微孔曝氣氧化溝工藝在城市污水處理中的應(yīng)用分析

韓春柳，王占東

(滄州市供水排水集團(tuán)有限公司，河北 滄州 061000)

傳統(tǒng)氧化溝工藝是通過調(diào)節(jié)曝氣的強(qiáng)度和水流方式，使污水在流動過程中經(jīng)歷厭氧、缺氧、好氧環(huán)境，達(dá)到能同時(shí)去除有機(jī)物和脫氮除磷的目的。滄州市運(yùn)東污水處理廠為了克服傳統(tǒng)氧化溝表面曝氣設(shè)備傳氧效率低、池深淺、投資大等缺點(diǎn)，對傳統(tǒng)氧化溝工藝的曝氣設(shè)備、池體等進(jìn)行了改造，將曝氣設(shè)備改為可提升微孔曝氣器，形成微孔曝氣氧化溝工藝。其工藝由厭氧池和氧化溝組成，其中厭氧池包括回流污泥反硝化池(即預(yù)缺氧區(qū))、生物除磷池(即厭氧區(qū))和氧化溝硝化液回流反硝化池(即缺氧區(qū))。

1 微孔曝氣氧化溝工藝流程特征

1.1 污水處理廠工藝流程

滄州市運(yùn)東污水處理廠2004年建成，其工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程示意圖

污水首先經(jīng)粗格柵去除漂浮物，然后自流進(jìn)入提升泵房，經(jīng)污水泵提升至細(xì)格柵，再次去除雜物后污水進(jìn)入旋流沉砂池進(jìn)行砂水分離；旋流沉砂池的出水進(jìn)入?yún)捬醭赜蓴嚢杵鲗⑽鬯突亓魑勰嗷旌虾筮M(jìn)行厭氧處理，目的是去除污水中的磷；然后污水自流進(jìn)入微孔曝氣氧化溝，微孔曝氣器與水下推進(jìn)器結(jié)合，對污水進(jìn)行交替的好養(yǎng)與缺氧處理，去除污水中的BOD、氮、磷等污染物；處理后的混合液在終沉池進(jìn)行固液分離，上清液進(jìn)入接觸池進(jìn)行消毒處理，出水可直接排放或回用。

滄州市運(yùn)東污水處理廠的設(shè)計(jì)規(guī)模為10×104m3/d，所處理的污水為工業(yè)廢水和生活污水，且工業(yè)污水所占比例較大，其設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)如表1所示。該污水處理廠30%的出水作為中水回用供給滄州華潤熱電有限公司，70%的出水直接排入滄浪渠并最終匯入渤海灣。根據(jù)地表水功能區(qū)劃，滄浪渠為Ⅴ類水體，故滄州市運(yùn)東污水處理廠的出水水質(zhì)必須達(dá)到國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)的一級B標(biāo)準(zhǔn)。

表1 滄州運(yùn)東污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)

1.2 微孔曝氣氧化溝工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

滄州市運(yùn)東污水處理廠處理工藝的核心是微孔曝氣氧化溝工藝，包括厭氧池和氧化溝，其中厭氧池包括預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)。微孔曝氣氧化溝的工藝流程見圖2。

圖2 微孔曝氣氧化溝工藝流程示意圖

在微孔曝氣氧化溝工藝中厭氧池和氧化溝各分2組。

每組厭氧池中設(shè)2條溝，池體總尺寸為51.5 m×44.0 m×6.0 m，每條溝內(nèi)設(shè)4臺潛水?dāng)嚢杵?，功率?0 kW，以防止污泥沉淀并使泥水充分混合接觸。在厭氧池中，預(yù)缺氧區(qū)水力停留時(shí)間為1.5 h，有效容積為1 500 m3；厭氧區(qū)水力停留時(shí)間為2.8 h，有效容積3 000 m3；缺氧區(qū)水力停留時(shí)間為2.2 h，有效容積為2 250 m3。

