7．7　氧化沟的工艺原理与设计

7．7．1　氧化沟的主要类型

1．帕斯韦尔氧化沟

帕斯韦尔（Pasveer）氧化沟如图7－25所示，也称为普通型氧化沟，为一跑道形沟渠，中间设置中心隔墙或中心岛。沟上装设一个或数个曝气器，一般采用转刷曝气，曝气器推动混合液在沟内循环流动，并使活性污泥呈悬浮状态并充氧。原污水和回流污泥从曝气器的上游进入氧化沟，以便在曝气器处充分混合。在沟的出口处安装可调式溢流堰，以控制水位或曝气设施的淹没深度。为了减少弯道损失，并最大限度地减少弯道隔墙下游背流处的固体沉淀，需要在弯道弯曲部分设置导流墙。

帕斯韦尔氧化沟有多种形式，有同心圆形、折流形和U形等。目前多采用椭圆形中心隔墙式。

2．卡罗塞尔型氧化沟

卡罗塞尔（Carrousel）原指游艺场中的旋转木马。这种氧化沟是由荷兰的一家公司于20世纪60年代发明的。图7－26所示为采用六廊道及表面曝气机的卡罗塞尔氧化沟，为一个多沟串联系统，进水与活性污泥沿箭头方向循环流动。在每组沟渠的转弯处安装一台立式低速表面曝气机。靠近曝气机下游的为富氧区，处于曝气机上游和外环的区段为缺氧区，混合液交替经过好氧和缺氧，这不仅改善了活性污泥的絮凝沉降性能，而且创造了良好的生物脱氮环境。在需氧量减少时，氧化沟的一个或数个曝气机可以停止或切换到较低的运行速度，在保证水流搅拌混合循环流动的前提下，减少能量消耗。

由于采用表面曝气机，其水深可达4～4．5m，水流速度可采用0．3～0．4m／s。这种氧化沟应用广泛，规模大小不等，从200m3／d到650000m3／d，BOD去除率可达95%～99%，氮去除率可达90%以上，除磷率在50%左右，如果投加铁盐，除磷率可达95%。

3．奥贝尔氧化沟

奥贝尔（Orbal）型氧化沟是由多个同心的椭圆或圆形沟渠组成，见图7－27。污水与回流污泥从最外一条沟渠进入，在不断循环的同时，依次进入下一个沟渠，相当于一系列完全混合反应池串联在一起，最后从内沟渠排出。各沟道安装数量不同的曝气转碟，起供氧和推流搅拌作用。水深可采用2～3．6m，水流速度为0．3～0．9m／s。这种氧化沟常分为3条沟渠，三沟容积分别为总容积的60%～70%、20%～30%和10%。在运行时，外、中、内沟渠的溶解氧分别控制在0～0．5mg／L、0．5～1．5mg／L及1．5～2mg／L。

外沟中远离转碟的混合液溶解氧接近于0，且具有丰富的BOD（碳源），因此，具有良好的反硝化条件。而在转碟附近，溶解氧浓度较高，可以发生硝化反应。因此，外沟道具有硝化和反硝化功能。中间沟道是外沟道的继续，可以继续降解外沟道尚未降解的有机物以及继续对氨氮进行硝化。经过这两个沟道的生物氧化作用之后，绝大部分有机物和氨氮得到去除。内沟渠一般来说起补充氧气的作用。外沟渠也可使聚磷菌合成PHB和释放磷，为微生物在好氧条件下过量摄取磷积聚能量。

外沟道的供氧量通常为总供氧量的50%左右，但80%左右的BOD可以在外沟道中去除。由于外沟道的溶解氧接近于0，氧传递的推动力很大，所以氧传递效率很高，加之外沟道具有同时硝化和反硝化功能，节能效果更为明显。内沟道的溶解氧虽然较高，但所占容积最小，能耗相对较低。因此，奥贝尔氧化沟的总能耗较低，比常规硝化／反硝化系统节能20%以上。

4．交替运行氧化沟

这种类型的氧化沟有二池交替（D型）和三池交替（T型）运行的两种氧化沟，如图7－28、图7－29所示。可以在不设二沉池的条件下连续运行，沟深一般为2～3．5m。

D型氧化沟由容积相同的两池组成。串联运行交替作为曝气池和沉淀池，一般以8h为一个运行周期。通过改变进水和出水顺序以及曝气转刷的转速使两沟交替在缺氧和好氧条件下运行。由于两沟交替工作，避免了A／O生物脱氮系统中混合液回流。此种氧化沟处理效果好，不需设置污泥回流系统；缺点是曝气转刷的利用率低。

DE型氧化沟也是由两个相同容积的沟渠所组成，且串联运行，如图7－30所示。它不同于D型氧化沟之处在于其具有独立的二沉池及回流污泥系统，该系统不仅能去除BOD和实现生物脱氮，若在氧化沟之前增设一厌氧池，还可以实现同时脱氮和除磷的效果。

