介绍一款氧化沟工艺设计的 App - iDitch

很久以前，一个偶然的机会让我遇到了EIMCO PROCESS EQUIPMENT COMPANY这间美国公司。当时的EIMCO是发明卡鲁塞尔氧化沟的荷兰DHV公司在北美的特许授权公司，可以独立进行卡鲁塞尔氧化沟的工艺与水力设计、表曝机叶轮制造以及相关设备的成套。在EIMCO的工作让我有机会与美国第一代卡鲁塞尔技术专家近距离接触，学到了很多关于卡鲁塞尔氧化沟的知识，同时EIMCO与DHV的业务关系又让我有幸结识了DHV当年在国内的很多业务同行。后来我又陆续认识了其它几家相关的公司，如荷兰的Landustrie公司和美国的WesTech公司等等，这是后话。

几天前在整理过去的老照片时，无意中发现一张大概二十年前自己站在卡鲁塞尔氧化沟上的照片，不禁思绪万千，回想起自那时以来与卡鲁塞尔氧化沟相关的历历往事。DHV公司在1967年发明了卡鲁塞尔氧化沟技术，到今年正好五十年。于是有了一种冲动，想写写自己所知道的卡鲁塞尔，感谢和纪念这位二十多年来的“老朋友”，并真心说一声“Happy 50 ^th Birthday, Carrousel®”！

卡鲁塞尔氧化沟最明显的特征是以立式低速表曝机取代水平轴表曝机，由此使氧化沟的曝气动力效率、机械设备可靠性、池深与平面占地、操作环境、处理效率等方面得到全面的改善和提高。DHV公司卡鲁塞尔氧化沟的注册商标是 Carrousel® ，源自英文单词Carousel，指儿童游乐场里的旋转木马以及飞机场的行李传送带。早期的标准卡鲁塞尔氧化沟如下图所示，图片来自原EIMCO公司的产品宣传资料。

由于卡鲁塞尔氧化沟的表曝机只能安装在渠道的转角处，因此表曝机必须同时提供三种功能：1-曝气 (向曝气池供氧)，2-搅拌 (保证原水、混合液与回流污泥的良好混合)，3-泵提升作用 (借助分隔墙维持0.3m/s的渠道流速)，所以氧化沟渠道的几何尺寸与曝气叶轮诸多参数之间的配合对氧化沟的运行是至关重要的。为此，DHV公司持有自家品牌的专用曝气叶轮，如较早以前的Oxyrator® 和后来的Oxyrator® Star。与此同时，DHV公司还测试和认证过其它几种叶轮在卡鲁塞尔氧化沟中使用，过去较早的品牌如Landustrie公司的Landy® F，Hubert公司的Hubert™，以及Simon-Hartley公司的SimCar™ 等等；2000年以后较新的品牌如Landustrie公司的Landy® 7，Spaans公司的O ₂ Max®；2005年以后还有荷兰一家专业叶轮设计公司所设计的 Astrumaer®。以下是这些叶轮的图片，资料分别来自相应厂商的样本、网页或现场照片。

Oxyrator®

Landy®F

Hubert™

SimCar™

Landy® 7

O ₂ Max®

Astrumaer®

卡鲁塞尔氧化沟自发明以来在世界各地都有应用，但主要集中在欧洲和美国，以及后来的中国。美国始终是卡鲁塞尔技术开发最活跃和市场推进最迅速的地区，大概平均每年建成15-20个卡鲁塞尔氧化沟项目。这里只重点介绍卡鲁塞尔氧化沟在美国和国内的一些情况。如果需要了解卡鲁塞尔氧化沟在欧洲与其它地区的使用情况，请咨询DHV公司。

原来的美国 EIMCO公司 (EIMCO Process Equipment Company，EIMCO Water Technology，现已并入Ovivo公司) 在2009年以前是DHV公司在北美的独家技术授权公司，可以使用Carrousel® 商标，并独立进行卡鲁塞尔氧化沟的系统设计和叶轮制造(Oxyrator®、Hubert™)。EIMCO公司在1979年设计建造了北美第一座卡鲁塞尔氧化沟。在随后的技术发展和市场推广中，特别是在双叶轮表曝机的开发以及生物脱磷脱氮的池型改进与设计方面，EIMCO公司都扮演了技术先锋的角色。 2009年EIMCO公司并入Ovivo公司以后，Ovivo仍延续了EIMCO与DHV的业务关系，继续在北美推进卡鲁塞尔氧化沟技术。Ovivo现在采用的叶轮称为Excell®，该叶轮基本与前面提到的Astrumaer® 无异，但通常在曝气叶轮下面增加一个同轴低位搅拌推进叶轮，以增加氧化沟的池深，扩大动力输入调节范围，防止污泥沉降。

