摘 要：氧化溝污水處理工藝是在20世紀(jì)50年代由荷蘭衛(wèi)生工程研究所研制成功的。自從1954年在荷蘭的首次投入使用以來。由于其出水水質(zhì)好、運(yùn)行穩(wěn)定、管理方便等技術(shù)特點(diǎn)，已經(jīng)在國內(nèi)外廣泛的應(yīng)用于生活污水和工業(yè)污水的治理。 

1. 前言

氧化溝（oxidation ditch）又名連續(xù)循環(huán)曝氣池（Continuous loop reactor），是活性污泥法的一種變形。氧化溝污水處理工藝是在20世紀(jì)50年代由荷蘭衛(wèi)生工程研究所研制成功的。自從1954年在荷蘭的首次投入使用以來。由于其出水水質(zhì)好、運(yùn)行穩(wěn)定、管理方便等技術(shù)特點(diǎn)，已經(jīng)在國內(nèi)外廣泛的應(yīng)用于生活污水和工業(yè)污水的治理[1]。

目前應(yīng)用較為廣泛的氧化溝類型包括：帕斯韋爾（Pasveer）氧化溝、卡魯塞爾（Carrousel）氧化溝 、奧爾伯（Orbal）氧化溝、T型氧化溝（三溝式氧化溝）、DE型氧化溝和一體化氧化溝。這些氧化溝由于在結(jié)構(gòu)和運(yùn)行上存在差異，因此各具特點(diǎn)[2]。本文將主要介紹Carrousel氧化溝的結(jié)構(gòu)、機(jī)理、存在的問題及其最新發(fā)展。

2. Carrousel氧化溝的結(jié)構(gòu)

Carrousel氧化溝是1967年由荷蘭的DHV公司開發(fā)研制。在原Carrousel氧化溝的基礎(chǔ)上DHV公司和其在美國的專利特許公司EIMCO又發(fā)明了Carrousel 2000系統(tǒng)（見圖1），實(shí)現(xiàn)了更高要求的生物脫氮和除磷功能。至今世界上已有850多座Carrousel氧化溝和Carrousel 2000系統(tǒng)正在運(yùn)行[3]。

由圖可見，Carrousel氧化溝使用定向控制的曝氣和攪動(dòng)裝置，向混合液傳遞水平速度，從而使被攪動(dòng)的混合液在氧化溝閉合渠道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。因此氧化溝具有特殊的水力學(xué)流態(tài)，既有完全混合式反應(yīng)器的特點(diǎn)，又有推流式反應(yīng)器的特點(diǎn)，溝內(nèi)存在明顯的溶解氧濃度梯度。氧化溝斷面為矩形或梯形，平面形狀多為橢圓形，溝內(nèi)水深一般為2.5～4.5ｍ，寬深比為2:1，亦有水深達(dá)7m的，溝中水流平均速度為0.3m/s。氧化溝曝氣混合設(shè)備有表面曝氣機(jī)、曝氣轉(zhuǎn)刷或轉(zhuǎn)盤、射流曝氣器、導(dǎo)管式曝氣器和提升管式曝氣機(jī)等，近年來配合使用的還有水下推動(dòng)器[4~6]。

3. Carrousel氧化溝的機(jī)理

3.1 Carrousel氧化溝處理污水的原理

最初的普通Carrousel氧化溝的工藝中污水直接與回流污泥一起進(jìn)入氧化溝系統(tǒng)。表面曝氣機(jī)使混合液中溶解氧DO的濃度增加到大約2～3mg/L。在這種充分摻氧的條件下，微生物得到足夠的溶解氧來去除BOD；同時(shí)，氨也被氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽，此時(shí)，混合液處于有氧狀態(tài)。在曝氣機(jī)下游，水流由曝氣區(qū)的湍流狀態(tài)變成之后的平流狀態(tài)，水流維持在最小流速，保證活性污泥處于懸浮狀態(tài)（平均流速>0.3m/s）。微生物的氧化過程消耗了水中溶解氧，直到DO值降為零，混合液呈缺氧狀態(tài)。經(jīng)過缺氧區(qū)的反硝化作用，混合液進(jìn)入有氧區(qū)，完成一次循環(huán)。該系統(tǒng)中，BOD降解是一個(gè)連續(xù)過程，硝化作用和反硝化作用發(fā)生在同一池中。由于結(jié)構(gòu)的限制，這種氧化溝雖然可以有效的去處BOD，但除磷脫氮的能力有限[7]。