每組氧化溝中并排設(shè)4條溝，總寬44.0 m，溝長72.0 m，有效水深6.0 m。每條溝內(nèi)裝有920個(gè)可提升曝氣管，曝氣管曝氣量為6.7m3/h。每條溝內(nèi)設(shè)有低速潛水?dāng)嚢杵?臺，功率為4.3 kW，可保證溝內(nèi)流速，防止污泥沉淀并起混合作用。氧化溝各主要設(shè)計(jì)參數(shù)：水力停留時(shí)間為8.64 h；污泥齡為11.3 d；活性污泥負(fù)荷率(BO D/M LSS)為0.11 kg/(kg?d)；BOD的容積負(fù)荷率0.44 kg/(m3?d)；混合液濃度為4 000 mg/L。為了降低氧化溝出水中硝態(tài)氮的濃度，每條溝內(nèi)增設(shè)硝化液回流泵井1座，配套回流泵功率為22 kW，額定流量為1 250 m3/h，回流比為120%。微孔曝氣氧化溝采用池底曝氣管曝氣，由羅茨鼓風(fēng)機(jī)供氣，鼓風(fēng)機(jī)4用1備，功率為280 kW。

1.3 微孔曝氣氧化溝工藝功能

1.3.1 預(yù)缺氧區(qū)

在生化處理工藝中，為了維持生化處理系統(tǒng)的污泥量，需將終沉池的部分污泥回流到預(yù)缺氧區(qū)始端，但由于終沉池回流污泥中含有較高濃度的NO3，會破壞厭氧區(qū)內(nèi)的厭氧環(huán)境，導(dǎo)致生物除磷效率降低，因此，為了避免這一不利因素，確保生物除磷效果，在厭氧池之前設(shè)置預(yù)缺氧區(qū)，進(jìn)行預(yù)先反硝化，將終沉池回流污泥中的N O3 還原為N2和O2。由此可見，增設(shè)預(yù)缺氧區(qū)的目的是為了在生化處理工藝中，盡可能獲得較高的生物除磷效率，使厭氧池內(nèi)保持一個(gè)嚴(yán)格的缺氧狀態(tài)，即DO≈0，NOx≈0。

1.3.2 厭氧區(qū)

增設(shè)厭氧區(qū)的主要功能是為生物除磷，其原理是：在嚴(yán)格的厭氧條件下，污水中聚磷菌體內(nèi)的ATP進(jìn)行水解并釋放出H3 PO4和能量，在后續(xù)的氧化溝好氧條件下，聚磷菌進(jìn)行有氧呼吸，能過量地?cái)z取水中磷，形成高磷污泥，在終沉池以剩余污泥的形式排出，從而達(dá)到生物除磷的效果。

1.3.3 缺氧區(qū)

增設(shè)缺氧區(qū)的功能是進(jìn)行反硝化，去除水中硝態(tài)氮。原因是原水氨氮濃度較高，達(dá)50 mg/L，為了達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，需要在氧化溝內(nèi)進(jìn)行相當(dāng)程度的硝化反應(yīng)，因此，氧化溝出水中含有較高濃度水平的硝態(tài)氮，容易在終沉池產(chǎn)生反硝化反應(yīng)，導(dǎo)致污泥上浮，出水水質(zhì)惡化，同時(shí)會影響到回用水處理系統(tǒng)。為了降低硝態(tài)氮，將氧化溝硝化液通過內(nèi)回流泵回流至該區(qū)，進(jìn)行反硝化，去除水中硝態(tài)氮。

1.3.4 微孔曝氣氧化溝

微孔曝氣氧化溝是在普通氧化溝的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的一種新形式。將普通曝氣池內(nèi)的表面曝氣裝置改進(jìn)成深層微孔曝氣裝置，不僅增加了氧化溝的深度，而且有效的克服了傳統(tǒng)氧化溝由于表面曝氣導(dǎo)致冬季水溫下降很多，降低硝化-反硝化反應(yīng)速度而影響處理效果的弊端。同時(shí)由于采用深層微孔曝氣不僅提高了氧轉(zhuǎn)移效率，可大幅度降低能耗，而且解決了傳統(tǒng)氧化溝占地面積大及污泥易淤積的問題。

