（制浆造纸工程专业论文）射流曝气改良型氧化沟工艺性能的研究.pdf

射流曝气改良型氧化沟工艺性能的研究 射流曝气器改良型氧化沟工艺性能的研究 摘要 氧化沟技术作为一种废水生物处理新技术，在城市废水的处理中效果 显著，但处理水质恶劣的工业废水时，优势则不是很明显。目前流行的氧 化沟工艺曝气池水深多为3 4 5 m ，占地面积大，基建投资高。改良型氧化 沟采用先进的f a s j e t 射流曝气系统( f o r c e da i rs u p p l yj e ta e r a t i o n s y s t e m ) ，能同时满足充氧和推动沟中混合液体的作用。该系统充氧能力强， 整个氧化沟为全好氧状态，系统处理能力强，且沟深在6 8 m ，大大减少 了占地面积。 本试验通过污水试验得出不同工艺条件和性能参数下射流曝气器的标 准氧总转移系数k l a 。，计算出射流曝气器的动力效率e p 、充氧能力e l 、标 准氧转移率s o t r 和氧利用率e a 。并测量采用供气式射流曝气器对草浆中 段废水进行曝气时系统的出水水质情况。观察性能参数的变化对改良式氧 化沟处理效果的影响规律。试验结果表明： 1 ) 气水比与动力效率e p 值不成规律的线性关系。气水比在1 5 2 之间 时，动力效率e p 值逐渐增加，在气水比为2 时动力效率e p 值达到最大；之后 迅速下降。增加风量所需的能量占动力系统中的主要部分，动力消耗增加 的幅度远超过标准氧总转移系数k l 丑。和充氧能力e l 的增大幅度，动力效率 下降。 水深2 5 m 时，平均动力效率e p 为2 4 3 k 9 0 2 k w h 、充氧能力e l 为 o 4 9 6 k 9 0 2 h 、标准氧转移率s o t r 为7 0 8 6 m g0 2 ( l h ) 、氧利用率e a 为 2 3 1 7 。 气水比对s s 去除率并i c o d 去除率的影响基本上与其对曝气器动力效率 的影响规律相同。系统平均的溶解氧基本保持在2 m g l 以上，s s 平均去除率 9 0 ，c o d 平均去除率 7 8 5 。 2 ) 随着m i s s 值的增加，d o 值逐步降低，特别是当m l s s 值高于 4 5 0 0 m g l 时，d o 值急剧减小。在m i s s 值i x ：j 。4 5 0 0 m g l 时，系统的c o d 去 除率随其增加而快速增加；m i s s 值在4 5 0 0 5 5 0 0 m g l 时，系统的处理能力 最高约8 3 ；当m l s s 值在大于5 5 0 0 m g l 时，系统的处理能力开始逐步下降。 综合考虑，系统的m i s s 值在4 0 0 0 6 0 0 0 m g l 之间最佳。 3 ) 随着h r t 的增加，系统的s s 和c o d 去除率也在逐渐增加。但是当 陕西科技大学硕士学位论文 h r t 超过2 3 h 后，s s 和c o d 去除率的增长非常缓慢。综合经济因素，系统合 适的h r t 为1 7 2 3 h 。 随着水深的下降，曝气器充氧性能各项参数都在明显下降，只有在水 深较深时才能更加显示其优良的充氧性能。 关键词：改良型氧化沟，供气式射流曝气器，动力效率，草浆中段废水 射流曝气改良型氧化沟工艺性能的研究 r e s e a r c ho np r o p e 砌e so fj e t a e r a t i o nm o d i f i e do x i d a t i o nd i t c h o x i d a t i o nd i t c h t e c h n o l o g y , a n e w b i o l o g i c a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g y , h a san o t a b l ee f f e c ti nt r e a t i n gm u n i c i p a lw a s t e w a t e r b u tt h e r ei sn o r e m a r k a b l ee f f e c ti nt r e a t i n gi n d u s t r i a lw a s t e w a t e rw h i c hh a sav e r yb a dw a t e r q u a l i t y , u s i n gt h i st e c h n o l o g y t h ed e p t ho fa e r a t i o nb a s i ni np o p u l a ro x i d a t i o n d i t c hp r o c e s si s3t o4m e t e r s ，s oi tw i l lo c c u p yl a r g ea r e aa n da d dt h ec o s to f c a p i t a lc o n s t r u c t i o n f a s j e t 。