為了取得更好的除磷脫氮的效果，Carrousel 2000系統(tǒng)在普通Carrousel氧化溝前增加了一個(gè)厭氧區(qū)和絕氧區(qū)（又稱前反硝化區(qū)）。全部回流污泥和10-30%的污水進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，可將回流污泥中的殘留硝酸氮在缺氧和10-30%碳源條件下完成反硝化，為以后的絕氧池創(chuàng)造絕氧條件。同時(shí)，厭氧區(qū)中的兼性細(xì)菌將可溶性BOD轉(zhuǎn)化成VFA，聚磷菌獲得VFA將其同化成PHB，所需能量來源于聚磷的水解并導(dǎo)致磷酸鹽的釋放。厭氧區(qū)出水進(jìn)入內(nèi)部安裝有攪拌器的絕氧區(qū)，所謂絕氧就是池內(nèi)混合液既無分子氧，也無化合物氧（硝酸根）， 在此絕氧環(huán)境下，70-90%的污水可提供足夠的碳源，使聚磷菌能充分釋磷。絕氧區(qū)后接普通Carrousel氧化溝系統(tǒng)，進(jìn)一步完成去除BOD、脫氮和除磷。最后，混合液在氧化溝富氧區(qū)排出，在富氧環(huán)境下聚磷菌過量吸磷，將磷從水中轉(zhuǎn)移到污泥中，隨剩余污泥排出系統(tǒng)。這樣，在Carrousel 2000系統(tǒng)內(nèi)，較好的同時(shí)完成了去除BOD、COD和脫氮除磷[8]。

綜合采用該工藝的昆明第一污水廠[9]、長沙市第二污水凈化中心[10]及漯河市污水處理廠的運(yùn)行效果可見：經(jīng)過Carrousel 2000系統(tǒng)處理后，BOD、COD、SS的去除率均達(dá)到了90%以上，TN的去除率達(dá)到了80%，TP的去除率也達(dá)到了90%。

3.2 Carrousel氧化溝除磷脫氮的影響因素

影響Carrousel氧化溝除磷的因素主要是污泥齡、硝酸鹽濃度及基質(zhì)濃度。研究表明，當(dāng)總污泥齡為8~10d時(shí)活性污泥中的最大磷含量為其干污泥量的4%，為異養(yǎng)菌體質(zhì)量的11%，但當(dāng)污泥齡超過15d時(shí)污泥中最大含磷量明顯下降，反而達(dá)不到最大除磷效果。因此，一味延長污泥齡（例如20d、25d、30d）是沒有必要的，宜在8~15d范圍內(nèi)選用。同時(shí)，高硝酸鹽濃度和低基質(zhì)濃度不利于除磷過程。

影響Carrousel氧化溝脫氮的主要因素是DO、硝酸鹽濃度及碳源濃度。研究表明，氧化溝內(nèi)存在溶解氧濃度梯度即好氧區(qū)DO達(dá)到3~3.5mg/L，缺氧區(qū)DO達(dá)到0~0.5mg/L是發(fā)生硝化反應(yīng)及反硝化反應(yīng)的前提條件。同時(shí)，充足的碳源及較高的C/N比有利于脫氮的完成[7]。

4. Carrousel氧化溝存在的問題及解決方法

盡管Carrousel氧化溝具有出水水質(zhì)好、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、除磷脫氮效率高、污泥易穩(wěn)定、能耗省、便于自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。但是，在實(shí)際的運(yùn)行過程中，仍存在一系列的問題。