T型氧化沟由3条大小相同的沟组合而成，利用管道或沟壁之间的连通孔连为一体。运行时，进水分配井中进水堰交替地分配进水至各池，两侧的A、C池交替地作为曝气池和沉淀池，中间的B池则一直维持曝气，处理水则相应地从作为沉淀池的C池或A池排出。剩余污泥一般由中间沟间歇排出。由于B池一直维持曝气，因此曝气转刷利用率高。

经过适当运行，T型氧化沟能够完成BOD去除、硝化和反硝化过程，取得良好的有机物去除和脱氮效果。依靠三池工作状态的转换，这种系统也不需污泥回流和混合液回流，大大节省了运行费用。

氧化沟还有其他类型，如一体化氧化沟、射流式氧化沟、跌水曝气式氧化沟、逆流曝气氧化沟等多种类型，限于篇幅，请参阅相关文献资料。

7．7．2　氧化沟的设计计算及主要设计参数

氧化沟的设计计算主要包括氧化沟类型选择、确定氧化沟的容积、计算曝气机的功率、进行碱度校核等。

1．氧化沟类型的选择

根据污水处理的要求和污水处理厂的基本情况选择氧化沟的形式。几种主要氧化沟的特征和适用条件见表7－2。

2．确定氧化沟的容积

当以去除碳源污染物为主时，氧化沟的容积可采用污泥负荷法或污泥泥龄法计算，即可采用式（7－72）或式（7－76）计算，如果要进行硝化反应，也可根据式（7－76）进行计算。如果要进行反硝化和厌氧释磷，应在上述计算结果之外考虑反硝化和释磷所需的容积，具体计算方法见第8章。

3．计算曝气机的功率

曝气机的功率主要决定于处理废水所需的氧量，计算时应考虑以下需氧和产氧过程：①去除BOD5的需氧反应；②氨氮氧化的需氧反应；③反硝化过程的产氧反应；④污泥增值及排泥所减少的BOD5，此部分BOD5并未耗氧，在需氧量计算时应予扣除；⑤污泥增值及排泥所减少的NH3－N，这部分NH3－N也不耗氧，也应扣除。故需氧量为

Rr＝去除BOD5的需氧量－剩余污泥中BOD5的需氧量＋氨氮氧化需氧量－剩余污泥中氨氮氧化需氧量－反硝化过程的产氧量

根据《氧化沟活性污泥法污水处理工程技术规范》（HJ 578—2010），氧化沟好氧区的需氧量宜按式（7－88）计算，即

b——常数，氧化1kg氨氮所需氧量，kgO2／kgN，取4．57；

c——常数，细菌细胞的氧当量，取1．42。

去除含碳污染物时，去除1kg BOD5的需氧量可采用0．7～1．2kgO2。

一旦确定了需氧量，就可根据曝气设备的标准供氧量、氧利用效率、动力效率等参数计算曝气设备的总功率，并根据曝气设备的平面形状及布置确定曝气设备的数量与尺寸。

4．碱度校核

应校核氧化沟中混合液的碱度，以确定pH值是否符合要求。一般认为，当剩余碱度不小于100mg／L（以CaCO3计，下同）时，方可维持混合液pH≥7．2，生物反应池才能够正常运行。一般去除BOD5产生碱度约为0．1mg／mgBOD5，氧化氨氮需7．14mg／mgNH3－N，还原硝酸盐会产生3．0mg／mgNO3－N。可根据原水碱度和以上数据计算剩余碱度。当进水碱度不能满足上述要求时，应采取增加碱度的措施。

5．设计参数

氧化沟处理城镇污水或水质类似城镇污水的工业废水时，如以去除碳源污染物为目的，主要设计参数可按照表7－3取值。脱氮除磷的设计参数可参照《氧化沟活性污泥法污水处理工程技术规范》（HJ 578—2010）。工业废水的水质与城镇污水水质差距较大时，设计参数应通过试验或参照类似工程确定。

6．氧化沟的几何尺寸

氧化沟的宽度、有效水深视占地面积、氧化沟的分组和曝气设备性能等情况而定。当采用曝气转刷时，有效水深取2．6～3．5m；当采用曝气转盘时，有效水深取3．0～4．5m；当采用表面曝气机时，有效水深为4．0～5．0m；当同时配备搅拌设备时，水深还可加大。根据《氧化沟活性污泥法污水处理工程技术规范》（HJ 578—2010），氧化沟的直线长度不宜小于12m或水面宽度的2倍（不包括同心圆向心流氧化沟）。

氧化沟的超高应根据曝气设备装置确定，选用曝气转刷、曝气转盘时，超高宜为0．5m；采用垂直轴表面曝气机时，在放置曝气机的弯道附近，超高宜为0．6～0．8m，其设备平台宜高出设计水面1．0～1．2m。

