氧化沟(oxidationdictch,OD)污水处理工艺是由荷兰卫生工程研究所(TNO),在20世纪50年代研制成功的。第1家氧化沟污水处理厂于1954年在荷兰的Voorshoper投入使用,设计者为该所的Pasveer博士,服务人口仅为360人。它将曝气、沉淀和污泥稳定等处理过程集于一体,间歇运行,BOD5去除率高达97%,管理方便,运行稳定。由于Pasveer博士的特殊贡献,这项技术又被称为Pasveer沟。
氧化沟是活性污泥法的一种改型,其曝气池呈封闭的沟渠型,污水和活性污泥的混合液在其中进行不断的循环流动,因此又被称为“环形曝气池”、“无终端的曝气系统”。氧化沟通常在延时曝气条件下进行污水处理,这时水力停留时间长(10～40h)、有机负荷低〔0.050.15kgBOD5/(kgVSS·d)〕。
最初,Pasveer沟的充氧、推进和搅动由Kessenser转刷曝气设备来完成。受其限制,氧化沟设计的有效水深一般小于1.5m。随着氧化沟技术的应用,过浅的池深造成氧化沟占面积大的缺点,越来越突出。
1967年,Lecompt和Mandt首次提出将水下曝气和推动系统用于氧化沟,发明了射流曝气氧化沟(JAC),池深可达7～8m。
1968年,DHV有限公司的荷兰工程师们将立式低速表曝机应用于氧化沟。该设备被安装在中心挡板的末端,利用表曝机产生的径流为动力,推动氧化沟内液体的流动。这一工艺后来被称为Carrousel氧化沟,Carrousel氧化沟的沟深大于4.5m。
1970年,Huisman又在南非开发了使用转盘曝气机的Orbal氧化沟,不过在此期间,生产应用最多的还是转刷曝气氧化沟。研究人员也从没放弃对转刷曝气机的深入开发,VonderEmde于1971年首次详细报道了,将Mammoth转刷应用于氧化沟工艺,转刷直径为1000mm,氧化沟允许水深3～3.6m,充氧能力有较大提高。
20世纪80年代,美国还开发了导管式氧化沟,以导管式曝气器代替传统的曝气转刷,是一种高效的污水处理新技术。
20世纪60年代以来,氧化沟技术在欧洲、北美、南非、大洋洲等地得到了迅速的推广和应用。据统计,丹麦已兴建了300多座氧化沟污水处理厂,占全国污水处理厂的40%,美国有500多座氧化沟污水处理厂,英国也兴建了300多座这样的污水处理厂。
氧化沟技术的发展不仅体现在数量上,也体现在处理厂规模的扩大和处理对象的不断增加。氧化沟的处理能力为500～1000万人口当量,既能用于生活污水的处理,也能用于工业废水和城市污水的处理。经过30多年的实践和发展,氧化沟技术被认为是出水水质好、运行可靠、基建投资费用和运转费用低的污水生物处理方法,特别是其封闭循环式的池型尤其适用于污水的脱氮、除磷。美国环境保护署的报告指出:“氧化沟能够通过最低限度的操作,稳定地达到BOD5和TSS的去除率要求。另外,成本数据表明,在379～37850m3/d的流量范围内,氧化沟处理技术与其他技术相比,在经济上具有竞争力。”目前,此项技术已被广泛地用于城市污水及石油废水、化工废水、造纸废水、印染废水、食品加工废水等工业废水的处理中。
近年来,美国联合工业公司(UnitedIndustries,Inc.)在总结众多氧化沟工艺技术及深入研究的基础上,开发了船形沟内澄清池(boatintra-channelclarifier,BICC)的新型氧化沟工艺。这种工艺在美国及其他国家获得了专利。在不长的时间里,由于此工艺具有许多优良特性而得到快速的推广应用,目前已有120多座这种氧化沟工艺在运行之中。
我国从20世纪80年代以来,也较多地开展了对氧化沟工艺的研究,并设计建造了一批氧化沟污水处理厂。