4.1 污泥膨脹問題

當(dāng)廢水中的碳水化合物較多，N、P含量不平衡，pH值偏低，氧化溝中污泥負(fù)荷過高，溶解氧濃度不足，排泥不暢等易引發(fā)絲狀菌性污泥膨脹；非絲狀菌性污泥膨脹主要發(fā)生在廢水水溫較低而污泥負(fù)荷較高時(shí)。微生物的負(fù)荷高，細(xì)菌吸取了大量營養(yǎng)物質(zhì)，由于溫度低，代謝速度較慢，積貯起大量高粘性的多糖類物質(zhì)，使活性污泥的表面附著水大大增加，SVI值很高，形成污泥膨脹。

針對(duì)污泥膨脹的起因，可采取不同對(duì)策：由缺氧、水溫高造成的，可加大曝氣量或降低進(jìn)水量以減輕負(fù)荷，或適當(dāng)降低MLSS（控制污泥回流量），使需氧量減少；如污泥負(fù)荷過高，可提高M(jìn)LSS，以調(diào)整負(fù)荷，必要時(shí)可停止進(jìn)水，悶曝一段時(shí)間；可通過投加氮肥、磷肥，調(diào)整混合液中的營養(yǎng)物質(zhì)平衡（BOD5：N：P=100：5：1）；pH值過低，可投加石灰調(diào)節(jié)；漂白粉和液氯（按干污泥的0.3%~0.6%投加），能抑制絲狀菌繁殖，控制結(jié)合水性污泥膨脹[11]。

4.2 泡沫問題

由于進(jìn)水中帶有大量油脂，處理系統(tǒng)不能完全有效地將其除去，部分油脂富集于污泥中，經(jīng)轉(zhuǎn)刷充氧攪拌，產(chǎn)生大量泡沫；泥齡偏長，污泥老化，也易產(chǎn)生泡沫。用表面噴淋水或除沫劑去除泡沫，常用除沫劑有機(jī)油、煤油、硅油，投量為0.5~1.5mg/L。通過增加曝氣池污泥濃度或適當(dāng)減小曝氣量，也能有效控制泡沫產(chǎn)生。當(dāng)廢水中含表面活性物質(zhì)較多時(shí)，易預(yù)先用泡沫分離法或其他方法去除。另外也可考慮增設(shè)一套除油裝置。但最重要的是要加強(qiáng)水源管理，減少含油過高廢水及其它有毒廢水的進(jìn)入[12]。
 
4.3 污泥上浮問題

當(dāng)廢水中含油量過大，整個(gè)系統(tǒng)泥質(zhì)變輕，在操作過程中不能很好控制其在二沉池的停留時(shí)間，易造成缺氧，產(chǎn)生腐化污泥上浮；當(dāng)曝氣時(shí)間過長，在池中發(fā)生高度硝化作用，使硝酸鹽濃度高，在二沉池易發(fā)生反硝化作用，產(chǎn)生氮?dú)猓刮勰嗌细?；另外，廢水中含油量過大，污泥可能挾油上浮。

發(fā)生污泥上浮后應(yīng)暫停進(jìn)水，打碎或清除污泥，判明原因，調(diào)整操作。污泥沉降性差，可投加混凝劑或惰性物質(zhì)，改善沉淀性；如進(jìn)水負(fù)荷大應(yīng)減小進(jìn)水量或加大回流量；如污泥顆粒細(xì)小可降低曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速；如發(fā)現(xiàn)反硝化，應(yīng)減小曝氣量，增大回流或排泥量；如發(fā)現(xiàn)污泥腐化，應(yīng)加大曝氣量，清除積泥，并設(shè)法改善池內(nèi)水力條件[12]。

