黑臭水體治理智能水質(zhì)凈化設(shè)備設(shè)計及運行分析*

林佩斌，尹 娟，郜銀梁，王 瀾，許 洋，張 揚

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518011)

2015年國務(wù)院發(fā)布的《水污染防治行動計劃》對黑臭水體問題提出明確要求，到2020年，我國地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)；到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除。治理城市黑臭水體、恢復(fù)水體生態(tài)環(huán)境已迫在眉睫。深圳市強力推進治水提質(zhì)攻堅戰(zhàn)，要求2019年底前，全面消除全市所有黑臭水體；2020年，全市所有水體實現(xiàn)長治久清。

20世紀90年代，日本小島昭教授將碳纖維置于活性污泥中，發(fā)現(xiàn)其能吸附大量的微生物[1]，碳纖維由此開始應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域。目前國內(nèi)對碳纖維技術(shù)的研究主要集中在掛膜速度及生物量[2]、組合工藝[3-4]、優(yōu)化工藝參數(shù)[5]、不同填料類型對污染物的處理效果[6]等方面。此外，碳纖維也應(yīng)用于河道、湖庫等自然水體中。姚理為等[7]利用碳纖維處理北京朝陽區(qū)清河河水，結(jié)果表明碳纖維生物膜對富營養(yǎng)化水體藻類的增殖有明顯的抑制作用。李蘭等[8]利用改性后的碳纖維處理武漢東湖水體，結(jié)果顯示經(jīng)過4 d的凈水處理，水質(zhì)從劣Ⅴ類上升為Ⅳ類。成豪[9]利用碳素纖維生態(tài)草對小型封閉地表水進行凈化處理，結(jié)果表明碳素纖維生態(tài)草對水質(zhì)有一定的改善和保持作用，COD去除率達71%。近幾年，碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域已從市政生活污水推廣至河道、湖泊和小微水體，但碳纖維作為模塊化應(yīng)用于黑臭水體治理的研究還鮮有報道。

本文采用模塊化碳纖維與曝氣技術(shù)聯(lián)用設(shè)計黑臭水體治理智能水質(zhì)凈化設(shè)備。該設(shè)備具有投資成本少、運行費用低、無二次污染、處理效果好、操作簡單等優(yōu)點，能夠為黑臭水體治理工作提供技術(shù)支持。

1 設(shè)計工藝流程及特點

1.1 工藝流程

黑臭水體治理智能水質(zhì)凈化設(shè)備由進水系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、遠程管理系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)等構(gòu)成。首先黑臭水體經(jīng)過進水系統(tǒng)后流入處理系統(tǒng)，經(jīng)處理后從出水系統(tǒng)排出，同時采用在線監(jiān)測設(shè)備對進水、出水和處理系統(tǒng)中的水質(zhì)指標(biāo)進行監(jiān)測，并利用遠程管理系統(tǒng)對水質(zhì)進行遠程監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集分析和預(yù)警。在黑臭水體治理智能水質(zhì)凈化設(shè)備啟動時，通過曝氣系統(tǒng)向處理系統(tǒng)中鼓入空氣，增加水體中的溶解氧濃度；當(dāng)處理系統(tǒng)中污泥濃度較高時，啟動排泥系統(tǒng)將多余的污泥排出，具體工藝流程見圖1。

圖1 黑臭水體治理智能凈化設(shè)備處理工藝流程

1.2 主要處理單元

1.2.1 進、出水系統(tǒng)

進水系統(tǒng)由潛污泵、電磁流量計、PVC管組成。通過泵將黑臭水體提升至處理系統(tǒng)中，通過PLC控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)電磁流量計來控制進水流量。潛污泵的流量為30 m3/h，揚程為10 m，功率為2.2 kw；PVC管管徑為DN65。出水系統(tǒng)由PVC管組成，管徑為DN150，設(shè)備運行過程中通過處理系統(tǒng)的出水口自流排出。

1.2.2 處理系統(tǒng)

處理系統(tǒng)由處理池、設(shè)備間、曝氣管、風(fēng)機、PLC控制系統(tǒng)等組成。主體設(shè)備材質(zhì)為防腐處理后的碳鋼，利用加強筋強化承力，內(nèi)設(shè)5格，編號分別為1#、2#、3#、4#和5#，其中1#為設(shè)備間，尺寸長×寬×高為1 m×2.7 m×3 m，主要用于放置風(fēng)機、PLC等設(shè)備；剩余4格為處理池，每格大小長×寬×高均為2 m×2.7 m×3 m，用于處理黑臭水體。

每格處理池之間過水采用對角流方式避免短流，頂部進水頂部出水，過水口尺寸為300 mm×150 mm；4格處理池底部均設(shè)有排泥口并安裝曝氣盤。每格處理池內(nèi)均放置1個碳纖維模塊，其中碳纖維密度為2.5根/m2，每根長為2 m。

1.2.3 遠程管理系統(tǒng)

遠程管理系統(tǒng)主要由在線監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備和遠程管理軟件等組成。首先通過在線監(jiān)測設(shè)備檢測設(shè)備的水質(zhì)，然后將水質(zhì)數(shù)據(jù)通過傳輸設(shè)備上傳至遠程管理軟件中，最后利用遠程管理軟件實施數(shù)據(jù)和設(shè)備的管理。遠程管理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、報警提示等功能。

