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摘要
氧化溝工藝作為活性污泥法的重要變型，憑借其結(jié)構(gòu)簡單、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、污泥齡長等優(yōu)勢，成為城市污水與工業(yè)廢水處理的主流工藝之一。氧化溝潛水推進(jìn)器作為氧化溝系統(tǒng)的核心動(dòng)力設(shè)備，通過調(diào)控水流流態(tài)、維持混合液懸浮狀態(tài)、促進(jìn)污染物降解與污泥回流，直接影響污水處理效率與運(yùn)行穩(wěn)定性。本文從氧化溝工藝原理出發(fā)，系統(tǒng)分析潛水推進(jìn)器的功能機(jī)制、技術(shù)特點(diǎn)及其對污水處理效果的影響，并探討其選型優(yōu)化與智能化升級(jí)方向，為污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行提供理論支持。
引言
隨著城市化進(jìn)程加速與環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)提升，污水處理廠需在有限占地面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效、低耗的污染物去除。氧化溝工藝通過延時(shí)曝氣與循環(huán)流動(dòng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化(SND)、污泥減量化等目標(biāo)，但其運(yùn)行效果高度依賴水流流態(tài)的穩(wěn)定性。潛水推進(jìn)器作為氧化溝內(nèi)動(dòng)力來源，其性能直接影響混合液溶解氧分布、污泥懸浮狀態(tài)及污染物傳質(zhì)效率。研究潛水推進(jìn)器的關(guān)鍵作用，對優(yōu)化氧化溝工藝運(yùn)行、降低能耗與提升出水水質(zhì)具有重要意義。
1. 氧化溝工藝原理與潛水推進(jìn)器的功能定位
1.1 氧化溝工藝特點(diǎn)
氧化溝是一種環(huán)形或橢圓形的閉合式曝氣池，污水與活性污泥在溝內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，通過曝氣設(shè)備供氧并降解有機(jī)物。其核心優(yōu)勢包括：
長污泥齡（15 - 30d）：支持硝化菌與反硝化菌共生，實(shí)現(xiàn)同步脫氮；
低有機(jī)負(fù)荷（0.1 - 0.3kgBOD?/(kgMLSS·d)）：抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，出水水質(zhì)穩(wěn)定；
簡化流程：無需單獨(dú)設(shè)置二沉池與污泥回流泵(依賴混合液懸浮狀態(tài)實(shí)現(xiàn)內(nèi)回流)。
1.2 潛水推進(jìn)器的功能定位
潛水推進(jìn)器是氧化溝內(nèi)的“心臟”，其核心功能包括：
維持混合液循環(huán)流動(dòng)：驅(qū)動(dòng)污水與污泥形成連續(xù)環(huán)流，避免短流與死區(qū)；
促進(jìn)溶解氧（DO）均勻分布：通過調(diào)控水流速度與方向，優(yōu)化曝氣器周邊DO濃度；
保持污泥懸浮狀態(tài)：防止污泥沉降堆積，確保微生物與污染物充分接觸；
強(qiáng)化傳質(zhì)效率：推動(dòng)污水與活性污泥、溶解氧、營養(yǎng)物質(zhì)的混合，加速污染物降解。
2. 潛水推進(jìn)器的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)
2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適配氧化溝流態(tài)
氧化溝內(nèi)水流需同時(shí)滿足“循環(huán)流動(dòng)”與“局部擾動(dòng)”的雙重需求，潛水推進(jìn)器通常采用以下設(shè)計(jì)：
低轉(zhuǎn)速大直徑葉輪：轉(zhuǎn)速通常為30 - 100r/min，葉輪直徑可達(dá)1 - 3m，通過低剪切力推動(dòng)混合液形成平緩環(huán)流，避免污泥破碎；
可調(diào)角度葉輪：葉輪傾角可調(diào)(通常0° - 30°)，通過改變推流方向調(diào)控溝內(nèi)流速分布(典型流速0.3 - 0.6m/s)，避免短流與死區(qū)；
雙曲面或螺旋槳葉輪：雙曲面葉輪適用于大流量低揚(yáng)程場景(如矩形氧化溝)，螺旋槳葉輪則更適合小空間高流速需求(如圓形氧化溝)。
2.2 動(dòng)力性能與能效優(yōu)化
潛水推進(jìn)器的功率通常為1.5 - 75kW，其能效比(單位能耗產(chǎn)生的流速)直接影響運(yùn)行成本。高效推進(jìn)器需滿足：
高推力效率：通過CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))模擬優(yōu)化葉輪形狀，推力效率可達(dá)60% - 75%；
變頻調(diào)速控制：根據(jù)進(jìn)水負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)速(如夜間低流量時(shí)降低轉(zhuǎn)速20% - 30%)，節(jié)能率可達(dá)20% - 40%；
耐磨與防腐設(shè)計(jì)：葉輪與殼體采用不銹鋼(如316L)或高分子復(fù)合材料(如聚氨酯涂層)，抵抗污水中的懸浮物磨損與化學(xué)腐蝕。
3. 潛水推進(jìn)器對污水處理效果的影響
3.1 溶解氧分布與脫氮效率
