氧化沟工艺在污水处理中的应用与发展 摘要:本文主要阐述了 Carrousel氧化沟的结构、工艺机理、运行过程中存在的问题和相 应的解决方法。最后,介绍了 Carrouse氧化沟的最新的研究进展并指出了未来的主要研究 方向 关键词: Carrousel氧化沟除磷脱氮结构机理 Application and development of Carrousel Oxidation Ditch Process on Wastewater Treatment Abstract: The structure and the techniques of carrousel oxidation ditch process on nitrogen and phosphor removal are introduced in this paper. The problems in running and their corresponding resolvent are also pointed. At last, The autho r showed the up to date research improvement and the mainly future research dir Key words: Carrousel; oxidation ditch; nitrogen and phosphor removal; structur e: techniques 前言 氧化沟( oxidation ditch)又名连续循环曝气池( Continuous loop reactor),是活 性污泥法的一种变形。氧化沟污水处理工艺是在20世纪50年代由荷兰卫生工程研究所研制 成功的。自从1954年在荷兰的首次投入使用以来。由于其出水水质好、运行稳定、管理方 便等技术特点,已经在国内外广泛的应用于生活污水和工业污水的治理口。 目前应用较为广泛的氧化沟类型包括:帕斯韦尔( Pasveer)氧化沟、卡鲁塞尔(Carr ousel)氧化沟、奥尔伯( Orbal)氧化沟、T型氧化沟(三沟式氧化沟)、DE型氧化沟和 一体化氧化沟。这些氧化沟由于在结构和运行上存在差异,因此各具特点。本文将主要介 绍 Carrousel氧化沟的结构、机理、存在的问题及其最新发展 2. Carrouse氧化沟的结构
氧化沟工艺在污水处理中的应用与发展 摘要： 本文主要阐述了 Carrousel 氧化沟的结构、工艺机理、运行过程中存在的问题和相 应的解决方法。最后，介绍了 Carrousel 氧化沟的最新的研究进展并指出了未来的主要研究 方向。 关键词： Carrousel 氧化沟 除磷脱氮 结构 机理 Application and Development of Carrousel Oxidation Ditch Process on Wastewater Treatment Abstract: The structure and the techniques of carrousel oxidation ditch process on nitrogen and phosphor removal are introduced in this paper. The problems in running and their corresponding resolvent are also pointed. At last, The autho r showed the up to date research improvement and the mainly future research dir ection. Key words: Carrousel; oxidation ditch; nitrogen and phosphor removal; structur e；techniques 1. 前言 氧化沟（oxidation ditch）又名连续循环曝气池（Continuous loop reactor），是活 性污泥法的一种变形。氧化沟污水处理工艺是在 20 世纪 50 年代由荷兰卫生工程研究所研制 成功的。自从 1954 年在荷兰的首次投入使用以来。由于其出水水质好、运行稳定、管理方 便等技术特点，已经在国内外广泛的应用于生活污水和工业污水的治理[1]。 目前应用较为广泛的氧化沟类型包括：帕斯韦尔（Pasveer）氧化沟、卡鲁塞尔（Carr ousel）氧化沟 、奥尔伯（Orbal）氧化沟、T 型氧化沟（三沟式氧化沟）、DE 型氧化沟和 一体化氧化沟。这些氧化沟由于在结构和运行上存在差异，因此各具特点[2]。本文将主要介 绍 Carrousel 氧化沟的结构、机理、存在的问题及其最新发展。 2. Carrousel 氧化沟的结构
Carrousel氧化沟是1967年由荷兰的DV公司开发研制。在原 Carrousel氧化沟的基 础上DHV公司和其在美国的专利特许公司EIMO又发明了 Carrousel2000系统(见图1), 实现了更高要求的生物脱氮和除磷功能。至今世界上已有850多座 Carrousel氧化沟和Car rousel2000系统正在运行。 由图可见, Carrousel氧化沟使用定向控制的曝气和搅动装置,向混合液传递水平速度, 从而使被搅动的混合液在氧化沟闭合渠道内循环流动。因此氧化沟具有特殊的水力学流态, 既有完全混合式反应器的特点,又有推流式反应器的特点,沟内存在明显的溶解氧浓度梯度 氧化沟断面为矩形或梯形,平面形状多为椭圆形,沟内水深一般为2.5~4.5m,宽深比为2 1,亦有水深达7m的,沟中水流平均速度为0.3m/s。氧化沟曝气混合设备有表面曝气机、 曝气转刷或转盘、射流曝气器、导管式曝气器和提升管式曝气机等,近年来配合使用的还有 水下推动器 叶轮3 4 叶轮2 进水及污泥回流处1 叶轮1 出水口 图1 Carrousel2000系统平面结构图 3. Carrouse氧化沟的机理 3.1 Carrousel氧化沟处理污水的原理 最初的普通 Carrousel氧化沟的工艺中污水直接与回流污泥一起进入氧化沟系统。表面 曝气机使混合液中溶解氧D的浓度增加到大约2~3mg/L。在这种充分掺氧的条件下,微生