【例7－1】　帕斯韦尔氧化沟工艺设计计算。

该氧化沟仅用于去除碳源污染物。已知条件为：

设计流量Q＝7000m3／d＝291．7m3／h。

设计进水水质：进水BOD5浓度S0＝180mg／L；TSS浓度X0＝240mg／L；VSS＝168mg／L；进水碱度SALK＝280mg／L（以CaCO3计）。

设计出水水质：出水BOD5浓度Se＝20mg／L；TSS浓度Xe＝20mg／L。

由于进水中X0／S0＝240／180＝1．33＜1．5，根据《氧化沟活性污泥法污水处理工程技术规范》（HJ 578—2010），该氧化沟工艺可不设初沉池。参考表7－3，相关参数可按下列条件选取：

MLVSS／MLSS＝0．6。

混合液悬浮固体浓度X＝4000mg／L，则混合液挥发性悬浮固体浓度XV＝2400mg／L。

污泥产率系数Y＝0．80kgVSS／kgBOD5。

污泥泥龄θc＝10d。

污水中含有足够的生化反应所需的氮、磷和其他微量元素；氧化沟内污水温度为25℃；所在地的实际气压为0．921×105Pa。

内源呼吸系数Kd25＝Kd20（θT）T－20＝0．045（1．04）25－20＝0．055（d－1）。

【解】（1）估算出水中溶解性BOD5的浓度。

二沉池出水中BOD5由两部分组成：一是没有被生物降解的溶解性BOD5；二是没有沉淀下来随水漂走的悬浮固体。其中只有溶解性BOD5与工艺计算有关。根据式（7－87），出水溶解性BOD5为

fa为出水悬浮固体中有活性的微生物所占的比例，计算时，取fa＝0．6。

（2）计算氧化沟的容积。

1）按污泥负荷计算。参考表7－3，取污泥负荷LS＝0．15kgBOD5／（kgMLSS·d），本题按平均流量计算：

2）按污泥泥龄计算。

经过计算，可以取氧化沟容积2500m3。

3）校核。水力停留时间HRT为

水力停留时间在4～20h之间。

污泥负荷为

污泥负荷在0．10～0．25kgBOD5／（kgMLSS·d）之间。

（3）碱度平衡。

剩余碱度SALK＝原水碱度－硝化消耗碱度＋反硝化产生的碱度＋氧化BOD5产生的碱度

由于本例仅有去除碳源污染物，不考虑硝化和反硝化。因此，

剩余碱度SALK＝280＋0．1×（180－14．9）＝296．5（mg／L）。

此值可维持混合液pH≥7．2，生物反应池能够正常运行。

（4）计算每天排出的剩余污泥量。根据《氧化沟活性污泥法污水处理工程技术规范》（HJ 578—2010），可以用式（7－79）或式（7－80）计算剩余污泥量ΔX。取SS的污泥转换率f＝0．6。

剩余污泥含水率按99%计算，排放湿污泥量为

（5）计算需氧量。

1）需氧量Rr。由于该氧化沟用于去除碳源污染物，不考虑氮的去除，根据式（7－88），需氧量为

考虑安全系数为1．4。

2）标准需氧量OS为

（6）氧化沟尺寸。设氧化沟两座，则单座氧化沟容积V单＝V／2＝2500／2＝1250（m3）。

每组取氧化沟有效水深H＝3．0m。单沟道宽b＝4．5m，超高为0．5m，中间分隔墙厚度为0．25m。

单座氧化沟面积A＝V单／H＝1250／3．0＝416．7（m2）。

弯道部分的面积。

氧化沟直线段部分面积A2＝A－A1＝416．7－67．2＝349．5（m2）。

氧化沟直线段部分长度，取39m。

直线段部分长度符合《氧化沟活性污泥法污水处理工程技术规范》（HJ 578—2010）的相关规定。

综上，氧化沟的主要工艺尺寸为：两座水深3．0m，沟宽4．5m，直线沟长39m的帕斯韦尔氧化沟。

7．曝气转刷的选择

（1）转刷曝气机。单座氧化沟的标准需氧量OS1为

根据《环境保护产品技术要求转刷曝气装置》（HJ／T 259—2006）对转刷曝气装置的技术性能要求，设计采用BZ－4500／0．7转刷曝气装置。该型转刷的有效长度为4500mm，与所设计的氧化沟的宽度相符合。转刷的直径为700mm，单台充氧能力为17．5kgO2／h，动力效率为1．8kgO2／（kW·h），推动力为155m3／m，单台转刷功率为11kW。

所需的曝气转刷的台数n＝21．63／17．5＝1．24（台）。取2台。

（2）推动力校核。曝气转刷的推动力又称推动容量，是指在实际应用中，转刷曝气装置使沟内混合液达到0．3m／s平均流速时，每米有效长度所能推动的水的容积。

每座氧化沟采用两台转刷，转刷的总有效长度为2×4．5m＝9m，则该氧化沟所需的推动力为1250m3／9m＝138．9m3／m＜155m3／m。因此，改型曝气转刷的推动力满足要求，能够使沟内混合液达到0．3m／s平均流速。