摘要：我國(guó)很多地區(qū)的地表水以及淺層地下水都遭到工業(yè)污染，加強(qiáng)我國(guó)污水處理事業(yè)建設(shè)，提高污水處理技術(shù)是緩解我國(guó)水資源困境的必由之路。本文對(duì)某污水處理廠的處理工藝進(jìn)行了分析，并闡述了污水處理的相關(guān)新技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：污水處理,一體化,低溶氧,同時(shí)硝化/反硝化,推流

　　前言

　　污水是工業(yè)發(fā)展以及人類濫用水資源的產(chǎn)物，隨著水資源的日益枯竭以及污水排放量的日益增多，水質(zhì)污染超越了水體的自凈能力。如果不及時(shí)處理污水，不但會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，污水還會(huì)進(jìn)入土壤，通過(guò)食物鏈來(lái)影響我們的身體健康。同時(shí)在污水處理過(guò)程中如何應(yīng)用多項(xiàng)低能耗污水處理技術(shù)，大大減少污水處理廠的運(yùn)行費(fèi)用，并保證良好的出水水質(zhì)，使投資省、占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)管理方便，也是我國(guó)目前污水處理要研究的問題。

　　1污水處理廠項(xiàng)目概況

　　某污水處理廠，配套管網(wǎng)40.93 km，以及中途提升泵站1座。污水處理廠尾水排放執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB19918-2002)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的B標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)及要求處理程度見表1。

 

　　2低能耗污水處理技術(shù)的應(yīng)用

　　為貫徹節(jié)能理念并保證出水水質(zhì)，工程中主要應(yīng)用了一體化技術(shù)、低溶氧技術(shù)、同時(shí)硝化/反硝化技術(shù)、微孔軟管曝氣技術(shù)、新型推流技術(shù)等低能耗污水處理技術(shù)。

　　2.1一體化技術(shù)

　　一體化氧化溝技術(shù)源于上世紀(jì)50年代的荷蘭(沃紹登Voorschoten)，其特點(diǎn)是用合建的生物反應(yīng)池取代傳統(tǒng)氧化溝工藝中的氧化溝、二沉池、污泥回流泵房等處理構(gòu)筑物，將初沉池、水解酸化池、厭氧池、曝氣池以及二沉池的功能集于一身，使傳統(tǒng)工藝的多個(gè)池體簡(jiǎn)化為一個(gè)綜合池體，在其中高效完成碳源氧化、硝化、反硝化、磷的去除以及處理水的固液分離，前段的預(yù)處理及后段的消毒和污泥處置與傳統(tǒng)工藝基本一致。國(guó)內(nèi)于上世紀(jì)90年代初引進(jìn)該技術(shù)，目前運(yùn)行廠已超過(guò)10余座。

　　一體化技術(shù)最顯著的特征是不設(shè)獨(dú)立的污泥回流系統(tǒng)。按功能需要，該項(xiàng)目的一體化生物反應(yīng)池共劃分為4個(gè)分區(qū)(如圖1所示)，按水的流向分別為厭氧區(qū)、空氣提升區(qū)、主反應(yīng)(曝氣區(qū)、沉淀區(qū)。在沉淀區(qū)，用快速澄清裝置(斜管)取代了傳統(tǒng)的二沉池，斜管沉淀具有高效分離的特點(diǎn)，表面負(fù)荷一般為50～65 m3/(m2·d)，該值是傳統(tǒng)二沉池設(shè)計(jì)的1.5～4倍。沉淀污泥直接落于斜管下方，通過(guò)混合液回流，將斜管下方污泥帶回氧化溝進(jìn)水端，實(shí)現(xiàn)了污泥無(wú)泵自動(dòng)回流，省去機(jī)械回流，從而降低運(yùn)行能耗，比設(shè)獨(dú)立污泥回流系統(tǒng)的傳統(tǒng)氧化溝法可節(jié)能15%左右。該廠項(xiàng)目規(guī)模2.5×104 m3/d，如采用泵回流系統(tǒng)，需設(shè)置回流泵臺(tái)，運(yùn)行功率30 kW，電耗增加約0.05 kWh/m3。混合液在斜管下方的通道通過(guò)時(shí)，流速控制

