鄧榮森，俞天明，王濤，肖海文?
(重慶建筑大學(xué)城市建筑學(xué)院，重慶 400045)

　　摘 要： 以成都城北污水處理廠為例，對(duì)合建式一體化氧化溝作了簡(jiǎn)單介紹，從實(shí)際工程角度對(duì)其節(jié)能特點(diǎn)作了分析，指出其之所以節(jié)能主要在于實(shí)現(xiàn)了污泥自動(dòng)回流、水力內(nèi)回流及優(yōu)化運(yùn)行的管理方式。?
　　關(guān)鍵詞：合建式一體化氧化溝；節(jié)能；污泥自動(dòng)回流；水力內(nèi) 回流?
　　中圖分類號(hào)：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)10-0044-03

　　到2010年，我國(guó)城市污水治理率將從目前的不到10%提高到40%，這個(gè)任務(wù)非常艱巨，而資金緊缺則會(huì)是面臨的首要問(wèn)題。因此，選擇并推廣一些適合中小城市、具有高效、節(jié)能、投入低而且可靠的污水處理新技術(shù)有著巨大的現(xiàn)實(shí)意義。近幾年發(fā)展較快的一體化氧化溝技術(shù)對(duì)解決上述問(wèn)題有針對(duì)性，其較多的經(jīng)濟(jì)和節(jié)能特點(diǎn)是該技術(shù)得以廣泛推廣的基礎(chǔ)。目前應(yīng)用該技術(shù)在國(guó)內(nèi)興建的污水處理廠已超過(guò)10余座，現(xiàn)以四川省示范工程——成都城北污水處理廠為例，闡述該技術(shù)在節(jié)能方面的特點(diǎn)。?

1　城北污水廠概況

　　城北污水處理廠的工藝流程如圖1。?

　　該污水廠設(shè)計(jì)處理水量為1×10⁴m³/d，考慮N、P的去除，在氧化溝前段設(shè)置缺氧段和厭氧段，設(shè)計(jì)停留時(shí)間為15 h，其中缺氧段為2 h，厭氧段為1 h。氧化溝的總有效容積為5 953m³，有效水深為4.5 m，溝寬為10.5 m。設(shè)計(jì)污泥濃度MLSS=3000 mg/L，污泥負(fù)荷為0.1kgBOD₅/(kgMLSS·d)。該污水廠實(shí)現(xiàn)整套設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，主要設(shè)備包括：D＝1000mm，L＝9000 mm的轉(zhuǎn)刷2臺(tái)，配用電機(jī)的功率為45 kW；7.5 kW的水下推進(jìn)器2臺(tái)，設(shè)置于主溝，2.2 kW的1臺(tái)，設(shè)置于缺氧段，0.75 kW的2臺(tái)，缺氧段和厭氧段各1臺(tái)。經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：投資為761.46 元/m³，運(yùn)行費(fèi)用為0.2 元/m³。
　　設(shè)計(jì)進(jìn)水BOD為100～150 mg/L，COD為200～300 mg/L，SS為250 mg/L。設(shè)計(jì)出水水質(zhì)達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)、出水水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1　污水廠進(jìn)、出水水質(zhì)　　mg/L? 項(xiàng)目 COD BOD SS NH₃-N TN 進(jìn)水 77.9～578 55～153 22～541 13～27.8 18 ～30.7 進(jìn)水平均值 197.4 73.2 123.1 20 23.4 出水 26.0～46.0 9.2～20.6 3.0～21.0 0.8～2.3 3.1～12.4 出水平均值 33.6 15.4 13.1 1.5 6.9

　　該廠出水TP指標(biāo)未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)(0.5mg/L)，主要是由于進(jìn)水有機(jī)物濃度 較低及運(yùn)行調(diào)試期間未正常排泥所致。目前總磷去除率可達(dá)70%左右，若排泥正常則去除率更高。?

2　節(jié)能特點(diǎn)及機(jī)理

2.1　固液分離和污泥無(wú)泵自動(dòng)回流
　　一體化氧化溝比常規(guī)活性污泥法具有節(jié)能優(yōu)勢(shì)，其首要特點(diǎn)在于用固液分離器取代了傳統(tǒng)的二沉池，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了污泥無(wú)泵自動(dòng)回流。?
　　固液分離器的設(shè)計(jì)表面負(fù)荷一般為50～65m³/(m²·d)，該值是傳統(tǒng)二沉池設(shè)計(jì)的1.5～2倍。成都城北污水處理廠的固液分離器采用側(cè)溝式和中心島式(尚未啟用)，在固液分離的 同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥自動(dòng)回流，省卻了一道機(jī)械回流，從而大大降低了運(yùn)行能耗。傳統(tǒng)的氧化溝法須設(shè)污泥回流系統(tǒng)，以MLSS=4000mg/L，SVI=150設(shè)計(jì)，就需100%的回流比，該回流比需設(shè)置NWL240—8立式污泥泵2臺(tái)，運(yùn)行功率為22 kW，電耗增加約0.053 (kW·h)/m³。而實(shí)現(xiàn)污泥自動(dòng)回流，則節(jié)能可達(dá)15%左右。?
　　固液分離及回流機(jī)理見(jiàn)圖2。?

