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三沟式氧化沟的工艺及其特点
三沟式氧化沟的工艺及其特点
1.概述
氧化沟也称氧化渠，又称循环曝气池，是活性污泥法的一种变形，是50年代荷兰pasveer首先设计的。
最初一般用于处理在5000m3以下的城市污水。
三沟式氧化沟是氧化沟的一种典型构造型式，目前采用的三沟式氧化沟工艺，是丹麦在间歇式运行的氧化沟基础上开创的，它实际上仍是一种连续流活性污泥法，只是将曝气、沉淀工序集于一体，并具有按时间顺序交替轮换运行的特点，其运转周期可根据处理水质的不同进行调整，从而使其运行操作更趋于灵活方便。
这种工艺流程简单，无需另设一次、二次沉淀池和污泥回流装置，使氧化沟工艺的基建投资和运行费用大为降低，并在一定程度上解决了以往氧化沟占地面积大的缺点，我国邯郸市东污水处理厂采用的就是这种工艺。
2.三沟式氧化沟的工艺流程
三沟式氧化沟工艺主要按下面六个阶段轮换运行。
阶段A：
污水经配水井进入沟Ⅰ，沟内转刷以低速运转，转速控制在仅能维持水和污泥混合，并推动水流循环流动，但不足以供给徽生物降解有机物所需的氧。
此时，沟Ⅰ处于缺氧状态，沟内活性污泥利用水中的有机物作为碳源，活性污泥中的反硝化菌则利用前一段产生的硝酸盐中的氧来降解有机物，释放出氮气，完成反硝化过程。
同时沟I的出水堰自动升起，污水和污泥混合液进人沟Ⅱ．沟Ⅱ内的转刷以高速运行，保证沟内有足够的溶解氧来降解有机物，并使氨氮转化为硝酸盐，完成硝化过程．处理后的污水流入沟Ⅲ，沟Ⅲ中的转刷停止运转，起沉淀池的作用，进行泥水分离，由沟Ⅲ处理后的水经自动降低的出水堰排出。
阶段B：
进水改从处于好氧状态的沟Ⅱ流入，并经沟互Ⅲ沉淀后排出。
同时沟Ⅰ中的转刷开始高速运转，使其从缺氧状态变为好氧状态，并使阶段A进入沟Ⅰ的有机物和氨氮得到好氧处理，待沟内的溶解氧上升到一定值后，该阶段结束。
阶段C：
迸水仍然从沟Ⅱ注入，经沟Ⅲ排出．但沟Ⅰ中的转刷停止运转，开始进行泥水分离，待分离完成，该阶段结束。
阶段A、B、C组成了上半个工作循环．
阶段D：
进水改从沟Ⅲ流入，沟Ⅲ出水堰升高，沟Ⅰ出水堰降低，并开始出水。
同时，沟Ⅲ中转刷开始低速运转，使其处于缺氧状态．沟Ⅱ则仍然处于好氧状态，沟Ⅰ起沉淀池作用。
阶段D与阶段A的水淹方向恰好相反，沟Ⅲ起反硝化作用，出水由沟Ⅰ排出。
阶段E：
类似于阶段B，进水又从沟Ⅱ流入，沟Ⅰ仍然起沉淀他作用，沟Ⅲ中的转刷开始高速运转，并从缺氧状态变为好氧状态。
阶段F：
类似于阶段C，沟Ⅱ进水，沟Ⅰ沉淀出水。
沟Ⅲ中的转刷停止运转，开始泥水分离。
至此完成整个循环过程。
通常一个工作循环需4-8小时，在整个循环过程中，中间的沟始终处于好氧状态，而外侧两沟中的转刷则处于交替运行状态，当转刷低速运转时，进行反稍化过程，转刷高速运转时，进行硝化过程，而转刷停止运转时，氧化沟起沉淀池作用。
不难看出，若调整各阶段的运行时间，就可达到不同的处理效果，以适应水质、水量的变化。
目前运行的这种工艺，大部分是预先将各阶段的运行时间，根据具体的水质、水量，编入运行管理的计算机程序中，从而使整个管理过程运行灵活、操作方便。
3.三沟式氧化沟的有优点
美国EPA对不同类型生物处理法的运行情况的调查结果表明，不同工艺出水BOD5小于20mg／L的时间占总运行时间百分数分别是：
氧化沟90％，鼓风曝气70％，生物滤池60％。
由此可见，氧化沟的处理效果比其它生物处理方法稳定。
氧化沟的特点是低负荷运行，因此有机物可以有效去除，COD去除率在90％以上。
而且对氨氮完成硝化。
