导管式氧化沟的特点与设计

出　　自： 《中国给水排水》 1987年第6期第42页
发表时间： 1992-4

杭世珺

( 天津市市政工程勘测设计院)

导管式氧化沟是美国八十年代开发的一种高效和节能的水处理新技术，它以导管式曝气器(简称DTA:Draft Tube Aerator)代替传统的转刷，从而克服了传统氧化沟的一系列缺点，是一种新型的氧化沟。1980年美国环境保护局(E PA)把它作为新技术对外介绍。1983 年日本建设省正式承认它为优秀的新技术，并鼓励在日本推广使用。
1. 导管式氧化沟的构造(见图1)

(1) 在渠道某处设置阻流墙。
(2) 阻流墙上、下游两侧用导管连通。
(3) 在上游导管内安装DTA装置。
(4) 必要时可在渠道转弯处设置导流墙。
2. 导管式氧化沟系统的组成
氧化沟系统采用一般的前处理方法，如格栅、沉砂池，去除污水中大块的固体物质，就可满足要求。氧化沟本身兼起调节池的作用。不必设置初次沉淀池，原污水和回流污泥从厌氧区一带进入。处理水一般从好氧区排出。
(1) 氧化沟渠道的长度与形状
氧化沟渠道的形状无特殊要求。氧化沟渠道的长度对脱氮效率有一定影响，渠道越长，脱氮效率越高。
(2) 渠道的断面形状
由于DTA装置基本不受渠道水力半径大小的影响，所以渠道断面形状及其尺寸可任意选择，常用的有矩形(混凝土)和梯形(明渠)两种。
(3) 氧化沟与沉淀池的关系
1)整体式
氧化沟与沉淀池组成一个整体，污泥从沉淀池底部自动回流入氧化沟，不必设置污泥泵(见图2)。
2) 独立式
氧化沟与沉淀池分开成为两个独立单元。这种形式有利于氧化沟的形状和运转的多样化
3. 导管式氧化沟的特点

(1) 渠道内的流速和供氧量可分别进行独立控制。以改变叶轮转速来调节流速；以调节空气量来控制供氧量(见图3)。

(2) 可在不同水深下正常运转。无论在小水量低水位下，或在大水量高水位下都能保证正常运转。随进水量的变化，渠道内的水深可自动调节，使得沉淀池的水力负荷总维持在一定的范围内，从而保证了稳定良好的出水水质(见图4)。

(3) 可采用较大的渠道水深。因水流系由渠道底部压出，其流速较大，即使加大渠道水深，仍然能保证全部混合液循环流动，且不会在渠道底部发生沉淀现象。加大水深可以减少占地面积，从而可用于大型处理厂的场合(见图5)。

(4) 属节能型的处理技术。DTA进口处的溶解氧为零(DO=0 mg/L，而下部导管在一定水压下具有较高的溶解氧饱和浓度，从而大大提高氧的转移效率。另外，因为流速与供氧量可独立控制，所以不会浪费动力(见图6)。

(5) 脱氮效果好。由于集中在一处供氧，可造成一定的溶解氧浓度梯度，使渠道明确地分成好氧区和厌氧区两部分。当渠道长达200m 左右时，硝化与脱氮的反应激烈，脱氮效率高。另外，由于以原污水中的BOD作为脱氮反应时的碳源，大大减少去除BOD所需的氧量，节省能源(见图7)。
(6) 无需调节pH值。硝化反应时所消耗碱度的一半，可在脱氮反应时再生。因脱氮反应快速进行，防止了pH值的下降。
(7) 供氧均匀。因为渠道内没有阻流墙，使得全部混合液都要通过DTA，所以供氧均匀出水水质稳定(见图8)。
(8) 防止氧化沟内水温下降。传统的表面搅拌曝气器直接与大气接触，容易受季节气温的影响，在冬季因水温下降而影响处理效果。采用DTA可避免上述缺点，即使在寒冷地区也能充分发挥其处理功能。