s y s t e ma d o p t e di nm o d i f i e do x i d a t i o nd i t c h p r o c e s sh a sas t r o n ga b i l i t yo fa c c o m p l i s h i n go x y g e ns u p p l y ，d r i v i n gm i x e d l i q u i di nt h ed i t c ha n dm a i n t a i n i n gt h ed o ( d i s s o l v e do x y g e n ) c o n c e n t r a t i o n a r o u n d2 m g lt o4 m g l t h ed e p t ho fa e r a t i o nb a s i n ，s a v i n gm o r el a n dt h a n t r a d i t i o n a lo x i d a t i o nd i t c ht e c h n o l o g y , i s6 8m e t e r s a p i l o t - s c a l er e a c t o ri sd e s i g n e di nt h i sr e s e a r c h ，a n dt h ew a t e rq u a l i t yo f e f f l u e n tf r o ms t r a wp u l pi n t e r m e d i a t ew a s t e w a t e ri so b s e r v e da f t e rt r e a t m e n t b e h a v i o rp a r a m e t e r sa r ec h a n g e dt o s t u d yt h e i ri n f l u e n c ei nt h et r e a t m e n t p r o c e s s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti ss h o w n b e l o w 1 ) t h e r ei sn ol i n e a rc h a r a c t e r i s t i cb e t w e e ns u p p l i e da i ra n dc i r c u l a t i n g l i q u i dr a t i oa n dp o w e re f f i c i e n c y ( e p ) t h ev a l u eo fe pi n c r e a s e sw h e nt h er a t i o o fs u p p l i e da i ra n dc i r c u l a t i n gl i q u i dr a i s e sf r o m1 5t o2 0 ，a n dr e a c h e st ot h e p e a k ，t h e nd e c r e a s e sd r a m a t i c a l l y t h ep o w e ro fs u p p l y i n ga i ra c c o u n t sf o rm a i n p a r to fp o w e rs y s t e m ，s ot h ei n c r e a s i n gt r e n do fc o s tp o w e ro u t c l a s st h er i s i n g t r e n do fs t a n d a r do x y g e nt r a n s f e rr a t e ( k i d s ) a n do x y g e ns u p p l yc a p a b i l i t y ( e l ) ， w h i c hl e a d saf a l lo fe p t h em e a ne pi s2 4 3k 9 0 2 k w h ，t h em e a ne li s 0 4 9 6 k 9 0 2 h ，t h em e a n s o t r ( s t a n d a r do x y g e nt r a n s f e rr a t e ) i s7 0 8 6 m g0 2 ( l h ) ，t h em e a ne a ( o x y g e n u s i n gr a t e ) i s2 3 1 7 i nt h ed e p t ho f2 5 m t h er a t i oo fs u p p l i e da i ra n dc i r c u l a t i n gl i q u i dh a st h es a m ee f f e c to ns s r e m o v er a t ea n dc o dr e m o v er a t ea si t se f f e c to ne po fa e r a t o r a n dt h em e a n i l i 陕西科技太学硕士学位论文 d oc o n c e n t r a t i o ni nt h ed i t c ho nt h ew h o l ei sm o r et h a n2 m e l ；t