1、引言

氧化溝工藝是活性污泥法處理污水的一種變形方式，它的優點是工藝流程短、凈化效率高、運行方式靈活、操作便捷、維護費用低等，應用前景十分廣闊。目前應用較為廣泛的氧化溝類型有Carrousel氧化溝、Orbal氧化溝和一體式氧化溝等。普通氧化溝一般由溝體、曝氣裝置、進出水裝置、混合和導流設備組成。其中，曝氣裝置是決定氧化溝運行效率的重要部分。隨著氧化溝處理工藝對曝氣設備的要求越來越高，以及能源的日趨緊張，新型高效低能曝氣設備的研究已經成為推動氧化溝處理技術發展和節能降耗的重要內容。國內外的實踐表明，新型曝氣設備的出現將意味著新一代氧化溝工藝的誕生。近幾年來，遼寧社會經濟不斷發展，城鎮污水處理率逐年提高，截止到2016年底，遼寧省可檢測范圍內共有污水處理廠128座，較發達地區的鄉鎮已基本實現生活污水處理廠全覆蓋。與日處理能力幾萬噸乃至十幾萬噸的縣級、市級污水處理廠相比，鄉鎮生活污水處理廠的設計處理能力在1萬t左右，相對規模較小，全省城鎮污水集中處理率為84％。城鎮污水處理工藝的不斷改進，對提升城鎮污水處理率有著巨大的現實意義。

縱軸曝氣氧化溝是在導管式氧化溝的基礎上進行改良，增加氧化溝溝體的有效深度，延長空氣在水中的停留時間。縱軸曝氣裝置是安裝在氧化溝上部的機械式曝氣攪拌裝置，整套裝置的葉輪旋轉產生向下的推力，切斷鼓風機產生的氣泡，并將其推動到氧化溝溝體底部，氣泡在溝體底部破裂，這種方式增加了空氣與活性污泥的接觸面積，提高氧溶解量。縱軸曝氣氧化溝內的混合液都必須通過縱軸曝氣裝置，所以曝氣裝置可以持續為混合液提供氧氣，混合液在流動的過程中不易形成短路，保證氧化溝持續高效運行。本文介紹了縱軸曝氣氧化溝的設備結構、工作原理、技術優勢以及在城鎮污水處理中的應用，為城鎮污水處理技術提供新的理論支持。

2、縱軸曝氣氧化溝結構

縱軸曝氣氧化溝是在導管式氧化溝的基礎上進行改良，使充氧效率提高的設備，其改良的主要部位是氧化溝的曝氣裝置。導管式曝氣設備是20世紀80年代初由美國推出的污水處理新工藝技術，它以導管式曝氣器替代轉刷，1980年美國環境保護局（EPA）把它作為一種高效、節能的新技術予以介紹。

縱軸曝氣器主要由驅動裝置、減速機、軸承、葉輪和散氣管等組成（圖1），是將導管式曝氣器的出口導管進行改造，將下部導管拆除，將曝氣器置于氧化溝水深方向中下部，曝氣器下方設置擋流墻，氣泵產生的空氣經葉輪高速旋轉切割后形成細小氣泡，最終破碎溶解到氧化溝水體中。因為擋流墻的設置，氧化溝內水體全部只能經過曝氣器直接流入下游溝體中，導流擋板可以有效防止淤泥堆積的問題出現。相比于其他曝氣裝置，縱軸曝氣氧化溝提供空氣的位置比較淺，可以選擇小型鼓風機，系統耗能相對較少。

3、技術優勢

3．1 縱軸曝氣氧化溝特點

縱軸曝氣氧化溝采用縱軸曝氣裝置替代傳統的表面攪拌型曝氣裝置，不僅彌補了氧化溝一直以來公認的缺點，而且還有傳統氧化溝不具備的諸多優點。

（1）供氧量和流速可以分別獨立控制。驅動裝置控制葉輪的轉速，葉輪轉動速度決定氧化溝內水流速度，供氧量通過控制氣泵來進行調節。縱軸曝氣氧化溝曝氣和轉動獨立運行，有利于對運行狀態的精準控制，有利于提高氧化溝運行效率。當原水的流量不變，而有機物濃度變小時，可以控制水流速度不變，從而減少曝氣量，這樣就可以減少因為過度曝氣而造成的能量損失。

（2）可以加深氧化溝深度。氧化溝內混合液通過縱軸曝氣裝置從氧化溝底部流出，只要滿足水溝截面面積的送水量，即使水的深度很深，也可以確保溝體底部的流速，使全部混合液得到循環。如果加深氧化溝的深度，可以減少氧化溝的占地面積。

（3）良好的脫氮能力。縱軸曝氣氧化溝的曝氣裝置只有一處，運行時更容易形成溶解氧梯度。如果氧化溝的長度允許，硝化反應和反硝化反應會更加理想，可以得到較高的脫氮率。反硝化反應時消耗水中的BOD，當BOD/N為3左右時，無需為脫氮補充碳源。反硝化反應也可以去除一部分BOD，比起好氧處理去除BOD，其不需要曝氣，因此能達到節能效果。氧化溝脫氮示意見圖1。

（4）氧化溝運行時可對溝體進行覆蓋。在冬季運行時可對氧化溝加蓋，避免溝體與外界空氣直接接觸，在寒冷地區也能充分發揮功能。另外，加蓋處理后，在氧化溝運行時，不會產生飛沫、水聲和臭氣等二次污染問題。

