（环境工程专业论文）一体化氧化沟的生产性试验研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 一体化氧化沟的生产性试验研究 硕士生：孙伟民 专业：环境工程 指导教师：王宝泉教授 摘要 本文主要论述生产规模一体化氧化沟性能的试验研究。考察了生产运行中的一 体化氧化沟的流体力学特征、曝气设备、溶解氧分布、污水、污泥回流、氧化沟对 有机物的降解及脱氮性能，同时对系统的运行能力做出评价。 曝气设备是氧化沟中非常关键的设备，它除了用于充氧外，还有推流和混合的 功能。本课题的创新之处在于首次将环形真空射流曝气器和转刷联合应用于一体化 氧化沟系统，将实验室中开发的空心环流射流曝气器用于生产规模的氧化沟中，通 过二者的结合，共同完成氧化沟中曝气设备的上述功能，并达到理想的效果。 保持氧化沟混合液一定的流速，是氧化沟中极为重要的课题。本课题通过对氧 化沟内混合液流速的测定，了解氧化沟内混合液的流动状态，确保氧化沟内污泥不 发生沉淀，对氧化沟内的曝气设备的推流性能进行了测试。 由于氧化沟既有完全混合又有推移流双重的流体力学特征，所以通过适当的工 艺控制，即可在沟内形成厌氧区、缺氧区和好氧区，有利于有机物和营养物的去除。 本课题通过对氧化沟内溶解氧分布的测试，反映了氧化沟内各部位溶解氧的分布情 况，对氧化沟曝气设备的充氧能力进行了测试。 通过现场大量的试验表明：采用一体化氧化沟工艺处理经过预处理的高浓度易 降解有机废水在理论上和实践上是可行的。经过测算，此一体化氧化沟的有机负荷 达到1 0 2 k g c o d m 3 d ( o 6 k g b o d m 3 d ) ，比一般认为的o 2 一o 4k g b o d m 3 d 高出将近l 倍，污泥负荷达到o 2 5 k g c o d k g m l s s - d ( o 1 5 k g b o d k g m l s s d ) ，比 一般认为的o 0 5 一o 1 5k g b o d k g m l s s d 有机负荷也高出将近l 倍，如此巨大的 处理能力，得益于其良好的曝气系统转刷与环形真空射流器的组合。 关键词：一体化氧化沟废水处理环形真空射流器 论文类型：用于生产 西安建筑科技大学硕士学位论文 a n i n v e s t i g a t i o no f f u l l - s c a l ec o m b i n e do x i d a t i o nd i t c h e s g r a d u a t e ：s u nw e i m i n s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g a d v i s o r ：p r o f e s s o rw a n g b a o q u a n a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa ni n v e s t i g a t i o no ff u l l s c a l eo x i d a t i o nd i t c h e s ( o d ) w eo b s e r v e dt h e c h a r a c t e r i s t i co fh y d r a u l i c s ，a e r a t o r ，t h ed i s t r i b u t i o no fd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) ，t h e r e c y c l i n go f o u t f l o wa n ds l u d g e ，t h eo r g a n i cd e g r a d a t i o n ，t h er e s u l to f n i t r o g e nr e m o v a l ， t h es t a b i l i t yo ft h es y s t e md u r i n gr u n n i n g p r o c e s s t h ea s s e s s m e n to f t h es y s t e mc a p a c i t y w i l lb eg i v e nl a t t e r t h ea e r a t o ri st h ei m p o r t a n te q u i p m e n ti no d ，i td o e sn o to n l ys u p p l yt h eo x y g e nt o t h ew a s t e w a t e r , b u ta l s op u s h e st h ef l o wa n dc o m b i n et h e me a c ho t h e r t h eb r u s ha n dt h e j e ta e r a t o ra r ei n s t a l l e di nt h i so d ，a n dm a d e i t sf u n c t i o nc