氧化溝工藝應用研究進展

于靜潔1，一，鄧宏1，一，鄭淑平1，一，王少坡1，一，孫力平1，2
(1．天津城市建設學院環境與市政工程學院，天津300384；
2．天津市水質科學與技術重點實驗室，天津300384)


[摘要]簡要介紹了氧化溝工藝的發展歷程，總結了氧化溝工藝向著增加厭氧區和缺氧區，將曝氣和推流功能
分離以及優化溶解氧濃度等運行參數實現同步硝化反硝化(SND)和同步硝化反硝化除磷(SNDPR)等方向發展的趨
勢。同時指出需加強循環比對氧化溝內混合液流態、溶解氧擴散傳質和脫氮除磷微生物種群分布等方面響應關系的
研究，以便進一步提高氧化溝工藝的脫氮除磷效率，為其設計、改造、運行提供科學依據和理論指導。

[關鍵詞]氧化溝；脫氮；除磷；循環比
[中圖分類號]X703 [文獻標識碼]A [文章編號]1005—829X(2013)06-0001-05 ．
PrOgreSS in the reSearCh and app¨CatiOn Of OxidatiOn dItCh
Yu Jin舀iel’-，Deng Hon91嚴，Zheng Shupin91一，W鋤g Sha叩01一，Sun Lipin91，2
(1．scboZ曠脅iron，胎眥以&脅ln記咖以En舒聊e矗，lg，孔n面流，凡玩眥e礦啪饑co淞trz圮砌，l，
死叨譏300384，醌i№；2．孔耐譏‰)，L曲。脅形0廠卻刎記&據耽e紕d死c^加地y，孔嘶譏300384，饑iM)
Abst限Ct：’Ihe deVelopm ent course of oxidation ditch is introduced brieny．MoreoVer，the deVelopment trends of
incre鵲ing肌aerobic and anoxic zones，separating aeration f南m plug-now function， optiIllizing t}le operation
parameters，such as dissolVed oxygen concentmtion etc．and achieving simuhaIleous nitrification aJld denitrification
(SND)，and simuhaneous nitri6cation and denitrification phosphollls removal(SNDPR)，are summarized．Meanwhik，
tIle necessi哆for the researches on the response relationship 0f reiIlfbrcing山e recycle ratio and the船pects，
such鵲tlle nuid state of IIlixed solution，dissolved oxygen diffhsion and mass mmsfer，and biolo舀cal population dis—
tribution of denitrification and dephosphorization etc．，is pointed out．The researches caIl funher improve the denitri—
fication aIld dephosphorization e伍ciencies of oxygen ditch process and provide scientific base aIld t}leoretical guide
fbr its design，modification and oper{ltion．
Key wOrds：oxid撕on ditch；deIlitri矗cation；dephosphorization；recycle ratio

自20世紀60年代以來．氧化溝工藝在世界許
多地區得到廣泛應用．目前也是我國城市污水處理
的主導工藝之一⋯。三峽庫區2006年在建的18座
污水處理廠中，采用氧化溝工藝的就有12座．達到
了總量的2，3[2]。國內現有城市污水處理廠的建設
經驗表明．氧化溝工藝既適合在我國中小城市污水
處理廠采用．也適用于有條件進行污水處理的縣城
及鄉鎮(21。

鄧榮森等[2]對我國8個省份和3個直轄市38家
有代表性的城市污水處理廠進行了調研。結果表明．
氧化溝工藝在脫氮除磷、抗沖擊負荷、污泥穩定、動
力消耗等方面均有一定優勢。美國環境保護署
(EPA)的調查結果表明。氧化溝的處理效果比其他
生物處理方法穩定．并且基建投資和運行費用較
省[引。因此，氧化溝工藝有廣闊的應用前景。
1 氧化溝工藝形式的發展狀況

1954年．世界上第1座氧化溝污水處理廠在荷
蘭建立，歷經幾十年的發展．國外先后開發了多種多
樣的氧化溝工藝．其分類及典型工藝類型見表1。
污水治理除污需求的變化推動著氧化溝工藝的
發展。早期的氧化溝僅用于去除有機物。同時將氨

[基金項目】國家自然科學基金資助項目(51108299)；天津市自然科學基金資助項目(10JCYBJC05300)
一1一專論與綜述工業水處理2013—06，33(6)

