国内外氧化沟研究现状评述

氧化沟作为一种主要针对城镇污水处理的高效污水处理工艺，已受到了广泛的关注，并被国内外深入研究。1975年，Murray I等通过实验的方法研究了氧化沟系统中的氮的平衡、p H值和溶解氧之间的关系。1984年，Nakajima M等研究了氧气对氧化沟中硝化及脱氮所起的抑制作用。

氧化沟是对污水进行除磷脱氮等一系列处理的场所，因此许多学者都研究了氧化沟中的生物化学反应。例如，Nakajima M等研究了氧气对氧化沟中硝化及脱氮所起的抑制作用， Hao X等研究了影响Pasveer氧化沟中同步硝化及反硝化作用的条件及机制，从而提高了氧化沟的除氮能力；Liu Y C等研究了有波动进水口的氧化沟中分离时间动态控制模型，目的是提高氮的去除率；Peng Y Z等研究了试点厌氧需氧氧化沟系统中的氮和磷的去除；Liu Y C等研究了Carrousel氧化沟处理生活污水时的同步硝化及反硝化作用的运行条件，他们在试验中没有设置厌氧池，试验监测了进口处污泥量、各组分的比例、温度、水力停留时间及溶解氧等，结果发现最优的溶解氧受进口污水量及温度的影响较大，短的水力停留时间能够提高同步硝化及反硝化作用的发生。

氧化沟中的流场结构、溶解氧的浓度、混合液悬浮固体的浓度以及不同分布形式，会影响氧化沟中的同步硝化及反硝化作用，因此许多学者都对此进行了研究。1998年Furukawa S等运用数值模拟及实验的方法，通过对沟道的溶解氧浓度的分析，对氧化沟的一些运行参数进行了优化，如有氧区与无氧区的长度比、好氧对厌氧持续时间的比等，最终得到的优化值都为1，这在氧化沟的实际运行中可避免一些不必要的繁琐计算。Gillot S等在2000年对有细气泡扩散及低速转动曝气转轮的氧化沟中氧气流量对氧化沟中氧传输的影响进行了研究，结果表明，增大空气的流量，氧气的传输效率会减小；同时结合水流的横向运动速度进行分析，显示水流的横向运动速度能明显地限制氧气流量对氧气传输效率的影响。Abusam A等在2001年提出了一种基于一个循环的通用代数模型的新方法，来估算氧化沟中氧气的传输效率。新方法在氧传输估算的精度上，要比1980年荷兰科学家所提出的标准方法的精度高。Lesage N等2003年用数值模拟及实验的方法，研究了氧化沟中的水力特性、氧气的传输能力及生物活性之间的相互影响，对水力特性的研究是基于质量守恒方程及动量守恒方程，对生物场的研究是基于活性污泥1号模型。结果显示，氧化沟中流体的速度及氧气的传输能力对其浓度分布有着重要的影响。2011年，Yang Y等用数值模拟的方法对全尺度的Carrousel氧化沟的能量耗散及处理效果进行了优化，主要考虑不同表面曝气机及水下推流转轮的组合形式对氧化沟内的流场结构及溶解氧浓度分布的影响。在模拟中，表面曝气机及水下推流转轮的数学模型分别用到了Moving Wall模型及Fan模型，氧气在氧化沟中的传输运用了单元分析法，将曝气区域看作是溶解氧的来源，而氧气在直道中的耗散运用了SOD－DO模型。研究结果表明：表曝机应该安置在距离弯道进口端15m左右的位置，以避免在弯道处的激烈碰撞而造成能量损失；在优化后的运行方式中，溶解氧的浓度分布更有利于同步硝化及反硝化作用的发生。2012年，Zhang Z等结合重庆井口污水处理厂研究氧化沟中同步硝化及反硝化作用的可行性条件，发现氧化沟的运行方式及曝气转轮对流场结构、溶解氧浓度及混合液－固体悬浮浓度有着重要的影响，并最终认为，根据流场结构、溶解氧浓度及优化条件下的可溶性物质的空间分布情况，将氧化沟分为不同的功能区域，将有助于对氧化沟中同步硝化及反硝化作用的控制及优化。溶解氧的浓度会受到沟道中流场结构的影响，对此，刘广立对流场结构及污水处理效果进行了研究，并结合能量的消耗优化了氧化沟的体型结构。张代钧用实验的方法研究了Car－rousel氧化沟中不同位置的流速分布及不同物质的组分分布，分析了流速对污泥的浓度、溶解氧的浓度的影响及可溶性物质的生物反应转化的规律。研究结果表明：污泥浓度与流速呈负相关，溶解氧与流速呈正相关；在氧化沟中的不同区段，各种组分的分布规律不同，并且流场结构对各种物质的混合效果有着较大的影响。郝晓地用数值模拟的方法对氧化沟的除磷脱氮与能量消耗进行了评价，分析结果显示，A2／O工艺的除磷效果比“厌氧＋氧化沟”工艺好，能量消耗也比“鼓风曝气＋水下推进”工艺要低。庞洪涛在太湖流域某污水处理广研究了气升式氧化沟污水处理效果。

