脱氮除磷能力进一步增强，而且在其曝气推流方面也在不断 的改进，使其有效降低能源损耗而不影响其对水质的处理。 1 2 1 氧化沟工艺基本原理 氧化沟工艺是活性污泥法的一种变型，属于延时曝气的活性污泥法1 1 3 】，从 水流混合的特征上区分属于完全混合式，且又具备推流式的一系列特征1 1 4 1 。因 此氧化沟中存在厌氧区、缺氧区、好氧区三个交替出现的区域，同时具备反硝化 和硝化作用，为污水生物脱氮、除磷提供了有利的条件。 1 2 2 氧化沟工艺主要构造特点 氧化沟( o x i d a t i o nd i t c h ) 又被称作连续循环式反应器( c o n t i n o u sl o o p r e a c t o r ) ，它是一种传统活性污泥法处理污水技术的改良，其曝气池是封闭的环 状沟型，活性污泥混合液和污水在其中不断的循环流动i l 列，形成了厌氧、缺氧、 好氧段，于是也经常称为“无终端的曝气系统”、“循环曝气池”。 目前氧化沟的构筑物主要包括：进出水装置、导流沟渠、氧化沟池体、曝气 与推流设备以及其他附属型构筑物。从平面图上看，氧化沟池体一般呈环形沟渠 状，且多为矩形或椭圆形，也有圆形氧化沟。同时其池体一般采用钢筋混凝土浇 注，也可以采用混凝土或石材作护坡【l6 o 丌。氧化沟内曝气推流的设备主要有：曝 气转刷、曝气转盘、表面曝气机、射流曝气器、微孔曝气器以及潜水推流器。 1 2 3 氧化沟的特点 1 2 3 1 氧化沟的工艺特点 ( 1 ) 简化预处理。氧化沟工艺的水力停留时间和污泥泥龄较长，并且氧化 沟内有机性悬浮颗粒物都能保持在一个稳定好氧的条件下，使污泥产率低，为后 续处理做好准备。 ( 2 ) 具有推流式流体流态特征。在流态上，虽氧化沟工艺拥有部分完全混 合的特性，但其水流主要以推流形式为主。氧化沟内污水中的溶解氧浓度沿着混 合液流态的方向，形成了不同的浓度梯度，从而表现出了好氧区、缺氧区及厌氧 区。如果运行条件良好，此工艺完全可以有效达到脱氮除磷的效果。 3 桂林理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 占地面积少。由于氧化沟独特的工艺特性，不需要设置初次沉淀池和 污泥消化池，为减少占地面积通常不单设二次沉淀池，使泥水分离都在同一个沟 体内进行，大大节约土建成本。 ( 4 ) 精简工艺。近年来，将氧化沟主体和二次沉淀池合建的一体式氧化沟 已逐步开始应用与污水处理中，从而使处理流程更为简化1 4 ，也取得了良好的运 行效果。 1 2 3 2 氧化沟的技术特点 ( 1 ) 在构造方面的特点。氧化沟沟体一般是以环形沟渠状呈现在人们面前， 总的来说多为圆形和椭圆形，长度可达到几十米，有的甚至达几百米以上。且样 式各异，既有与二次沉淀池分建也有合建的氧化沟。同时，沟渠可以是单沟也可 是多沟形式。多沟系统可以为三沟式氧化沟，是一些相互平行、尺寸相同的沟渠 组合而成，也可以如奥贝尔氧化沟，是一组同心且又相互连通的沟渠。 ( 2 ) 曝气推流的强度可调节。氧化沟的曝气强度以及推流形式可以通过以 下两种方式进行适当调节：调节沟内曝气器的转速可以改变沟内的曝气程度， 进而改变沟内混合液的溶解氧浓度。改变氧化沟内出水溢流堰的高度，升高或 者降低其沟内的有效水深，进而曝气装置被淹没的深度也会随之改变，水压的变 化最终导致曝气强度的不断变化，保证氧化沟的正常运行，且出水达到所需要求。 由于曝气设各同时具有曝气与推流的作用，因此调节曝气器转速也就相当于改变 了氧化沟沟体内液体混合物的推动力【l g - 2 0 1 。 ( 3 ) 曝气推流设备形式多样。常见的曝气设备主要有曝气转盘射、表面曝 气机、微孔曝气器、曝气转刷、射流曝气器和混合曝气系统，而常见的推流设备 通常是潜水搅拌机。 1 2 4 氧化沟的类型 1 2 4 1 奥贝尔( o r b a l ) 氧化沟 奥贝尔氧化化沟主要是由多个椭圆形池体的同心沟渠组成，因此又被称为同 心沟型氧化沟。该工艺是由来自南非的休斯曼( h u i s m a n ) 研究者设计开发而成， 1 9 7 0 年美国的e n v i r e x 公司经过实地研究后开始投放于市场并正式运行。奥贝尔 氧化沟系统一般采用的是椭圆形或者同心圆式渠道，并将沟内的各渠道相互连 通，水由最外环渠道开始进入，逐步流入沟体内部渠道，并在其中不断的循环， 最后通过中心渠道流入二次沉淀池。这就相当于将多个完全混合式反应器串联在 了一起，大大加强了对污水处理的效果，使出水水质能达标捧放。由于沟体是由 同心圆构成，不同直径渠道的容积不同，通常将奥贝尔氧化沟渠道分为三层，最 外环渠道、第二层渠道和第三层渠道的容积分别占沟渠总容积的6 0 、3 0 和 4 桂林理工大学硕士学位论文 1 0 ，水深设为2 m - 3 6 m ，是沟内的水体流速能保持在稳定的范围( 一般为 0 3 m s 0 9 m s ) 。该系统多采用曝气转盘作为主要曝气设备为沟内混合液提供溶 解氧，其安装数量取决于进水水质和液体混合物所需的溶解氧量。 因此奥贝尔氧化沟这种圆形沟体构造尤其独特的优点，从水力学角度来看， 它有利于水体流动的连贯性，不会造成死角区域，这大大节省了能源的输出，同 时，转盘曝气系统不但不受水深的限制，而且能够调节单个转盘的数量控制各个 区域的溶解氧量，保证了水质的处理效果。但是这种氧化沟唯一存在的缺点就是 需要有自己独立的沉淀池，占地面积偏大，对土地资源紧缺的地区不适宜。 1 2 4 2 交替式氧化沟 交替式氧化沟最早是由丹麦的克鲁格( k r u g e r ) 公司研发而成的【捌，主要分 为双沟式、三沟式两种池型和半交替工作式氧化沟。 交替式氧化沟通常不需要设二次沉淀池，它是通过将曝气和沉淀过程交替运 行，因此节省了污泥回流装置，基本造价低，维护管理方便。 ( 1 ) 双沟式氧化沟 双沟式交替工作氧化沟主要由a 、b 两体积相等的水池组成，池内水体相通， 从而保证个沟内水深相同，没有独立的二沉池，通过串联运作，并交替作为沉淀 与曝气之用，运行周期一般为8 h ，保证进出水的连续运行。同时池内的曝气装 置通过间歇运作，为水体提供溶解氧，保证水体硝化与反硝化过程的顺利进行， 其利用率约为4 0 2 3 1 。双沟式氧化沟具有出水水质好、无需污泥回流，污泥活 性稳定等优点，而不足之处在于对设备的利用率偏低，对污水脱氮除磷效果也不 是很好，故不能广泛应用于生产实践中。 ( 2 ) 三沟式氧化沟 三沟式氧化沟( t 型氧化沟) 是在间歇式氧化沟基础上发展起来的一种连续 活性污泥法，主要由三个大小相同、体积相等的氧化沟体组成，并集曝气与沉淀 与一体，按时间的先后顺序交替运行，沟体进水口与配水井相连，侧面设有出水 口，同时三个池体互相连通，每个氧化沟内都安装有曝气转刷设备，为水中活性 污泥提供足够的溶解氧，供其生长。曝气转刷对溶解氧的利用率可高达6 0 以上 阱l 因此三沟式氧化沟的主要优点有：节省投资。三沟式氧化沟由于结合了曝 气与沉淀的双重作用，不需要再修建二沉池，也无需污泥回流及其附属装置，包 括回流泵房、回流泵等一系列建筑和设备等，从而节省了不少的运行费和土建费 用。