氧化沟运行操作简便，基建和运行费均低于活性污泥法。
当要求污水脱氮时，氧化沟比其它生物脱氮工艺费用低、TN去除效率高，因为它的循环运行方式非常适合生物脱氮的过程，不需要为反硝化而增设回流系统。
4.式氧化沟运行及设计存在的问题及解决办法
A:
存在的问题
以邯郸三沟式氧化沟为例，邯郸三沟式氧化沟的根据下列数据设计处理生活污水：
进水：
BOD5=130mg/L
NH3－N=22mg/L（T=100）
TN=42mg/L
SS=160mg/L
碱度=280mg/L（以CaCO3计）
出水：
BOD5<15mg/L
NH3－N<2～3mg/L（T=100）
TN<10～12mg/L（T=100）
TN=6～8mg/L（T=250）
TSS<20mg/L
最低温度=10o（最高温度=25o）
清华大学周律等人［2，3］对邯郸氧化沟进行了大量的现场测定工作，总结起来也是以下三个问题：
① 停留时间与反应时间问题：
出水NH3－N偏高，通过实验发现延长硝化停留时间，可以降低出水的NH3－N。
这说明原设计的停留时间虽然对于BOD的去除充分，但对于脱氮其停留时间是不够的。
上述问题可能也与污泥龄和运行方式有关。
② 污泥停留时间问题：
通过污泥耗氧速率和悬浮物干重损失率等评价污泥稳定化实验方法，对其污泥进行测定的结果表明：
经过处理的污泥尚未得到稳定。
③ 三沟式氧化沟的容积利用率问题：
从前面的讨论可知三沟式氧化沟本身的容积利用率较低（58％）。
在邯郸测得三沟中MLSS为5.3、2.0、5.0kg/m3。
fa=0.40与上述的理想状态相差很大。
三条沟的MLSS分布与设计的分布情况有较大差距。
这是三沟式氧化沟运行及设计的一个主要问题。
B 改善三沟式氧化沟运行的一些考虑
从邯郸污水厂几年运行来看,进一步完善工艺操作以达更为优化的运行是可能的。
如下主要是以改进出水水质为目标的完善。
由于邯郸污水厂目前的进水水质与设计值不全相符,这对其出水水质有一定影响,主要反映在脱氮效果不太理想。
这与水质组成,如进水的碳氮比有很大关系,也与操作有一定关系。
从三沟式氧化沟硝化—反硝化的操作模式中可以发现,反硝化操作与硝化操作的运行时间相比较短,在一个周期内这一比值为1∶2。
前置式A/O流程,反硝化与硝化的水力停留时间比采用1∶3～4。
在实践中还发现,出水的NH+4-N常有偏高的现象。
针对上述的一些情况进行了小型试验,发现如果适当提高硝化的运行时间比例可降低出水NH+4-N值,并使脱氮的效果有所改进。
由于自养型的硝化菌生长速度慢,其生长环境条件影响硝化速率及含氮有机物和氨氮的去除,只有硝化菌的正常代谢才能为脱氮提供NO-3-N。
异养型反硝化菌生长环境要求低,代谢速度也较快,不仅在硝化过程中利用适宜的微环境进行同时反硝化,还可利用边沟5h的澄清和沉淀过程进行反硝化。
实践中发现,边沟的脱氮效果一般为10%左右。
5.三沟式氧化沟的应用前景
三沟式氧化沟是新一代氧化沟工艺的典型代表,这种氧化沟工艺结合了许多新的污水处理操作方式,如Ａ/Ｏ法,ＳＢＲ法等。
通过对生产性三沟式氧化沟的调查研究表明,这种工艺处理效果十分稳定,满足BOD5和悬浮物浓度小于30mg/L的频率分别为92%和96%。
而且，氧化沟排放的剩余污泥可满足EPA推荐的Ｂ级污泥病原菌排放标准。
其反硝化运行和硝化运行的时间比TDN/TN对调节三沟式氧化沟脱氮效果起着重要的作用,是一个关键的运行参数,针对不同的污水水质,调节TDN/TN可达到比较好的氮去除效果。
三沟式氧化沟工艺能耗低,运行管理方便,是适合我国中小型城市使用的简便、高效的污水处理技术。
三沟式氧化沟的活性污泥特性