h em e a ns s a n dc o dr e m o v er a t ei sh i g h e rt h a n9 0 a n d7 8 5 r e s p e c t i v e l y 2 ) t h ev a l u eo fd oi nt h ed i t c hd e s c e n d sw h i l et h em l s sv a l u ei n c r e a s e s e s p e c i a l l yw h e nt h em l s sv a l u ei sh i g h e rt h a n4 5 0 0 m g l t h ec o dr e m o v e r a t eo fs y s t e ms o a r sw i t ht h ei n c r e a s eo fm l s sw h i l em l s si sl e s st h a n 4 5 0 0 m g l ，a n dd r o p sg r a d u a l l yw h e nm l s sv a l u ei sm o r et h a n5 5 0 0 m g l c o n s e q u e n t l y ，t h eb e s tm l s sv a l u ei s4 0 0 0 6 0 0 0m g l 3 ) t h e r ei sas l o wr i s i n go fs sa n dc o dr e m o v er a t ew h e nt h eh r t g r o w s u p ，b u tt h ee x t e n to fr i s i n gi se x t r e m e l ys l o ww h i l eh r ti sl o n g e rt h a n2 3 h i n t h i sc a s e ，t h eo p t i m u mh r ti s 1 7 2 3 h ，t a k i n gt h ee c o n o m i c a lf a c t o ri n t o a c c o u n t b e h a v i o rp a r a m e t e r so fa e r a t o rs l i d ed o w nb e c a u s eo fr e d u c eo fr e a c t o r d e p t h ；a n da d v a n c e do x y g e ns u p p l ya b i l i t yo n l yc a nb ep e r f o r m e do b v i o u s l yi n ad e e p e rd e p t h k e yw o r d s ：m o d i f i e do x i d a t i o n d i t c h ，f o r c e d a i r j e ta e r a t o r , p o w e r e f f i c i e n c y , s t r a wp u l pi n t e r m e d i a t ew a s t e w a t e r i v 射流曝气改良型氧化沟工艺性能的研究 1 绪论 1 1 引言 为进一步落实环境保护基本国策，实施可持续发展战略，中国国民经济和社会发 展“十一五”规划纲要提出了我国“十一五”环境保护目标：“加大“三河三湖”等重点流域 和区域水污染防治力度。科学划定饮用水源保护区，强化对主要河流和湖泊排污的管制， 坚决取缔饮用水源地的直接排污口，严禁向江河湖海排放超标污水。加强城市污水处理 设施建设，全面开征污水处理费，到2 0 1 0 年城市污水处理率不低于7 0 。顺应自然规 律，调整治水思路，从注重水资源开发利用向水资源节约、保护和优化配置转变。加强 水资源统一管理，统筹生活、生产、生态用水，做好上下游、地表地下水调配，控制地 下水开采。完善取水许可和水资源有偿使用制度，实行用水总量控制与定额管理相结合 的制度，健全流域管理与区域管理相结合的水资源管理体制，建立国家初始水权分配制 度和水权转让制度。完成南水北调东线和中线一期工程，合理规划建设其他水资源调配 工程”。 一 我国水资源不足和时空分布不均，水环境容量低，工业污染源排放污染物达到水环 境质量改善要求的任务是长期而艰巨的。 1 1 1 我国水污染现状 根据国家环境保护总局2 0 0 0 年中国环境状况公报的资料，我国7 个重点水系 流域的总体水质状况为：符合i 类水质者占1 6 4 ：符合i i 类水质者占2 5 9 ；符合m 类水质者占1 5 5 ：符合类水质者占2 1 6 ；符合v 类水质者占6 9 ；劣于v 类水质 者占1 3 8 。7 个重点水系的水质达到i 、i i 、类者5 7 8 ：达到、v 者2 8 5 ； 劣于v 类者1 3 8 。可见我国主要河流污染严重，面源污染十分突出。全国水环境形势 不容乐观，全国七大水系受到不同程度的污染，一半以上的监测断面水质属于v 类和劣 v 类，城市及其附近河段污染严重。其中，辽河与海河的水质污染最为严重，淮河水质 甚差，黄河水质也差，松花江水质尚可，珠江、长江水体总体良好l l j 。 