　　在0.3～0.4 m/s，可以形成抽吸作用，保證了分離沉淀的污泥不會(huì)在通道底部積累，另一方面也加速了污泥的沉降，同時(shí)，由于抽吸作用形成獨(dú)特的水力條件，在斜管下部的水處于旋流狀態(tài)，這樣可以有效避免斜管內(nèi)部積泥。而斜管上部處于異向流狀態(tài)，水流較為平緩，比重大的污泥顆粒先行分離，隨著上升過(guò)程中的阻力影響，水流趨于平穩(wěn)緩緩上升，比重小的污泥顆粒也能夠重力沉降，在此過(guò)程中水質(zhì)不斷改善，最終通過(guò)斜管，保證出水水質(zhì)。事實(shí)上，在改良型一體化氧化溝工藝中，形成的活性污泥絮體主要是微量好氧的微生物和兼性厭氧微生物，這些微生物菌種生長(zhǎng)速度較慢，不會(huì)在菌群團(tuán)表面形成水膜，這樣的污泥易于分離SVI僅在60～100之間;此外，由工藝本身控制的短程同時(shí)硝化/反硝化，決定了在水體進(jìn)入沉淀區(qū)之前，NO2-或NO3-及可溶性BOD幾乎為零，沉淀區(qū)即使是缺氧條件下也幾乎不會(huì)發(fā)生反硝化和產(chǎn)生氮?dú)猓�也不�?huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)活性污泥法中的二沉池翻泥現(xiàn)象。

　　2.2低溶氧技術(shù)

　　低溶氧技術(shù)是降低污水廠運(yùn)行能耗的一項(xiàng)重要措施，低溶氧不代表有機(jī)物氧化、氨氮硝化供氧量不足，而是通過(guò)曝氣系統(tǒng)的改進(jìn)，使供氧量和需氧量之間的富余值控制在科學(xué)經(jīng)濟(jì)的范圍內(nèi)，從而避免能耗的浪費(fèi)。實(shí)踐證明，改良型一體化氧化溝工藝中溶解氧僅需0.1～0.3 mg/L就夠了，這與奧貝爾氧化溝外溝的運(yùn)行十分相似，因此氧的傳遞作用是在氧虧條件下進(jìn)行的，傳遞效率大大提高，鼓風(fēng)系統(tǒng)的供氧量隨之降低。

　　低溶氧環(huán)境也決定了微生物種類和所發(fā)生的生化反應(yīng)類型，經(jīng)過(guò)馴化形成的活性污泥絮體中，主要保留的是微量好氧的微生物和兼性厭氧微生物，這些微生物菌種生長(zhǎng)速度較慢，在吸附COD后不會(huì)在菌群團(tuán)表面形成水膜，活性污泥絮體則通過(guò)接觸微小氣泡而直接攝取氧氣進(jìn)行代謝，即使在溶解氧濃度較低的情況下也可以正常地?cái)z取有機(jī)物進(jìn)行代謝，從而使得微生物獲得氧的效率大大提高。只要反應(yīng)池中有溶解氧富余出來(lái)(控制出水端的溶解氧濃度在0.1～0.3 mg/L)，就說(shuō)明池中微生物已經(jīng)不再需要更多的溶解氧，這比傳統(tǒng)好氧工藝專性好氧菌種對(duì)氧濃度的需求要低得多。

　　傳統(tǒng)好氧工藝中，活性污泥絮體以專性好氧菌種為主，污泥絮體較大且外表有水膜，絕大多數(shù)細(xì)菌是被“包埋”在污泥絮體內(nèi)，水體中的溶解氧必須克服絮體表面水膜阻力后才能被微生物攝取和利用，因此擴(kuò)散進(jìn)去的溶氧極為有限，即使水體中溶氧較高(2 mg/L或以上)，但真正被微生物利用的也只有0.1～0.3 mg/L。

　　工程中設(shè)有高精度的溶解氧檢測(cè)儀，如果氧濃度超過(guò)0.3 mg/L，通過(guò)變頻裝置，降低鼓風(fēng)機(jī)的輸出功率;相反，如果氧含量低于0.1 mg/L，則增加鼓風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)量。這種控制可輕易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行可靠又可節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。

　　2.3同時(shí)硝化/反硝化技術(shù)