在微孔曝氣氧化溝內(nèi)設(shè)置2組管式微孔曝氣器，鼓風(fēng)機(jī)供氣，水下推進(jìn)器推動溝內(nèi)水流循環(huán)，使該段形成穩(wěn)定的好養(yǎng)菌群?；旌弦航?jīng)曝氣充氧后，污水中氨態(tài)氮發(fā)生硝化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，從而降低出水中氨氮濃度。另外，經(jīng)硝化液內(nèi)回流泵提升至前端單獨(dú)設(shè)置的氧化溝硝化液回流反硝化池，進(jìn)入缺氧狀態(tài)，硝化液與污水原水混合，原水中富含的BOD作為碳源，驅(qū)動反硝化反應(yīng)過程。在此過程中，硝酸鹽氧化部分BOD，同時(shí)自身被還原，生成氮?dú)馍⒁萦诳諝庵小?/p>

2 運(yùn)行效果與工藝改進(jìn)

2.1 運(yùn)行效果

該污水廠占地為8.67hm2(包含三級處理部分)，廠區(qū)總投資2.2億元，單位水量運(yùn)營成本0.32元/m3。

通過8年來的運(yùn)行，微孔曝氣氧化溝工藝二級處理具有較好的有機(jī)物去除、同步脫氮除磷作用，其處理效果見表2。

表2 微孔曝氣氧化溝工藝進(jìn)、出水水質(zhì)

由表2中每年出水水質(zhì)數(shù)據(jù)看出，滄州運(yùn)東污水處理廠的微孔曝氣氧化溝工藝的效果非常好，出水水質(zhì)達(dá)到了一級B排放標(biāo)準(zhǔn)。自2007年12月至今，出水一直供給滄州華潤熱電有限公司利用。

2.2 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與改進(jìn)提高

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中日常監(jiān)測的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，滄州市運(yùn)東污水處理廠進(jìn)水水量沒有達(dá)到設(shè)計(jì)水量，排水管網(wǎng)是雨污合流制，且工業(yè)污水多于生活污水，由此造成水質(zhì)很不穩(wěn)定，進(jìn)水BOD值低于設(shè)計(jì)值，COD值高于設(shè)計(jì)值。實(shí)踐表明，微孔曝氣氧化溝工藝完全適應(yīng)此種負(fù)荷不穩(wěn)定的不利情況，在運(yùn)行中只要通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量、回流污泥量和回流比等工藝參數(shù)，使DO控制在2～5mg/L，污泥濃度控制在4 500～6 500mg/L，回流比控制在80%～120%，均可使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

為適應(yīng)進(jìn)水負(fù)荷的不穩(wěn)定，本廠鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)置方案采用并聯(lián)方式，由同一管路分別給4個(gè)氧化溝供氣，同時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)采用變頻與工頻結(jié)合的控制方式，這樣就解決了因進(jìn)水量不足而出現(xiàn)“大馬拉小車”的能源浪費(fèi)問題。

但是，通過運(yùn)行監(jiān)測結(jié)果也曾發(fā)現(xiàn)微孔曝氣氧化溝工藝中總氮去除效果不是很好。通過分析研究，發(fā)現(xiàn)總氮去除效果不理想的原因主要是內(nèi)回流比例太大，很難形成缺氧環(huán)境，影響了反硝化去除總氮的效果。為此，改進(jìn)了內(nèi)回流控制系統(tǒng)，由工頻控制改為了變頻控制，同時(shí)，將內(nèi)回流管道延伸至預(yù)缺氧區(qū)，使之形成由高到低的污泥濃度梯度，強(qiáng)化了除磷脫氮效果，提高了出水水質(zhì)。

3 微孔曝氣氧化溝工藝的優(yōu)勢

3.1 脫氮效果好

該微孔曝氣氧化溝將缺氧池單獨(dú)設(shè)置，一直維持其缺氧狀態(tài)，利于反硝化菌的生長，從而提高反硝化速率，脫氮效果好。另外，氧化溝硝化液回流至反硝化池內(nèi)，硝化液與進(jìn)水充分混合，由進(jìn)水提供充足的碳源，在此條件下，使得反硝化反應(yīng)進(jìn)行的很徹底，從而提高了系統(tǒng)的脫氮效果，避免了反硝化碳源不足的缺點(diǎn)。雖然在微孔曝氣氧化溝增設(shè)了內(nèi)回流系統(tǒng)，但由于回流泵的揚(yáng)程不高，故所增加的能耗并不多。