造纸工业是一个与国民经济息息相关的行业，同时也是一个能源及化工原料消耗 高、用水量大、对环境污染严重的行业。其造成的公害可谓五毒俱全，即废水、废气、 废渣、噪声和恶臭。五毒之首当属废水，这是由于造纸工业废水排放量大，废水中又含 有大量的纤维素、木质素、无机碱以及单宁、树脂、蛋白质等等，致使废水色度深、碱 度大，难降解物质含量高、耗氧量大。它能造成整个水体的污染和生态环境的严重破坏。 美国的六大公害和日本的五大公害均有造纸工业，而西欧国家如瑞典、芬兰造纸工业有 陕西科技大学硕士学位论文 机污染负荷已占全部工业污染负荷的8 0 1 ：j 。我国造纸工业污染更为严重，造纸工业排 放的废水量占全国工业废水总排放量的1 0 1 2 ，仅次于化工和冶金工业，居第三位1 3 l 。 我国造纸工业废水污染具有以下特点： 1 废水排放量大：使用麦草制浆每生产1 t 纸需新鲜水2 2 0 3 0 0 t ；使用废纸浆生产1 t 纸需新鲜水4 0 6 0 t ，每生产1 t 板纸需新鲜水6 0 1 0 0 t ；而由纸浆每生产1 t 纸约排放2 0 7 0 m 3 废水。 2 废水成分复杂、浓度大：依据造纸的生产过程，其废水大体上可分为制浆废液 ( 黑液、红液等) 、中段废水( 包括洗涤净化水与漂白水) 及纸机白水三种。但由于原 料( 针叶木、阔叶木或麦草等非木材原料) 、制浆方法( 化学法、半化学法、化学机械 法和机械法等) 的不同及各种化学药品( 漂白剂、填料、施胶剂、增强剂和涂料等) 的 添加，造成不同的纸厂其废水性质相去甚远。另外，制浆造纸废水中含有大量的溶解性 有机物、无机物或以悬浮形式存在于废水中的细小纤维等，因而其c o d c , 、b o d 5 浓度 很高，同时废水中含有很高的色度与浊度。 3 废水中有毒物质含量高：造纸废水中的毒性物质种类很多，其中典型的有机物有 树脂类化合物、单宁类化合物、氯代酚及其它有机氯化物、有机硫化物等。无机的毒性 化合物以含硫化合物为主，如硫酸盐、亚硫酸盐、硫化氢等。这些毒性物质排入水体后， 不仅造成大量水生生物的死亡，而且对人类的健康构成了严重的威胁。目前，北欧、北 美等工业化国家已通过采用改良制浆和漂白工艺，使废水中毒性物质的浓度降低到了一 定的限度。 4 我国造纸工业废水治理水平远远落后于造纸工业发展水平：我国造纸企业以中小 厂居多，大多采用以草类为原料的碱法工艺，由于草浆黑液碱回收存在的技术问题及受 企业生产规模或资金的限制，制浆黑液的治理一直未能得到足够的重视。加上许多企业 管理人员对环境问题了解不多，观念陈旧，环保意识薄弱，没有摆正发展与治污的关系， 从工厂设计、生产管理到新技术的应用与发展上，往往只把经济效益放在首位而忽略了 环境与社会效益。新建工程往往只重视发展浆、纸等车间，不同步建设蒸煮废液处理装 置( 碱回收、综合利用) 及废水处理厂等，且多数小纸厂装备差、工艺落后；建厂几十 年的大厂、老厂没有得到及时有效的改造更新；大多数纸厂管理粗放，技术力量不足， 存在产品质量上不去，消耗大、成本高、污染严重的局面。所以我国纸厂普遍存在着内 部治理措施不力或根本没有内部治理的现状。随着近年环境问题的日益暴露及可持续发 展战略的提出，废水污染问题已经成为制约我国造纸工业生存与发展的决定性因素。 总之，我国造纸工业用水浪费严重，既缺乏有效的内部治理措施，更缺乏外部治理 规划。致使废水排放量大、单位产品污染负荷高。加上我国造纸企业小厂居多且布局分 散，受原料和经济技术的限制，使废水治理难度加大。与此相关的科研与技术的推广仍 射流曝气改怠型氧化沟工艺性能的研究 停留在较小规模和较低水平，与当前我国造纸工业废水污染亟待根治的迫切形势不相适 应。 制浆中段废水一般指制浆漂白、筛选、净化过程中产生的废水，其中的污染成分比 较复杂，含有大量的半纤维素、糖类、一些溶出物( 残碱、无机盐、挥发酸、氨氮等) 及少量的木质素，虽然中段废水的浓度较低，但水量甚大，其中还含有多种有机氯化物 如氯化木素，氯酚等，是制浆造纸废水中毒性物质的主要来源，对环境的危害极大，属 于要严格控制的污染物。而这些物质用一般方法又难于有效去除，因此废水的处理难度 比较大，所以对中段废水的高效处理一直是造纸工业者研究的热点课题。 1 1 2 废水生物处理技术 废水生物处理技术在世界发达国家得到了十分广泛的应用，如美国共有废水处理厂 约1 8 0 0 座，其中8 4 为二级生物处理厂；英国共有废水处理厂约3 0 0 0 座，几乎全部是 二级生物处理厂：日本有城市废水处理厂7 0 3 座，村镇废水处理厂约2 0 0 0 座，其中二 级生物处理厂和三级处理厂达9 9 以上；瑞典人口很少，却有1 5 4 0 座废水处理厂，其 中9 1 为生物处理厂。这些国家的经验表明，兴建二级生物处理厂对控制水污染和改善 水体水质起到了十分显著的作用，如美国上千条河流的水质有了明显的改善，日本不符 合水质标准的水域已不足o 1 ，欧洲莱茵河的有机污染也基本上得到了控制，部分河 段的水质明显改善，英国泰晤士和绝迹了1 0 0 多年的鱼群重现出现，目前鱼种已达1 1 9 种之多川。 微生物在好氧条件下能对废水中的蛋白质、碳水化合物、脂肪等有机物进行分解稳 定并使其无害化，在厌氧条件下则能将有机物转化成以甲烷气体为主的沼气。 