Carrousel 氧化沟是 1967 年由荷兰的 DHV 公司开发研制。在原 Carrousel 氧化沟的基 础上 DHV 公司和其在美国的专利特许公司 EIMCO 又发明了 Carrousel 2000 系统（见图 1）， 实现了更高要求的生物脱氮和除磷功能。至今世界上已有 850 多座 Carrousel 氧化沟和 Car rousel 2000 系统正在运行[3]。 由图可见，Carrousel 氧化沟使用定向控制的曝气和搅动装置，向混合液传递水平速度， 从而使被搅动的混合液在氧化沟闭合渠道内循环流动。因此氧化沟具有特殊的水力学流态， 既有完全混合式反应器的特点，又有推流式反应器的特点，沟内存在明显的溶解氧浓度梯度。 氧化沟断面为矩形或梯形，平面形状多为椭圆形，沟内水深一般为 2.5～4.5ｍ，宽深比为 2: 1，亦有水深达 7m 的，沟中水流平均速度为 0.3m/s。氧化沟曝气混合设备有表面曝气机、 曝气转刷或转盘、射流曝气器、导管式曝气器和提升管式曝气机等，近年来配合使用的还有 水下推动器[4~6]。 图 1 Carrousel 2000 系统平面结构图 3. Carrousel 氧化沟的机理 3.1 Carrousel 氧化沟处理污水的原理 最初的普通 Carrousel 氧化沟的工艺中污水直接与回流污泥一起进入氧化沟系统。表面 曝气机使混合液中溶解氧 DO 的浓度增加到大约 2～3mg/L。在这种充分掺氧的条件下，微生
物得到足够的溶解氧来去除BOD;同时,氨也被氧化成硝酸盐和亚硝酸盐,此时,混合液处 于有氧状态。在曝气机下游,水流由曝气区的湍流状态变成之后的平流状态,水流维持在最 小流速,保证活性污泥处于悬浮状态(平均流速>0.3m/s)。微生物的氧化过程消耗了水中 溶解氧,直到D0值降为零,混合液呈缺氧状态。经过缺氧区的反硝化作用,混合液进入有 氧区,完成一次循环。该系统中,BOD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。由于结构的限制,这种氧化沟虽然可以有效的去处BOD,但除磷脱氮的能力有限 为了取得更好的除磷脱氮的效果, Carrousel2000系统在普通 Carrouse氧化沟前增 加了一个厌氧区和绝氧区(又称前反硝化区)。全部回流污泥和10-30%的污水进入厌氧区, 可将回流污泥中的残留硝酸氮在缺氧和10-30%碳源条件下完成反硝化,为以后的绝氧池创 造绝氧条件。同时,厌氧区中的兼性细菌将可溶性BOD转化成VFA,聚磷菌获得VFA将其同 化成PB,所需能量来源于聚磷的水解并导致磷酸盐的释放。厌氧区出水进入内部安装有搅 拌器的绝氧区,所谓绝氧就是池内混合液既无分子氧,也无化合物氧(硝酸根),在此绝 氧环境下,⑦0-90%的污水可提供足够的碳源,使聚磷菌能充分释磷。绝氧区后接普通 Carro usel氧化沟系统,进一步完成去除BOD、脱氮和除磷。最后,混合液在氧化沟富氧区排出 在富氧环境下聚磷菌过量吸磷,将磷从水中转移到污泥中,随剩余污泥排出系统。这样,在 Carrousel2000系统内,较好的同时完成了去除BOD、CO和脱氮除磷国。 综合采用该工艺的昆明第一污水厂、长沙市第二污水净化中心及漯河市污水处理厂 的运行效果可见:经过 Carrousel2000系统处理后,BOD、COD、SS的去除率均达到了90% 以上,TN的去除率达到了80%,TP的去除率也达到了90%。 3.2 Carrouse氧化沟除磷脱氮的影响因素 影响 Carrousel氧化沟除磷的因素主要是污泥龄、硝酸盐浓度及基质浓度。硏究宄表明, 当总污泥龄为8^10d时活性污泥中的最大磷含量为其干污泥量的4%,为异养菌体质量的11%, 但当污泥龄超过15d时污泥中最大含磷量明显下降,反而达不到最大除磷效果。因此,一味 延长污泥龄(例如20d、25d、30d)是没有必要的,宜在8^15d范围内选用。同时,高硝酸 盐浓度和低基质浓度不利于除磷过程
物得到足够的溶解氧来去除 BOD；同时，氨也被氧化成硝酸盐和亚硝酸盐，此时，混合液处 于有氧状态。在曝气机下游，水流由曝气区的湍流状态变成之后的平流状态，水流维持在最 小流速，保证活性污泥处于悬浮状态（平均流速>0.3m/s）。微生物的氧化过程消耗了水中 溶解氧，直到 DO 值降为零，混合液呈缺氧状态。经过缺氧区的反硝化作用，混合液进入有 氧区，完成一次循环。该系统中，BOD 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。由于结构的限制，这种氧化沟虽然可以有效的去处 BOD，但除磷脱氮的能力有限 [7]。 为了取得更好的除磷脱氮的效果，Carrousel 2000 系统在普通 Carrousel 氧化沟前增 加了一个厌氧区和绝氧区（又称前反硝化区）。全部回流污泥和 10-30%的污水进入厌氧区， 可将回流污泥中的残留硝酸氮在缺氧和 10-30%碳源条件下完成反硝化，为以后的绝氧池创 造绝氧条件。