o m eo u te n t i r e l y i t sv e r yi m p o r t a n tt ok e e pac e r t a i nv e l o c i t yi no d ，w et e s t e dt h ev e l o c i t yo fw a t e r i ni t ，a n di tr e f l e c t st h ef l o w i n gc o n d i t i o ni ni t ，k e e p i n gt h es l u d g ec a n ts e t t l ei n s i d e b e c a u s eo dh a st h ec h a r a c t e r i s t i co f p l u gf l o wa n dc o m b i n e dm i x i n gf l o w ，s oi t c a n b ed i v i d e da n a e r o b i cz o n e ，a n o x i cz o n e ，o x i cz o n et h r o u g haf i t f u lc o n t r o lt h a tc a nb e u s e dt or e m o v et h eo r g a n i ca n dn u t r i t i o u s t h ec o n c l u s i o nc a nb ed r a w nf r o ms t u d y i n g d u r i n g i t sr u n n i n g ，i tc a nb eu s e dt ot r e a t b i o d e g r a d a b l ea n dh i g hc o n c e n t r a t i o no r g a n i cw a s t e w a t e ra f t e rp r e t r e a t m e n t i t so r g a n i c l o a dc a nb er e a c h e d 1 0 2 k g c o d m d ( 0 6 k g b o d m 3 d ) ，i ti s t w i c em o r et h a n t r a d i t i o n a lt h i n k i n ga s o 2 一o 4k g b o d m 。d i t ss l u d g e l o a d sh a v eb e e nr e a c h e d o 2 5 k g c o d k g m l s s 。d ( o 15 k g b o d k g m l s s 。d ) ，i t i sm o r et h a nt r a d i t i o n a lt h i n k i n ga s 0 0 5 一o 1 5k g b o d k g m l s s d s u c ha na m o u n tc a p a c i t yb e n e f i t sf r o mt h eu n i o no f b r u s ha n dh o l l o wb e a m j e ta e r a t o r k e yw o r d s ：i n t e g r a lc o m b i n e do x i d a t i o nd i t c h e s w a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h e s e ：a p p l i c a t i o n o np r o d u c t i o n - 1 1 一 声明 x 6 1 6 6 8 5 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：j 介昔阳 日期：岬、f 如 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：诛柏导师签名：孕亏秉日期：川乡厶 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 概论 1 1 氧化沟的历史沿革 氧化沟( o x i d a t i o nd i t c h e s ，o d ) 是活性污泥法的一种改进型，其曝气池呈封闭 的沟渠型，污水和活性污泥的混合液在其中不断地循环流动，故又称为连续循环式 反应器( c o n t i n u o u s l o o pr e a c t o r , c l r ) 、“环形曝气池”、“无终端的曝气系统”。 氧化沟污水处理工艺是由荷兰卫生工程研究所( t n o ) 在2 0 世纪5 0 年代研制成功的， 它通常在延时曝气条件下进行，水力停留时间长( 1 0 4 0 h ) ，有机负荷低( 0 0 5 o 1 5 k g b o d k g v s s d ) ，属于延时曝气活性污泥工艺f ”。 早在1 9 2 0 年，在英国首次建成氧化沟，采用桨板式曝气机，曝气效果不理想。 该厂被认为是现代氧化沟的先驱。