CN100475719C - 可调节自流分流式环型氧化沟 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种可调节自流分流式环型氧化沟，它内部为O型厌氧区，外部为O型好氧区，中间为C型缺氧区，C型缺口与外部的O型好氧区交汇的区域为混合区，其中形成缺氧区的C型圆弧隔墙的弧度为246°，入混合区的长度为0.41R，R为外部好氧区的同心圆隔墙的半径，C型圆弧隔墙的起始端点可调节的角度为α＝10°～107°，α为C型圆弧隔墙的起始端点与圆心的连线和可调节分流墙的夹角。该结构可减弱沟内的紊动程度，增加沟内推流流态的容积占有率，提高反应器的效率，同时延长好氧区和缺氧区的停留时间、减少混合区的停留时间与死区占有率，同时省去机械搅拌器所带来的能量消耗，并能根据不同水质灵活调节和控制进入好氧区和缺氧区的回流量，从而取得稳定的脱氮除磷效果，完全达到国家排放标准。

Description

可调节自流分流式环型氧化沟

技术领域

本发明技术属于污水处理技术，具体涉及一种污水处理氧化沟。

背景技术

在污水处理的反应技术研究中，反应器的设计也越来越重要，因为一个反应技术的开发取决于反应器形式的确定以及确定这些形式的流体动力学特征。在污水处理中，按反应器操作方式和流型可将反应器类型分为四大类：间歇反应器(BR)、连续搅拌罐式反应器(CSTR)、推流反应器(PFR)和阶式CSTR。根据反应器原理，前述四种反应器中，BR存在停工时间降低了它的去除率；CSTR是完全混合流型，反应器内浓度梯度差，降低了反应效率；PFR反应器具有连续流推流特征，所以反应效率最高。在一级反应的条件下，CSTR的容积总是大于PFR的容积。在污水处理中，如果去除百分数(η)达到0.9，则CSTR和PFR的容积比Vcs/Vp为3.9；而当η＝0.99时，Vcs/Vp＝21.5。而阶式CSTR只有在串联的反应器数n→∞时它的反应器容积才能和PFR一致。反应技术越先进，实现同一反应时反应器所需的容积就越小，反之，则反应效率越高，即提高反应器系统的推流效果将会改善反应器的处理效果。

OCO氧化沟工艺技术是丹麦PuritekA/S公司的一项专有技术。OCO氧化沟工艺以其生化反应池的厌氧区、缺氧区和好氧区的组合形似命名，拟集有机物、氮、磷的去除于一体，实质上仍然是A²/O工艺的一种的变型，可较好的形成适合污水脱氮以及除磷的物理和生物化学环境。从图1与图2可以反映出OCO反应器的结构，它由外部的O形好氧区11，中间的C形缺氧区12和内部的O形厌氧区13构成，其中C形缺氧区12设置的是一段C形隔墙14，隔墙的弧度为180°。通过机械搅拌器15的控制和调节缺氧和好氧的回流量，以实现系统的有机物去除和脱氮效果，并辅之以化学手段保证系统的除磷，该OCO反应器中还设置有微孔曝气器。

但是经使用发现，OCO氧化沟处理效果还存在以下不足：①污水在好氧区13和缺氧区12停留时间不足，削弱了反硝化及除磷效果；②需要用机械搅拌器控制和调节回流量不易操作且增加系统能耗，同时使反应器内形成湍流和返混，影响反应效率；③需要辅之以化学手段才能保证系统的除磷。

OCO氧化沟处理效果存在以上不足的关键原因在于其反应器技术不先进。传统氧化沟工艺的流态特点在于其兼有推流和完全混合的特征，理论上说这种复合流态既有利于提高处理效率也有利于提高系统耐冲击负荷能力。传统氧化沟复合流态的形成方式是：氧化沟工艺在短时期内(如一个循环)呈现一定的推流特征；而长期的循环又使其呈现出完全混合特征。但由于传统氧化沟工艺厌氧、缺氧及好氧分区缺乏有机联系，从而使得除磷效果不理想。为了解决这一问题，OCO工艺采用在缺氧及好氧区的始段设置机械搅拌器来控制和调节缺氧和好氧的回流量。经过试验研究发现这个装置的设置尽管可以控制缺氧和好氧的回流量，但是该装置不停的搅拌使得沟内缺氧区以及好氧区的紊动加剧，减弱了氧化沟的推流特性。此外，由于中间C形隔墙弧度仅为180°，不仅使得缺氧区及好氧区停留时间短，也使混合区停留时间延长。因此，OCO氧化沟的反应器技术特点更接近于单一的完全混合流态特点而非传统氧化沟工艺具有的复合流态特点。也正由于OCO氧化工艺的这种采用机械动力的分流装置以及较短C形隔墙的设置是以牺牲传统氧化沟推流特性为代价，所以其处理效果没有得到更大幅度的提高。