最值得一提的是我国著名水处理专家钱易院士,在氧化沟方面作了非常深入的研究和相当多的报道。另外钱望新等利用葡萄糖及硫酸铵、亚磷酸铵配制成的COD和BOD5浓度分别为390mg/L、250mg/L的污水,对合建式氧化沟模型进行了试验,研究表明:通过合理的设计及在适宜的水力条件下,合建式氧化沟完全可以使泥水分离、沉淀污泥自动回流。沉淀区底部适当倾斜(倾斜度<5%)后,可维持良好的污泥回流效果,沉淀区应设置在紊动程度较小的区域,长宽比宜小于4。重庆建筑大学邓荣森等应用侧渠式氧化沟与厌氧处理方法相结合,对高浓度有机废水(屠宰)处理的研究表明:组合式氧化沟处理高浓度有机废水是完全可行的,厌氧组合有助于提高出水水质,侧渠合建能实现无泵污泥自动回流。清华大学陈吕军等对氧化沟水平轴曝气机性能指标进行了研究,并给出了这些指标的测定方法;周律等在邯郸市东污水处理厂的运行经验基础上,对三沟式氧化沟处理城市污水的效应及其设计方法进行了研究。羊寿生也对转刷型及三沟式氧化沟的设计进行了论述。目前,我国的水污染控制还处于相对落后的状态,经济力量也相对薄弱,因此亟待研究和推广应用高效、低耗而且运转可靠的污水处理工艺。为此,开展氧化沟工艺的研究,并促进其在我国的应用,是不可忽视的。
1 制革废水处理工艺的选择
由于不同的制革工段排放的废水水质有很大差别,为降低水处理难度,加强有用物质(例如铬和油脂)的回收利用,制革废水一般是进行分质处理(即一级处理),它包括物理处理和化学处理2方面。一般的物理处理包括过滤、重力沉降和气浮等方法,而化学处理则包括絮凝、化学沉淀等。然后再进行综合处理(即二级处理),主要是生物法处理。因废水中所含污染成分不同,制革废水的分质处理方法各异。例如,铬鞣废水处理常采用沉淀回收法、直接循环回用法、萃取法处理;油脂废水常采用气浮法处理;含硫脱毛废水处理一般用化学混凝法、加酸吸收法、沉淀法、催化氧化法。
综合废水常采用的处理方法有:沉淀法、混凝气浮法、活性污泥法、生物接触氧化法、生物转盘法、氧化沟等。具体选用什么方法,要与物化处理联系起来进行选择。选用高有机物负荷的生化处理方法(如活性污泥法、接触氧化法、A/O法等),一定要考虑调节、沉淀、气浮、脱硫等几个物化处理环节,尽可能减轻生化处理负荷。而选用低有机负荷的生化处理方法(如氧化沟、SBR法等),物化处理只需考虑沉淀和脱硫。因为低有机负荷的生化处理方法耐冲击能力较强,这些方法也正适合制革行业污水的特点。随着国内对脱氮、除磷要求的日益提高,低有机负荷生化处理的方法日渐流行,应用成功的工程也较多。对于小水量的生化处理方法,推荐使用A/O法或SBR法,大水量的生化处理方法,推荐使用氧化沟法。
制革废水处理工艺的选择要考虑是新建厂(1998年1月1日以后建)、还是老厂(1997年12月31日以前建),是大厂、还是小厂,以及制革工艺流程,制革厂周围的综合环境。物化法和生化法可以单独使用,也可结合起来使用,常常是物化法和生化法串联,才能取得较好的处理效果。
对于大中型制革厂,应尽量利用前处理回收有用物质。一则能产生经济效益;二则可以减少对混合废水处理系统的压力。废水的综合处理,前面应设调节池,调解池的调解时间应以侧重安全、保证处理系统的正常运行为原则,后续处理构筑物主要采用物化和生化相结合的方法进行深化处理。对于小型制革厂,由于废水量小,可以采用间隙式物化处理技术,在同一反应器中,一次性地充满废水后,在不同的时间段内进行催化氧化、混凝沉淀、混凝气浮等,也可采用间歇式活性污泥、氧化沟、生物滤池法等生物处理方法。
2 几种生物法处理制革废水的比较
为了降低处理成本,减少污水处理投资,目前制革废水的二级处理主要以生物好氧处理,即活性污泥处理法为主,进行各种处理方法的工艺组合。而制革废水的生物厌氧处理正处于研究阶段,实际应用并不多。
2.1 活性污泥法
2.1.1 曝气工艺
曝气在废水好氧生化处理系统中是最重要、运转费用最高的工艺环节。由于曝气充氧电耗一般占总动力消耗的60%～70%,同时曝气设备所供氧量的利用率只有百分之几,大部分被浪费掉,因而目前的好氧曝气工艺普遍存在效率低、能耗高、运转费用高的问题,导致许多污水厂无法维持其正常运转。因此,高效节能型曝气技术的研究,成为当前污水生物处理技术领域面临的最重要课题之一。另外,此法运行管理复杂,微生物活动易受干扰破坏,如活性污泥易受毒物、高负荷冲击的影响,可能产生污泥膨胀(采用推流式能防止污泥膨胀)及脱色、脱氮效果差的问题。
2.1.2 氧化沟工艺
由于其整个工艺的构筑物简单,运行管理方便且处理效果稳定,所以氧化沟工艺越来越为污水处理工程所采用。
氧化沟污水处理技术作为一种革新的活性污泥工艺,与其他生物处理工艺相比,有以下一些技术、经济方面的特点:
(1)工艺流程简单,构筑物少,运行管理方便
