CARROUSEL 2000型氧化溝設計方法

1. 前言

氧化溝（oxidation ditch）又名連續循環(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50年代由荷蘭衛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(lái)。由于其出水水質(zhì)好、運行穩定、管理方便等技術(shù)特點(diǎn)，已經(jīng)在國內外廣泛的應用于生活污水和工業(yè)污水的治理。

目前應用較為廣泛的氧化溝類(lèi)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構和運行上存在差異，因此各具特點(diǎn)。本文將主要介紹Carrousel氧化溝的結構、機理、存在的問(wèn)題及其最新發(fā)展。

2. Carrousel氧化溝的結構

Carrousel氧化溝是1967年由荷蘭的DHV公司開(kāi)發(fā)研制。在原Carrousel氧化溝的基礎上DHV公司和其在美國的專(zhuān)利特許公司EIMCO又發(fā)明了Carrousel 2000系統，實(shí)現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系統正在運行。

 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器的特點(diǎn)，又有推流式反應器的特點(diǎn)，溝內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，溝內水深一般為2.5～4.5ｍ，寬深比為2:1，亦有水深達7m的，溝中水流平均速度為0.3m/s。氧化溝曝氣混合設備有表面曝氣機、曝氣轉刷或轉盤(pán)、射流曝氣器、導管式曝氣器和提升管式曝氣機等，近年來(lái)配合使用的還有水下推動(dòng)器。

3. Carrousel氧化溝的機理

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。表面曝氣機使混合液中溶解氧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(lái)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)。在曝氣機下游，水流由曝氣區的湍流狀態(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(guò)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(guò)缺氧區的反硝化作用，混合液進(jìn)入有氧區，完成一次循環(huán)。該系統中，BOD降解是一個(gè)連續過(guò)程，硝化作用和反硝化作用發(fā)生在同一池中。由于結構的限制，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。

為了取得更好的除磷脫氮的效果，Carrousel 2000系統在普通Carrousel氧化溝前增加了一個(gè)厭氧區和絕氧區（又稱(chēng)前反硝化區）。全部回流污泥和10-30%的污水進(jìn)入厭氧區，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)，厭氧區中的兼性細菌將可溶性BOD轉化成VFA，聚磷菌獲得VFA將其同化成PHB，所需能量來(lái)源于聚磷的水解并導致磷酸鹽的釋放。厭氧區出水進(jìn)入內部安裝有攪拌器的絕氧區，所謂絕氧就是池內混合液既無(wú)分子氧，也無(wú)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。絕氧區后接普通Carrousel氧化溝系統，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排出，在富氧環(huán)境下聚磷菌過(guò)量吸磷，將磷從水中轉移到污泥中，隨剩余污泥排出系統。這樣，在Carrousel 2000系統內，較好的同時(shí)完成了去除BOD、COD和脫氮除磷。

綜合采用該工藝的昆明第一污水廠(chǎng)、長(cháng)沙市第二污水凈化中心及漯河市污水處理廠(chǎng)的運行效果可見(jiàn)：經(jīng)過(guò)Carrousel 2000系統處理后，BOD、COD、SS的去除率均達到了90%以上，TN的去除率達到了80%，TP的去除率也達到了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%，為異養菌體質(zhì)量的11%，但當污泥齡超過(guò)15d時(shí)污泥中最大含磷量明顯下降，反而達不到最大除磷效果。因此，一味延長(cháng)污泥齡（例如20d、25d、30d）是沒(méi)有必要的，宜在8~15d范圍內選用。同時(shí)，高硝酸鹽濃度和低基質(zhì)濃度不利于除磷過(guò)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，氧化溝內存在溶解氧濃度梯度即好氧區DO達到3~3.5mg/L，缺氧區DO達到0~0.5mg/L是發(fā)生硝化反應及反硝化反應的前提條件。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(wèn)題及解決方法

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

4.1 污泥膨脹問(wèn)題

當廢水中的碳水化合物較多，N、P含量不平衡，pH值偏低，氧化溝中污泥負荷過(guò)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荷較高時(shí)。微生物的負荷高，細菌吸取了大量營(yíng)養物質(zhì)，由于溫度低，代謝速度較慢，積貯起大量高粘性的多糖類(lèi)物質(zhì)，使活性污泥的表面附著(zhù)水大大增加，SVI值很高，形成污泥膨脹。

針對污泥膨脹的起因，可采取不同對策：由缺氧、水溫高造成的，可加大曝氣量或降低進(jìn)水量以減輕負荷，或適當降低MLSS（控制污泥回流量），使需氧量減少；如污泥負荷過(guò)高，可提高M(jìn)LSS，以調整負荷，必要時(shí)可停止進(jìn)水，悶曝一段時(shí)間；可通過(guò)投加氮肥、磷肥，調整混合液中的營(yíng)養物質(zhì)平衡（BOD5：N：P=100：5：1）；pH值過(guò)低，可投加石灰調節；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，控制結合水性污泥膨脹。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

4.2 泡沫問(wèn)題

由于進(jìn)水中帶有大量油脂，處理系統不能完全有效地將其除去，部分油脂富集于污泥中，經(jīng)轉刷充氧攪拌，產(chǎn)生大量泡沫；泥齡偏長(cháng)，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，常用除沫劑有機油、煤油、硅油，投量為0.5~1.5mg/L。通過(guò)增加曝氣池污泥濃度或適當減小曝氣量，也能有效控制泡沫產(chǎn)生。當廢水中含表面活性物質(zhì)較多時(shí)，易預先用泡沫分離法或其他方法去除。另外也可考慮增設一套除油裝置。但最重要的是要加強水源管理，減少含油過(guò)高廢水及其它有毒廢水的進(jìn)入。