1 9 2 5 年k e s s e n s e r 开始研制转刷曝气机，被称为 k e s s e n s e r 转刷，1 9 5 4 年p a s v e e r 博士将k e s s e n s e r 转刷用在荷兰的v o o r s h o p e r 市的 氧化沟中，从此才有了“氧化沟”这一术语。鉴于p a s v e e r 博士的贡献，氧化沟又 称为p a s v e e r 沟。 最初，p a s v e e r 沟的充氧、推进和搅动是由k e s s e n s e r 转刷这种曝气设备来保证 的。受其限制，氧化沟设计的有效水深一般在1 5 r f l 以下。随着氧化沟技术的应用， 池深过浅伎氧化沟占地面积过大的缺点越来越突出。 1 9 6 7 年，l e c o m p t 和m a n d t 首次提出将水下曝气和推动系统用于氧化沟，发明了 射流曝气氧化沟( j a c ) ，沟深可达7 8 m 。1 9 6 8 年，d h v 有限公司的荷兰工程师们将 立式低速表曝机应用于氧化沟。将设备安装在中心挡板的末端，利用表曝机产生的 径流为动力，推动氧化沟内液体的流动。这一工艺后被称为c a r r o u s e l 氧化沟， c a r r o u s e l 氧化沟的沟深加大到4 5 m 以上。1 9 7 0 年，h u i s m a n 又在南非开发了使用转 盘曝气机的o r b a l 氧化沟，不过在此期间，生产应用最多的还是转刷曝气氧化沟。研 究人员也从没放弃对转刷曝气机的深入开发，v o n d e re m d e 于1 9 7 1 年首次详细报道 了将m a m m o t h 转刷应用于氧化沟工艺，转刷直径为1 0 0 0 m m ，氧化沟允许水深3 3 6 m ，充氧能力有较大提高。8 0 年代，美国还开发了导管式氧化沟，以导管式曝气 器代替传统的曝气转刷，是一种高效的污水处理新技术。 从2 0 世纪5 0 年代以来，氧化沟技术在欧洲、北美、南非、大洋洲等地得到了广 泛的重视，得到了迅速的推广和应用。据统计，1 9 6 3 年至1 9 7 4 年间英国共兴建了3 0 0 多座氧化沟污水处理厂，至1 9 7 6 年美国建成了5 5 8 座氧化沟污水处理厂，至1 9 7 7 年西 欧有超过2 0 0 0 座p a s v e e r 型氧化沟投入运行，荷兰d h v 公司发明的c a r r o u s e l 氧化沟在 全世界范围内已经有8 0 0 多座投入运行，丹麦已兴建了3 0 0 多座氧化沟污水处理厂， 占全国污水处理厂的4 0 ，氧化沟的应用方兴未艾【2 】。 西安建筑科技大学硕士学位论文 氧化沟技术的发展不仅体现在数量上，也体现在处理厂规模的扩大和处理对象 的不断增加。氧化沟的处理能力为5 0 0 万1 0 0 0 万人口当量，既能用于生活污水的处 理，也能用于工业废水和城市污水的处理。经过3 0 多年的实践和发展，氧化沟技术 被认为是出水水质好、运行可靠、基建投资费用和运转费用低的污水生物处理方法， 特别是其封闭循环式的池型尤其适用于污水的脱氮除磷。美国环境保护署的报告指 出： “氧化沟能够通过最低限度的操作，稳定地达到b o d 5 和t s s 的去除率要求。另 外，成本数据表明，在3 7 9 3 7 8 5 0 m 3 d 的流量范围内，氧化沟处理厂与其他技术相 比，在经济上具有竞争力”。目前，此项技术已被广泛地用于城市污水及石油废水、 化工废水、造纸废水、印染废水、食品加工废水等工业废水处理中。 保证沟内液体适当的溶解氧和一定的流速，使活性污泥呈悬浮状态，始终是氧 化沟不断探讨的课题。氧化沟工艺从早期研制以来，在工艺和机械方面已经进行了 无数次改进。早期的氧化沟是间歇运行的，无二次沉淀池。到了6 0 年代，氧化沟采 用了连续流运行方式，并单独建造二次沉淀池。近年来，随着控制仪表的发展以及 生物脱氮工艺的需要，转刷型氧化沟又发展成双沟和三沟交替式运行方式，可以不 用单独设置二沉池。氧化沟由于水力停留时间长，占地面积大，在土地资源日趋紧 张的今天，这一点常成为人们指责的对象。因而，对于处理量大的城市污水处理厂 来说，开发深沟型的氧化沟已成为一种必然的趋势，但由于一般表曝器的有效水深 只有4 ，5 m 左右，因此为保证深沟条件下氧化沟内足够大的流速而开展的研究将成为 今后工作的重点，比如如何在深水中设置推进装置或开发新的曝气设备等。 对于较小流量的城市或工业废水，一体化氧化沟的出现，正弥补了传统氧化沟 存在的缺点，也代表了污水处理工艺集约化、一体化的发展趋势。一体化氧化沟集 曝气沉淀及固液分离于一体，连续运行，减少了占地面积，同时保持了氧化沟的优 点，其优良的特性将会使这一工艺得到迅速的推广，目前已有多座这种形式的氧化 沟工艺在运行之中。 我国从8 0 年代以来也较多地开展了对氧化沟工艺的研究，并设计建造了一批氧 化沟污水处理厂。据2 0 世纪9 0 年代统计，国内采用氧化沟工艺的处理厂超过4 0 座， 1 9 9 0 年至今是我国氧化沟技术发展的重要阶段，估计有上百座氧化沟污水处理厂投 入运行，氧化沟技术在我国日益广泛应用，近年来不仅氧化沟的数量在增长，其处 理规模也在不断扩大，目前已经扩大到几乎覆盖所有行业的废水处理。 