在研究中，为寻求更合理的氧化沟体型结构，许多学者进行了探索。日本学者Ushikubo A等，于1991年运用双沟道氧化沟对动物的排泄物进行处理，通过实验发现此种处理方式的日处理负荷量是常规处理方法的3倍，处理后的污水的各项指标都符合USEPA的规定。1995年，Dudley J提出了一种新的方法，用来计算氧化沟中的水力特性及曝气装置的配置，从而纠正了常规方法下计算值大于实际运行结果的弊端。1996年，Hao X等通过增加接触池的方法，来增加未处理的污水与回流污泥在进入氧化沟之前的接触时间，从而提高其反硝化能力。结果显示，通过增加接触池，反硝化能力可提高240％。2004年，Xia S等对传统的氧化沟体型进行了改进，提出了一种新型的氧化沟系统：采用垂直循环来减少氧化沟的占地面积，并且减少氧化沟运行过程中的能耗。实验结果显示，用此新型的工艺，同等处理能力的氧化沟占地面积可减少50％，能耗可降低40％。Pang H T等在2009年研究了气升式氧化沟中的水流特性及污水处理效果，这种新型工艺采用气泡扩散及挡板作为增氧设备，并将实验结果与传统的氧化沟工艺进了比较，结果表明，气升式氧化沟的有效水深及氧气的利用效率都要比传统工艺好，并且应用气升式氧化沟的占地面积及能量消耗要比传统工艺小。

为改善氧化沟内的流场结构，人们常在其沟道内设置导流墙。陈光和陈志澜等对氧化沟中导流墙的设置形式及导流墙的结构进行了研究，其中陈光研究了单侧导流墙对氧化沟的流场结构的影响；陈志澜分别研究了导流墙的偏心位置及导流墙的形状对流场结构的影响，进而确定了最优的导流墙偏心位置及提出了一种能减小导流墙末端回流区域大小的波浪形导流墙。张景波对新型一体化氧化沟的水力特性进行了试验研究，研究结果表明，在转刷的附近增设导流板能很好地改善氧化沟的流态，进一步的研究确定了导流板的形状及设置的位置。试验结果表明：增加合适的导流墙后，氧化沟中的平均流速有明显的增大，部分污泥易沉区得到了明显的改善。

实际运行的氧化沟都是多弯道与直沟道相结合的体型结构，在实际运行中人们发现在弯道处水流流场结构通常比较复杂，这与弯道本身的体型特点有关，也与通常情况下在弯道处设置的曝气转轮有关。学者们分别从不同的角度对氧化沟弯道处的水流结构进行了研究，其中赵星明分别研究了：在弯道处设置导流墙对弯道水流的影响，弯道处水流横向环流及流速重分布后对污泥沉降的影响，氧化沟弯道处边墙超高及弯道局部阻力的计算方法。王红菊用数值模拟的方法研究了弯道流场，提出在弯道处设置两道导流墙的流场改善效果比设置一道的要好。

在对流场结构的模拟中，Fan L等人用标准k－ε模型对氧化沟内的水流流场结构进行了数值计算，且模拟值与实验值吻合度良好，不同的是Fan L用数值模拟及试验的方法研究了有倒伞形表曝机的氧化沟内的流场结构及固、液两相的分布情况。结果显示：①氧化沟内的流场有很强的三维特性，尤其在弯道和直道的相接部位，并且在此处固体比较容易沉积；②固相和液相的速度分布大体相似，只是在垂向上固相的速度要稍小于液相的速度；③随着曝气转轮的转速增大，固相在氧化沟内的分布会更加均匀。氧化沟中溶解氧的浓度及流场结构对氧化沟的处理效果有着重要的影响。罗麟运用动网格法模拟转轮的运动，而蒋成义用基于船舶海洋工程中水下推流器的动量源项法模拟转轮的运动，这为氧化沟中流场结构的分析与研究、氧化沟的设计与优化提供了参考依据。2010年，Yang Y等结合河南省平顶山市污水处理厂的氧化沟，用实验及数值模拟的方法研究了Carrousel氧化沟内的流场结构，模拟结果与实验结果吻合良好。在模拟中圆盘式曝气机的数学模型选用的是Moving Wall模型。