連續式帕斯韋爾(P∞veer)氧化溝一1960年初傳遍歐洲受當時曝氣轉刷限制．水深1．5 m以下
奧伯爾(0rhl)氧化溝一1970年，Huism觚轉盤曝氣。水深4．5m。外溝、中溝和內溝的溶解氧常控制⋯。
在南非開發，之后轉讓給美國的Envirex公司在0～0．5、0．5。1．5、1．5～2．5m島，L，供氣量之比常為65：25：lO
A型氧化溝單溝交替曝氣、沉淀、排水不設沉淀池．轉羹?徽蚴世紀∞眠一啦⋯燃霧葚慧一鞴烈T型氧化溝邊溝交替曝氣、沉淀，中溝曝氣或攪拌較高
善萎DE型氧化溝—20世紀60年代，丹麥蜘公司開發有單獨二沉池，著胃豸喜薔梨挈霎瓣硝化、反硝化；
墟姥簍黎B：蓉：慧羹化，翼：翟菩蘭=罌乏怠善國聯合王蘭竺司：萎固液分離器取代沉淀池，集曝氣、沉淀、泥水分離和污泥自動2警§罌叼蹩高夠化溝。20世紀80年代，美國Bums nd McDomeu咨譬隔焉孺譽寫!落3蕁薔錠磊蒿蒜昌苗硝焉箍鑫若鼯#奚篆r
合建式塑聳恩開冬⋯．．．．．．．．，． ．．．。切‘粼粟宋甜囂Z芝聾蠡冒萵泵崔爿蓮菇高癌幫叫同’
豎向循環式一體氧化溝一20世紀80年代．美國En、riIⅨ公司開發
氮氧化為硝酸鹽氮。因此氧化溝工藝無厭氧區，氧化
溝循環廊道內也無缺氧區．如連續式Passveer氧化
溝(見圖1)、A型氧化溝、D型氧化溝、VR型氧化溝
等：隨著污水脫氮需求的加強，氧化溝循環廊道內在
空間上或時間上形成了缺氧區．此時氧化溝在去除
有機物的同時還可以反硝化脫氮．如普通C鋤usel
氧化溝(見圖2)‘鍆、T型氧化溝、DE型氧化溝等。而
為了去除污水中的植物性營養物．國內外又相繼開
發了帶有厭氧區(或帶有厭氧區及缺氧區)的氧化溝
工藝，以保證在去除有機物的同時去除氮磷污染物，
如CaⅡousel 2000氧化溝(見圖3)㈥、Ca玎∞usel 3000
氧化溝(見圖4)㈤等。
圖1 連續式P鵲sveer氧化溝工藝原理示意
圖2普通CaⅡ_ousel氧化溝工藝原理示意
一2一
圖3 C刪usel 2000氯化溝工藝原理示意
圖4 Carmusel 3000氧化溝工藝原理示意
由表1可以看出．早期開發的氧化溝池深小、
占地面積大．為了節約用地。研究者們通過改進曝
氣設備的充氧和推流能力來加大池深、減小占地面
積．或者通過研發連續合建式氧化溝來減小占地
面積。
典型氧化溝工藝混合液充氧常通過轉刷、轉盤、
立式表曝機等曝氣設備完成．曝氣設備除供氧外．還
要承擔推動混合液流動及防止活性污泥沉降的功
能，這就導致了不能根據進水水質、水量的波動有效
地調節曝氣充氧量．有效地設置缺氧區和好氧區．最
終影響處理效果或造成能量浪費。有研究表明．將曝
氣供氧與推流分離開。有助于獲得穩定的缺氧區[5]．
能使氮得到有效去除[剮。因此將微孔曝氣與潛水推
進器聯合用于氧化溝工藝蚪)．或者將轉刷等曝氣設
備與潛水推進器聯合用于氧化溝工藝[5]．可以實現
曝氣與推流的分離。
我國于20世紀80年代開始引進氧化溝處理技
術．除了將國外技術引進國內應用外．我國還研發了
新的氧化溝工藝．如表2所示。