废水中有机物的种类繁多，性质各异，一般可按其状态和特性分为以下几类： ( 1 ) 溶解状的或不溶解状的： ( 2 ) 易被生物降解的或难被生物降解的； ( 3 ) 有毒害的或无毒害的。 废水好氧生物处理的主要对象是生物可降解的有机物，分解者是好氧的异养型微生 物，主要条件是供应充足的氧，其主要产物则是二氧化碳和水，同时微生物增值造成污 泥量的增长。虽然厌氧生物处理的对象都是有机物，但其工作原理、反应产物及微生物 特性很不相同，如：其发挥作用的微生物是厌氧或兼性微生物；其代谢有机物的途径与 好氧生物处理完全不同；其最终产物是以甲烷为主的可以作为能源的气态物质；其对氧 的要求是截然相反的，氧的存在甚至对厌氧微生物有害；其对温度、营养等环境因素的 要求也不相同：对有机物的分界速度较慢，因此需时较长。 从1 9 6 1 年至今是废水生物处理技术发展的新时期。在这个时期，由于环境污染的 陕西科技大学硕士学位论文 加剧和能源危机的出现，废水生物处理的研究和应用发生了很大的飞跃： ( 1 ) 好氧生物方面，出现了氧化沟、a b 法、s b r 反应器、高浓度活性污泥法、 深井曝气、好氧生物流化床等新工艺，以及高效曝气器、新型填料等设备；并发展了一 些将悬浮生长的微生物系统与附着生长的生物系统设置在一个反应器中的复合式反应 器，如投加载体的活性污泥法；对于生物处理系统中的固液分离装置，近1 0 余年来有 了十分引人注目的发展，特别是膜一生物反应器系统的研究和应用。同时，活性污泥微 生物的研究方面还取得了极大的进展，如丝状菌的成因及控制等。 ( 2 ) 厌氧生物处理方面，其进步更为显著。近1 0 多年来，先后出现了厌氧接触法、 厌氧生物滤池、厌氧附着膜膨胀床、升流式厌氧污泥层反应器、厌氧生物流化床、厌氧 生物转盘等。 废水生物处理技术百余年来的发展和进步充分表明，废水生物处理技术的功能不只 是分解和稳定有机物及处理生活污水，如新开发的生物脱氮除磷工艺可以去除氮、磷等 无机营养物。而且，厌氧与好氧相结合的生物处理工艺对难降解的合成有机物有良好的 处理效果；通过微生物的培养驯化及遗传工程的应用，难降解的有机物将不难降解；采 用生物滤池等生物膜法处理工艺可以有效的处理微污染水源水；废水生物处理技术可以 与其他处理工艺相配合，满足废水回用的要求。因此可以说废水生物处理技术是具有多 种功能的技术。它已在很多国家的水污染控制中发挥了巨大的作用，今后还将在世界各 国的水污染控制中发挥更大的作用。 1 2 氧化沟活性污泥法综述 1 2 1 氧化沟的发展史与现状 氧化沟又名氧化渠( o x i d a t i o nd i t c h ，o d ) ，是活性污泥法的一种变形，从工作原理 上近似于延时曝气，因其构筑物成封闭的沟渠型而得名。因为废水和活性污泥的混合也 在环状的曝气渠道中不断循环流动，所以也有人称其为连续循环曝气池嘲( c o n t i n u o u s l o o pr e a c t o r ) 或“无终端的曝气系统”。 氧化沟污水处理工艺是在2 0 世纪5 0 年代由荷兰卫生工程研究所研制成功的，并于 1 9 5 4 年在荷兰的v o o r s c h o t e n 市投入使用1 6 1 ，服务人口近3 6 0 人，采用间歇运行方式，将曝 气、沉淀、污泥稳定等处理过程集中于一体，b o d 5 去除率高达9 7 ，运行稳定，管理 方便，引起了世界各国的广泛重视。到目前为止，据不完全统计，欧洲建有氧化沟废水 处理厂2 0 0 0 多个，北美有9 0 0 0 多个，亚洲有近1 0 0 0 个【4 i 。 氧化沟由沟体，曝气设备，进水区、出水区和自动控制设备等部分组成。氧化沟沟体 的平面形状一般呈环状沟渠形，也可以是长方形、l 形、马蹄形、园形或其它形状，氧化 射流曝气改良型氧化沟工艺性能的研究 沟断面形状多为矩形和梯形。早期的氧化沟池体按土质挖成斜坡浇以1 0 c m 厚的素混凝 土，目前池体常以钢筋混凝土现浇。氧化沟的沟深与曝气和混合推动设备有关，一般在 3 5 m ，最深的已达8 m 。改良氧化沟一般为5 8 m 。 氧化沟技术处理城市废水的效果显著，这己由中国、美国、英国、丹麦等国家对这 一技术的实际应用结果所证实。目前，氧化沟工艺已成功应用于化工废水、造纸废水、 印染废水、食品加工废水、屠宰废水、乳品废水、酿酒废水、家畜废液、甜菜制糖废水、 马铃薯加工废水、脂肪提炼与加工废水、制药废水等的处理。 随着氧化沟技术的不断完善和配套设施的进步更新，这项工艺的适用范围越来越 广。过去氧化沟处理量多为3 0 0 0 m 3 d 以下，而目前，处理量在1 0 x 1 0 4 m 3 d 以上的氧化沟 工艺废水处理厂已比较普遍。 曝气设备是氧化沟的主要设备，它起着供氧、推动水流和防止活性污泥沉淀等作用， 常用的曝气设备有表面曝气机、曝气转刷( 转笼、转盘、转碟) 、射流曝气、导管式曝气 机等。国外生产制造氧化沟相应曝气设备装置的制造商也越来越多，如荷兰的d h v 公司、 德国的p a s s a v a n t 公司、丹麦的k r i i g e r 公司、美国的e n v i r e x 公司等都是开发推广氧化沟技 术历史比较长、规模比较大的生产制造商。