氧化沟:1.1污水生物处理技术的发展

研究和讨论氧化沟污水处理技术必然要和城市污水处理技术联系起来,氧化沟污水处理技术是城市污水处理技术的一个重要方面。

在污水处理技术发展的一百多年中,工程师们一直都在不断地追求污水处理工艺的改进,以寻找一种比较简便、可靠和高效的方法来治理污水。二战后欧洲经济复苏给这一想法变为现实提供了机会,其中最为突出的例子当属氧化沟,这是因为它是一种利用循环式混合曝气沟渠来处理污水的简易污水处理技术。

1.1.1 城市污水处理技术发展历史

人类防治水污染的历史主要还是伴随着工业化革命和城市化的急剧发展而开始的,污水处理的理论与技术,从城镇污水处理开始,大致经历了近百年的历史。1850~1890年,为治理Thames(泰晤士)河的污染,英国政府改造了沿河城市的排水系统,并于1889~1891年分别在Beckon和Crossness建立了沉淀污水处理厂。

同时建设了污水截流管道,实行雨污分流。1892~1905年,英国开展了早期的生物法处理污水方面的研究,进行了用焦碳作为滤床来处理废水的试验。1897年,英国建成了世界上第一座采取生物净化法处理城市生活污水的处理厂。Crossness污水处理厂采用分离式沉淀法处理生活污水直至1963年,而Beckon污水处理厂则在1932~1938年期间建立了二级污水处理厂,采用了叶片曝气的活性污泥法,可处理进水量的1/3。

第二次世界大战后,于1950~1965年间,英国建造了采用活性污泥法,规模分别为48×104t/d和10×104t/d的两座污水处理厂。1965~1969年,为进一步治理Thames(泰晤士)河水质污染,除继续采用活性污泥法外,英国还主要采用了一种大型充气设备,使河水通过喷嘴向空中喷射,提高了河水中的溶解氧,使从污水处理厂排出的水的COD降低了90%。其他欧州国家,包括前苏联都有很多重大举措,花巨资用于城市排水基础设施和污水处理厂建设。

我国是世界上较早关注研究开发和采用污水处理技术的国家之一。1921~1926年,上海相继建成了北区、东区和西区污水处理厂。20世纪50年代建成了上海曹杨、西安和兰州等污水处理厂。但我国污水处理技术的发展总体上较为缓慢,直至20世纪80年代后,我国的污水处理事业才得到了一定程度的发展,到20世纪末,我国的城市污水处理厂已建成近200座。目前,国际上采用的许多种污水处理技术,在我国都有工程实例。2002年全国城市污水年排放总量337.5亿m3,污水处理总量134.9亿m3,城市污水处理率为39.97%。到2002年底,全国254个城市建有污水处理厂537座,平均污水处理能力3578万m3/d,实际年污水处理总量为81.98亿m3/d,约占全国年污水处理总量的6l%。1996年至2002年污水处理能力平均每年增加404万m3/d,年平均增长率为20.77%。尽管如此,目前我国城市污水处理设施仍然不足,全国有61.5%的城市没有污水处理厂,多数城市排水管网不配套。特别是我国城市化发展速度极快,究竟选用何种工艺仍然值得进一步探索。

当前,污水处理技术种类繁多,发展变化很快,但国内技术与国际技术相比,仍有一定的差距。我国污水处理历史欠帐较多,需要的资金十分庞大,任务还非常艰巨,寻求具有高效、经济、简便的污水处理技术仍然是今后的发展方向。处理工艺选择是否得当,不仅影响污水的处理效果,而且影响工程的基建投资、运行的可靠程度、运行费用高低、管理操作的复杂程度等。因而应结合污水水量、水质、温度、气候、气象、地理和经济等实际情况选择适用的处理工艺技术,使出水达到排放标准。

污水处理工艺选择应遵循以下四条基本原则:

  1. 处理工艺较成熟可靠,具有完整的工艺流程和合理、准确的工艺参数,处理后的出水水质能满足相应的排放标准;
  2. 抗污水冲击负荷能力强,选择适应、调节能力强,出水水质稳定、可靠;
  3. 建设和运行费用与业主单位承受能力及相关要求相协调;
  4. 操作管理简便。

城市污水处理技术,可分为生物膜法和活性污泥法两类。从美国的情况看,70年代城市污水处理厂主要采用的是生物膜法,其中以生物滤池居多,70%以上的城市污水处理厂采用高负荷生物滤池,其原因主要是它的造价低、能耗小。后来由于出水标准的提高,生物滤池不能满足要求,逐渐被活性污泥法所代替。但到80年代后期出现的TF/SC(高负荷生物滤池/固体接触法),其出水水质基本上可接近三级标准。同时BAF(曝气生物滤池)在欧洲研制成功,又说明新的膜法工艺不仅有膜法固有的优点,而且出水水质良好。因此近年来国际上出现了重视膜法的新动向。目前从世界范围上讲,活性污泥法在城市污水处理厂建造上仍占主导地位,而我国长期以来城市污水处理几乎全都采用活性污泥法。