脱氮效果良好。三沟式氧化沟池体容积大，可通过改变曝气转刷的运转速 度及安装位置，进一步控制沟内的好氧与缺氧状态，同时也让硝化细菌与反硝化 细菌能在自己适宜的区域内快速生长繁殖，从而达到脱氮的效果。但是由于三沟 5 桂林理工大学硕士学位论文 式氧化沟是进水和出水同步进行的，因此会存在一定的污泥迁移现象，污泥浓度 也会发生一定的变化，对水质的处理带来了一定的影响，同时由于该氧化沟的容 积利用率偏低，厌氧区域不明显，制约了污水的除磷效果。必然导致各沟内污泥 活性的改变，污泥就会产生明显的漂移现象，进一步对沟内溶解氧浓度产生影响， 改变污水的处理效果，所以就混合物的沉淀时间、沉淀后排泥的方式等参数在三 沟式氧化沟的设计之初与运行管理之中都要做最充分考虑和准备p j 。 ( 3 ) 半交替工作式氧化沟 半交替工作式的氧化沟兼有交替和连续工作的双重运行特点，可以有效的改 变沟内溶解氧含量，使沟体形成好氧、缺氧区，是微生物的硝化与反硝化过程顺 利进行，污水脱氮效果更好。同时该类型氧化沟建有单独的二次沉淀池，从而实 现了曝气与沉淀完全分离，有利于泥水分离，保持水质良好。其中最典型的半交 替工作式氧化沟当属d e 型氧化沟。 d e 型氧化沟是专门为实现生物的脱氮而研发而成的一种工艺。不同与其它 氧化沟的方面在于该池型有自己独立的二沉池和污泥回流体系，为硝化与反硝化 过程提供了平台，为水体脱氮效果起到了很好的帮助。同时，若在其池体前加设 一厌氧池，可同时达到脱氮与除磷的双重效果 2 6 - 2 7 1 。 1 2 4 3 一体化氧化沟工艺( i n t e g r a t e do x i d a t i o nd i t c h ) 一体化氧化沟【2 8 】广义上通常被称作合建式氧化沟，该氧化沟主要特点是将 曝气、污泥沉淀、泥水分离及污泥回流等功能结合在一个系统内，不再建单独的 二沉池，工艺流程缩减，占地面积减少，同时由于采用了独特的固液分离器，加 大污泥的表面负荷，省去污泥回流装置，因此土建及运行费用大大降低。然而由 于固液分离器特殊的结构在实际运行过程中，虽然能有效提高污泥的表面负荷， 但污泥表面粘性常常会产生生物粘膜，从而堵塞分离器，影响分离效果，因此这 会增加污水厂工作人员维护的工作量。 1 2 4 4 卡鲁塞尔( c a r r o u s s e l ) 氧化沟 1 9 6 7 年荷兰d h v 公司研发的卡鲁塞尔氧化沟 2 9 1 是一种环形氧化沟，对污水 中总氮的去除有很好的效果。该系统主要通过在沟体顶端安装曝气系统，兼曝气 和推流的双重功效，污水在其内折回流动，并处于完全混合状态，使沟内泥水混 合物能在缺氧与好氧的状态下交替运行，有机物和氮盐等物质逐渐被消耗掉，达 到污染物的去除效果。 卡鲁塞尔氧化沟工艺简单，拥有较强的抗冲击负荷能力，污水水质相对稳定。 对b o d 、c o d 去除率能达到9 0 以上，脱氮除磷效果明显，且污泥稳定无需消 化处理，因此适用于中小规模的城市污水厂。目前卡鲁塞尔氧化沟已经开发出三 6 桂林理工大学硕士学位论文 种类型的沟体，包括：普通卡鲁塞尔氧化沟、卡鲁塞尔2 0 0 0 氧化沟及卡鲁塞尔 3 0 0 0 氧化沟。 ( 1 ) 普通卡鲁塞尔氧化沟 第一代卡鲁塞尔氧化沟普通卡鲁塞尔氧化沟，是d h v 公司通过结合氧 化沟优点及常规污水处理等特点研发而成的氧化沟体系，该体系以b o d 5 的去除 为主要目的，对氨氮也显示出良好的去除效果。 