工業水處理2013一06，33(6) 于靜潔。等：氧化溝工藝應用研究進展
表2國內開發的部分氯化溝工藝
分類示例特點
氣升式氧化溝4’
A2，O氧化溝[9】
囊建化式簍坌氧溝嬰改艮良剿假微孔氈 改良CⅢ辯l
氧化溝[1l’
微孔曝氣與折流板結合．水深6 m以上
前置厭氧區和缺氧區．微孔曝氣器
供氧．攪拌器驅動混合液流動
前置缺氧區、厭氧區和生物選擇區，
循環廊道內有缺氧區和好氧區。
好氧區采用微孔曝氣
前置厭氧池．循環廊道內有缺氧區
和好氧區．轉刷曝氣
倒置A2，0型一體前置缺氧區和厭氧區．循環廊道內設
化氧化溝(腳表曝機．采用側溝式固液分離器
厭氧一立體循環前置厭氧池．氧化溝上層為好氧區，
．．．一體化氧化溝㈣下層為缺氧區，轉刷曝氣
毒耨燃蕊采用側溝式固液分離器，轉屙。曝氣
甲訾裳蠢鬲俘采用中心島式固液分離器，轉刷曝氣
內沉淀池一體設溝內沉淀池．采用點源曝氣供氧，
化氧化溝[16’ 攪拌器推動水流運動
氧釜化盒溝嘉蟹氧等化溝{撩[17嘲-嘲 氧飄’化K溝刑內¨設阪置I填岷料科
2氧化溝工藝作用機理的研究進展
氧化溝工藝氮磷的去除．早期以傳統生物脫氮
除磷理論為基礎，即認為生物脫氮是由有機氮氨化、
自養菌好氧硝化、異養菌缺氧反硝化來完成，生物除
磷是由聚磷菌厭氧釋磷、好氧吸磷來完成。隨著生
物脫氮除磷理論的發展．人們陸續發現氧化溝工藝
中存在其他生化反應過程．如同步硝化反硝化
(SND)和反硝化除磷(DNPR)等。
同步硝化反硝化．即硝化和反硝化在同一個反
應器中同時進行。物理學理論認為，好氧為主的反
應器中有較大范圍的局部缺氧環境．或者微生物絮
體表面和內部的溶解氧濃度梯度形成了微好氧環境
和微缺氧環境．從而使好氧硝化和缺氧反硝化在一
個反應器中同時進行【19】。然而生物學理論認為，同
步硝化反硝化現象發生的原因在于異養硝化(異養
微生物在好氧條件下將還原態N．包括有機態N，氧
化為NO：一和N0，一的過程)和好氧反硝化(在有氧條
件下發生的反硝化作用)的發生[眥¨。反硝化除磷，
即以反硝化除磷菌為優勢菌種，利用N03-、N02-作為
電子受體，在缺氧環境下吸磷，并將NO，一、NO：一轉化
為氮氣。J．Meinhold等[嬲)認為。某些聚磷菌(PAOs)
能在缺氧環境中利用N03-、N02-作為電子受體除磷。
R．J．Zeng等㈨發現，在溶解氧濃度較低的sBR反
應器中．發生硝化反硝化的同時存在吸磷現象，這一
過程被稱之為同步硝化反硝化除磷(SNDPR)。在廢
水處理領域SNDPR可以帶來較高的氮、磷去除率，
節約曝氣能耗、堿度消耗等(們。
1973年．R．J．L．C．Drews等[25)報道了在迅速切
換好氧／缺氧環境的Orbal氧化溝中的伺步硝化反硝
化現象。1985年。B．E．Rittm鋤等㈤在工業規模的氧
化溝內成功地實現了同步硝化反硝化。．2000年，G．
T．Daigger等[19]研究了美國7座處理量從7 Ooo～
45 000 m3／d不等的氧化溝，數據顯示，其不同程度地
存在同步硝化反硝化過程。由于同步硝化反硝化能
提高總氮去除率、節約能耗∞硒]，因此近年來，研究
者開始研究通過控制運行條件．來保證氧化溝內同
步硝化反硝化過程穩定存在。如：xiaodi Hao等㈣提
出可采取曝氣與攪拌分離等措施．以便在Pasveer
氧化溝內獲得穩定的同步硝化反硝化脫氮：Y鋤chen
Uu等[嬲】在氧化溝內．通過優化溶解氧濃度等運行
參數穩定實現了同步硝化反硝化高效脫氮。高守有
等[剮認為．宏觀缺氧環境和微生物絮體的微環境是
氧化溝內同步硝化反硝化發生的主要條件．而新型
微生物菌種的作用不占主導地位：與短程硝化反硝
化、厭氧氨氧化等生化反應過程相比較。同步硝化反
硝化更容易實現和維持穩定．并且已經在生產中得
到應用和發展。此外，Yongzllen Peng等[9)在中試規
模的厭氧一缺氧氧化溝系統中成功實現了SNDPR．
并研究了穩定獲得SNDPR的運行條件．同時對
SND進行了定量分析。
3存在問題
研究及應用結果表明．氧化溝工藝存在下述問
題：
(1)氧化溝工藝設計及運行中未考慮循環比。
循環比(尺)的計算公式為
口TuI=86 400·t，·日·^=Q面+RsQ批Q面
故R：墮鴛掣一1一尺s (1)
V缸
式中：Q1Ur一通過循環廊道斷面的總流量，m3，d；
仉，一單座氧化溝進水流量，m3／d；
R——循環比： 卜廊道寬，m；
^——有效水深，m； R廣污泥回流比，估取1(即100％)；
穢——混合液流速，估取0．3 n以。
氧化溝工藝設計規范或手冊中．未給定循環比
(循環廊道斷面通過的循環流量和進水流量的比值)
的取值范圍。設計過程中，常依據設計規范或手冊選
定污泥濃度、污泥負荷、污泥齡等設計參數值。由此
計算得到氧化溝所需的容積．并依據場地及所選曝
氣設備的要求．確定氧化溝的廊道寬度、深度及長度
一3一