1 2 氧化沟的特性 氧化沟属于活性污泥法处理工艺的一种变形工艺，般不需要设初沉池，通常 采用延时曝气，其结构形式采用环型沟渠形式，混合液在氧化沟曝气器的推动下做 水平流动( 平均流速 0 3 m s ) ，污泥负荷和污泥龄的选择要考虑污水硝化和污泥稳定 西安建筑科技大学硕士学位沦文 化两个因素，一般有机物容积负荷o 2 o ，4 k g b o d ，( m 3 d ) ，污泥负荷在0 0 5 o 1 5 k g b o d ，( k g v s s d ) ，污泥龄为1 0 3 0 d ，水力停留时间1 0 2 4 h ，曝气池悬浮物 浓度( m l s s ) 为2 0 0 0 6 0 0 0 m g l 。 氧化沟技术作为一种革新的活性污泥工艺，与其它生物处理工艺相比，有以下 技术、经济方面的特点： l 、工艺流程简单，构筑物少，运行管理方便。氧化沟工艺首先简化了预处理过 程。氧化沟一般不需要设置初沉池，因为氧化沟的水力停留时间和污泥龄比一般的 生物处理法长得多，悬浮状有机物可以在曝气池中得到较彻底的降解。其次，氧化 沟简化了剩余污泥的后处理工艺，由于活性污泥在系统中的停留时间很长，排出的 剩余污泥已经高度稳定，只需要进行浓缩和脱水处理，从而省去了消化工艺，从而 使处理流程更加简单。处理流程的简化可减少占地面积，节省基建费用，便于运行 和管理。 2 、具有完全混合和推移流的双重特征，可去除有机物，也可进行硝化、脱氮和 除磷。氧化沟的流态从整体上是完全混合的，但是局部由于其流速较大而具有推移 流的特征，这样带来的好处之一是经过曝气的污水，在流到出水堰的过程中会形成 良好的混合液生物絮凝体，絮凝体可以提高二沉池的污泥沉降速度及澄清效果。另 外，氧化沟的推移流特性对脱氮除磷也是必要的，通过对系统合理的设计与控制， 氧化沟内可以形成缺氧和好氧交替出现的区域，取得良好的反硝化效果。 3 、处理效果稳定、出水水质良好。氧化沟在去除b o d 5 和s s 方面，均取得了 比传统活性污泥法更好的出水水质，运行也更加稳定可靠。氧化沟的污泥负荷般 小于0 1 5 k g b o d ，( k g m l s s d ) ，因此其出水水质好，而且其运行可靠性和稳定性高， 美国e p a 对2 9 个氧化沟处理厂运行数据进行统计表明，氧化沟的出水水质比其他 生物处理法优，氧化沟出水的可靠性也比其他生物处理工艺好，而且控制的出水标 准越高，氧化沟的优越性也就越突出。 4 、基建投资费用小、运行费用低。美国e p a 对氧化沟和其他生物处理法的运 行效果进行比较的同时，也比较了基建投资和运行费用，结果表明：当处理厂的规 模分别为3 7 8 5 m 3 d 和3 7 8 5 0 m 3 d 时，氧化沟污水处理厂的基建投资分别为传统活行 污泥法的6 0 和8 0 。此外，当氧化沟处理出水有氨氮指标要求时，般不需要增 加很多投资和运行费用。氧化沟生物处理工艺比其他生物处理工艺更为经济有效且 运行灵活可靠。 5 、污泥产量少，污泥性质稳定。由于氧化沟所采用的泥龄般长达2 0 3 0 d ， 污泥在沟内得到好氧稳定，污泥产生量也较少，因此是污泥后续处理大大简化，节 省处理厂运行费用，而且便于管理。 - 3 - 西安建筑科技大学硕士学位论文 6 、能承受水量、水质冲击负荷，尤其对高浓度工业废水有很大的稀释能力。氧 化沟因其水力停留时间和污泥停留时间都较长，沟中水流不断循环等特点，对进水 水量水质的变化有较大的适应性，能承受冲击负荷而不致影响处理性能。当处理高 浓度工业废水时，进水能受到很大的稀释，对活性污泥的抑制作用能显著减弱。 1 3 氧化沟的分类 氧化沟根据其构造和运行特征，可分为以下几种类型： l 、c a r r o u s e l 氧化沟：c a r r o u s e l 氧化沟是上世纪6 0 年代末由荷兰d h v 公司研 制成功的，当时开发这种氧化沟的目的是为了寻求一种渠道更深、效率更高和机械 性能更好的系统设备，以弥补和改善当时流行的转刷式氧化沟占地面积大等技术弱 点。如图1 1 所表示： d 曩 雹蠢 图1 1 ：标准c a r r o u s e l 氧化沟 由上图可知，这是一个多沟串联的系统，进水与活性污泥混合后沿箭头方向在 沟内作不停的循环流动，c a r r o u s e l 氧化沟采用垂直安装的低速表面曝气器，每组沟 渠安装一个，均安装在同端，因此形成了靠近曝气器下游的富氧区和曝气器上游 以及外环的缺氧区，这不仅有利于生物凝聚，还使活性污泥易于沉淀。b o d 。去除 率可达9 5 9 9 ，脱氮效率约为9 0 ，除磷效率约为5 0 。c a r r o u s e l 氧化沟的表面 曝气机单机功率大，其水深可达5 m 以上，使氧化沟占地面积减少，土建费用降低。 由于曝气机周围的局部地区能量强度比活性污泥曝气池中的强度高得多，使得氧的 转移效率大大提高，平均氧传递效率达到2 1 k g ( k w h ) 。因此c a r r o u s e l 氧化沟具 有极强的混合搅拌和抗冲击能力。 