为了解决此问题，本申请人曾申请了一件专利“同心圆活动导流墙式环流反应器”，授权公告号为：ZL200520010545.7。在该专利技术中，采用了增加C型隔墙的弧度到240度，并设置活动导流墙，以达到减小混合区容积，调节回流量的目的。但是，在试验研究中发现该技术仍然存在一些不足：1、未能进一步降低混合区的紊动程度，影响推流流态容积利用率的提高；2、混合区液体间的紊动碰撞降低了流体惯性的环向推动力，进而使混合区内壁侧速度过小，使得该区仍然存在一定的死区，从而降低氧化沟的有效容积利用率；3、缺氧区和好氧区的停留时间仍不足以达到高效脱氮除磷效果的要求。4、同心圆活动导流墙式环流反应器的活动导流墙灵活性与适应性仍然不够。原有活动导流墙设置为：活动导流墙与氧化沟圆心的连线和垂直轴线的夹角α为27°，导流墙位置在b/a＝1/4～1/2间(其中，a表示导流墙伸入混合液的一端距厌氧区外壁的径向距离；b表示导流墙伸入混合液的一端距好氧区外墙的径向距离)。研究过程中发现当进水水质以及处理要求有较大变化时，活动导流墙这种设置使得进入好氧区与缺氧区的回流量调节范围不大，仍然不能达到理想的处理效果。以上不足所带来的结果是当生活污水中COD浓度为246～423mg/L，总氮(TN)浓度为28.91～37.68mg/L，总磷(TP)浓度为3.77～8.83mg/L时，同心圆活动导流墙式环流反应器出水水质为：COD浓度为13～47mg/L，总氮(TN)浓度为7～16.3mg/L，总磷(TP)浓度为0.12～1.1mg/L，其处理效果较OCO氧化沟有所提高，但仍未能完全达到国家城镇污水处理厂一级B排放标准(GB18918-2002)，即出水COD≤60mg/L，总氮(TN)浓度≤15mg/L，总磷(TP)浓度≤1mg/L。所以同心圆活动导流墙式环流反应器的处理效果仍然不很稳定。其关键原因在于尽管前期研究中发现适当延长C型隔墙的弧度有益于脱氮除磷效果的提高，但是未能找出一个弧度关键值，即C型隔墙的弧度究竟达到多少度时，可以使得工艺具有最佳脱氮除磷效果所需的流态以及停留时间等工况条件，同时又不影响混合液回流入缺氧区和好氧区的调节。

发明内容

本发明技术的目的在于针对现有OCO氧化沟和同心圆活动导流墙式环流反应器反应技术、工艺的不足，利用正交回归优选方法找出C型隔墙的弧度的最佳值，在此基础上提出一种可调节自流分流式环型氧化沟，减弱环型氧化沟内的紊动程度，增加沟内推流流态的容积占有率，提高反应器的效率，同时延长好氧区和缺氧区的停留时间、减少混合区的停留时间与死区占有率，同时省去机械搅拌器所带来的能量消耗，并能根据不同水质以及不同的处理要求灵活调节和控制进入好氧区和缺氧区的回流量，从而取得稳定的脱氮除磷效果，完全达到国家排放标准，使可调节自流分流式环型氧化沟的应用具有高效、稳定的处理效果。

本发明的技术方案如下：

本可调节自流分流式环型氧化沟在OCO氧化沟以及同心圆活动导流墙式环流反应器基础上进行的改进，它仍然是由内外两个同心圆隔墙和中间一段同心的C型圆弧隔墙组成，内部为O型厌氧区，外部为O型好氧区，中间为C型缺氧区，C型缺口与外部的O型好氧区交汇的区域为混合区。发明的技术关键在于利用正交回归优选法研究探索到能达到最佳脱氮除磷效果的C型圆弧弧度值，即缺氧区的C型圆弧隔墙的弧度为246°。这样在OCO氧化沟基础上通过延伸C形隔墙弧度66°，可增加污水在缺氧区的停留时间、减少混合区的停留时间和死区占有率，反应器推流流态的容积利用率得到明显提高。进而最大程度提高缺氧区的反硝化效果，并减弱NO₃ ^-对聚磷菌群的影响，出水总氮、总磷浓度完全达到国家排放标准。