普通卡鲁塞尔氧化沟工艺将回流污泥与进水一起再排入氧化沟沟渠内，通过 回流污泥中好氧微生物在曝气条件下利用吸附与代谢功能将水中有机污染物代 谢分解，部分用于合成自身的物质，同时将水中氨氮转化成硝酸盐氮与亚硝酸盐 氮，达到去除污染物的效果。普通卡鲁塞尔氧化沟通常采用表面曝气机为系统充 氧，正常条件下可使水中溶解氧保持在2 - - 一3 m g l ，供微生物正常生长。表面曝 气机不但能给系统提供氧气，还能对泥水混合物产生推流的效果，水流在曝气机 下游处于湍流状态，溶解氧大大增加，随后水体逐渐恢复成平流状态，溶解氧降 低，从而保证水体在系统内处于好氧与厌氧的交替循环状态，保证污染物的去除， 同时也有效防止了污泥沉降。普通卡鲁塞尔氧化沟工艺流程图见图1 1 。 出水 图1 1 普通c a r r o u s e l 氧化沟 ( 2 ) 卡鲁塞尔2 0 0 0 系统 第二代卡鲁塞尔氧化沟系统卡鲁塞尔2 0 0 0 系统。该系统主要由荷兰 d h v 公司和美国e m c o 公司在第一代卡鲁塞尔氧化沟的运行基础上共同研发而 成。主要特点是在第一代卡鲁塞尔氧化沟系统前，增加了厌氧区与缺氧区( 即反 硝化区) ，加强了普通卡鲁塞尔氧化沟的脱氮除磷功能1 3 0 l ，以利于污水进一步的 脱氮除磷。 卡鲁塞尔2 0 0 0 系统将约3 0 的污水与回流污泥共同进入系统缺氧区，使污泥 7 桂林理工大学硕士学位论文 中微生物在缺氧条件下利用污水中的碳源，将剩余的硝氮再进行反硝化作用，同 时聚磷菌在此条件下释放出部分磷酸盐，为磷的去除创造了条件，并且该过程能 将溶解氧彻底消耗掉，为厌氧池提供所需的厌氧条件。而在厌氧池内为防止污泥 沉降，常安装污泥搅拌器使泥水混合均匀，聚磷菌在既无分子氧也无化合态氧的 条件下充分释放磷源，进入好氧系统后，通过硝化、聚磷菌吸磷、代谢等一系列 反应后，达到对氨氮、磷、有机污染物的去除，而最终出水排入二沉池。这样， 在卡鲁塞尔2 0 0 0 系统内，能同时完成b o d 、c o d 、氮、磷等去除的任务，且去 除效果明显。具体工艺流程图见图1 2 。 反硝化区 - 气器 图1 2c a r r o u s e l2 0 0 0 系统 ( 3 ) 卡鲁塞尔3 0 0 0 系统 第三代卡鲁塞尔氧化沟卡鲁塞尔3 0 0 0 系统【3 l j ，是进一步升级改造后的 系统，与卡鲁塞尔2 0 0 0 系统相比，该系统又多增加了一个区域一生物选择区。 该区主要目的是为了抑制丝状菌的增长，通过筛选出优势菌属，以提高污染物的 去除效率。卡鲁塞尔3 0 0 0 系统采用了环形设计，因此有效减少了占地面积，大大 节省了土建成本。 卡鲁塞尔3 0 0 0 系统独特的设计理念，使它拥有以下三大特点：相比于卡 鲁塞尔2 0 0 0 系统，其独特的圆形一体化设计，对管道的安装、布置等方面有便 利的选择，减少了管线的安装，方便污泥回流等工艺单元的分配。系统安装了 q x y a t o r 表面曝气器，大大增加了沟体有效工作水深，最高可达7 5 m ，这就相当 于可有效节省氧化沟的占地情况。采用了一体化的设计。按照从池周围环形向 内部中央区域可依次分为以下单元：外环为带有反硝化功能的卡鲁塞尔2 0 0 0 主 反应区、其次为曝气器系统、不同阶段的厌氧池和选择池、最中间区域为进水井。 基本工艺流程图见图1 3 。 8 桂林理工大学硕士学位论文 1 2 5 氧化沟节能措施 图1 3c a r r o u s e l3 0 0 0 系统 城市污水处理厂能源消耗主要以电能为主，基本上占总能源的9 0 左右，水 泵和曝气机是主要耗能大户【3 2 1 ，跟美国、日本等发达国家在能耗方面相比，我 国城镇污水处理厂具有十分强大的节能潜力，因此有必要采取一定的措施来降低 能源的损耗【3 3 1 。