c a r r o u s e l 氧化沟自诞生至今，经历了三次飞跃，第一代为普通c a r r o u s e l 氧化沟， 它以去除b o d 为主要目的，并具有一定的脱氮除磷效果。在这种普通c a r r o u s e l 氧化 沟系统中，污水经过简单的预处理后进入氧化沟，在充分搅拌的曝气区下游，湍流 减弱，逐渐形成活塞流，水流维持在最小流速，保证活性污泥处于悬浮状态，水流 由曝气区的湍流状态变成之后的平流状态，从而改变了污泥的沉降性能，提高了出 水质量。在这种形式的氧化沟中，b o d 降解是一个连续过程，硝化作用和反硝化作 用发生在同一池中，使用设备并不超过一种。实际上，该系统就是一个模糊的a o 西安建筑科技大学硕士学位论文 工艺；第二代为c a r r o u s e l 2 0 0 0 氧化沟，该种形式的氧化沟主要是针对日益严格的氮 磷排放标准而发展起来的具有脱氮除磷功能的工艺，它是在普通c a r r o u s e l 氧化沟前 增加了一个厌氧区和缺氧区( 前置反硝化) ，原水和澄清池回流污泥在厌氧池中搅拌 混合，在厌氧池中兼性的反硝化菌异化原水和回流污泥中的硝酸盐和亚硝酸盐而脱 氮，同时兼性细菌将可溶性b o d 转化为v f a ，聚磷菌获得v f a 将其同化成p h b ，厌 氧池后紧接缺氧池，微生物在缺氧池中兼性反硝化菌异化厌氧出水和普通c a r r o u s e l 氧化沟中分流过来的硝酸盐和亚硝酸盐，使脱氮更为充分，同时聚磷菌利用后继普 通c a r r o u s e l 氧化沟中分流过来的硝酸盐和亚硝酸盐所提供的电子吸磷，避免同时反 硝化和吸磷时b o d 量的不足，而后继的c a r r o u s e l 氧化沟则完成了硝化、吸磷和去除 有机物等过程；第三代为c a r r o u s e l3 0 0 0 氧化沟，是在c a r r o u s e l2 0 0 0 氧化沟系统前再 加上一个生物选择区，该生物选择区是利用高有机负荷筛选菌种，抑制丝状菌的增 长，提高各种污染物的去除率，该处理工艺中有一个前置反硝化区，在反硝化过程 中污水中易生物降解的有机碳得到了最优化的利用，保证在最低水温的条件下，出 水总氮的含量仍可低于1 0 m g l ，另外，前置反硝化区与在其上游的厌氧区结合在一 起，对生物除磷是十分有益的。持续低浓度的硝酸盐有助于对磷有富集积累作用的 微生物菌群的选择，从而在很低的温度下也可以实现磷的去除。这种磷的富集吸收， 在反硝化和富磷吸收过程中没有足够的情况下，对于曝气区中磷的去除是十分有利 的。对充氧量能够灵活控制是对该系统的另一个要求。过度曝气不仅从节约能源的 角度是不可取的，而且它对反硝化和生物除磷过程都有不利的影响。由于采用由变 频装置驱动的可控速的表曝机，根据在线的溶解氧、铵和硝酸盐测量仪表的测定值 对转速进行控制，使得供氧量的控制具有了很高的灵活性。另外，采用可调的倾侧 式溢流堰，保证了曝气池的液位在恒定的水平上。此外，还使用了一种先进的曝气 控制器q u t e 。普通的控制系统只能根据某一单一的工艺参数的预设固定目标值来进 行调节，而这种多变量的控制模式可以在多个不同参数测量值的基础上进行调节， 来达到预先确定的值。该工艺设计的另一个重要目标就是减少其占地面积，还包括 一体化的厌氧池和选择池。由于曝气池通常会占据相当大的土地，因此加大池深是 一个显而易见的选择，深池的一个重要优点是减少占地面积及与之相关的废气处理 的费用。考虑水力条件的因素，采用了的水深，运用采用了导流筒解决方案。导流 筒是一个竖直安装于表曝机正下方，延伸至接近池底的圆筒。它的设置使表曝机能 够从池底抽吸起乏氧的混合液，并在整个池长上保证充分的混和效果。由于增设了 导流筒，池中的推流作用在局部上会受到某些影响，这可以通过在卡鲁塞尔沟道中 装设推进器而得到解决，可以保证任何情况下池中水流都能够保持足够高的流速。 推进器的另一个作用是辅助池中流体的混和。 西安建筑科技大学硕士学位论文 c a r o u s e l 3 0 0 0 氧化沟除了池深比普通沟型大之外，另一个特点是它采用了一 种一体化的设计，可以节省土建费用并减少污水厂的占地面积。池子的中央被划分 成多个单元，用于几个不同的工艺步骤。从中央到其周围的环形区域。依次排列着 以下单元：一个进水井和用于回流污泥的分配井；一个分为四段的选择池；一个分 为四段的厌氧池。除了土建投资少和节省占地之外，这种圆形一体化布置的另一个 优点是不需要额外的管线，即可实现回流污泥在不同的工艺单元间的分配。这就为 其在不同工艺单元中调整停留时间提供了灵活性。该设计还可以使选择池和厌氧池 分别停止运行并放空而不影响整个的处理工艺。c a r o u s e l 3 0 0 0 见图1 2 ”。 最 瞳翻她瞧 童摩 图1 2 ：c a r r o s e l3 0 0 0 氧化沟示意图 2 、交替式氧化沟：交替式氧化沟由丹麦k r u g e r 公司创建，有二沟和三沟交替 工作两种情况，二沟交替工作的氧化沟又可分为v r 型和d 型，v r 型氧化沟是将 曝气沟渠氛围a 、b 两部分，其间有单向活板门相连，利用改变曝气转刷的旋转方向， 以改变沟渠中的水流方向，使a 和b 两部分交替作为曝气区和沉淀区，省去了专门 的沉淀池和污泥回流装置，简化了流程，管理也方便。