另外，美国WesTech公司 (WesTech Engineering Inc.) 是荷兰Landustrie公司在美国的授权制造公司，在美国本土制造Landy® 系列表曝机，广泛用于污水生物处理系统以及工业曝气方面的特殊应用。

美国虽然还有很多其它表曝机厂商和品牌，但在卡鲁塞尔氧化沟的项目中，基本就是Ovivo和WesTech两家公司在做此项业务，严格的资历和业绩要求使其它厂家很难挤进这个狭窄的市场。美国卡鲁塞尔氧化沟常见的叶轮过去是EIMCO的Hubert™ 和WesTech的Landy® F，现在是Ovivo的Excell®和WesTech的Landy® 7，应用以市政为主，造纸、石化等行业其次。美国市政污水厂的规模一般都比较小，往往就是一个到几个MGD (每天百万加仑，1 MGD=3785 m3/day)，单机装机功率100HP (75kW) 以下的表曝机非常普遍。不过美国也有个别处理量很大的市政和工业项目。例如2016年佐治亚州的一个污水厂，单机200kW的表曝机一次就用了二十台。到目前为止，美国采用卡鲁塞尔氧化沟的污水厂已经接近1000座。由于EIMCO开展卡鲁塞尔氧化沟的业务比较早，EIMCO / Ovivo的业绩表已经积累了大约700个项目。本文前面的第一张图片就是EIMCO公司在上世纪八十年代初设计建造的卡鲁塞尔氧化沟。

在国内，广东省中山市于1996-1997年间从EIMCO公司引进了卡鲁塞尔氧化沟的工艺设计和曝气机。这是中国第一座引进国外技术和设备的卡鲁塞尔氧化沟项目。该项目日处理能力为每天10万吨，采用生物脱磷脱氮沟型，两个处理系列共计六台150kW的Oxyrator® 大型立式表曝机，四台15kW立轴缺氧搅拌机和六台3kW立轴厌氧搅拌机。

天津华北市政工程设计院曾在1998年举办过一次规模盛大的氧化沟国际研讨会，当时代表国外三大主流氧化沟（三沟式氧化沟、奥贝尔氧化沟和卡鲁塞尔氧化沟）的各个公司 (Kruger，USFilter，以及DHV/ EIMCO) 悉数到场，罕见地同台PK。这次研讨会为国内大范围推广卡鲁塞尔氧化沟拉开了序幕。在随后的十多年间，国内很多市政污水处理厂利用欧洲政府贷款从DHV公司引进了卡鲁塞尔氧化沟成套设备，而其它一些资金渠道不同的市政与工业项目 (如世行、亚行、日本海外协理基金OECF、工业园区招商、海外投资以及自筹资金等等) 也采购了来自EIMCO、WesTech、Landustrie以及DHV的卡鲁塞尔氧化沟表曝机。这些项目的曝气叶轮在2005年以前主要以Oxyrator® 和Landy® F 为主，从 2005年开始才出现了效率更高的Landy® 7叶轮，但也有两个例外是苏州开发区污水厂一期和湘潭污水厂，这两个项目采用的是EIMCO公司的Hubert™叶轮。关于DHVOxyrator® Star叶轮在国内的推广和使用情况，请咨询DHV公司。国内引进的表曝机的单机功率基本在75kW到160kW之间，其中93kW、112kW和132kW所占的比例相对较大。到目前为止国内已建成大约140座卡鲁塞尔氧化沟，其中大部分是通过引进或部分引进来建设的，采用的处理流程基本都是生物脱磷脱氮工艺。

卡鲁塞尔氧化沟能够开始在中国大范围推广应用，DHV公司当年的国内同行们起到了至关重要的作用，他们为卡鲁塞尔技术在中国市场的扩展付出了艰辛努力，取得了非凡成就。很希望能借这个机会再次向DHV当年的国内同行们致敬。