通常污水厂中曝气系统是最主要的耗能系统，约占总耗能的6 0 以上1 3 4 1 ，目前，国内绝大多数城市污水处理厂为减少风量，都是在曝气池内直 接安装曝气设备，通过在局部产生大量小涡旋，加大污水与空气的接触面积，提 高溶解氧的利用效率，既节省了电能，有达到污水处理的效果。 1 ) 控制溶解氧 根据水质在不同时候的变化合理控制曝气转刷的运作时间，改变不同池段的 溶解氧含量，可有效降低污水厂曝气设备的能源消耗。一般来说，氧化沟好氧阶 段溶解氧含量宜保持在2 0 m g l 左右最适合活性污泥中微生物的生长繁殖，而经 过现场试验研究后，适当降低溶解氧的含量后只是污泥的颜色发生了一定的变化 但并没有影响活性污泥对水中污染物的降解作用，计算得出单一沟体内溶解氧 每降低0 i m g l 可节约电量2 4 ( k w h ) d ，原建光【3 5 l 等研究了康达环保水务有 限公司的改良型卡鲁塞尔氧化沟，通过采取合理安排来控制曝气转刷的运作时 间，改变沟体的溶解氧含量，取得了一定的效果，有效节约了电费，提供了泵的 工作效率，且出水水质不受影响。刘艳平l 蚓等在德州市污水处理厂内进行了一 系列节能降耗的措施研究，其中一种主要手段是降低溶解氧含量，将沟体内溶解 氧含量保持在1 0 m g l 左右，尽管污泥颜色变黑，但活性污泥依然能正常生长， 且对水中c o d 、氨氮等依然保持了较高的去除率。 9 桂林理工大学硕士学位论文 2 ) 控制回流比 回流比在污水处理中起了比较的作用，不同时段采取不同的回流比不但可以 有效改善水质，同时可以有效节约能源的耗费。夏季水温较高的时间内，微生物 拥有较高的活性，新陈代谢快，污泥增长量大，在这时期内可通过调节污泥回流 比，控制污泥浓度在2 5 0 0 m g l 左右，这样减少水中固体颗粒物，有利于提高转 刷的效率，同时也防止了二次沉淀池厌氧情况的发生。而将污泥回流比从原来的 1 0 0 降到7 5 ，首先从工艺角度上看相当于降低了回流量，使得污水在氧化沟 内水力停留时间增加，硝化作用于反硝化作用加强，对氮的去除率也有一定的提 高，有效的改善了出水水质。从设备运转方面来看，回流比的降低对二沉池内泥 水分离的效果有一定的促进作用，使得回流泵运作时对微生物损害降低，也提高 了回流泵的工作效率。据计算，将回流比从原来的1 0 0 降低到6 2 6 后可节约 电能5 1 9 ( k w h ) d 。邓荣森阳等在成都城北污水处理厂内通过水力内回流和自 动回流等一些优化运行方式后，大大降低了污水厂的能耗，有效节约了成本。 此外，部分地区在不同时段电价也有所不同，因此可错开这些时段，控制进 水量，适当调整曝气系统，如在电价较低时间段，可加开几台曝气机，使得溶解 氧大大增加，这样到下一个电价高峰期就可以适当减少曝气机的开启台数，保证 微生物正常生长，节约电费。 1 3 潜水搅拌器在氧化沟中的应用 1 3 1 潜水搅拌器简介 潜水搅拌器又称潜水搅拌机1 3 s - 4 0 ，是集搅拌与推流于一体的新型高效装置， 该设备主要由潜水电机、叶轮、手摇卷扬、密封机构、机构、电气控制等部分构 成，通过叶轮的旋转而形成一股轴向射流使其产生体积流，进而带动整个水体的 流动，一般被用于含流体介质的工业过程中，起到搅拌流体、防止沉淀、保持一 定的流速等作用，如：市政污水处理工艺中的氧化沟内，工业生产中管道煤气脱 硫、某些生物反应等等。