(9) 没有二次污染。本法可克服传统曝气器产生的水花飞溅、噪音和臭气等现象，对环境和管理人员无不良影响。
(10) DTA管理容易。只需维护DTA的减速器和电动机。水下部分一般无需管理。需要维修时可非常简单地把其提升出水面。
(11) 可进行多种方式的运转。在保证流速和搅拌状态的前提下，可进行间歇运转，也可进行连续运转。供氧量可通过渠内的溶解氧测定仪进行自动调节。
(12) 渠道形状不受DTA的限制。渠道的形状(渠道的布置形式，渠道宽度、长度和水深等)可根据生物处理原理及占地面积来决定。
4. 导管式氧化沟的设计
(1) DTA标准机种(见表1和图9)
DTA标准机种一览表 表1

DTA系由DTA本体和空压机组成。一条渠道上所需DTA台数可根据污水流量和运转方式决定。根据每台DTA的过水断面积(H×B)和设计流速，查图-10选定DTA本体机种。


[例]
渠道断面积=10m 2
DTA台数=2台
渠道流速=25以上(C m/s)
每台DTA的渠道断面积为10/2=5 m 2
查图得机种为1000-1型。
(2) 计算所需空气量
由于曝气器的供氧量在不同水质(清水和污水)和运转条件(水温、压力、渠道形状等)下不同。因此曝气器的供氧能力一般以标准状态(20℃、1个大气压、槽内DO=0 mg/L，α=β=1)下氧在清水中的溶解量来表示，称为标准氧率，记为SOR(Standard Qxygen Rate:kgO2/h)。在实际处理厂中，必须满足处理条件下污水所需氧量，称为实际氧率，记为AOR(Actual Oxygen Rate:kgO2/h)。
AOR为实际处理过程中所需要的氧量，计算时应先把AOR换算成为SOR，然后再计算所需空气量。
一般情况下，AOR<SOR(SOR/AOR >1)，例AOR为10kgO2/h时，SOR应为12或15 kgO 2 /h。
AOR、SOR与空气量的关系可表示如下:

式中:η-溶解效率(%)，其值可按表2选用。

换算式:

式中: T-水温(℃)；
α—KLa(污水)/K La(清水)比值；
β-C s (污水)/C，(清水)比值；
θ-K L a (20) 时的温度修正系数(θ=1.024)；
C-DTA入口处的溶解氧浓度；
C s(20) —在20℃、1大气压下，清水中的溶解氧饱和浓度(C s(20) =8.84 m g/L)；
C s(T) -在T℃、1大气压下，清水中的溶解氧饱和浓度；
M s -在C s(20) 时，下部导管水深与氧分压下降(以SOR计)的修正系数；
M A —在C s(T) 时，下部导管水深与氧分压下降(以AOR计)的修正系数。
在设计时，无论AOR值多少，应力求SOR 值最小。为此应考虑(1)α、β→1；(2)C=0；(3)尽量提高C，值。本设计已考虑了上述因素，得到(SOR)=1.15(AOR)，其条件为:T=5℃、α=0.93、β=0.97、SRT=20d以上、C=0(mg/L)。

(3) 换算式中各个参数值的决定
1)α、β值
SRT与α、β值之间的关系如图11所示。

下式近似表示SRT与F/M之间的关系(图12)

式中: a—污泥转换率，即去除1 kgBOD产生的污泥量，a=0.5或0.7；
b—污泥自身氧化率(1/d)，b=0.04 ~0.1。
由于氧化沟中的F/M值很小，当SRT设计为数十日时，α与β值就接近于1，
2) C值
在导管式氧化沟设计中，应尽量使DTA入口处的DO=0(mg/L)。因为DO值的大小直接影响了SOR值。
3) M s 、M A值
由于水深和气泡中氧分压的变化，所以必须对溶解氧饱和浓度进行修正。

式中: C sx -水面附近的溶解氧饱和浓度(mg/L)；
C sx -渠底附近的溶解氧饱和浓度(m g/L)；
C，—在一大气压、氧分压为21%的溶解氧饱和浓度(m g/L)
Z-水深(m)
P-大气压
η—溶解效率(小数)。
以C sx 、C sy 的对数平均值表示总体的溶解氧饱和浓度。

对于SOR，M值表示为M，；对于AOR，M值表示为M A 。在20℃、大气压、清水条件下，MA=M s 。

四、DTA的安装

1.曝气器的最小水深(见图13、表3)

当渠内水源较浅时，在DTA处可局部加深，见图14。其中坡角α值可与生产厂家商定。

2. 平面布置
图15所示为平面布置最小尺寸。

当渠道宽度W较狭时，在曝气器安装处可局部放宽，见图16。