2.6 城市污水的二级生物处理——氧化沟工艺
2.6.1 氧化沟类型
氧化沟是在传统活性污泥法基础上开发的一种污水生物处理技术。氧化沟一般呈环形沟渠状，平面多为椭圆形，总长可达几十米，甚至百米以上，沟深为2～6m；进水管进水，溢流堰出水。其运行方式多采用延时曝气方式，活性污泥曝气时间多在24h以上。污水在沟内的平均流速为0.4m／s，污水在整个停留时间内，可以做几十次，甚至几百次循环，所以氧化沟内混合液的水质可以认为是近乎一致的。氧化沟进水BOD5负荷率较低，对水温、水质、水量的变动有较强的适应性，同时，也使污泥在沟内长期处于营养不足的状态，促使微生物自行分解，从而大大减少了剩余污泥量，而不需再进行污泥的厌氧消化处理，可以说这种方式是废水和污泥的综合处理设备。
此外，氧化沟污泥的泥龄长，一般可达15～30d，可以存活世代时间长、增殖速度慢的微生物，如硝化菌。这样，在氧化沟内可能产生硝化反应，如运行得当，还具有反硝化脱氮的效应。除此之外，这种方式还具有处理水稳定性较高，不需设初次沉淀池等优点。但是，由于曝气时间长，使氧化沟容积增大，则占地面积大。如图2.27所示，为以氧化沟为生物处理单元的污水处理流程图。
图2.27 为以氧化沟为生物处理单元的污水处理流程图
下面简单介绍几种常用的氧化沟系统。
1.卡罗塞（Carrousel）氧化沟
这种氧化沟是20世纪60年代末由荷兰某公司开发的，其构造如图2.28所示。卡罗塞氧化沟系统是一个多沟串联系统。在每组沟渠都分别安装一台表面曝气器。靠近曝气器的下游为富氧区，而曝气器的上游可能为低氧区，外环还可能成为缺氧区，这有利于形成生物脱氮的条件。
图2.28 卡罗塞氧化沟
1—污水泵站；1′—回流污泥泵站；2—氧化沟；3—转刷曝气器；4—剩余污泥排放；5—处理水排放；6—二次沉淀池
卡罗塞氧化沟系统在世界各地应用广泛，其规模一般从200m3／d到650000m3／d，BOD5去除率高达95%～99%，脱氮效果达90%以上，除磷率可达50%。
2.交替工作氧化沟
交替工作氧化沟分两种。一种是由容积相同的2个池或3个池交替作为曝气池和沉淀池，不设污泥回流系统。如图2.29所示，为3池交替工作氧化沟，两侧的A池，C池交替作为曝气池和沉淀池，中间的B池则一直为曝气池，原污水连续进入A池或C池，处理水则相应地从作为沉淀池的C池和A池流出。另外一种是氧化沟连续运行，而设两座二次沉淀池交替运行，交替回流污泥。这样交替工作的氧化沟有多种形式，图2.30所示为其中一种。
图2.29 交替工作氧化沟
（a）双沟式；（b）三沟式1—沉沙池；2—曝气转刷；3—出水堰；4—排泥管；5—污泥井
图2.30 VR型氧化沟
3.曝气－沉淀一体化氧化沟
所谓一体化氧化沟就是为充分利用氧化沟较大的容积和水面，而将二次沉淀池建在氧化沟内。一体化氧化沟有多种形式，其中最有代表性的就是BMTS式。
BMTS氧化沟是由美国BumsandMc Donnd咨询公司于20世纪80年代研究开发的，其结构如图2.31所示。这种氧化沟的隔墙不在池中心，而是偏向一侧，使设有沉淀区一侧的沟宽大于另一侧，沉淀区横跨该侧整个沟宽。沉淀区两侧设隔墙，其底部设一排三角形导流板，水面设集水管以收集处理后的水。循环的混合液均匀地通过沉淀区底部的导流板间隙上升进入沉淀区。澄清水通过穿孔管或溢流堰排走，沉淀污泥则从间隙流回混合液中。底部导流板的设置，可减少沉淀区中下层水流的紊动，通过底部导流板的水流紊动，可以清除构件上的沉淀物。