同时，厌氧区中的兼性细菌将可溶性 BOD 转化成 VFA，聚磷菌获得 VFA 将其同 化成 PHB，所需能量来源于聚磷的水解并导致磷酸盐的释放。厌氧区出水进入内部安装有搅 拌器的绝氧区，所谓绝氧就是池内混合液既无分子氧，也无化合物氧（硝酸根）， 在此绝 氧环境下，70-90%的污水可提供足够的碳源，使聚磷菌能充分释磷。绝氧区后接普通 Carro usel 氧化沟系统，进一步完成去除 BOD、脱氮和除磷。最后，混合液在氧化沟富氧区排出， 在富氧环境下聚磷菌过量吸磷，将磷从水中转移到污泥中，随剩余污泥排出系统。这样，在 Carrousel 2000 系统内，较好的同时完成了去除 BOD、COD 和脱氮除磷[8]。 综合采用该工艺的昆明第一污水厂[9]、长沙市第二污水净化中心[10]及漯河市污水处理厂 的运行效果可见：经过 Carrousel 2000 系统处理后，BOD、COD、SS 的去除率均达到了 90% 以上，TN 的去除率达到了 80%，TP 的去除率也达到了 90%。 3.2 Carrousel 氧化沟除磷脱氮的影响因素 影响 Carrousel 氧化沟除磷的因素主要是污泥龄、硝酸盐浓度及基质浓度。研究表明， 当总污泥龄为8~10d时活性污泥中的最大磷含量为其干污泥量的4%，为异养菌体质量的11%， 但当污泥龄超过 15d 时污泥中最大含磷量明显下降，反而达不到最大除磷效果。因此，一味 延长污泥龄（例如 20d、25d、30d）是没有必要的，宜在 8~15d 范围内选用。同时，高硝酸 盐浓度和低基质浓度不利于除磷过程
影响 Carrousel氧化沟脱氮的主要因素是D、硝酸盐浓度及碳源浓度。研究表明,氧 化沟内存在溶解氧浓度梯度即好氧区DO达到33.5mg/L,缺氧区DO达到00.5mg/L是发生 硝化反应及反硝化反应的前提条件。同时,充足的碳源及较高的C/N比有利于脱氮的完成的。 4. Carrouse氧化沟存在的问题及解决方法 尽管 Carrousel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 4.1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。微生物的负荷髙,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MSS(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(BODs:N:P=100:5:1);p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 4.2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0.5~1.5πg/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
影响 Carrousel 氧化沟脱氮的主要因素是 DO、硝酸盐浓度及碳源浓度。研究表明，氧 化沟内存在溶解氧浓度梯度即好氧区 DO 达到 3~3.5mg/L，缺氧区 DO 达到 0~0.5mg/L 是发生 硝化反应及反硝化反应的前提条件。同时，充足的碳源及较高的 C/N 比有利于脱氮的完成[7]。 4. Carrousel 氧化沟存在的问题及解决方法 尽管 Carrousel 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。 4.1 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]。 4.2 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[12]
4.3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杋转速:如发现反硝化,应减小曝气量,増大回流或排泥量: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12 4.4流速不均及污泥沉积问题 在 Carrousel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250300m,转盘 的浸没深度为480530mm。与氧化沟水深(3.0~3.6m)相比,转刷只占了水深的1/101/1 2,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0.81.2m,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1/51/6,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
4.3 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[12]。 4.4 流速不均及污泥沉积问题 在 Carrousel 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 1/10~1/1 2，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[13]。 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