在谈到卡鲁塞尔氧化沟在国内的早期应用和发展时，还有两个公司必须提及：上海的海天技术贸易公司和北京的美国MTI公司。海天公司最早将荷兰Landustrie公司的Landy™系列表曝机引进到中国市场，而Landy™表曝机几乎可以说是这个行业迄今为止动力效率最高、结构设计最优秀的表曝机。海天公司当年敏锐的技术洞察力和卓越的远见十分令人敬佩。MTI公司在2003年为湖南湘潭污水厂(一期10万吨/天) 成功引进双叶轮表曝机技术，建成了中国第一个、也是迄今为止唯一的一个采用双叶轮曝气机的卡鲁塞尔氧化沟项目，把卡鲁塞尔氧化沟的技术特点发挥到了极致。当年MTI公司为这个项目付出了巨大努力，最终以令人信服的技术方案和极具竞争力的商务条件赢得合同。MTI这种钻研技术、敢吃螃蟹的敬业态度和开拓精神，值得尊重和学习。

国外卡鲁塞尔氧化沟技术和设备的大批量引进，也为国内的许多环保设备厂商提供了成长和发展的机会。目前国内已有很多厂商和公司通过技术吸收消化或产品测绘，逐步掌握了卡鲁塞尔氧化沟的系统设计和设备制造能力，有的甚至已经把表曝机设备做到了国外。随着国内污水处理市场逐步转向中小城市和农村，相信这些国产设备一定大有作为。

如前所述，卡鲁塞尔氧化沟最明显的特征是以立式低速表曝机取代水平轴表曝机，这样做的工艺背景是使曝气区基本接近完全混合反应器的流态，曝气区下游的长渠道则基本接近推流反应器模型的流态。因此卡鲁塞尔氧化沟实际上是将两种反应器模型的优势结合在一起，既可利用长沟道进行较为彻底的生化反应，还能借助完全混合区的搅拌、缓冲能力化解水质负荷的变化，具有较强的抗冲击负荷能力。从现在的工艺观点来看，这样做带来的另外一个好处就是在渠道下游形成的缺氧区还可以触发反硝化反应。如下图所示。

卡鲁塞尔氧化沟的平面布置是一项很有意思的设计工作，因为平面布置同时涉及到了工艺设计和水力设计，而且平面布置随池中安装的表曝机数量而变化。卡鲁塞尔氧化沟常见的池型布置如下：

单台曝气机的基本池型

两台曝气机的基本池型

三台曝气机的基本池型

四台曝气机的基本池型

五台曝气机的基本池型

六台曝气机的基本池型

七台曝气机的基本池型

在实际项目中，还从未见过单座氧化沟安装7台以上曝气机的情况。

虽然卡鲁塞尔氧化沟安装表曝机的位置是有限和固定的，但池型的变化却很丰富。需要指出，在上面的某些布置中，渠道直线段是可以彼此不一样的，因此实际工程中的平面组合还会更多。后面将要提到的DHV Carrousel® 2000系统的平面布置就是采用了长度不等的渠道直线段，从而为前置缺氧池或厌氧池留出空间。记得曾在美国听到过这样一个笑话：一位年轻气盛的工程师在设计卡鲁塞尔氧化沟时，面对过于苛刻的设计条件和要求，发泄怨气般地把其中一组渠道的直线段拉长，使整个平面看起来更像竖起的中指。。。这虽然只是一个笑话，但却折射出了卡鲁塞尔氧化沟在平面布置方面的灵活与多变。

也许正是因为池型布置的多变性和灵活性，卡鲁塞尔氧化沟的水力设计工作量大大超过工艺设计。水力设计的目的是要保证氧化沟渠道的断面平均流速不低于0.3m/sec，这样才能保证渠道内不发生污泥的永久沉降。为做到这一点，卡鲁塞尔氧化沟的平均曝气功率密度通常至少要维持在18-20W/m ³ 的水平。另外，考虑到运行期间的负荷变化以及项目初期往往达不到满负荷运行等因素，很多项目都在渠道中架设水下推进器，以便在表曝机低负荷运行期间通过推进器来帮助维持渠道流速，此时推进器的设计功率密度可视具体条件按2-4W/m ³ 考虑。

与水力条件高度相关的渠道深度是决定池体平面尺寸的一个关键参数。直观来看，渠道深度与单机功率或池体平均功率密度成正比，但同时还与曝气机叶轮的具体设计形式和尺寸相关。不同厂商的叶轮即使在相同的电机功率或相同的功率密度下，可达到的有效池深仍有差异；对于同一个厂商的曝气机，相同的电机功率还可以驱动不同尺寸的叶轮，由此也对池深造成影响。因此最好的办法还是要求叶轮厂商针对具体项目的设计条件确认对应的有效池深。