氧化沟可不设初沉池,因为其水力停留时间和污泥龄比一般的生物处理法长得多,悬浮状有机物可以在曝气中与溶解性有机物同时得到较彻底的降解,其次简化了剩余污泥的后处理工艺,剩余污泥少,不需要进行厌氧消化处理,省去了污泥消化池,还可将二沉池与曝气池合建,省去了二沉池和污泥回流系统,从而使处理流程更为简单。处理流程的简化可节省基建费用,减少占地面积,并便于运行和管理。
(2)曝气设备和构造形式的多样化、运行灵活氧化沟技术的发展与高效曝气设备的发展是密切相关的,氧化沟具有不同的构造形式和运行方式,可以呈圆形、椭圆形和马蹄形等,也可以是单沟或多沟系统,多沟系统可以是一组同心的互相连通的沟渠(如Orbal氧化沟),也可以是互相平行、尺寸相同的一组沟渠(如三沟式氧化沟)。多种多样的构造形式赋予了氧化沟灵活的运行方式,使它能结合其他的工艺单元,满足不同的出水水质要求。
(3)处理效果稳定、出水水质好,并可以实现脱氮
试验研究和生产实践均表明:氧化沟在去除BOD5和SS方面,均取得了比传统活性污泥法更好的出水水质,运行也更加稳定、可靠,基建投资省、运行费用低。
此外,在出水有氨氮指标要求时,一般不需要增加很多投资和运行费用,而其他方法则不同,由此更显示出氧化沟的优越性。
美国EPA对不同的生物处理工艺的基建和运行费用的分析比较后得出结论:氧化沟比其他生物处理工艺更为经济有效且运行灵活,尤其在下列情况下应用,更能显示出其优越性。当经济投资的来源十分有限时;当出水水质要求十分严格时;当要求进行脱氮处理时;当处理的进水水质、水量波动大时;当缺乏高水平的操作管理人员时。
(4)能承受水量、水质冲击负荷,对高浓度工业废水有很大的稀释能力
氧化沟因其水力停留时间和污泥龄较长、沟中水流不断循环等特点,对进水水量、水质的变化有较大的适应性,能承受冲击负荷而不致影响处理性能。当处理高浓度工业废水时,进水能得到很大程度的稀释,对活性污泥细菌的抑制作用得以减弱。
另处,氧化沟所采用的高效表面机械曝气机维修方便,可以在不中断运行的情况下,在平台上对设备直接维修,而不象鼓风曝气机那样,必须排空曝气池才能维修。
2.1.3 SBR工艺
SBR(间歇式活性污泥法)工艺运行灵活,可以间歇运行,停产长达3个月后,重新启动SBR池时,污泥活性可很快恢复,该工艺十分适用中、小型制革企业的废水处理。目前,国内将SBR工艺列为废水处理中的重要工艺进行研究和应用。但SBR工艺尚处于发展完善阶段,SBR的兴起不过十几年的时间,许多研究还属于刚刚起步阶段,在基础理论研究方面存在着很多疑问,在工程应用方面缺乏科学、可靠的设计模式及成熟的运行管理经验,而SBR自身的特点─间歇运行、自动化要求高,又增加了解决问题的难度和应用的局限性。
2.2 生物膜法
生物膜法是使微生物群体附着在固体填料的表面,形成一层生物膜,并让它与废水接触,使废水净化的方法。根据废水与生物膜接触形式,将生物膜反应器分为生物滤池、生物转盘和生物接触氧化等。此法一次性投资高,净化效果受温度的影响大。用于制革废水的生物膜法多是采用生物接触氧化并多与其他工艺如气浮、化学絮凝沉淀、SBR工艺等结合。具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
2.3 制革废水的厌氧水解酸化预处理
水解酸化工艺广泛地应用在废水生物处理工艺中。如低浓度生活废水采用的A/O法、A2/O法、SBR法、CAST法,其第1阶段均为水解酸化工艺。田刚红等2001年对水解酸化处理制革废水的工艺从理论上进行了研究,认为水解酸化应用于制革废水处理,能够提高制革废水的可生物降解性,能够解决废水处理过程中的泡沫问题,且产泥量少,为解决制革废水处理中产生大量污泥的问题,提供了一条途径。但水解酸化工艺要在制革废水中得到应用,必须解决水解酸化造成制革废水出水S2-浓度高,影响后续生物处理的问题。
不难看出,相对于其他生物处理工艺,采用氧化沟技术处理制革废水有很多优点,其处理效果好,COD和硫化物的去除率都很高。制革废水生物处理选用的系统必须能耐受冲击负荷、停电等意外,且操作管理必须简单、污泥量少。由于制革废水中含盐水平较高,抑制了微生物的活性和对有机物的降解速率,因此宜选用低负荷活性污泥法。而氧化沟工艺恰恰能满足以上要求,且造价少。在近几年日益强调降低污水处理成本、提高处理效率的情况下,氧化沟生物处理工艺在国内制革废水处理中得到广泛的应用。