4.4 流速不均及污泥沉積問題

在Carrousel氧化溝中，為了獲得其獨(dú)特的混合和處理效果，混合液必須以一定的流速在溝內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。一般認(rèn)為，最低流速應(yīng)為0.15m/s，不發(fā)生沉積的平均流速應(yīng)達(dá)到0.3~0.5m/s。氧化溝的曝氣設(shè)備一般為曝氣轉(zhuǎn)刷和曝氣轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)刷的浸沒深度為250~300mm，轉(zhuǎn)盤的浸沒深度為480~ 530mm。與氧化溝水深（3.0~3.6m）相比，轉(zhuǎn)刷只占了水深的1/10~1/12，轉(zhuǎn)盤也只占了1/6~1/7，因此造成氧化溝上部流速較大（約為0.8~1.2m，甚至更大），而底部流速很小（特別是在水深的2/3或3/4以下，混合液幾乎沒有流速），致使溝底大量積泥（有時(shí)積泥厚度達(dá)1.0m），大大減少了氧化溝的有效容積，降低了處理效果，影響了出水水質(zhì)。

加裝上、下游導(dǎo)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。上游導(dǎo)流板安裝在距轉(zhuǎn)盤（轉(zhuǎn)刷）軸心4.0處（上游），導(dǎo)流板高度為水深的1/5~1/6，并垂直于水面安裝；下游導(dǎo)流板安裝在距轉(zhuǎn)盤（轉(zhuǎn)刷）軸心3.0m處。導(dǎo)流板的材料可以用金屬或玻璃鋼，但以玻璃鋼為佳。導(dǎo)流板與其他改善措施相比，不僅不會(huì)增加動(dòng)力消耗和運(yùn)轉(zhuǎn)成本，而且還能夠較大幅度地提高充氧能力和理論動(dòng)力效率[13]。

另外，通過在曝氣機(jī)上游設(shè)置水下推動(dòng)器也可以對(duì)曝氣轉(zhuǎn)刷底部低速區(qū)的混合液循環(huán)流動(dòng)起到積極推動(dòng)作用，從而解決氧化溝底部流速低、污泥沉積的問題。設(shè)置水下推動(dòng)器專門用于推動(dòng)混合液可以使氧化溝的運(yùn)行方式更加靈活，這對(duì)于節(jié)約能源、提高效率具有十分重要的意義[14]。

5. Carrousel氧化溝的發(fā)展

由于污水處理標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)除磷脫氮的要求越來越嚴(yán)格，Carrousel氧化溝也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。目前，研究及應(yīng)用較多的包括以下兩種類型：微孔曝氣型Carrousel 2000系統(tǒng)、Carrousel 3000系統(tǒng)。

5.1 微孔曝氣型Carrousel 2000系統(tǒng)

微孔曝氣型Carrousel 2000系統(tǒng)采用微孔曝氣（供氧設(shè)備為鼓風(fēng)機(jī)），微孔曝氣器可產(chǎn)生大量直徑為1mm左右的微小氣泡，這大大提高了氣泡的表面積，使得在池容積一定的情況下氧轉(zhuǎn)移總量增大（如池深增加則其傳質(zhì)效率將更高）。根據(jù)目前鼓風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家的技術(shù)能力，池的有效水深最大可達(dá)8m，因此可根據(jù)不同的工藝要求選取合適的水深。傳統(tǒng)氧化溝的推流是利用轉(zhuǎn)刷、轉(zhuǎn)碟或倒傘型表曝機(jī)實(shí)現(xiàn)的，其設(shè)備利用率低、動(dòng)力消耗大。微孔曝氣型Carrousel 2000系統(tǒng)則采用了水下推流的方式，即把潛水推進(jìn)器葉輪產(chǎn)生的推動(dòng)力直接作用于水體，在起推流作用的同時(shí)又可有效防止污泥的沉降。因而，采用潛水推進(jìn)器既降低了動(dòng)力消耗，又使泥水得到了充分地混合。

從水力特性來看，微孔曝氣型Carrousel 2000系統(tǒng)為環(huán)狀折流池型，兼有推流式和完全混合式的流態(tài)。就整個(gè)氧化溝來看，可認(rèn)為氧化溝是一個(gè)完全混合曝氣池，其濃度變化系數(shù)極小甚至可以忽略不計(jì)，進(jìn)水將迅速得到稀釋，因此它具有很強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。但對(duì)于氧化溝中的某一段則具有某些推流式的特征，即在曝氣器下游附近地段DO濃度較高，但隨著與曝氣器距離的不斷增加則DO濃度不斷降低（出現(xiàn)缺氧區(qū)）。這種構(gòu)造方式使缺氧區(qū)和好氧區(qū)存在于一個(gè)構(gòu)筑物內(nèi)，充分利用了其水力特性，達(dá)到了高效生物脫氮的目的。