在对氧化沟的固－液两相流的研究中，很多学者用到了数值模拟的方法，模拟中对污泥相的处理大都用到了活性污泥数学模型。Argaman Y在1984年研究了单一污泥模型下的氧化沟的处理效果。Stamou A I在1997年首次运用明渠流的一维对流扩散方程及活性污泥模型对氧化沟进行了数值模拟，预测了氧化沟中碳的氧化、硝化及反硝化作用。1999年，Stamou A等建立了交替式氧化沟的数学模型，其中包括一维的质量守恒方程及基于活性污泥法的第1号活性污泥模型，数值模拟结果与实验结果吻合良好，能很好地预测氧化沟中污水的浓度值。2010年，Zhang D J等运用数值模拟的方法，模拟了全尺度Carousel氧化沟内的浓度分布情况，该模型将污水－污泥两相紊流数学模型与第2号活性污泥模型进行耦合，在此模型中，污泥的沉降速度是通过紊动的影响及传统的混合模型来定义的，目的是将污泥的速度从混合液中分离出来，并用此模型模拟了全尺度氧化沟内的三维污水浓度分布，模拟结果与实验结果吻合良好，从而表明运用此模型可以模拟有曝气机的氧化沟内的复杂流场及浓度分布情况。Xie W M等在2011年结合第2d号活性污泥法（ASM2d）支持向量回归机法（SVR）及加速遗传算法（AGA），对全尺度的Carrousel氧化沟进行了数值模拟，其中应用SVR及AGA方法对好氧池、厌氧池及缺氧池的水力停留时间，固体的水力停留时间及内部回流比等参数进行了优化，从而得到最优的运行参数。许丹宇考虑了固相的影响，研究了氧化沟中的固－液两相流，研究中用数值模拟及实验的方法分析了固－液两相流的流场结构及污水－污泥两相流模型与生物反应模型耦合的应用。

氧化沟中的曝气转轮不仅有给氧化沟中充氧的作用，而且也是氧化沟中水流循环运动的动力来源。Thakre S B、范茏、杨跃等对氧化沟中曝气系统对流场结构的影响进行了研究，其中，Thakre S B研究了使用曲线型叶片转轮的氧化沟的传氧系数及曝气效率，通过改变转轮的转速、浸没深度及叶片的角度，得到了最优的叶片参数组合；范茏用PDA测量了装有1个表曝机和装有2个表曝机的氧化沟内的液体的流速、固体的沉降速度及固体的浓度分布情况，结果表明，两者的流场结构差别较大，且装有2个表曝机的氧化沟内的流场结构更为均匀；陆豪运用数值模拟的方法（转轮的数学模型选用多参考系模型）研究了转轮的运行参数与氧化沟内流场结构之间的关系，比较分析了转轮的混合推流作用及氧化沟中的易沉积区域；许丹宇通过控制曝气机的运行方式，对交替运行条件下的Carrousel氧化沟内的流场结构进行了研究；施慧明运用数值模拟的方法，从搅拌深度推流效果及所需能耗方面对深水型表曝机进行了研究；陈光用多参考系模型模拟转轮，研究了机翼型叶片、矩形叶片、前倾型叶片和后倾型叶片4种叶片下的流场结构，研究结果显示，机翼型叶片无论是在混合推动力方面还是效率方面都要优于其他3种叶片形式；李志杰用实验的方法通过对实验数据的拟合，得到了转轮上、下游附近流体的流速沿程变化的数学表达式，结果显示：在转轮的上游，水流的流速分布与典型的明渠流比较相似，而下游却不同；杨跃以降低能量消耗为目的，用数值模拟的方法对三沟式氧化沟转轮的运行方式进行了优化研究。

氧化沟中曝气设备的曝气方式对其运行效果也有较大的影响。2010年，Ben Alaya S等研究了氧化沟中曝气设备的曝气方式对氧化沟运行效果的影响，结果表明，在设计曝气方式时应将充氧能力与流场结构同时考虑，既要尽量满足生物反应所需的氧气量，又要考虑流场结构，以避免在沟道内发生沉积而影响处理效果。2010年，Diamantis V等研究了曝气方式及曝气效率对氧化沟中流场结构的影响，其实验分为两组，在第一组中曝气机放在通气区的末端。在第二组中曝氧机放在缺氧区的末端，实验结果表明：在第一组实验中，流体的水平速度出现了明显的分层，表层水平的混合液流速可达到0.5～0.7m／s，而在水深一半处水平速度几乎为零；在第二组实验中，流体的水平速度分布较为均匀，为0.27～0.31m／s。