氧化溝內(nèi)DO濃度需維持在0.5 - 2.0mg/L(硝化區(qū))與0.2 - 0.5mg/L(反硝化區(qū))，潛水推進(jìn)器通過以下機(jī)制優(yōu)化DO分布：
推動(dòng)混合液繞流曝氣器：使曝氣產(chǎn)生的氣泡均勻擴(kuò)散，避免局部DO過高(>2.5mg/L抑制反硝化)或過低(<0.3mg/L導(dǎo)致硝化停滯)；
調(diào)控流速分區(qū)：在曝氣區(qū)提高流速(0.5 - 0.6m/s)增強(qiáng)傳質(zhì)，在缺氧區(qū)降低流速(0.3 - 0.4m/s)延長污泥停留時(shí)間，促進(jìn)反硝化反應(yīng)。
案例：某污水處理廠通過調(diào)整潛水推進(jìn)器角度與轉(zhuǎn)速，將缺氧區(qū)DO濃度從0.6mg/L降至0.3mg/L，反硝化效率提升30%，總氮去除率從65%增至85%。
3.2 污泥懸浮與生物量穩(wěn)定性
潛水推進(jìn)器的推流作用可有效防止污泥沉降，維持MLSS(混合液懸浮固體濃度)在3000 - 5000mg/L。若推進(jìn)器故障停機(jī)，污泥將在2 - 4小時(shí)內(nèi)發(fā)生沉降堆積，導(dǎo)致：
曝氣區(qū)污泥濃度下降：微生物量減少，有機(jī)物降解速率降低；
缺氧區(qū)污泥膨脹：絲狀菌過度繁殖，惡化出水SS(懸浮物)與COD(化學(xué)需氧量)。
3.3 傳質(zhì)效率與污染物去除
潛水推進(jìn)器通過強(qiáng)化污水與活性污泥、溶解氧、營養(yǎng)物質(zhì)的混合，加速以下反應(yīng)：
有機(jī)污染物降解：BOD?去除率從80%(無推進(jìn)器)提升至95%以上；
磷的釋放與吸收：在厭氧區(qū)(若有)推動(dòng)聚磷菌釋放磷，在好氧區(qū)促進(jìn)磷過量攝取，除磷效率可達(dá)80% - 90%。
4. 潛水推進(jìn)器的選型與運(yùn)行優(yōu)化
4.1 選型關(guān)鍵參數(shù)
氧化溝尺寸與形狀：矩形溝需多臺(tái)推進(jìn)器協(xié)同推流(通常每10 - 15m布置1臺(tái))，圓形溝可采用單臺(tái)大功率推進(jìn)器；
設(shè)計(jì)流量與流速：根據(jù)進(jìn)水流量計(jì)算所需總推力(公式：F=ρQv，其中ρ為污水密度，Q為流量，v為目標(biāo)流速)，選擇匹配功率的推進(jìn)器；
DO控制要求：高精度脫氮工藝需選擇變頻調(diào)速推進(jìn)器，以實(shí)現(xiàn)DO精細(xì)化調(diào)控。
4.2 運(yùn)行優(yōu)化策略
分區(qū)控制：根據(jù)氧化溝功能分區(qū)(曝氣區(qū)、缺氧區(qū)、厭氧區(qū))調(diào)整推進(jìn)器轉(zhuǎn)速與角度，例如缺氧區(qū)降低轉(zhuǎn)速以減少DO輸入；
智能聯(lián)動(dòng)：與在線DO傳感器、流量計(jì)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，通過PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)推進(jìn)器參數(shù)(如DO<0.5mg/L時(shí)提高轉(zhuǎn)速)；
定期維護(hù)：每季度檢查葉輪磨損情況，清理纏繞的纖維狀污染物(如頭發(fā)、塑料繩)，避免推力下降。
5. 應(yīng)用案例與效益分析
5.1 城市污水處理廠案例
某日處理量10萬m3的氧化溝污水處理廠，配置6臺(tái)功率15kW的潛水推進(jìn)器(葉輪直徑2.2m)。運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示：
污泥懸浮狀態(tài)穩(wěn)定，MLSS波動(dòng)范圍<5%；
出水COD≤30mg/L、NH? - N≤1.5mg/L、TN≤10mg/L，達(dá)標(biāo)率>98%；
年電耗降低15%(通過變頻調(diào)速與分區(qū)控制)。
5.2 工業(yè)廢水處理案例
某化工園區(qū)污水處理廠采用氧化溝工藝處理高濃度有機(jī)廢水(COD≤5000mg/L)，配置4臺(tái)功率30kW的潛水推進(jìn)器(雙曲面葉輪)。通過調(diào)整推進(jìn)器角度優(yōu)化流速分布，解決了原工藝中局部DO不足導(dǎo)致的硝化效率低下問題，COD去除率從85%提升至92%。
6. 結(jié)論與展望
潛水推進(jìn)器是氧化溝污水處理系統(tǒng)的核心動(dòng)力設(shè)備，其性能直接影響溶解氧分布、污泥懸浮狀態(tài)及污染物去除效率。未來發(fā)展方向包括：
智能化升級(jí)：集成AI算法(如強(qiáng)化學(xué)習(xí))實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，進(jìn)一步降低能耗；
新材料應(yīng)用：開發(fā)耐磨耐腐蝕復(fù)合材料葉輪，延長設(shè)備壽命至10年以上；
多工藝耦合：與微孔曝氣器、生物膜反應(yīng)器等結(jié)合，提升脫氮除磷效率。
通過優(yōu)化潛水推進(jìn)器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，可顯著提升氧化溝工藝的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性，為污水處理廠的低碳運(yùn)行提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
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