双沟式氧化沟( d 型氧化沟) ， 由容积相同的a 、b 两沟组成，串联运行，交替地作为曝气池和沉淀池，一般以8 小时为一个运行周期，该系统可得十分优质的出水和稳定的污泥，同样不需设回流 装置，缺点是曝气转刷的利用率仅为3 7 5 。由于双沟式氧化沟的设备闲置率高 ( 5 0 ) ，所以该公司又开发了三沟式氧化沟( t 型氧化沟) ，提高了设备利用率 ( 5 8 3 ) ，类似s b r ，而后发展的动态顺序沉淀( d s s ) 氧化沟的设备利用率提高到 7 0 。交替式氧化沟除了可以去除b o d 外，而且还具有脱氮除磷的功能。 双沟式氧化沟的脱氮功能是通过特殊的运行方式，利用逻辑控制系统，使污水 交替进入氧化沟，并利用双速转刷来控制沟中的溶解氧浓度，创造缺氧和好氧环境， 西安建筑科技大学硕士学位论文 发生硝化和反硝化作用，而除磷则要在前方加上厌氧池。三沟式氧化沟是由三个相 同的氧化沟组建在一起作为一个单元运行，三个氧化沟之间相互双双连通。在运行 时，两侧的a 、c 两池交替地用作曝气池和沉淀池，中间的b 池一直维持曝气，进水 交替地引入a 池或c 池，出水相应地从c 池或a 池，这样做提高了曝气转刷的利用 率，还有利于生物脱氮三沟式氧化沟的脱氮功能通过新开发的双速电机来实现，曝 气转刷可起到曝气和混合双重功能，当处于反硝化阶段时，转刷低速旋转，仅仅保 持池中污泥悬浮，使池内处于缺氧状态，好氧和缺氧的交替可通过转刷转速的改变 而进行自动控制，见图l _ 3 。 图1 - 3 ：交替式氧化沟( v r 型、d 型和t 型) 3 、o r b a l 氧化沟：o r b a l 氧化沟是一种多渠道的氧化沟系统，沟中安有若干多孔 曝气转盘的水平旋转装置，用来进行氧的传递和混台。目前已有2 0 0 多座o r b a l 氧化 沟在运转。o r b a l 氧化沟有两个特点，其一是使用曝气盘。由于曝气盘上有大量的曝 气孔和三角形凸出物，有助于充氧和推进混合液。尽管盘片很薄( 盘厚1 2 5 r a m ) ，但 具备良好的混和功能。在设计中可以采用较深的氧化沟( 3 5 4 5 m ) ，同时可以借 助配置在各槽中不同数目的曝气盘，变化输入每一槽的供氧量。其二是其反应器的 形式为独特的同心圆型的多沟槽系统，因为几个串联的完全混和槽与单槽的动力学 是不同的，奥贝尔系统中的每一圆形沟渠均表现单个反应器的特性。例如，对氧的 吸收率进水槽最高，最后一槽最低，槽与槽之间有相当大的变化。用这种方法，o r b a l 氧化沟系统具有接近推流反应器的特性，可以达到快速去除有机物和氨氮的效果。 尽管在o r b a l 氧化沟中进水很快地在单个反应器内通过扩散作用分布到全池中，但还 不是真正的完全混台系统。实际上在氧化沟系统中流态呈现出推移流式的环流，完 全混和程度取决于氧化沟的设计。当环流数低时系统的特性将与推移流反应器相似。 对停留时间长的氧化沟，流体质点可在沟中循环5 0 0 圈以上。大部分b o d ；和n h 。一n 在 氧化沟的第一槽里被氧化，所有的反硝化反应都在此发生。即使在负荷条件变化的 - 7 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 情况下，槽中溶解氧浓度几乎接近于零( 小于0 5 m g l ) 。第二槽中，溶解氧浓度呈波 动状态。溶解氧浓度在0 2 2 8 m g l 范围内变化，这种情况是因负荷变化而出现。 在第一槽中，曝气盘数目是固定的，b o d 和n h 。一n 去除量也是一定的，所以过量的负 荷可能进入下一槽，负荷的变化导致了工艺中氧化作用的位置转移到第二槽。最后 一槽中的平均溶解氧浓度为4 0 m g l 。在o r b a l 氧化沟系统中溶解氧浓度是分级的， 当第一槽的溶解氧浓度上升n o 5 m g l 时，应稍稍降低整个系统的充氧率；而当第 三槽的溶解氧浓度低于1 5 m g l 时，应略微提高整个系统的充氧率。对于o r b a l 氧化 沟可以简单地通过增减曝气盘的数量来达到调节溶解氧浓度的目的。在o r b a l 系统的 第一槽中，混合液进入转盘曝气器时，溶解氧为零，而经曝气器出来的混合液中的 溶解氧还是接近于零。这是因为混和液对氧的吸收速率高于供氧速率，供给的大部 分溶解氧立即被消耗掉。在o r b a l 氧化沟的最后槽中，溶解氧浓度最高，但能量消耗 并不显著，因为在这里氧的吸收率极低，所以有十分高的溶解氧浓度。o r b a l 氧化沟 系统的分区性对于达到高效硝化反硝化是理想的。曝气盘运转的浸没深度通常可在 2 2 8 5 5 3 c m 范围内变动。可采用淹没式孔口和出水堰调节控制浸没深度。尽管 o r b a l 氧化沟系统的充氧效率高，输入的氧量多，但在第一槽中由于发生高度的生物 氧化作用，导致溶解氧耗尽。在溶解氧耗尽的区域有硝化作用出现。因存在易利用 的碳源，当由转盘输入的氧量减少时，在第一槽中所有的硝酸盐将被反硝化。白天 出现氨氮高峰时，因为在其他槽子中氧的吸收率低，氨氮可以达到完全的硝化，可 以保持高的硝化作用。