这些厂商近些年都有一些新的产品，如d h v 公司开发了两层涡轮的立式曝气机，提高了曝气机的混合推进能力，同时可增加氧化沟 的设计深度。p a s s a v a n t 公司针对曝气转刷叶片易受腐蚀、质量大等缺陷，开发了玻璃钢 强化塑料制成的叶片，具有耐腐蚀、机械强度高、质量轻等优点。 我国从2 0 世纪8 0 年代初开始研究和应用氧化沟工艺1 7 l ，如邯郸市东污水处理厂、桂 林市东污水处理厂、珠海市香洲水质净化厂、上海石化总厂水质净化厂、广东中山中嘉 污水处理厂和广州市石化公司污水处理厂等污水处理厂都采用此工艺。建成投入运行后， 均取得了良好的处理效果，被普遍认为是一种工艺流程简单、运行管理方便、处理效果 稳定、基建投资和运行费用较低且具有较强竞争力的二级处理工艺。但是我国对氧化沟 技术的研究不够成熟，对许多国际上常用的氧化沟工艺如奥贝尔、三槽式、船形等，仅引 进国外的技术设备，缺乏系统的研究与总结，也缺乏实际操作、运行、控制经验。 目前，我国氧化沟技术水平与国际先进水平相比差距很大。究其原因，是我国还未系 统地研究氧化沟技术与设备，对国际上氧化沟技术跟踪也不够。故对氧化沟技术的掌握 尚不够全面，在工程上还缺乏系统和科学的设计方法，对氧化沟新工艺、新池型、新配套 设备了解甚少。我国现己引进数种氧化沟技术，应有条件来分析比较和吸收消化。氧化 沟设计中除了要考虑碳源污染物的去除，还要考虑污水硝化和污泥稳定化问题。去除不 同的污染物，设计参数和方法是不同的。例如，考虑污泥稳定的氧化沟设计，其设计参数主 要考虑污泥龄和内源呼吸速率，而不是传统活性污泥工艺中的污泥负荷，这时氧化沟的停 留时间事实上是一个导出的参数。其次氧化沟最重要的特点之一是，专用的曝气设备需 陕西科技大学硕士学位论文 要同时满足池内充氧和推动水沿沟渠流动的要求。全面了解和掌握氧化沟的水力学特性 尤为需要。有关设备的水力学特性，是厂家产品的特性。大部分设计单位恰恰掌握不够， 致使在设计中由于设备型号和参数不准，常常导致设计没有达到预期效果。这也与大多 数氧化沟工艺及其拥有的专利和设备密切相关。由于国外公司对专有技术保密，因此出 现了氧化沟技术不断发展，可是用于了解基本工艺的公开技术资料未见增加的现象。由 此就更需要加强创新性的研究，才能提高我国在氧化沟工艺上的技术水平。 为了增强氧化沟的功能，我国的研究人员提出了沟内填加填料的氧化沟。主要分为 两类：一类是单纯的生物膜氧化沟，这种氧化沟省去了污泥回流，构筑物简单，负荷高， 产泥量少，并且管理方便；另一类是悬浮污泥结合投加填料的生物膜氧化沟，研究结果 表明，其运行的稳定性，处理的容积负荷、脱氮效果等均优于悬浮污泥氧化沟系统。投 加填料的氧化沟适合于小型废水处理厂。我国的许多单位还开发了各种各样的氧化沟专 用设备，如曝气转刷及曝气转盘系列产品、传动设备产品、氧化沟进出水堰产品等。这 对氧化沟工艺在我国的应用起到了积极地推进作用。 1 2 2 氧化沟的基本原理与技术特征 a 氧化沟基本原理 氧化沟是活性污泥法的发展，沟中的活性污泥以废水中的有机物作为食料，使之无 机化。在氧化沟系统中，通过曝气设备使废水和混合液在环状的渠内循环流动，依靠曝 气设备推动废水和混合液流动并进行曝气( 也有使用曝气设备曝气，水下推进器推动废 水和混合液的) 。从运行方式角度考虑，氧化沟技术发展主要有两方面，一方面是按时间 顺序安排为主对污水进行处理：另一方面是按空间顺序安排为主对污水进行处理。属于 前者的有交替和半交替工作式氧化沟；属于后者的有连续工作分建式和合建式氧化沟。 图1 - 1 为典型氧化沟工艺流程示意图： 图1 - 1 传统氧化沟工艺流程图 f i g 1 - 1 f l o wc h a to ft r a d i t i o n a lo x i d a t i o nd i t c hp r o c e s s 射流曝气改良型氧化沟工艺性能的研究 混合液通过曝气设备后，溶解氧( d o ) 浓度提高，随后在渠内流动过程中又逐渐 降低。氧化沟通常以延时曝气的方式运行，水力停留时间( h r t ) 为1 0 2 4 h ，污泥龄为 2 0 3 0 d 。通过设置进水与出水位置、可以使氧化沟完成硝化和反硝化功能。如果主要 去除b o d s 或进行反硝化，进水点则通常设在靠近曝气设备的位置( 曝气设备上游) ， 出水点在进水点的上游处，见图1 - 1 。 常见氧化沟的深度为0 9 5 5 m l ，深池型卡鲁塞尔( c a r r o u s e l ) 型氧化沟可达7 5 m ，改 良型氧化沟为5 8 m ，渠道内的水流速度为0 2 5 o 6 m s ( o 3 m s 是保证好氧活性污泥法 曝气池中活性污泥以悬浮态存在于曝气池内的安全流速) 。氧化沟的几何形状和具体尺 寸与曝气设备和混合设备密切相关，要根据所选择的设备最后确定。目前也有将水下推 进器与表曝机联合使用的工程实例。污泥沉淀设备设施可采用分建式和合建式，分建式 有卡鲁塞尔型氧化沟例、奥贝尔( o r b a l ) 型氧化沟1 1 0 】和改良型氧化沟j i l l ，合建式有一体 化氧化沟i - 2 1 ( 以u n i t e di n d u s t r i e si n c 公司的船型沉淀器一b o a t 和a r m c o 环境企业公司的 b m t s 系统最具代表性) 和交替式氧化沟m l ( 有v r 型氧化沟、d e 型氧化沟和t 型氧化沟) 。 