4.3 污泥上浮問(wèn)題

當廢水中含油量過(guò)大，整個(gè)系統泥質(zhì)變輕，在操作過(guò)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��；當曝氣時(shí)間過(guò)長(cháng)，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)生氮氣，使污泥上��；另外，廢水中含油量過(guò)大，污泥可能挾油上浮。

發(fā)生污泥上浮后應暫停進(jìn)水，打碎或清除污泥，判明原因，調整操作。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)水負荷大應減小進(jìn)水量或加大回流量；如污泥顆粒細小可降低曝氣機轉速；如發(fā)現反硝化，應減小曝氣量，增大回流或排泥量；如發(fā)現污泥腐化，應加大曝氣量，清除積泥，并設法改善池內水力條件。

4.4 流速不均及污泥沉積問(wèn)題

在Carrousel氧化溝中，為了獲得其獨特的混合和處理效果，混合液必須以一定的流速在溝內循環(huán)流動(dòng)。一般認為，最低流速應為0.15m/s，不發(fā)生沉積的平均流速應達到0.3~0.5m/s。氧化溝的曝氣設備一般為曝氣轉刷和曝氣轉盤(pán)，轉刷的浸沒(méi)深度為250~300mm，轉盤(pán)的浸沒(méi)深度為480~ 530mm。與氧化溝水深（3.0~3.6m）相比，轉刷只占了水深的1/10~1/12，轉盤(pán)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�。ㄌ貏e是在水深的2/3或3/4以下，混合液幾乎沒(méi)有流速），致使溝底大量積泥（有時(shí)積泥厚度達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。上游導流板安裝在距轉盤(pán)（轉刷）軸心4.0m處（上游），導流板高度為水深的1/5~1/6，并垂直于水面安裝；下游導流板安裝在距轉盤(pán)（轉刷）軸心3.0m處。導流板的材料可以用金屬或玻璃鋼，但以玻璃鋼為佳。導流板與其他改善措施相比，不僅不會(huì )增加動(dòng)力消耗和運轉成本，而且還能夠較大幅度地提高充氧能力和理論動(dòng)力效率。

另外，通過(guò)在曝氣機上游設置水下推動(dòng)器也可以對曝氣轉刷底部低速區的混合液循環(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(wèn)題。設置水下推動(dòng)器專(zhuān)門(mén)用于推動(dòng)混合液可以使氧化溝的運行方式更加靈活，這對于節約能源、提高效率具有十分重要的意義[14]。

5. Carrousel氧化溝的發(fā)展

由于污水處理標準中對除磷脫氮的要求越來(lái)越嚴格，Carrousel氧化溝也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。目前，研究及應用較多的包括以下兩種類(lèi)型：微孔曝氣型Carrousel 2000系統、Carrousel 3000系統。

5.1 微孔曝氣型Carrousel 2000系統

微孔曝氣型Carrousel 2000系統采用微孔曝氣（供氧設備為鼓風(fēng)機），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移總量增大（如池深增加則其傳質(zhì)效率將更高）。根據目前鼓風(fēng)機生產(chǎn)廠(chǎng)家的技術(shù)能力，池的有效水深最大可達8m，因此可根據不同的工藝要求選取合適的水深。傳統氧化溝的推流是利用轉刷、轉碟或倒傘型表曝機實(shí)現的，其設備利用率低、動(dòng)力消耗大。微孔曝氣型Carrousel 2000系統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(lái)看，微孔曝氣型Carrousel 2000系統為環(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(lái)看，可認為氧化溝是一個(gè)完全混合曝氣池，其濃度變化系數極小甚至可以忽略不計，進(jìn)水將迅速得到稀釋?zhuān)�因此它具有很強的抗沖擊負荷能力。但對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(zhù)與曝氣器距離的不斷增加則DO濃度不斷降低（出現缺氧區）。這種構造方式使缺氧區和好氧區存在于一個(gè)構筑物內，充分利用了其水力特性，達到了高效生物脫氮的目的。

微孔曝氣型Carrousel 2000系統盡管具有充氧能力強、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備維修的問(wèn)題。目前，國內微孔曝氣器的使用壽命為4~5年，好的可達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備那樣方便，它需要干池才能檢修，也就是說(shuō)一旦微孔曝氣器出現問(wèn)題需采用平行兩組或三組來(lái)解決問(wèn)題，或者采用提升裝置等來(lái)解決，這也將會(huì )給生產(chǎn)和管理帶來(lái)極大的不便。

5.2 Carrousel 3000系統

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

Carrousel 3000系統的較大提高表現在：一是增加了池深，可達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7℃）；二是曝氣設備的巧妙設計，表曝機下安裝導流筒，抽吸缺氧的混合液，采用水下推進(jìn)器解決流速問(wèn)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）。四是采用一體化設計，從中心開(kāi)始，包括以下環(huán)狀連續工藝單元：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)預反硝化池的Carrousel 2000系統。五是圓形一體化的設計使得氧化溝不需額外的管線(xiàn)，即可實(shí)現回流污泥在不同工藝單元間的分配。

6. 結論

Carrousel氧化溝由于具有良好的出磷脫氮能力、抗沖擊負荷能力和運行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到了廣泛的應用。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。作者認為：Carrousel氧化溝的未來(lái)研究方向將主要體現在以下幾方面。

1 結合生物膜法，研究和開(kāi)發(fā)生物模型Carrousel氧化溝。這樣不僅可以提高單位反應器的微生物總量，從而提高有機負荷，而且生物膜本身具有的內置A/O系統強化了脫氮效果[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(zhuān)一菌種、投入鐵鹽使微生物馴化成生物鐵、投入活性炭增強菌膠團的形成并提高耐毒性沖擊等。

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

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。（谷騰水網(wǎng)）