在線監(jiān)測儀器包括pH、溶解氧、COD、NH3-N、TN和TP，用于監(jiān)測黑臭水體治理智能凈化設(shè)備的水質(zhì)。遠程管理軟件對上傳的實時數(shù)據(jù)進行分析，同時針對異常情況發(fā)送報警提示。

1.2.4 曝氣系統(tǒng)

曝氣系統(tǒng)由風(fēng)機、曝氣管道、變頻器、閥門等組成。每格處理池底部安裝有等量的曝氣盤，曝氣盤通過曝氣管道和閥門等連接至風(fēng)機。風(fēng)機風(fēng)量為3.76 m3/min，功率為7.5 kW，采用一用一備放置于1#設(shè)備間內(nèi)；變頻器用于調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率，控制處理池中溶解氧濃度。

1.2.5 排泥系統(tǒng)

排泥系統(tǒng)由處理池底部排泥口、排泥管、閥門組成。每格處理池底部均設(shè)有一個排泥口，直徑為DN50。定期開啟閥門將設(shè)備中污泥排出處理系統(tǒng)。

2 結(jié)果與討論

本設(shè)備于2019年11月啟動，進水為某河道應(yīng)急水質(zhì)處理站細格柵出水，進水水質(zhì)如表1所示。采用好氧池活性污泥進行掛膜，掛膜期間設(shè)備運行參數(shù)如表2所示。掛膜期間設(shè)備對COD、氨氮、總氮和總磷的去除效果如圖2所示。

表1 進水水質(zhì)

表2 設(shè)備運行參數(shù)

從圖2可以看出，投加活性污泥7 d后，出水COD濃度降至50 mg/L以下，去除率為50%～80%；9 d后氨氮濃度降至1.5 mg/L以下，去除率為95%以上；總氮濃度為25～35 mg/L，去除率為10%左右；總磷濃度降低至2 mg/L以下，去除率為60%～90%。這可能是由于在第7 d之前，異氧好氧菌生長處于適應(yīng)期和對數(shù)增長期階段；第9 d之前自養(yǎng)硝化菌生長處于適應(yīng)期和對數(shù)增長期階段，之后兩種微生物生長量均達到最大，處于穩(wěn)定期。四種污染物去除效果均趨于穩(wěn)定，說明掛膜基本完成，異氧好氧菌和自養(yǎng)硝化菌生長良好，由于設(shè)備內(nèi)未設(shè)置缺氧區(qū)，溶解氧濃度較高使反硝化菌受到抑制，導(dǎo)致出水總氮濃度較高；同時在好氧條件下，聚磷菌大量吸收水中磷，通過排泥系統(tǒng)排出，使得出水總磷濃度低于進水濃度，達到去除水體中磷的目的。

目前，關(guān)于碳纖維與曝氣組合工藝，國內(nèi)大部分學(xué)者主要集中于處理富營養(yǎng)化水體[7-8]、微污染水體[10]等營養(yǎng)物質(zhì)濃度較低水體的研究，應(yīng)用于河道應(yīng)急水質(zhì)處理站廢水處理的研究還鮮有報道。余恒等[11]采用碳纖維與曝氣組合工藝處理黑臭河水，結(jié)果表明在設(shè)備容積為500 L，處理水量為30 L/d的條件下，當(dāng)進水COD濃度為93.88 mg/L、氨氮濃度為20.7 mg/L，總磷為2.24 mg/L左右時，出水COD濃度為21 mg/L、氨氮濃度為0.2 mg/L，總磷為0.214 mg/L，經(jīng)計算，該工藝對COD、氨氮和總磷的去除負荷分別為4.37 mg/(L·d)、1.23 mg/(L·d)和0.12 mg/(L·d)。本文設(shè)計的黑臭水體治理智能水質(zhì)凈化設(shè)備處理黑臭水體，經(jīng)計算，對COD、氨氮、總氮和總磷的去除負荷分別為50～200 mg/(L·d)、22.5～36.5 mg/(L·d)、2.5～3.5 mg/(L·d)和3～9.5 mg/(L·d)，處理效果高于余恒等人的研究結(jié)果，這可能是由于兩者使用的碳纖維種類和密度不同導(dǎo)致的。

圖2 對污染物的去除效果

3 結(jié) 論

黑臭水體治理智能水質(zhì)凈化設(shè)備由進水系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、遠程管理系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)等構(gòu)成，采用模塊化碳纖維與曝氣技術(shù)組合工藝處理黑臭水體。在進水水質(zhì)波動較大的情況，進水COD、氨氮、總氮和總磷濃度分別為100～250 mg/L、24～38 mg/L、28～42 mg/L和5～11.5 mg/L，出水水質(zhì)基本穩(wěn)定，COD、氨氮和總磷濃度分別低于50 mg/L、1.5 mg/L、和2 mg/L，具有良好的抗沖擊負荷能力。由于設(shè)備內(nèi)未設(shè)置缺氧區(qū)，對總氮的去除效果較差，出水總氮濃度為20～35 mg/L。該設(shè)備對COD、氨氮、總氮和總磷四種污染物的去除負荷分別為50～200 mg/(L·d)、22.5～36.5 mg/(L·d)、2.5～3.5 mg/(L·d)和3～9.5 mg/(L·d)。該設(shè)備具有投資成本少、運行費用低、無二次污染、處理效果好、遠程管理簡便等優(yōu)點，可應(yīng)用于對總氮去除要求不高的河道、湖泊和小微水體等水體的治理。