專論與綜述工業水處理2013—06，33(6)
和廊道數目，其結果導致了已建氧化溝工藝循環比
由十幾至數百不等，差異很大，見表3。此外，氧化溝
工藝運行過程中常通過改變供氧方式、改善混合液
流態等方法加強其脫氮除磷能力．而沒有將循環比
作為工藝運行的可調參數。
表3已建氧化溝工藝的循環比
污水處理廠單；!黔尹7囊惹粟蘩麓才；；篙斧螯
(2)混合液回流比采取傳統脫氮除磷工藝經驗
值或不控制方式。
循環廊道前端設置缺氧區的氧化溝工藝(如
C鋤usel 2000)．通過回流縫或回流泵實現好氧區混
合液向缺氧區的回流．混合液回流比采用傳統脫氮
除磷工藝的經驗值，常小于5(即500％)。循環廊道
內設置缺氧區和好氧區的氧化溝工藝(如改良微孔
C繃usel氧化溝㈣)，混合液回流比就等于循環比。
由表3可知，不同氧化溝的循環比差異較大，因此對
于循環廊道內設置缺氧區和好氧區的氧化溝工藝．
不同氧化溝的混合液回流比數值差異也較大．且均
處于不控制狀態。由此可知。循環廊道內設置缺氧區
和好氧區的氧化溝工藝．好氧區混合液向缺氧區的
回流沒有最佳取值范圍作為工程實踐的理論指導．
也未進行調節控制．這終將影響氧化溝工藝的脫氮
除磷效果。
(3)氧化溝工藝的脫氮除磷效率有待于進一步
提高。
由于氧化溝設計及運行中忽視了循環比的影
響．因此導致了對氧化溝脫氮除磷機理及去除效果
的影響因素認識不全面．最終使氧化溝工藝無法最
大限度地發揮其除污功效。氧化溝與其他活性污泥
工藝的顯著差異在于氧化溝循環廊道內混合液在封
閉式的溝渠內連續循環。因此。循環比的變化將會影
響到氧化溝循環廊道內混合液的流態特征和溶解氧
一4一
的分布等。最終會影響到氧化溝的脫氮除磷效果。如
袁忠偉等㈣在氧化溝循環廊道內加裝插板．改變了
循環廊道的過流斷面面積，進而改變了循環比后。氧
化溝的總氮、總磷去除率分別由40％和57％上升至
70％和75％。但是。目前為止有關循環比對氧化溝脫
氮除磷作用機理的影響鮮有報道。個別討論氧化溝
循環比的文獻．也是針對曝氣與推動混合液流動兩
功能合一的表曝設備而言．并且僅對穩態運行進行
了初步討論[川。因此．需研究循環比對氧化溝內混合
液的流態特征、溶解氧的傳質及脫氮除磷微生物的
種類和分布等的影響．并在此基礎上闡明循環比對
氧化溝工藝脫氮除磷作用機理的影響(如明確哪些
循環比范圍會導致氧化溝除污以傳統脫氮除磷生化
反應為主、哪些循環比范圍會導致氧化溝除污以
SND、DNPR或SNDPR等生化反應過程為主等)，以
最終為氧化溝工藝的設計運行提供理論依據．為最
大限度地挖掘氧化溝工藝的脫氮除磷潛力提供科學
指導。
4結論
為了增強脫氮除磷效果．氧化溝工藝向著增加
厭氧區和缺氧區．將曝氣和推流功能分離以及控制
溶解氧濃度等運行參數實現SND和SNDPR的方向
發展。但是，在氧化溝工藝的研究應用過程中，循環
比對氧化溝內混合液流態、溶解氧擴散傳質和微生
物種群分布等方面的影響研究鮮有報道。因此，明確
循環比與氧化溝脫氮除磷作用機制之間的響應關
系。可以為進一步提高氧化溝工藝的脫氮除磷能力、
挖掘其潛力提供科學依據和理論指導。
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[作者簡介
]
[收稿日期】

于靜潔(1978一)，博士，副教授。電話：13752425908．
E—mail：yjj．mary@163．com。
2013—02—01(修改稿)

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來源：第33卷第6期工業水處理V01．33 No．6
2013年6月Industrial Water Treatment Jun．，2013