典型的o r b a l 氧化沟的设计及运行策略是使外沟道供氧量低于 需氧量，使硝化、反硝化反映同时发生，o r b a l 氧化沟的构造图1 4 所示1 4 1 。 图1 4 ：o r b a l 氧化沟 4 、一体化氧化沟：一体化氧化沟又称合建式氧化沟( i n t e g r a l c o m b i n e d o x i d a t i o n d i t c h e s ) 是集曝气、沉淀、泥水分离和污泥回流功能为一体，不需建造单独的二次 沉淀池。最早的p a s v e e r 氧化沟也是一体化氧化沟，因为它是间歇运行，曝气和沉 西安建筑科技大学硕士学位论文 淀是利用一沟完成的，二近年来引进的三沟式氧化沟属于序批式( s b r 方式) ，也 属于此范畴。这里所说的一体化氧化沟是指曝气净化和固液分离操作同在一个构筑 物中完成，污泥自动回流，连续运行，备利用率为1 0 0 ，其工艺特点主要有【5 1 ： ( 1 ) 处理流程简单，构筑物少，可不设初沉池、调节池、独立的二次沉淀池和 污泥消化池，污泥自动回流，投资少，能耗低，占地少； ( 2 ) 处理效果好且稳定可靠，其b o d 5 和s s 去除率均在9 0 9 5 或更高，c o d 的去除率也在8 5 以上，并且硝化、脱氮作用明显，不仅可满足b o d 和s s 排放标准， 还可实现脱氮、除磷等深度处理的要求； ( 3 ) 造价低，建设周期短，设备事故率低，运行管理方便，自动化程度高。 ( 4 ) 对高浓度废水有很大的稀释能力，能承受水量、水质的冲击负荷，对不易 生物降解的有机物也有较好的处理效果。 ( 5 ) 污泥生成量少，易于处置利用，污泥回流及时，减少了污泥膨胀的可能。 1 4 氧化沟的基本组成 氧化沟的基本组成包括以下部分：氧化沟池体，曝气设备，进、出水装置，导 流和混合装置以及附属构筑物。 l 、氧化沟池体：氧化沟一般呈环形，平面上多为椭圆形或圆形，四壁由钢筋混 凝土制造，也可以素混凝土或石材作护坡。水深与所用的曝气设备有关，2 5 8 m 不等。 2 、曝气装置：曝气装置是氧化沟系统中最主要的机械设备，对氧化沟处理效率、 能耗及运行稳定性有关键性影响，主要具有以下几方面的功能：供氧，推动水流在 沟内循环运动，使有机物、微生物、及氧之间充分混合接触，保证沟中的活性污泥 呈悬浮状态。氧化沟的曝气装置主要分为机械曝气机、射流曝气机、导管式曝气机 和混合曝气机。关于氧化沟的曝气设备，在第三章中详细论述。 3 、进出水装置：包括进水口、回流污泥口和出水调节堰等。氧化沟的进水和回 流污泥进入点都在曝气器的上游，使得它们与沟内混合液立即相混合，氧化沟的出 水点在曝气器的下游，并且离进水点和回流污泥点足够远，以避免短流的发生。当 有两组以上氧化沟并联运行时，设进水配水井以保证均匀配水，当采用交替工作的 氧化沟系统时，进水配水井内设置自动控制配水堰或配水闸门，按设计好的程序用 开启或关闭闸门以改变氧化沟内的水流方向和控制流量。氧化沟的出水溢流堰，既 有排出处理后的污水，又有调节沟内水深的作用。因此一般溢流堰通常做成高度可 调节的类型。 4 、导流装置：为了保持氧化沟内具有污泥不沉积的流速，减少能量损失，需要 设置导流墙和挡流板，将第二章详细讨论。 西安建筑科技大学硕士学位论文 5 、附属构筑物：包括二沉池、刮泥机和回流污泥泵等。分体式氧化沟将曝气系 统与泥水分离系统分开建造，需要设回流污泥提升及输送系统，而一体化氧化沟将 二沉池建在沟内，即在氧化沟的末端形成沉淀区，通过良好的固液分离设备使泥水 自动分离，污水污泥自动回流，省却了污泥回流设备，节约了运行和基建费用。 1 5 本课题的来源、内容、试验方法和意义 本课题来源于西安某公司污水处理厂。该污水为易降解高悬浮物高浓度有机废 水，原水经过混凝气浮、水解酸化后进入一体化氧化沟( 后改为经厌氧处理后进入 一体化氧化沟) ，本课题通过一体化氧化沟的调试运行对为一体化氧化沟在处理污水 运行过程中机理进行探讨，主要包括氧化沟的流体力学特征、曝气设备、溶解氧分 布、降解有机物的特征、脱氮性能，结合在运行中总结的经验和教训，对一体化氧 化沟的优缺点做出评价，以便于进一步对工程进行改造完善，对今后的工程设计起 一定的指导作用。 试验研究拟采取的方案及措施： 试验方法：现场观察和水质监测，测试相关运行参数，发现并解决问题，最后 提出改进方案。 分析项目及方法1 6 j ，见表1 1 ： 表1 1 分析项目与分析方法 项目分析方法分析频率备注 流速流速仪根据需要测 p h 值电极法1 次d c o d c ，重铬酸钾法 1 次，d m l s s重量法1 次，d t n过硫酸钾氧化紫外分光光度法 根据需要测 n h ，- n蒸馏酸滴定法 1 次d n 0 3 一n酚二磺酸分光光度法 根据需要测 溶解氧碘量法1 次2 h 验步骤：流体力学特征测试与评价、曝气设备的测试、评价与改进、溶解氧 分布的测试、氧化沟对有机物的降解能力的测试与评价、脱氮性能测试与评价。 本课题的研究的意义在于通过对一体化氧化沟处理可生物降解的有机废水的 运行情况研究，探讨一体化氧化沟的相关性能指标，对系统的运行能力作出评价， 建立合理的运行参数，供今后类似工程的设计参考使用。 