同时在C型圆弧隔墙的起端采用转轴连接方式设置有可调节式自流分流墙，用来调节和控制进入好氧区和缺氧区的回流量，可调节分流墙其伸入混合区的长度为0.41R，R为外部好氧区的同心圆隔墙的半径。可调节分流墙绕缺氧区的C型圆弧隔墙的起始端点可调节的角度为α＝10°～107°，α为C型圆弧隔墙的起始端点与圆心的连线和可调节分流墙的夹角。α大小根据不同水质以及不同的处理要求进行调节和设置，以便控制进入好氧区和缺氧区的回流量，从而省去原OCO氧化沟在该处设置的机械搅拌分流器。与同心圆活动导流墙式环流反应器相比，该氧化沟的可调节分流墙的设置使得调节范围更大。

由此可见本发明的优点如下：

1、通过形成246°弧型结构，增加了污水在缺氧区与好氧区的停留时间，最大程度的延长了缺氧区与好氧区内单程推流的路径，减少了混合区容积和死区的占有率，从而增加反应器推流流态的容积利用率，提高反应器的效率以及缺氧区的反硝化效果，减弱NO₃ ^-对聚磷菌群的影响，在该氧化沟内达到最佳的脱氮除磷效果，可完全解决OCO氧化沟必须采用化学除磷的问题以及同心圆活动导流墙式环流反应器未能完全达到国家城镇污水处理厂一级B排放标准(GB18918-2002)的问题。与同心圆活动导流墙式环流反应器相比，该技术推流流态容积利用率从8％增加到14％，混合区中死区占有率从6％降低到1％，并在缺氧区与好氧区具有足够的停留时间，进而提高可调节自流分流式环型氧化沟的生物脱氮除磷效果。

2、通过设置可调节自流分流墙，可方便地调节和控制进入好氧区和缺氧区的回流量，并且对其长度和可调节的角度进行了更优化的设计，既消除原有OCO氧化沟内机械搅拌分流器的不断搅拌给氧化沟带来剧烈的紊动，也克服了后来的可调节分流墙长度和角度设置的不足，使沟内水流具有更平面环流推流特征。这一技术既能省去机械搅拌分流器持续的动力能耗，又能使得可调节自流分流式环型氧化沟具有先进的反应器流态特点。同时，与同心圆活动导流墙式环流反应器相比，该氧化沟的可调节自流分流墙的转动角度更大。根据脱氮除磷机理，氧化沟内的缺氧区主要承担脱氮功能，好氧区主要承担吸磷及硝化功能。通过可调节自流分流墙的最新设置，可以根据进水中氮、磷浓度的变化，灵活调节调节进入缺氧区与好氧区回流量，从而使得该技术在进水水质氮、磷浓度波动幅度较大时具有较高的脱氮除磷的效果，这与我国各地区经济发展水平的不平衡性导致城市生活污水差异性较大的现状具有很高的匹配性。

3、表1是可调节自流分流式环型氧化沟(246°弧型结构)、OCO氧化沟、同心圆活动导流墙式环流反应器(240°弧型结构)推流流态容积占有率以及死区占有率的比较。为便于比较可调节自流分流式环型氧化沟(246°弧型结构)中弧度值对于推流流态容积占有率以及死区占有率的影响，表1中列出了248°弧型结构(表中以氧化沟(248°弧型结构)表示)时的推流流态容积占有率以及死区占有率。从表1可以明显看出与OCO氧化沟以及同心圆活动导流墙式环流反应器相比，可调节自流分流式环型氧化沟工艺的容积占有率有大幅度的提高，死区占有率明显减少。结合反应器技术理论可知，可调节自流分流式环型氧化沟(246°弧型结构)内单层推流特征得到强化，兼有推流和完全混合的复合流态特征更加明显。而当弧型结构增加到248°时，推流流态容积占有率以及死区占有率变化不大。因此，从流态角度而言，可调节自流分流式环型氧化沟中的弧型结构从246°再进一步增加，没有应用意义。

表1可调节自流分流式环型氧化沟、氧化沟(248°弧型结构)、同心圆活动导流墙式环流反应器与OCO氧化沟推流流态容积占有率比较

4、表2为OCO氧化沟工艺、同心圆活动导流墙式环流反应器与可调节自流分流式环型氧化沟工艺脱氮除磷效果的比较，为便于比较可调节自流分流式环型氧化沟(246°弧型结构)中弧度值对于处理效果的影响，表2中列出了248°弧型结构(表中以氧化沟(248°弧型结构)表示)时的处理效果。从表2可以明显看出，与OCO氧化沟以及同心圆活动导流墙式环流反应器相比，可调节自流分流式环型氧化沟工艺具有更高的处理效率。而当弧度增加到248°时，去除效果并没有进一步增加，反而稍有减少。这主要是弧度进一步增加导致混合区容积进一步减少，使得好氧区、缺氧区出水混合不充分，从而使进入好氧区与缺氧区的回流量受到了一定的限制。由此可见，246°弧型结构可以确保氧化沟单层推流特征得到强化，同时又不影响进入好氧区与缺氧区的回流量的分配，从而使得可调节自流分流式环型氧化沟处理效果完全达到国家排放标准。