当池深确定以后，渠道的宽度往往可以大致按照池深的两倍来考虑，再根据池容的大小就可以计算出氧化沟的平面尺寸了。到了这一步，还有一件工作需要做，那就是校核渠道水流在两次曝气之间所流过的距离是否合适，这仍属于水力设计的范畴。为简单起见，这个指标可粗略地用氧化沟直线段长度与渠道宽度的比值来衡量。通常这个比值控制在3:1~6:1比较合适。如果比值远远低于3或远远大于6，那就需要重新考虑池型布置了，这包括重新考虑处理流程分组数量以及每组氧化沟安装的曝气机数量等等。

进入上个世纪八十年代以后，污水中营养物的去除成为活性污泥法进一步改进的主要市场驱动力。前置厌氧区和前置缺氧区逐渐成为活性污泥法工艺的标准配置。EIMCO公司在1983年设计建成了美国第一座具有生物脱磷脱氮功能 (BNR) 的卡鲁塞尔氧化沟，1988年又率先在标准的卡鲁塞尔氧化沟与前置缺氧池之间巧妙地设计了内回流渠(见下图)，不但使卡鲁塞尔氧化沟成为最简捷的生物脱氮系统，也为传统氧化沟在生物脱氮方面的广泛应用奠定了工艺设计基础，在卡鲁塞尔氧化沟发展史上留下了浓重而精彩的一笔。

EIMCO 公司将这个两阶段的设计称作 Carrousel® denitIR，意为“通过内回流实现反硝化的卡鲁塞尔氧化沟”，实际上这就是卡鲁塞尔版的MLE (Modified Ludzack-Ettinger) 工艺。后来DHV公司也推出了Carrousel® 2000生物脱磷脱氮系统，在前置反硝化内回流方面采用了与Carrousel®denitIR完全类似的设计思路，只是池体平面布置方面略显不同。对于常规市政污水，两阶段卡鲁塞尔脱氮系统的出水可做到BOD:TSS:TN=10:10:7~9。有了这种两阶段系统作基础，三阶段的卡鲁塞尔生物脱磷脱氮系统 (A ² O)、四阶段和五阶段的卡鲁塞尔-巴登夫 (Bardenpho®) 深度处理系统的配置也就顺理成章了。

三阶段卡鲁塞尔生物脱磷脱氮系统 (A ² O)，对于常规市政污水，出水可做到BOD:TSS:TN:TP=10:10:7~9:1

四阶段卡鲁塞尔-巴登夫 (Bardenpho®) 系统，对于常规市政污水，出水可做到BOD:TSS:TN=10:10:3~6

五阶段卡鲁塞尔-巴登夫 (Bardenpho®) 系统，对于常规市政污水，出水可做到BOD:TSS:TN:TP=10:10:<3~6:1

在考虑到生物脱磷脱氮以后，卡鲁塞尔氧化沟的池型变化依然精彩。例如下面这个例子 (选自WesTech公司项目现场照片)：

能使卡鲁塞尔氧化沟的技术优势充分发挥出来的设计才是好的设计。相对于其他类型的氧化沟，卡鲁塞尔氧化沟的优势在于：沟深更深、占地更小、运行操作管理更简单, 效率更高，而所有这些都与如何选取表曝机有很大的关系。

事实上，卡鲁塞尔氧化沟的核心设计思想也正是表曝机这个环节：Bigger Aerators, Fewer Aerators。按原意完整翻译过来就是：在满足供氧量要求和雍余设计要求的条件下，尽量采用单机功率更大的表曝机，从而使设备总数更少。卡鲁塞尔氧化沟的池深与表曝机装机功率成正比。单机功率越大，池深越深，平面占地就越小。设备数量少了，运行管理自然就方便了。

在表曝机的选型工作中，有两个参数特别需要注意：一个是叶轮的曝气动力效率SAE，另一个是减速机的服务系数SF。这两个参数如果理解有误或把控不好，会直接影响实际的工艺性能和设备寿命。