3．2 常見曝氣器

3.2.1 轉刷曝氣器

轉刷曝氣器是第一個真正意義上的氧化溝污水處理廠采用的曝氣設備，它起到曝氣充氧、混合推流的雙重作用，可以有效防止氧化溝內活性污泥沉淀，并且有利于微生物的生長。轉刷曝氣器由電機、螺旋圓錐—圓柱齒輪減速器、刷片、主軸、軸承座和潤滑及控制系統組成。轉刷曝氣器在運行時，主軸在電機的帶動下，以一定的速度旋轉，刷片在隨主軸旋轉的過程中，將空氣中的氧不斷充入水中。另外，氧化溝內的污水通過轉刷的運轉在溝體內循環流動，使有機物、氧氣和微生物充分混合，從而達到混合和充氧的目的。

轉刷曝氣器在實際運行過程中，噪聲振動大，主軸兩端的運動構建相互摩擦，減速器輸出端的齒輪易損壞，導致軸承咬死，影響正常工作。轉刷曝氣器的整體跨度較大，混凝土安裝時基面的誤差會相對變大，在施工過程中，難以保證立體空間內的同心同軸，在動態的裝置運行時變形就更會變大，裝置易發生故障，影響設備正常運行。

3.2.2 盤式曝氣器

曝氣轉盤是Orbal氧化溝的專用曝氣裝置，它起著充氧、混合、推動水流循環流動和防止活性污泥沉淀等作用。曝氣轉盤上有曝氣孔，可以使空氣分散到混合液中以達到充氧目的。中心軸一般為碳鋼實心軸體，轉盤設計成兩個半圓斷面，以半法蘭與軸連接，轉速通常在43~55r/min，浸沒深度為0．23~0．53m。盤式曝氣器與其他同類曝氣設備相比，它的工作水深更大，混合能力強，并且結構相對簡單，具有組裝靈活、安裝維修方便等特點。

在處理污水時，曝氣轉盤日夜不停長期連續運轉，因此其質量是影響全套氧化溝處理設備效果和使用壽命的決定性因素。轉盤曝氣器相較于其他新型曝氣器而言，其曝氣阻力損失大，需要鼓風機的功率較高，提升了污水處理廠的運行成本。另外，盤式曝氣器自閉性能差，在系統停止曝氣時，會使污水回流至曝氣器，造成氣流不暢通甚至管道堵塞。盤式曝氣器安裝和拆卸較為繁瑣，更換曝氣器時需要投入更多的人力和時間，直接影響運行和維護成本。

3.2.3 微孔曝氣器

微孔曝氣器是通過膜片或多孔材料的微孔釋放壓縮空氣，從而產生微氣泡，具有較高的氧轉移效率。在實際氧化溝工藝運行操作中，機械曝氣設備起到充氧和推流的作用，很難分別控制充氧量和流速。尤其是對脫氮除磷的要求較高時，需要氧化溝內保持一定容積的厭氧段，但是機械曝氣設備為了防止溝體內活性污泥的沉積而需要一定的流速，這樣容易引起充氧過量，因而不能達到理想的脫氮除磷效果。與此相比，微孔曝氣器和潛水推流設備的組合方式可以很好地避免這種情況發生，因為充氧和攪拌由兩個完全獨立的設備進行，能夠更加簡單高效地進行操作。微孔曝氣器由于其具有氧轉移效率和理論動力效率較高、能耗較低的特點已被廣泛地應用于污水生物處理工程中。微孔曝氣器的缺點是氣壓損失較大，曝氣微孔由于雜物、懸浮物和污泥沉積都會引起堵塞，造成阻力增大，影響曝氣充氧效果，所以進入的壓縮空氣必須要預先經過過濾處理。

3.2.4 射流曝氣器

射流曝氣器是將氣流或氣—液混合流導入曝氣池，以增加液體中氧含量的裝置。它既不是氣泡擴散裝置，也不是機械曝氣設備，而是介于這兩者之間的一種曝氣設備，利用水力剪切和氣泡擴散共同作用來達到曝氣和混合的目的。射流曝氣器結構簡單，便于調節，運轉靈活，有較高的充氧能力和混合攪拌能力。

射流曝氣器最早于1947年在美國被應用到處理污水的曝氣設備中，我國對射流曝氣器處理污水的試驗研究工作始于1973年。根據供氣方式的不同，射流曝氣器可以分為壓力供氣和自吸供氣。壓力供氣的特點是空氣由鼓風機提供，空氣量的控制比較方便，可以根據實際的工程需要安裝在曝氣池的不同位置，但是其不足之處在于射流器一般浸沒在水中，安裝與維修不方便。自吸供氣是由射流器噴嘴噴出的高速射流，使吸氣室形成負壓，將空氣吸入，其特點是不需要鼓風設備。

4、應用現狀

縱軸曝氣氧化溝已經被引進到遼寧省開原市老城街道氧化溝污水處理廠中。開原市位于遼寧省鐵嶺市，該地區的冬季水溫較低，有必要防止污水處理裝置因為溫度降低而引起處理效率下降的問題。傳統氧化溝為解決這一問題，需要額外安裝更多的曝氣裝置，其缺點之一是因為過度攪拌水面，溝體內水溫不可避免地會有所下降。另外，安裝了多臺曝氣裝置，操作運行更為復雜，操作人員需要具備更加豐富的專業知識，而且整個污水處理廠的耗電量會有所升高，處理成本加大，不利于節約運行費用。

采用縱軸曝氣裝置的氧化溝，曝氣裝置不會攪拌水面，并且只設立一臺裝置，因此不存在因攪拌水面而引起的水泡飛散和臭氣飄散的問題。在冬季溫度較低時，還可以進行加蓋封閉，確保氧化溝不會因為低溫而導致處理效率下降。縱軸曝氣氧化溝在運行過程中保證了污水和空氣的有效接觸，處理污水高效穩定，直至今日，該裝置已有多項應用業績。（來源：遼寧省環境科學研究院）