微孔曝氣型Carrousel 2000系統(tǒng)盡管具有充氧能力強(qiáng)、除磷脫氮效果好、占地面積少和能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它也存在微孔曝氣設(shè)備維修的問題。目前，國內(nèi)微孔曝氣器的使用壽命為4~5年，好的可達(dá)8~10年，但與進(jìn)口微孔曝氣器相比還有一定的差距。曝氣器的維修不像表曝設(shè)備那樣方便，它需要干池才能檢修，也就是說一旦微孔曝氣器出現(xiàn)問題需采用平行兩組或三組來解決問題，或者采用提升裝置等來解決，這也將會(huì)給生產(chǎn)和管理帶來極大的不便[15 16]。

5.2 Carrousel 3000系統(tǒng)

Carrousel 3000系統(tǒng)是在Carrousel 2000系統(tǒng)前再加上一個(gè)生物選擇區(qū)。該生物選擇區(qū)是利用高有機(jī)負(fù)荷篩選菌種，抑制絲狀菌的增長，提高各污染物的去除率，其后的工藝原理同Carrousel 2000系統(tǒng)。

Carrousel 3000系統(tǒng)的較大提高表現(xiàn)在：一是增加了池深，可達(dá)7.5~8m，同心圓式，池壁共用，減少了占地面積，降低造價(jià)同時(shí)提高了耐低溫能力（可達(dá)7℃）；二是曝氣設(shè)備的巧妙設(shè)計(jì)，表曝機(jī)下安裝導(dǎo)流筒，抽吸缺氧的混合液，采用水下推進(jìn)器解決流速問題；三是使用了先進(jìn)的曝氣控制器QUTE（它采用一種多變量控制模式）。四是采用一體化設(shè)計(jì)，從中心開始，包括以下環(huán)狀連續(xù)工藝單元：進(jìn)水井和用于回流活性污泥的分水器；分別由四部分組成的選擇池和厭氧池。這之外是有三個(gè)曝氣器和一個(gè)預(yù)反硝化池的Carrousel 2000系統(tǒng)（如圖2 所示）。五是圓形一體化的設(shè)計(jì)使得氧化溝不需額外的管線，即可實(shí)現(xiàn)回流污泥在不同工藝單元間的分配[17]。

6. 結(jié)論

Carrousel氧化溝由于具有良好的出磷脫氮能力、抗沖擊負(fù)荷能力和運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但由于科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，該工藝必將得到進(jìn)一步的提高。作者認(rèn)為：Carrousel氧化溝的未來研究方向?qū)⒅饕w現(xiàn)在以下幾方面。

1 結(jié)合生物膜法，研究和開發(fā)生物模型Carrousel氧化溝。這樣不僅可以提高單位反應(yīng)器的微生物總量，從而提高有機(jī)負(fù)荷，而且生物膜本身具有的內(nèi)置A/O系統(tǒng)強(qiáng)化了脫氮效果[18]。

2 不斷提高Carrousel氧化溝中微生物的活性。例如在氧化溝中投加EM專一菌種、投入鐵鹽使微生物馴化成生物鐵、投入活性炭增強(qiáng)菌膠團(tuán)的形成并提高耐毒性沖擊等。

3 提高Carrousel氧化溝設(shè)備性能和監(jiān)控技術(shù)。提高表曝機(jī)、水下推進(jìn)器的性能，減少維修工作量；利用DO、ORP等多目標(biāo)監(jiān)控技術(shù)及變頻技術(shù)是今后Carrousel氧化溝科學(xué)運(yùn)行的必由之路。

4 提高Carrousel氧化溝的耐寒、耐毒性能，減少占地面積和工程造價(jià)。膜理論的應(yīng)用、深池水力條件和工藝性能的研究為降低工程造價(jià)、提高耐寒耐毒性能等提供了可能的方向。

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