西安建筑科技大学硕士学位论文 本课题的创新之处在于，首次将环形真空射流曝气器和转刷联合应用与一体 化氧化沟系统，通过二者的结合，完成对氧化沟中混合液的混合、推流和充氧， 将在实验室中开发的空心环流射流曝气器用于生产规模的氧化沟中，并达到理想 的效果。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 一体化氧化沟的流体力学特征 氧化沟的重要特征之一就在于它具有独特的流体力学特征。氧化沟中的流动较为 复杂，除受到转刷的推动之外，还受到氧化沟沿程阻力及弯道局部阻力的作用，利用 氧化沟内的水力混合条件，采取一些适当的辅助措施，以保证沟内良好的混合状态， 这在理论和实践上都具有重要意义。 氧化沟中的水流速度一般为0 3 o 5 r r d s ，水流在环形沟渠中循环一周大约需要 1 3 0 m i n 。由于此工艺的水力停留时问为1 0 4 0 h ，由此可知，污水在其整个停留时 间内要完成2 0 1 2 0 个不等的循环，这就赋予了氧化沟一种独特的流体力学特征：即 氧化沟既有完全混合又有推移流的特点，在适宜的控制条件下，沟内同时具有好氧区 和缺氧区，从而使得这一技术具有净化深度高、耐冲击负荷和能耗低的特点。此外， 它还具有良好的脱氮效果。 如果着眼于整个氧化沟，并且以较长的时间间隔为观察基础，可以认为氧化沟是 一个完全混合曝气池，其中的浓度变化极小，甚至可以忽略不计，进水将迅速得到稀 释，因此它具有很强的抗冲击负荷的能力。如果着眼于氧化沟中的某一段，即以较短 的时间间隔为观察基础，就可以发现沿沟长存在着溶解氧浓度的变化，在曝气器下游 溶解氧浓度较高，但随着与曝气器距离的增加，溶解氧浓度将不断降低，呈现出由好 氧区、缺氧区、好氧区、缺氧区的交替变化，氧化沟的这种特征，使沟渠中相继进行 硝化和反硝化的过程，达到脱氮的效果，同时使出水中活性污泥具有良好的沉降| 生能。 本工程的氧化沟平面布置见图2 1 。 由于该工艺为转刷加射流曝气器共同完成混合、推流及充氧功能的一体化氧化 沟，故它的流体力学特征更加复杂。污水首先进入氧化沟的l 捍沟( 缺氧，脱氮回流区) ， 马上和回流的混合液在设置于缺氧区首端的可调节风量的真空环流射流曝气器( 3 # 射 流器) 的作用下迅速混合，混合液在射流作用下前进，在前进的过程中完成反硝化脱 氮。混合液到1 群的末端，能量基本丧失怠尽，在2 # 转刷和导流板的作用下再一次完 成混合、充氧和能量补充后进入弯道，由于在弯道内的水力损失很大，进入直道( 2 # 沟，好氧区，b o d 的降解) 后先后被5 # ，2 # 射流器完成混合、推流和充氧的功能继 续前进，到2 # 沟的末端，在l # 转刷和导流板的作用下再一次完成垂直方向上的混合、 水平方向上的推流和整体上的充氧后进入弯道，从弯道出来后进入3 拌沟( 好氧区， b o d 的降解，n h 3 - n 的硝化) ，在3 捍，4 撑射流器的作用下最后一次完成混合、推流和 充氧后进入最后一个弯道，在弯道内消能后缓缓进入氧化沟的沉淀区，在人字型导流 板的作用下进一步消能，以近乎层流的方式缓缓上升，处理后的出水外排，污泥回流 回氧化沟，剩余污泥排放。 n一 圈陶牛枘h窝甚赫叫刚圈 议秘掣扑书匿扑k蝌意骣嫂懈题 西安建筑科技火学硕士学位论文 2 1 氧化沟的水力损失 2 1 1 沿程( 直道) 水力损失 对于氧化沟中的水流，可使用明渠水力学来进行分析。对于一个给定的氧化沟， 通过的流量q 需要考虑包括循环流量，同时控制断面的平均流速v 要大于0 3 m s ，则 氧化沟的沿程水力损失( h ，) 可由下式定： h i = k ：v z g = 让 其中：k ，沿程阻力系数 i 水力坡度 l 沟长，m v 一平均流速，r n s 2 重力加速度，9 1 8 耐s 2 2 1 2 局部( 弯道) 水力损失 氧化沟弯道的水力损失h b 可用局部阻力损失的表达式确定，即 h b = t a 瓦v 2 其中：k 。弯道曲线的阻力系数 弯道曲线的阻力系数k 是雷诺数、弯道半径与沟宽的比值、沟深与沟宽的比值， 以及弯道弧度的函数。在氧化沟中，弯道的水头损失占全部水头损失的9 0 以上，而 影响的关键因素仍然是氧化沟的平均水平流速。为保证混合液在氧化沟内循环流动， 氧化沟的曝气装置或其它水力推动装置必须克服沿程和局部水力损失之和，即 h = k + 吃 2 2 氧化沟的流速分布 在运行过程中，我们考察了氧化沟的流速分布，为了便于分析，我们分别考察了 各沟的直道和弯道的流速分布，测点位置见图2 1 ，现就测定结果叙述如下。 2 2 1 直道流速分布 1 群沟的流速分布：1 # 沟是氧化沟的脱氮区，进水和回流混合液迅速混合后在1 # 射流器的推动下往前做推移流运动。我们考察了1 # 沟的流速，测点布置：按水流方向 从直道开始到直道末共3 0 m 范围内每6 m 设1 个监测断面，共6 个监测断面每个断面 在垂直方上从水面下0 5 处每隔o 5 m 设一个监测点，共7 个点，测得结果见表2 1 ， 数据分析见图2 2 ： 西安建筑科技