3.2 除磷效果好

該微孔曝氣氧化溝單獨(dú)設(shè)置了厭氧池，能使聚磷菌在厭氧條件下利用進(jìn)水中豐富的可快速降解的有機(jī)物完成磷的釋放。一般而言，為減小硝態(tài)氮對釋磷效果的影響，應(yīng)盡量減少回流污泥中硝態(tài)氮的濃度。考慮到本污水廠進(jìn)水中氨氮濃度較高，出水指標(biāo)只控制氨氮濃度，不控制總氮，若為減小硝態(tài)氮對釋磷效果的影響，而降低出水中的硝酸鹽濃度，完全沒有必要，因此，考慮在厭氧池前端設(shè)置回流污泥反硝化池(預(yù)缺氧區(qū))，利用進(jìn)水中的有機(jī)物和內(nèi)源代謝產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)回流污泥的反硝化脫氮，以此降低硝酸鹽濃度。然后預(yù)缺氧區(qū)的出水進(jìn)入生物除磷池(厭氧區(qū))，進(jìn)行厭氧釋磷，以此降低對釋磷菌的影響，從而利于在好氧條件下過剩的吸收污水中的磷，完成除磷功能。

在常規(guī)低負(fù)荷生物處理系統(tǒng)中，污泥的含磷量一般都很高，需要進(jìn)一步消化穩(wěn)定，在消化穩(wěn)定過程中將所吸收的磷釋放出來。而在該氧化溝系統(tǒng)中，所產(chǎn)生的污泥已經(jīng)穩(wěn)定，不需要進(jìn)一步的消化，這就意味著磷與污泥一同被排除系統(tǒng)之外。在單純采用生物除磷的情況下，該系統(tǒng)出水中磷的含量可降至1 mg/L。

3.3 污泥沉降性能好

該微孔曝氣氧化溝系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置了厭氧池，不但能保證聚磷菌的磷釋放，而且以高BOD負(fù)荷的厭氧環(huán)境抑制絲狀菌繁殖，有效的防止了污泥膨脹現(xiàn)象。并且，氧化溝的推流特征使得經(jīng)過曝氣的污水在出流時(shí)形成良好的混合液生物絮凝體，有利于污泥的沉淀。

3.4 抗沖擊性能強(qiáng)

該微孔曝氣氧化溝工藝因其水力停留時(shí)間和污泥泥齡較長，具有溝中泥水不斷混合循環(huán)流動的特點(diǎn)，對進(jìn)水水量、水質(zhì)的變化波動有較大的適應(yīng)性，能承受沖擊負(fù)荷，而不影響處理效果。當(dāng)處理高濃度工業(yè)廢水時(shí)，進(jìn)水能得到較大程度的稀釋，可減弱工業(yè)廢水中某些物質(zhì)對污泥細(xì)菌活性的抑制作用。

3.5 系統(tǒng)能耗低

一般而言，污水處理廠的用電能耗大部分集中在氧化溝上。該微孔曝氣氧化溝的曝氣設(shè)備為管式微孔曝氣器，氧的利用率達(dá)30%，較機(jī)械曝氣，可大大節(jié)約能耗。鼓風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速，通過設(shè)置在氧化溝內(nèi)的溶氧儀及可編程控制器(PLC)進(jìn)行控制，可根據(jù)進(jìn)水水量、水質(zhì)的波動控制鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，使曝氣過程中氧的利用率達(dá)到最高，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

3.6 安全可靠，維修方便

可提升的微孔曝氣器采用德國進(jìn)口的橡膠膜盤曝氣器，曝氣頭的自閉孔眼帶氣張開、停氣關(guān)閉，避免了混合液倒灌，減少了維修工作量，同時(shí)曝氣頭裝有提升裝置，便于維修，保障了整個(gè)工藝運(yùn)行的安全可靠性。

4 結(jié)語

微孔曝氣氧化溝工藝在滄州市運(yùn)東污水處理廠得到了成功應(yīng)用，通過近8年的運(yùn)行結(jié)果表明，此工藝與傳統(tǒng)的氧化溝工藝相比具有多方面的優(yōu)勢，對城鎮(zhèn)大、中、小型污水廠都能適用。

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