　　上節(jié)提到的低溶氧環(huán)境，決定了該廠項(xiàng)目的另一項(xiàng)低能耗污水處理技術(shù)———短程同時(shí)硝化/反硝化。目前研究表明，在奧貝爾氧化溝、卡魯塞爾氧化溝、SBR、曝氣生物濾池等工藝中都不同程度地存在短程同時(shí)硝化/反硝化現(xiàn)象，而在該廠項(xiàng)目中短程同時(shí)硝化/反硝化的特征十分明顯，由于生物池中溶解氧較低，氨氮在硝化過(guò)程中大部分生成亞硝酸鹽，而不是硝酸鹽，反硝化菌群利用NO2--N作電子受體進(jìn)行反硝化脫氮，在NH4+-N被降解的同時(shí)，沒有NO2--N的積累及NO3--N的產(chǎn)生，整個(gè)生物脫氮過(guò)程比一般的全程好氧硝化/厭氧反硝化歷時(shí)要短得多，為好氧短程同時(shí)硝化/反硝化過(guò)程，即在好氧條件下亞硝化微生物將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2--N，隨即由反硝化微生物直接進(jìn)行反硝化反應(yīng)，將NO2--N還原為N2釋放。

　　全程反硝化主要反應(yīng)為：

　　NH4++2O2=NO3-+2H++H2O

　　2NO3-+OH(電子供給體COD)=N2+4H2O+2OH-

　　短程同時(shí)硝化/反硝化主要反應(yīng)為：

　　NH4++1.5O2=NO2-+2H++H2O

　　2NO2-+3H(電子供給體COD)=N2+H2O+OH-

　　由公式可看出，去除一個(gè)分子的氨氮，短程硝化/反硝化要比全程硝化/反硝化少消耗0.5個(gè)氧分子，可減少25%左右的需氧量，大大降低因充氧所需的能耗。

　　此外，由于短程硝化/反硝化可直接利用NO2--N還原為N2，因此具備較高的反硝化速率，通常比全程硝化/反硝化高63%左右。

　　2.4微孔軟管曝氣技術(shù)

　　改良型一體化氧化溝運(yùn)行的一個(gè)重要特征是低溶氧，僅0.1～0.3 mg/L，要保證這一參數(shù)，除了設(shè)置高精度的溶解氧檢測(cè)儀外，運(yùn)用先進(jìn)的曝氣技術(shù)也是關(guān)鍵。該廠項(xiàng)目采用的是新型節(jié)能微孔軟管曝氣技術(shù)，在曝氣區(qū)下方，沿長(zhǎng)向密集地布置多道細(xì)長(zhǎng)曝氣軟管，間隔只有20~30cm，每米軟管上開有數(shù)千個(gè)微氣孔，曝氣時(shí)能產(chǎn)生均勻的細(xì)小氣泡。由于曝氣軟管沿曝氣區(qū)通長(zhǎng)布置，這樣在整個(gè)曝氣區(qū)池底面積上，可以進(jìn)行大表面面積的細(xì)小氣泡曝氣作業(yè)，保證區(qū)域內(nèi)水體100%得以有效曝氣。這種曝氣方式主要有3方面優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)避免傳統(tǒng)曝氣的曝氣不均勻。傳統(tǒng)盤式、管式曝氣的曝氣裝置在池底是分散布置的，其直接曝氣區(qū)域極為有限，僅在5%左右或稍高，其它區(qū)域氧的供應(yīng)則依靠氣體或水體流動(dòng)形成的擴(kuò)散來(lái)完成，這種曝氣方式在分布上是不均勻的，也就難以保證微生物體對(duì)氧氣需求的均勻。

　　(2)提高充氧效率。傳統(tǒng)曝氣方式是局部曝氣，曝氣相對(duì)集中，局部強(qiáng)度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致垂直水波，以非常高的速度傳播氣泡，加之氣泡粒徑較大，氣泡上升速度相對(duì)較大，氣泡與水的接觸時(shí)間短，充氧效率低，僅能達(dá)到2.5 kg O2/kWh左右。

　　而工程中采用的大表面面積曝氣，在池底表面產(chǎn)生的氣泡是均勻的，這樣可以降低單位面積的池中曝氣量，同時(shí)由于產(chǎn)生的氣泡細(xì)小且密集，氣泡上升速度減小，延長(zhǎng)了與水接觸的時(shí)間(約是傳統(tǒng)曝氣的3～4倍)，另一方面，氣泡粒徑減小，增大了氣泡與水的接觸面積，有利于增加氧的傳遞效率。因此，采用大表面面積的軟管微孔曝氣，動(dòng)力效率大大提高，可達(dá)到4 kg O2/kWh或更高，氧的利用率(EA)高達(dá)35%～60%。