总体概括来说,城市污水生物处理技术经历了三个发展阶段。

第一阶段,在污水生物处理初期,人们意识到有机污染对环境生态的危害,从而把可降解有机污染物BOD和悬浮固体(SS)的去除作为污水处理的主要目标。

第二阶段,到六、七十年代,随着常规二级生物处理技术在工业化国家的普及,人们发现仅仅去除BOD和SS是不够的。氨氮(NH3-N)的存在依然会导致水体的恶臭和溶解氧(DO)的降低,这一问题的出现使常规二级生物处理从单纯的有机物的去除发展到有机物和氨氮的联合去除,即污水的硝化处理。

第三阶段,到七、八十年代,由于水体富营养化问题日益严重,污水氮磷去除的实际需要使二级生物处理技术进入了具有脱氮除磷功能的二级生物处理阶段。现在的城市污水处理厂的处理对象,包括COD、BOD、SS和氮、磷等营养物质。这就要求在同一污水处理系统中同时具备多种功能。

20世纪70年代以前,对污水的治理主要是去除水中的悬浮物、降低色度,因而主要采取传统的活性污泥法和生物膜法,可降解有机污染物,去除BOD、COD和SS等,但不具备脱氮除磷的功能。20世纪80年代以后,随着一些缓流河道、湖泊发生富营养化,导致大量水体功能的严重丧失,N、P营养元素对环境的威胁越来越大,必须对废水中的N、P进行控制,从而推动水污染治理技术进一步发展,在传统的活性污泥法和生物膜法等污水处理技术的基础上,发展了以A/O、A2/O、A-A-A/O等为代表的除磷脱氮工艺,从而满足了对N、P指标的控制要求。

在这一百年发展历程中,城市污水处理的理论和技术有了巨大发展,在污水处理技术方面应用最多的仍是传统的活性污泥法及其变型工艺如氧化沟法及其变型工艺、SBR法及其变型工艺还有生物膜法。其中氧化沟法及其变型工艺在国内外用得最为广泛,值得特别关注。

1.1.2氧化沟污水处理技术由来

自1913年英国曼彻斯特建了第一座活性污泥法实验厂以来,采用活性污泥法处理废水已有90多年历史。几十年来,活性污泥法处理技术发展很快,现已成为世界各国广泛采用的污水处理方法。80年代后,我国的废水处理事业得到了蓬勃发展。已建成的城市污水处理厂中绝大部分采用活性污泥法,从治理城市污水有机污染物来讲,活性污泥法是目前最为有效最为成熟的方法。目前国际上已有的各种活性污泥处理技术,在我国基本上都有工程实例。活性污泥法也被广泛用来处理食品工业、轻工业、纺织工业、造纸工业、石油工业和化学工业等工业有机废水。

活性污泥法中的氧化沟(Oxidation Ditch)亦称氧化渠(Oxidation Channel),为循环混合式曝气池或称为循环混合式活性污泥法,最早的氧化沟要追溯到1920年,在英国Sheffield建成的桨板曝气池是氧化沟的雏型。氧化沟是一种简易污水处理系统(Simple methods of wastewater treatment),是活性污泥法的一种变型,最初属于延时曝气法,最早是由荷兰国立卫生研究所(TND)的帕斯维尔(A·Pasveer)教授发明的。1954年首先在海牙北部的沃绍本建造了第一个生产型试验厂并投入应用,其基本特征是跑道型循环混合式曝气池,以后几经改革作为污水处理设施用于污水处理厂的建造中。

1.氧化沟工艺的类型和构造

氧化沟处理污水的基本流程如图1.1,它是连续式处理污水的氧化沟系统,一般具有分建的二次沉淀池,荷兰沃绍本建造的第一个生产型试验厂是间歇式运行的,则无专用的二次沉淀池。原污水经过格栅后直接进入氧化沟,与沟中的混合液混合。氧化沟为一跑道形的沟渠,最初沟渠深较浅,为2~3m左右。沟上装设一个或数个曝气器,曝气器推动混合液在沟内循环流动,流速保持在0.3m/s以上,使活性污泥呈悬浮状态并充氧。混合液到二沉池中进行泥水分离。部分污泥和二沉池表面的浮渣回流到氧化沟中,剩余污泥比较稳定,经浓缩后可以直接脱水,或贮存在污泥池中以待进一步处理。

1967年,Lecompt和Mandt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(JAC),沟深可达7~8m。1968年,DHV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,将设备安装在氧化沟中隔墙的末端,利用表曝机产生的径流为动力,推动氧化沟内液体的流动,这一工艺后来被称为Carrousel氧化沟,Carrousel氧化沟的沟深可达到4.5m以上。1970年,Huisman在南非开发了使用转盘曝气机的Orbal氧化沟,后来通过美国Envirex公司得到发展,出现多种型式的Orbal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,Vonder Emde于1971年首次详细报道了将Mammoth转刷应用于氧化沟工艺,转刷直径为1000mm,氧化沟允许水深3~3.6m,充氧和混合能力有较大提高。80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。