曝气动力效率SAE是指标准状态下叶轮在单位时间内所吸收的功率能向水中传递多少氧，单位是 kgO ₂ /kW-hr，是衡量叶轮曝气效率的唯一指标。SAE一般是由叶轮厂商给出，因此大家看到的通常都是比较理想的上限数值。其实，考察曝气机的SAE数值，更重要的是要探究厂商是怎样定义SAE单位中的功率kW的：是叶轮轴功率，是电机轴功率，还是电机接线功率？等等。如果是叶轮轴功率，那么在计算曝气功率时还要考虑减速机和电机的效率；如果是电机轴功率，则需要考虑电机的效率；如果是接线功率，那就不用再考虑这些效率了。总之，弄清楚SAE的kW定义基准点比SAE本身的大小更重要。就当前的叶轮制造技术水平而言，如果SAE中的kW定义为电机接线功率，那么当SAE达到2.3 kgO ₂ /kW-hr时，这台表曝机的动力效率已经是国际水平了。另外需要注意，如果把表曝机用于普通曝气池而不是卡鲁塞尔氧化沟，由于没有分隔墙的作用，曝气效果会略有下降，SAE也会相应降低大约8%~10%。

表曝机减速机的服务系数SF是另外一个重要指标，它定义为经热功率校核以后减速机所能通过的最大功率与电机额定功率的比值。这个比值越大，减速机的功率传递能力越富裕，内部轴承的工作负荷越轻，减速机的故障率也越低。对于氧化沟表曝机的应用，往往规定减速机SF要大于或等于2.1。不过这里需要特别注意，减速机传动轴和输出轴的轴承B ₁₀ 寿命其实才是更应当关注的参数，通常应当分别不低于10万小时和25万小时，而“SF大于或等于2.1”这条要求并不一定能百分之百地保证轴承寿命达到上述小时数。因此最后需要请减速机厂商根据具体的数据（装机功率，扭矩，轴向动荷载，径向动荷载，倾翻力矩等等）复核减速机选型，必要的时候应适当加大型号，提高服务系数，以优先保证传动轴与输出轴的B ₁₀ 寿命达到要求。由于减速机成本通常要占表曝机成本的70%左右，这一复核环节对于保护用户的设备投资是非常重要的。我在北美见到的大部分减速机选型，最后的SF大多在2.2-2.5，有的甚至接近3.0，其主要原因就是要在项目具体的工作负荷下优先满足减速机轴承的B ₁₀ 寿命的要求，这时的SF可能早已超过通常规定的2.1了。

卡鲁塞尔氧化沟发明以后所使用的曝气叶轮在很长一段时间内都是倒伞形状的，无论是Oxyrator®， Landy® F，还是Hubert™，SimCar™，基本如此。但这种局面在2000年以后开始发生改变，叶轮的“平板化”和“边缘化”成为新的设计特征，原来立体的倒伞形状逐渐消失，甚至变成了薄片，原来沿着倒伞面分布的叶片也被挤到了边缘，成为边缘叶片 (rim-blade)，例如Landy® 7，O ₂ Max® 和Astrumaer®，很明显都有这种倾向。这种变化带来的直接好处是：1- 提高曝气动力效率大概10%左右，有的甚至更高，对降低曝气能耗有利；2- 叶轮工作径向冲击力降低一个量级，从几十kN到十几kN甚至几kN，对降低土建要求和延长减速机轴承寿命有利。3- 新型叶轮通常可在水面以下适当深度工作，这对增加池深是有利的，但增加的幅度需要叶轮厂商就具体项目加以确认。

1987 年EIMCO公司开发了用于卡鲁塞尔氧化沟的双叶轮技术，在标准的曝气叶轮下面增加一个同轴低位搅拌推进叶轮，主要目的是增加氧化沟的池深和渠道的水流推力，扩大表曝机动力输入的调节范围 (Power Turndown Capacity)，同时避免污泥在渠道内的永久沉降。这个技术专利由当时在EIMCO公司任职的Dave DiGregorio，Rick Riser和Mark G Biesinger三人所发明，他们是美国卡鲁塞尔氧化沟的第一代技术专家。Dave曾在1999年为福建福州洋里污水处理厂做了卡鲁塞尔氧化沟的方案建议书，该厂当时为亚洲最大的卡鲁塞尔氧化沟项目；Rick曾在2003年为湖南湘潭污水处理厂设计了中国第一座 (也是目前中国唯一的一座) 采用双叶轮表曝机的卡鲁塞尔氧化沟；Mark现在是WesTech公司的生物处理技术首席顾问。