三沟式氧化沟工艺类似于延时曝气活性污泥法，与传统活性污泥法比较，它的最大特点是工艺流程简单，无需单设初沉池和污泥回流装置（曝气池和二沉池合建），同时由于氧化沟设计采用了较长的泥龄，污泥基本得到好氧稳定、也无需另设消化池。
邯郸市东污水处理厂是我国首家采用三沟式氧化沟工艺的城市污水处理厂，自1990年11月正式投产以来，各项水质指标均达到并优于设计标准。
本文分析了大量运行记录和化验数据，并做了大量的现场测试工作，将氧化沟活性污泥在运行期间的特点进行了总结，以此为三沟式氧化沟的研究推广积累经验，加速对国外引进技术的消化、吸收和创新。
1运行状况
该厂设计三沟的MLSS分别为4.3-3.4-4.3（kgMLSS/m3），则三沟平均污泥浓度为4.0kgMLSS/m3。
实际运行中沟内平均污泥浓度较高，在6.5kgMLSS/m3左右，MLVSS/MLSS值在0.5～0.6之间。
本文根据该厂1995、1996年实际运行情况的有关参数进行分析统计，详见表1。
表1 1995年～1996年的实际运行情况
参数
1995
1996
边沟Ⅰ
中沟
边沟Ⅱ
边沟Ⅰ
中沟
边沟Ⅱ
MLSS（g/L）
8.3
4.3
8.8
7.1
3.3
9.3
SV（%）
37.4
17.2
45.2
41.9
15.8
43.7
SVI（mL/g）
45
40
48
59
48
47
注：
以第一组沟为例，各值为年平均值。
由表1可见，与设计值比较氧化沟中污泥浓度偏高，尤其是边沟与中沟的比值更高。
根据该厂工艺运行中进水情况分析，在一个运行周期8h内，边沟通过沟间隔墙下部的回流窗向中沟进泥（指混合液）的时间为1.75h，而中沟向边沟进泥时间为4h（见图1）。
经推算，若干周期后，中沟污泥浓度明显低于两条边沟，使三条沟的污泥浓度比例与设计值偏差较大。
同时，由于该厂氧化沟剩余污泥的排除方式为中沟排泥，而中沟污泥浓度偏低，如按原设计的排泥时间排泥，则每日排泥量相对较少，这也造成了中沟与边沟污泥浓度比例失衡和氧化沟内整体污泥浓度偏高的状况。
另外，从表1可以发现氧化沟中活性污泥SVI值偏低。
因为氧化沟属于延时曝气，池容较大，经沉砂池的污水中可沉性悬浮固体浓度为45mg/L，其中70%以上为无机物；同时为了提供在反硝化过程中所需要的足够碳源，该厂在氧化沟之前不设初沉池，于是大量非活性无机悬浮颗粒进入氧化沟，成为活性污泥的絮体中心，使混合液中活性污泥颗粒变得粗大密实，SVI值因此偏低。
同时，大量无机颗粒的进入，也是氧化沟中整体活性污泥浓度偏高的原因之一。
2微生物的特点
该厂三沟式氧化沟泥龄较长，设计为26d。
运行负荷较低，如1996年平均氧化沟污泥负荷为0.055kgBOD5/（kgMLSS·d）。
水力停留时间较长，设计为14.6h，因此沟中的细菌多处于内源呼吸期，运行正常时大量微生物主要是游泳型或固着型纤毛虫以及轮虫等一些后生动物，而鞭毛虫等低等原生动物则很少。
由于该厂不设初沉池，城市下水道中种类丰富的微生物直接进入氧化沟，在具有接种功能的同时，可以使活性污泥中的微生物最大限度地适应原水环境，故进一步提高了系统的净化能力和运行稳定性，并使微生物种类和数量大幅度提高。
据统计，自建厂以来所观察到的微生物种类计56种，其中日常出现的优势种类有12种（见表2）。
表2三沟式氧化沟常见微生物种类
表壳虫Arcellasp
褶累枝虫 Epistylisplicatills
普通表壳虫 ArcellaVulgris
有肋楯纤虫Aspidiscacostata
杯钟虫 Vorticellaoctava
锐利楯纤虫Aspidisca lvnceus
小口钟虫 Vorticellamicrostoma