图1.1 氧化沟的处理污水的基本流程

经过几十年的实践和发展,氧化沟处理技术被认为是出水水质好、运行可靠、基建投资费用和运行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。

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60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,保留了Pasveer氧化沟的最初特色。氧化沟由于水力停留时间长,占地面积大,在如今土地资源日趋紧张的情况下,这一点常成为人们指责的对象。与此相反,氧化沟的可靠优势使得氧化沟在地价不高的小城镇仍然有很高的市场前景。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4.5m左右,因此为保证深沟条件下氧化沟内应有足够大的流速而开展的研究将成为今后工作的重点,比如在深水中设置推进装置或开发新的曝气设备等。

目前,在荷兰出现了一种圆形缠绕式深型Carrousel氧化沟,沟深达到了7.5m,为了使表面曝气器能应用于深沟型反应池,使用了一种所谓的导流筒。这种导流筒是一只位于曝气器下的垂直圆管,几乎延伸到池底,可使曝气器将池底缺氧水提升上来,以保证全池适当的混合。

但同时导流筒大大减弱了曝气器在氧化沟中的推进作用,设计通过在Carrousel反应池的廊道中安装推进装置来克服这一缺点,水下推进器的设置有利于产生足够大的流速,并促进池中混合及在曝气器暂时关闭时的反硝化。

一体化氧化沟的出现,弥补了传统氧化沟存在的不足,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,其优良的特性将使这一工艺得到迅速的推广应用。目前国内外已有数百座这种氧化沟工艺在运行之中,较有代表性的是美国联合工业公司的“船”形沟内澄清池氧化沟系统。“船”形沟内澄清池是一种用不锈钢板制作并一体化安装在氧化沟内的沉淀池,在运行过程中,犹如一条船悬浮在水中,在其底部均匀设置了许多小型的污泥斗,起到迅速分离、浓缩和回流污泥的作用。统计资料表明,采用这种工艺不仅占地小,而且投资费用及能耗均比传统的氧化沟工艺低。

2.氧化沟的特点

氧化沟是一种改良的活性污泥法,最早属于完全混合延时曝气过程。长年运行实践表明,氧化沟处理的出水水质好,它能够完全地去除含碳化合物,可以产生高度的硝化作用,运行维护容易,可靠性能高。与传统活性污泥法曝气池相比,氧化沟具有以下各项特征:

(1)在构造方面的特征

①氧化沟一般呈环形渠状,平面多为椭圆形或圆形,总长可达几十米,甚至百米以上,
沟深取决于曝气装置,为3至7米。
②氧化沟的进水装置比较简单,只需伸入一根进水管即可,多沟平行工作时,则应设配水井,采用交替工作系统时,配水井内还应设自动控制装置,以变换水流投配方向。

(2)在水流混合方面的特征

污水在氧化沟内做几十次甚至上百次的循环流动,在这点上可以认为在氧化沟内混合液的水质几乎一致,即认为氧化沟内的流态是完全混合的。但又具有某些推流式的特征,如在曝气装置的下游,溶解氧浓度从高向低变动,甚至可能出现缺氧段。

(3)在工艺方面的特征

①操作单元少。原水经过格栅沉砂后,即可进入氧化沟,而不需在系统中设置初沉池和调节池。还可考虑不单设二次沉淀池,使氧化沟和二次沉淀池合建,省去污泥回流装置并节省占地。
②耐冲击负荷。有机负荷、水力负荷和有害物质的冲击负荷对氧化沟工作的影响不明显,氧化沟有完全混合的特征且其中有大量的活性污泥,这就提高了系统对这些不良因素的抵抗能力。
③处理效果好,运行稳定。氧化沟中的污泥总量比普通曝气池高10~30倍。在供氧充足的情况下,氧化沟中污水被完全净化,处理效果好。氧化沟即使是在严冬季节运行,出水仍能达到排放标准。只要BOD5负荷不超过0.16kgBOD5/kgMLSS·d,就可得到高质量的出水,其出水BOD5平均含量在20mg/l以下,而普通曝气池的污泥负荷率一般是0.3~0.7kgBOD5/kgMLSS·d。
④污泥产泥率低,剩余污泥较稳定,没有臭味,脱水快,可以不经消化而直接脱水。
⑤适用范围广。氧化沟不仅能处理生活污水,还能处理工业废水;不仅能用于温暖地区,还能用于寒冷地区。
⑥氧化沟具有脱氮能力。以普通Carrousel氧化沟为例,其脱氮水平为40~70%,而不需另加建造费和运行费。

(4)在经济方面特征

氧化沟是一种经济便宜的污水处理系统。凡是适宜采用活性污泥法的地方都可以修建氧化沟。

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