　　(3)加速氧的直接利用。采用曝氣軟管曝氣時(shí)產(chǎn)生的氣泡極其細(xì)小，氣泡直徑僅為10～30μm，這些氣泡絕大多數(shù)直接附著在活性污泥上，實(shí)現(xiàn)了泥、水之間良好有效的微混合，加速了微生物體對(duì)氣泡中氧氣的直接利用。

　　曝氣軟管的安裝也非常簡(jiǎn)單，通過(guò)活結(jié)頭與主空氣管連接，在池底的敷設(shè)則通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的拉環(huán)和牽引繩來(lái)完成，這種安裝方式可以在不停車的情況下對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)問題的曝氣管進(jìn)行更換。

　　2.5新型推流技術(shù)

　　該廠項(xiàng)目采用的推流技術(shù)也具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，在一體化氧化溝空氣提升區(qū)的底部設(shè)有空氣提升裝置，通過(guò)鼓入空氣形成提升區(qū)內(nèi)外液體密度差和液位差，導(dǎo)致空氣提升區(qū)液位的抬高，從而實(shí)現(xiàn)氧化溝的推流。

　　采用空氣提升形成氧化溝推流的動(dòng)能消耗較小，通常不到氧化溝動(dòng)能消耗的5%，以該廠項(xiàng)目為例，規(guī)模2.5×104 m3/d，如回流比為20，每秒的推流水量約6 m3，采用空氣提升形成推流的能消耗不到7.5 kW，而傳統(tǒng)氧化溝工藝要形成推流，動(dòng)能消耗至少在45 kW以上。主要原因在于改良型一體化氧化溝和傳統(tǒng)氧化溝工藝的工況不同，在傳統(tǒng)氧化溝工藝中，推流的動(dòng)能消耗主要用于保持溝內(nèi)活性污泥的懸浮，避免污泥在溝底沉積，而改良型一體化氧化溝，由于其獨(dú)特的曝氣方式，活性污泥始終能保持懸浮狀態(tài)，除澄清裝置下方要求一定的流速外，其它地方對(duì)流速并無(wú)要求，其推流的作用是保證混合液回流，通過(guò)調(diào)節(jié)回流

　　比對(duì)進(jìn)水進(jìn)行稀釋，使曝氣池進(jìn)水端的負(fù)荷降低，整個(gè)曝氣池的有機(jī)物濃度梯度差保持在較小范圍，COD負(fù)荷也幾乎平均一致，使得微生物生長(zhǎng)的環(huán)境穩(wěn)定，有利于微生物的生長(zhǎng)及有機(jī)物的降解。

　　3結(jié)語(yǔ)

　　從各方面的分析比較可以得知該廠項(xiàng)目的節(jié)能特點(diǎn)：

　　(1)工程采用新型微孔軟管曝氣技術(shù)，為大表面面積微孔曝氣，可以保證氣泡在池體的均勻分布，產(chǎn)生的氣泡細(xì)小且密集，大大增加氧的傳遞效率，動(dòng)力效率(Ep)高達(dá)4 kg O2/kWh以上，氧的利用率(EA)高達(dá)35%～60%，有效減少鼓風(fēng)量和運(yùn)行能耗;

　　(2)微孔軟管曝氣技術(shù)的使用，使低溶氧技術(shù)、同時(shí)硝化/反硝化技術(shù)得以實(shí)施，低溶氧環(huán)境下馴化的活性污泥絮體可以直接攝取細(xì)小氣泡中的氧氣進(jìn)行代謝，對(duì)氧濃度的需求較其它活性污泥法要低得多，可以降低單位面積的池中曝氣量，另一方面，氧傳遞作用是在氧虧條件下進(jìn)行的，可以提高氧的傳遞效率。同時(shí)，由于生物池中溶解氧較低，氨氮在硝化過(guò)程中大部分生成亞硝酸鹽，可以被反硝化菌群直接利用進(jìn)行反硝化脫氮，提高反硝化速率和脫氮效率;

　　(3)工程中應(yīng)用一體化技術(shù)，在沉淀區(qū)用快速澄清裝置(斜管)取代二沉池，實(shí)現(xiàn)了污泥無(wú)泵自動(dòng)回流，省去機(jī)械回流，從而降低運(yùn)行能耗。此外，工程利用空氣提升裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)溝內(nèi)大比例混合液回流，大大降低用于推流的動(dòng)力消耗。

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