红眼旋轮虫 Philodinaerythrophthalmn
沟钟虫 Vorticellaconvallaria
转轮虫 Rotariatardigrada
湖累枝虫 Epistylislacustris
凹缝楯纤虫 Aspidiscasulcate
以上优势种类数量占总量的97%左右，出现率在95%以上。
原生动物中以纤毛虫占优势，又以游泳型纤毛虫类出现的数量最大，有柄纤毛虫次之，随后依次是表壳虫和轮虫。
3泥龄对氧化沟系统的影响
设计中该厂三沟式氧化沟稳定污泥龄为26d，其中参与工艺反应的活性污泥占三条沟污泥总量的55%。
实际运行中随排泥量的变化，不同时期泥龄有所不同。
不同时期的泥龄对氧化沟系统的脱氮及COD去除情况见图2。
由图2可以看出，随泥龄的增加，NH3-N的去除率随之提高，说明活性污泥龄越长，进入氧化沟中的食料相对越少，系统在低负荷下运行，硝化作用比较完全。
COD在分析的泥龄范围内（18～95d）并无明显变化。
但是，TN去除率并非随泥龄的增长而始终提高，当泥龄长到一定值（87d左右）后，TN去除率开始下降，因为此时污泥的活性降低，脱氮效率随之下降。
另外，污泥停留时间越长，必然使氧化沟中污泥总量增多，活性污泥混合液的需氧量因此增加，使水处理能耗提高。
如果氧化沟系统泥龄太短，由于硝化菌的世代周期为10d左右，当泥龄＜10d时，沟中就不适合硝化菌的繁殖与生存，致使硝化作用不够完全，脱氮量减少。
所以控制适当的泥龄，对氧化沟系统的正常运行至关重要。
4污泥脱水性能
该厂三沟式氧化沟剩余污泥处理流程为：
氧化沟→剩余污泥泵站→浓缩池→均质池→脱水机房→污泥外运。
由于氧化沟泥龄长、负荷低，污泥基本得到好氧稳定，故不需设污泥消化池。
该厂采用带式压滤机进行脱水，剩余污泥脱水性能的好坏直接影响泥饼的含水率，过高的含水率将造成污泥体积较大，堆放、运输不便。
因此，脱水性能是污水处理运行中的一项较为重要的指标。
对三沟式氧化沟污泥比阻和经带机压滤后的泥饼含水率随絮凝剂（PAM）投配比变化情况的测定和分析见图3。
一般认为，比阻在1.0×1012cm/g以上为难过滤污泥；比阻在（0.4～1.0）×1012cm/g为中等难过滤污泥；比阻＜0.4×1012cm/g的为易过滤污泥。
由于三沟式氧化沟具有污泥好氧稳定的特点，因此从图中可看出未加絮凝剂的污泥比阻也较低，属于中等难过滤污泥，投加0.05%PAM即可成为易过滤污泥。
常规活性污泥法的污泥比阻为（2.74～2.94）×1013cm/g，由此可看出三沟式氧化沟剩余污泥脱水性能非常好。
絮凝剂投加量和污泥絮凝性能的好坏，直接影响脱水机的出泥效果。
絮凝剂投加量少，不能产生良好的絮凝体；投加量大，不但成本增高，且污泥的粉性增大，易使两层滤布粘结，降低回收率。
因此，使用带式压滤机脱水时，必须找到最佳的絮凝剂投加量。
从图3可见，当进泥含固率不变（4%），絮凝剂投配比（药剂浓度）在0.1%以下时，出泥含水率很高，不成形；在0.1%～0.2%时，泥饼含水率为82%～76%，出泥成饼率高；在0.2%～0.3%时，泥饼含水率变化不大，出泥成本高。
所以，选择0.1%～0.2%作为实际絮凝剂投配比。
5结论
①氧化沟作为生物处理法中的一种工艺类型，在运行过程中，活性污泥性能的好坏将直接影响到氧化沟系统的运行效果。
②三沟式氧化沟活性污泥较普通活性污泥法具有MLSS值高，SVI值低，泥龄长等特点。
③三沟式氧化沟剩余污泥处置简单，脱水性能好，絮凝剂投加量低。
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