同时潜水搅拌器在定向和定位上拥有一定的灵活性，能 适应不同的水池形状，保证体积流最大的情况下实现搅拌的有效性和能耗的最低 化1 4 1 1 。 1 3 2 潜水搅拌器的分类与应用特点 1 3 2 1 潜水搅拌器的分类 潜水搅拌器按自身的特性和技术指标可以分为两类：一类是小直径、高转速， 应用偏重于混合搅拌；另一类是大直径、低转速，应用偏重于水力循环方面1 4 2 1 。 1 0 桂林理工大学硕士学位论文 第一类产品叶轮直径一般低于9 0 0 r a m ，转速维持在10 0 一15 0 0 r r a i n ，主要 特点是水体流速高、湍流强烈、作用范围小，水体的流速梯度大、单位池容输入 功率大，适用池型多、对池体水力学设计要求不严。因此此类产品应用灵活，主 要适用于反应池体空间小或对速度梯度有一定要求的水池体，是以混合搅拌为主 要目的的作用单元。如污水处理厂工艺中的混合池、厌氧池等。 第二类产品叶轮直径一般在12 0 0 - - - ，2 5 0 0 m m 之间，且常见的叶轮直径都在 1 8 0 0 m m 以上，转速通常在6 0r m i n 以下。其主要特点是流速较缓，流体分布均 匀，作用范围大，适用于池体空间大且对速度梯度要求低，主要目的是保持池内 水体流动的稳定性。其单位池容功率的消耗也取决于池体的水力学设计。 1 3 2 2 潜水搅拌器的应用特点 潜水搅拌器在污水处理中主要有以下几方面特点【4 2 l 。 ( 1 ) 促进水力循环。c a r r o u s s e l 氧化沟内的厌氧与缺氧区域安装潜水搅拌器 后，为沟内水体提供了一定的循环动力，保证了沟内混合液混合均匀，基质与微 生物能充分接触，维持微生物的有效生长。在氧化沟的这种设计中，好氧区的曝 气设备虽然具有水力循环与充氧的双重功能，但实际工程运行中由于水量与水质 的波动性，往往会调整曝气设备以提高或降低充氧量，而难以同时兼顾水体的循 环流动状态，这就有可能造成沟内积泥与沉泥现象的发生，而在厌氧与缺氧区域 增加潜水搅拌器后，不仅能使池内泥水混合物始终维持在悬浮的状态，而且大大 增加了沟内泥水混合物的流速，使其对不断涌进的进水产生巨大的稀释均化作 用，从而具有较强的耐冲击负荷性。同时也能有效的解决沉泥问题。 ( 2 ) 提高传氧效率，改善水体水质。污水处理过程中往往会由于水深的问 题，溶解氧不能达到池体深水区而影响其对水质的处理，设置潜水搅拌器后，通 过搅拌器的搅拌加强了深水区的复氧能力，增大了“传氧水深 ，同时可提高好 氧区曝气系统约1 5 的传氧效率，有效节省污水处理的运行费和能耗费，是一种 简单有效的改善水质处理的措施。 ( 3 ) 安放方便，便于操作。在污水处理工艺中，潜水搅拌器的安放通常是 依据池内的水流方向来定，只要保证搅拌器推力跟水流方向保持一致即可，而对 于要安装几台最合适就需要具体的实验研究来确定。 1 3 2 国内外潜水搅拌器的研发概括 1 3 2 1 国内潜水搅拌器的研发现状 我国对潜水搅拌器的研究起步较晚，同大部分其他水力部件一样，早期的潜 水搅拌器主要是依靠进口，最近几年，国内一些大型企业与外国企业合资引进其 技术自行生产，或是通过测绘研究了国外的一些产品后再模拟生产出自己的产 桂林理工大学硕士学位论文 品。 国内南京蓝深集团公司于9 0 年代中期，组织一些科研人员对潜水搅拌器进 行了一定的深入研究，并进行了规模化的生产，形成了自己的产品叫j b 型搅 拌器，q j b 型搅拌器叶轮直径在2 6 0 - - 7 9 0 m m 之间，转速在2 3 2 - - 9 8 0 r m i n 之间， 机型结构紧凑、操作简单、工作效