b 氧化沟的技术特征 1 ) 氧化沟的流态特点 废水进入氧化沟后，在曝气设备的作用下快速、均匀地与沟中混合液混合。混合后 的废水在封闭的沟渠中循环流动。水流在沟渠中的流速为0 2 5 0 6 m s ，氧化沟的总长 为9 0 6 0 0 m ，则完成一个循环所需时间为5 2 0 分钟。由于废水在氧化沟中的水力停留时 间为1 0 2 4 h ，因此可以推算，废水在该水力停留时间内要完成3 0 2 0 0 次循环。氧化沟 在短时间内( 如在一个循环中) 呈现推流式，而在长时间内( 如在多次循环中) 则呈现 完全混合特征，两者的结合使氧化沟同时具备了推流和完全混合两种流态特点。 2 ) 氧化沟具有明显的溶解氧( d o ) 浓度梯度 由于氧化沟的曝气设备一般是定位布置的，因此在装置下游混合液的溶解氧浓度较 高，随着水流沿沟长的流动，溶解氧浓度逐步下降，在某些位置溶解氧的浓度甚至可降 至零，出现明显的溶解氧浓度梯度。图i - 2 是c a r r o u s e l 氧化沟出现的缺氧区位置示意图。 利用溶解氧在沟中的浓度变化以及存在好氧区和厌氧区的特性，氧化沟工艺可以在同一 构筑物中实现硝化和反硝化，这样不仅可以利用硝酸盐中的氧，节省了1 0 2 5 的需氧 量，而且通过反硝化恢复了硝化过程中消耗的部分碱度，有利于节于能源和减少化学药 剂的用量1 4 1 。 陕西科技大学硕士学位论文 图卜2 氧化沟中的溶解氧梯度示意图 f i g 1 2 s k e t c hm a po fd i s s o l v e do x y g e ng r a d si no x i d a t i o nd i t c h 3 ) 氧化沟的整体体积功率密度较低 氧化沟中的混合液一旦被推动即可使液体在沟内循环流动，0 2 5 0 6 m s 的流速可 以防止混合液中悬浮固体的沉淀，同时充入混合液中的溶解氧随水流流动也加强了氧的 传递。水流在循环中仅需要克服沟中的沿程损失和局部损失这两部分很小的水头损失。 此外，氧化沟中的曝气设备集中布置在沟中的几处，所以氧化沟可在比其他系统低得多 的整体体积功率密度下保持液体流动、固体悬浮和充氧，降低了能耗。当污泥固体在非 曝气区逐步下沉到沟底部时，随着水流输送到曝气区，在曝气区高功率密度的作用下， 又可被重新搅拌悬浮起来。此过程非常有利于污泥吸附进水中的非溶解性物质。当氧化 沟被设计为具有脱氮功能时，节能的效果是很明显的。据国外的研究报道，氧化沟比常 规的活性污泥法能耗降低2 0 3 0 。 4 ) 氧化沟处理效果稳定，出水水质好 多年的实际应用表明，氧化沟工艺在有机物和悬浮物去除方面有比传统活性污泥法 更好且更稳定的效果。表卜1 列出了美国环境保护局( e p a ) 对2 9 个废水处理厂的统计数 据，表卜2 列出了氧化沟工艺与其他生物处理法的比较数据。 5 ) 曝气设备和构造形式多样化、运行灵活 氧化沟的发展与高效曝气设备的发展是密切相关的，曝气设备的发展在一定程度上 反映了氧化沟工艺的发展。实践证明，新的曝气设备的开发和应用就意味着一种新的氧 化沟工艺的诞生。常用的曝气设备有转刷、转盘、表面曝气和射流曝气等。 如前所述，氧化沟沟体的平面形状一般呈环状沟渠形，也可以是长方形、l 形、马蹄 形、园形或其它形状；可以是单沟或多沟系统；二沉池可以合建也可以分建。多形式的 构造使氧化沟具有了灵活的运行方式，可以结合其他工艺单元，满足不同的出水水质要 求。另外，通过调节氧化沟出水堰高度能改变氧化沟的水深，从而调节系统的曝气强度， 并可对水流速度起一定的调节作用。 射流曝气改良型氧化沟工艺性能的研究 表1 - 1美国2 9 座氧化沟废水处理厂工艺性能 t a b l e1 - 1 p r o p e r t i e so f2 9a m e r i c a no x i d a t i o nd i t c hw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s 参数 出水m g l 去除率 冬季 夏季年平均 冬季 夏季年平均 b o d s 最高浓度的处理厂 5 5 3 44 18 78 68 7 平均浓度 1 5 21 21 2 39 29 49 3 最低浓度的处理厂 1 9 1 01 59 99 99 9 s s 最高浓度的处理厂 2 6 61 9 42 2 48 18 28 2 平均浓度 1 3 69 31 0 59 39 49 4 最低浓度的处理厂 3 11 92 49 89 89 8 表1 - 2 氧化沟工艺与其他生物处理法的比较 t a b l e1 - 2 p r o p e r t i e sc o m p a r i n gb e t w e e no x i d a t i o nd i t c h a n do t h e rb i o l o g i c a lt r e a t m e n t 出水浓度低于下列数值的时间比例 处理工艺 l o m g l2 0 m g l3 0 m g l t s s b o d 。 