图2.31 曝气－沉淀一体化氧化沟
1—氧化沟；2—氧化沟隔墙；3—曝气区；4—表面曝气器；5—沉淀区隔墙；6—集水管；7—出水槽；8—出水槽；9—沉淀区
一体化氧化沟因其具有占地少、效率高、耐冲击负荷及耐pH值变化能力强、维护管理又方便等特点，故此技术发展迅速，在国内外应用广泛。
2.6.2 氧化沟的曝气方法与曝气装置
氧化沟通常采用机械曝气方法，即利用安装在曝气池水面的叶轮的转动，剧烈地搅动水面，使液体循环流动，不断更新液面并产生强烈水跃，从而使空气中的氧与水滴或水跃界面充分接触，在负压吸氧的作用下，转移到混合液中去。
机械曝气装置包括表面叶轮式曝气器和转刷式曝气器。表面叶轮或转刷安装在曝气池水面上、下，在动力驱动下转动。曝气器的转动，可以使水面上的污水形成水跃，液面的剧烈搅动卷入空气，且通过负压吸氧作用吸入部分空气；曝气器的转动，还具有提升液体的作用，使混合液连续地上下循环流动，气液接触界面不断更新，不断地使空气中的氧向液体内转移。
机械曝气装置的效能以氧利用效率和充氧能力两项指标评定。氧利用效率同上，充氧能力（EL）则指通过机械曝气装置，在单位时间内转移到混合液中去的氧量，以kgO2／h计。
1.表面叶轮式曝气器
这类曝气器根据叶轮的型式不同，又分为泵型、K型、倒伞型和平板型等。
（1）泵型叶轮曝气器。泵型叶轮曝气器是由叶片、上平板、上压罩、下压罩、导流锥顶以及进气孔、进水口等组成（图2.32）。
图2.32 泵型叶轮曝气器构造示意图
1—上压罩；2—进气孔；3—上平板；4—叶片；5—进水口；6—引气孔；7—导流椎顶；8—下压罩
图2.33 平板型叶轮曝气器构造示意图
（2）平板型叶轮曝气器。平板型叶轮曝气器由平板、叶片和法兰构成，如图2.33所示。叶轮与平板半径的角度一般为0°～25°，制造方便，不堵塞。
（3）倒伞型叶轮曝气器。如图2.34所示，倒伞型叶轮曝气器由圆锥体及连在其外表面的叶片所组成，叶片的末端在圆锥体底边沿水平伸展出一小段，使叶轮旋转时，甩出的水幕与池中水面相接触，从而扩大了叶轮的充氧、混合作用。
这些表面曝气叶轮具有构造简单，运行管理方便，充氧效率高等优点。目前在国内得到广泛应用，在国外一般仅用于小型曝气池。
图2.34 倒伞型叶轮曝气器结构及其尺寸
2.曝气转刷
转刷曝气器由横轴和固定在轴上的叶片所组成，电机带动转轴转动，叶片也随着转动，搅动水面，产生波浪，空气中的氧便通过气液接触面转移到水中，如图2.35所示。
图2.35 横轴旋转表面曝气器
安装转刷曝气器时，转刷应贴近液面，部分浸在池液中。
转刷曝气器主要用于氧化沟，它具有负荷调节方便，维护管理容易，动力效率高等优点。我国邯郸市城市污水处理厂（氧化沟工艺）用的就是丹麦克鲁格公司制造的转刷曝气器。
另外，在寒冷地区为避免水面结冰或者运行方式为深层曝气时，可采用鼓风－机械联合式曝气装置。即叶轮安装在水下，只进行机械搅拌，不提供氧。而氧的供给靠安设在池底的鼓风空气扩散装置。由机械搅拌所产生的强力剪切作用，对从空气扩散装置喷出的气泡加以微细化的同时，将气泡分散在强烈紊动的水流中，并形成一种能防止气泡从水面逸散的流线。
这种联合方式的特点是，可通过改变空气量来适应负荷的变化；可提高原鼓风曝气装置的氧利用率；能在底部形成强烈的紊流，防止污泥淤积。但是，这种方式水下的叶轮易磨损，易腐蚀，而且同时需要机械搅拌和空压机两种动力，因而动力费用较高。