表2可调节自流分流式环型氧化沟、氧化沟(248°弧型结构)、同心圆活动导流墙式环流反应器与OCO氧化沟处理效果比较

附图说明

图1是现有OCO氧化沟的立体结构图；

图2是现有OCO氧化沟工艺流程图；

图3是可调节自流分流式环型氧化沟的立体结构图；

图4是可调节自流分流式环型氧化沟工艺流程图；

具体实施方式

参见图3与图4，可调节自流分流式环型氧化沟工艺由厌氧区21、缺氧区22和好氧区23三部分组成。中间缺氧区的C型圆弧隔墙24的弧度为246°(如图3与图4所示)。结合图1与图2可见，与OCO氧化沟的中间C隔墙14相比，增加了66度，该弧度也比同心圆活动导流墙式环流反应器的相应弧度要大。参见图3与图4，在可调节自流分流式环型氧化沟缺氧区的C型圆弧隔墙24的起端设置可调节自流分流墙25，该分流墙伸入混合区26的长度为0.41R(R为氧化沟最外部环型的半径)，其绕C型圆弧隔墙24的起始端点旋转的角度为其中α为缺氧区隔墙的起始端点与圆心的连线和可调节自流分流墙的夹角，α大小根据不同水质以及不同的处理要求进行调节和设置，这种设置使得可调节自流分流墙的灵活性和适应性均要强于同心圆活动导流墙式环流反应器的导流墙的设置。而原来的OCO氧化沟上是没有这样的可调节自流分流墙的，见图2。图3和图4中27是微孔曝气器。

上述发明技术使OCO氧化沟和可调节自流分流环型氧化沟在流态特征上具有明显的差异。结合图2和图4可知，在OCO氧化沟(图2)中由于混合区容积较大，反应器推流流态的容积利用率低。这也为缺氧区始端回流量的稳定调节增加了难度。再加之机械搅拌分流器的设置使得混合区、缺氧区及好氧区的起始段紊动剧烈。而可调节自流分流环型氧化沟(图4)在反应器中由于可调节自流分流墙的设置以及中间隔墙弧度增加了66°，沟内水流环流推流流态的容积增加，单程推流路径得到延长，同时使得混合区容积与死区占有率减小，扰动程度随之减小，该氧化沟获得较为理想的推流流态的容积占有率。另外，导流墙的设置使得该氧化沟中从缺氧区始端进入好氧区和缺氧区的回流量调节变得简易可靠且稳定。

在实际应用中，可调节自流分流环型氧化沟的运行参数如下：

1、该氧化沟的厌氧区、缺氧区与好氧区(以圆环容积计)的容积比约为0.2∶0.7∶1，中间未封闭环型结构的弧度为246°。

2、污泥回流比52％～60％，可调节自流分流墙伸入混合区的长度为0.41R(R为氧化沟外部的O形的半径)，其绕中间隔墙的起始端点旋转的角度为

其中α大小根据不同水质以及不同的处理要求进行设置调节。

3、可调节自流分流环型氧化沟系统总水力停留时间9.5h，污泥龄19～21天，好氧反应器中部DO浓度为2.0mg/L。COD污泥负荷为0.35kgCOD/kgMLSS·d。

Claims (3)

1、可调节自流分流式环型氧化沟，它由内外两个同心圆隔墙和中间一段同心的C型圆弧隔墙组成，内部为O型厌氧区，外部为O型好氧区，中间为C型缺氧区，C型缺口与外部的O型好氧区交汇的区域为混合区；其特征在于：形成缺氧区的C型圆弧隔墙的弧度为246°。

2、根据权利要求1所述的可调节自流分流式环型氧化沟，其特征在于：在C型圆弧隔墙的起端采用转轴连接方式设置有可调节式自流分流墙，可调节分流墙其伸入混合区的长度为0.41R，R为外部好氧区的同心圆隔墙的半径。

3、根据权利要求1或2所述的可调节自流分流式环型氧化沟，其特征在于：可调节分流墙绕缺氧区的C型圆弧隔墙的起始端点可调节的角度为α＝10°～107°，α为C型圆弧隔墙的起始端点与圆心的连线和可调节分流墙的夹角。

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