t s s b o d 。 t s s b o d s 普通活性污泥法 4 02 57 57 09 08 5 生物滤池 21 5 生物转盘 2 2 3 0 4 56 07 09 0 氧化沟 最好的厂 9 99 99 99 9 9 99 9 平均水平 6 56 58 59 09 49 6 最差的厂 2 52 55 55 58 07 2 6 ) 基建费用省，运行费用低 美国e p a 对不同的生物处理工艺的基建和运行费用的分析比较结果表明，当处理的 规模分别为3 7 8 5m 3 d ； 1 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性污 泥法的6 0 和8 0 t 州。当处理出水有氨氮指标时，一般不需要增加很多投资和运行费用， 而其他处理方法则不同，由此可显示出氧化沟的优越性。 陕西科技大学硕士学位论文 钱易教授由美国e p a 提供的资料计算而得出的结果表明，当氧化沟具有硝化功能时， 处理水量分别为3 7 8 5m 3 d 和3 7 8 5 0 m 3 d 时，其污水处理厂的基建费用为同等规模一级活 性污泥法处理厂基建投资的5 0 和6 5 ，为二级活性污泥法处理厂的4 0 和5 5 ，其运 行费用则分别为一级活性污泥法处理厂的7 1 和1 2 4 ，分别为二级活性污泥法处理厂的 6 1 和1 1 2 。可见处理厂的规模较大时，氧化沟所需的运行费用仍要比传统活性污泥法 略高。但如果要求氧化沟具有脱氮功能，则其基建投资和运行费用比其他任何具有脱氮 功能的生物处理工艺低，且处理规模越小，费用节省就越多。 7 ) 污泥产量少，污泥性质稳定 由于氧化沟采用的污泥龄一般长达2 0 3 0 d ，污泥在沟内得到了好氧稳定，一般不 用设置污泥消化装置，污泥生产量也较少，因此，使污泥后处理大大简化，节省处理厂 运行费用，且便于管理。 1 3 曝气设备综述 1 3 1 曝气方式 曝气是一种把气体转移到气体未饱和的液体中的过程。在好氧系统中其目的主要在 于将空气中的氧溶解于水中，保证微生物需要的氧，同时保持反应池内微生物、有机物、 溶解氧，即泥、水、气三者的充分混合和接触，为微生物降解有机物创造有利条件1 1 5 1 。 曝气在生活污水和有机污染性废水的好氧处理中使用得极为广泛。 曝气方式分为机械曝气( m e c h a n i c a la e r a t o r ) 、空气扩散曝气即鼓风曝气 ( a i r d i f f u s e r ) 、射流曝气( j e ta e r a t o r ) 和喷射头平曝气( s p a r g et u r b i n e ) 。机械曝气 是安装在水面上、下的叶轮高速转动，剧烈地搅动水面，产生水跃，使液面与空气接触 的表面不断更新，使空气中的氧转移到混合液中去。机械曝气主要分为竖轴式机械曝气 装置和卧轴式机械曝气装置。竖轴式机械曝气装置专为c a r r o u s e l 型氧化沟设计，提升 能力强，允许有较大的沟深( 4 5 m ) ，适合大流量污水处理厂，应用广泛。充氧能力 随叶轮直径变化较大，动力效率一般为1 8 2 3 k 9 0 2 ( k w h ) 。卧轴式机械曝气装置包 括转刷曝气器、盘式曝气机和自吸螺旋曝气机。转刷曝气器具有负荷调节方便、维护管 理容易、动力效率高等优点，主要用于氧化沟，动力效率可达1 5 2 5k 9 0 2 ( k w - h ) 。 盘式曝气机主要用于o r b a l 型氧化沟，美国e n v i r e x 公司生产的曝气转盘，直径1 3 7 8 m m ， 浸没深度0 5 3 3 m ，最大有效长度可达9 o m ，动力效率可达1 8 5 2 1 4k 9 0 2 ( k w h ) ， 充氧能力可达0 5 6 7 1 1 3 k 9 0 2 ( 盘h ) 。自吸螺旋曝气机适用于小型氧化沟系统，动力效 率1 9 0k 9 0 2 ( k w h ) 左右 1 6 1 。 微气泡空气扩散装置、中气泡空气扩散装置、水力剪切式空气扩散装置、水力冲击 射流曝气改良型氧化沟工艺性能的研究 式空气扩散装置和水下空气扩散装置均属于鼓风曝气。鼓风曝气是将空压机送出的压缩 空气通过一系列的管道系统送到安装在曝气池池底的空气扩散装置，空气从此处以微小 气泡的形式逸出，并在混合液中扩散，使气泡中的氧转移到混合液中去；而气泡在混合 液中的强烈扩散、搅动，使混合液处于剧烈混合、搅拌状态p t i 。微气泡空气扩散装置的 优点是：能产生微小气泡，气、液接触面积大，氧利用率高，一般可达1 0 以上；但是 气压损失较大，容易堵塞，送入的空气应预先通过过滤处理。中气泡空气扩散装置如穿 孔管，其构造简单，不易堵塞，阻力小，但是氧的利用率较低，只有4 6 左右，动 力效率亦低，约1k 9 0 2 ( k w h ) 。机械曝气和鼓风曝气虽然污水处理效果比较稳定， 适应性广泛，但却存在着设备复杂、结构物体积大、占地多、氧利用效率不高、运行费 用高、基建投资大、噪声高、维护管理困难等缺点。如机械曝气法需要电动机、减速机、 曝气机械，制造工艺比较复杂。鼓风曝气法需要鼓风机或空气压缩机、空气扩散设备及 布气管道，而布气管道淹没于污水中。运行过程中易发生堵塞