　　主溝內(nèi)混合液在流經(jīng)組件進(jìn)入分離器內(nèi)部時(shí)，由于特殊的分離器組件結(jié)構(gòu)和水力條件，流動(dòng)方向發(fā)生了多次變化，客觀上消耗了液流的能量，為固液分離打下了基礎(chǔ)。分離后的污泥通過(guò)絮凝，體積變得越來(lái)越大，在其沉降過(guò)程中，不斷受到從主溝進(jìn)入到分離器內(nèi)的液流向上的沖擊，形成污泥反沖。當(dāng)這一沖擊作用與污泥的重力持平時(shí)，污泥便懸浮在分離器中，保持動(dòng)態(tài)靜止，形成一懸浮污泥層。當(dāng)混合液由下而上通過(guò)懸浮層時(shí)，混合液中的污泥便被懸浮污泥“網(wǎng)捕”下來(lái)，這就比傳統(tǒng)二沉池單靠靜沉作用多了一重作用。?
　　在分離器底部，混合液受到組件下側(cè)板的反力作用，該力可分解組件下側(cè)板流動(dòng)的兩束流——上向流和下向流，因流速差的存在形成壓力差，該壓力差就直接導(dǎo)致了污泥自動(dòng)回流。成 都城北污水廠一年多的運(yùn)行情況表明，只要保證固液分離器底部的推動(dòng)力并及時(shí)排泥，就能 保證穩(wěn)定的分離及回流效果。?
2.2　水力內(nèi)回流
　　合建式一體化氧化溝其節(jié)能之處不僅在于曝氣/沉淀一體化，實(shí)現(xiàn)了污泥無(wú)泵自動(dòng)回流(見(jiàn)圖3中的a)，還在于直接將缺氧區(qū)和好氧區(qū)共壁合建實(shí)現(xiàn)了水力內(nèi)回流。該設(shè)計(jì)的獨(dú)到之處在于硝化液是通過(guò)好氧區(qū)的循環(huán)流動(dòng)直接流至缺氧區(qū)，與厭氧池中的出水混合后進(jìn)行反硝化反應(yīng)的，這樣就再次省卻了一道機(jī)械內(nèi)回流，并充分利用了一體化氧化溝的能量分區(qū)及水 力分布特點(diǎn)(見(jiàn)圖3中的b)。?

　　固液分離器和轉(zhuǎn)刷分別位于氧化溝的兩側(cè)，氧化溝在本質(zhì)上屬于延時(shí)曝氣，污泥負(fù)荷很低，曝氣池內(nèi)氧利用率高，使好氧段溶解氧濃度只要達(dá)到1.5～2.0 mg/L就能較好地去除BOD 及進(jìn)行硝化反應(yīng)。而在分離器底部及缺氧區(qū)內(nèi)回流進(jìn)口處——為好氧段的溶解氧最低處，經(jīng)測(cè)定只有0.6 mg/L左右，實(shí)際上已經(jīng)處于缺氧階段(可稱為預(yù)缺氧段)，并進(jìn)行著小規(guī)模的反硝化反應(yīng)。其回流比的大小對(duì)缺氧區(qū)溶解氧濃度影響不大，而氧化溝的完全混合加循環(huán)推流 的獨(dú)特水力特征，保證了在不用外加能量的情況下保持300%～600%的回流比。而一般A2/O 法為取得良好的脫氮效果，通常要求有200%～500%的高回流比。以設(shè)計(jì)r=200%，Q= 1×10⁴m³/d的機(jī)械內(nèi)回流系統(tǒng)為例，需設(shè)置WQ80—12—45潛污泵1臺(tái)，運(yùn)行功率為45 kW，意味著電耗增加0.108 (kW·h)/m³，而且高回流比往往會(huì)使缺氧段溶解氧濃度升高而影響脫氮效果。相比之下，一體化氧化溝的內(nèi)回流就具有節(jié)省能耗及控制簡(jiǎn)單兩方面的優(yōu)勢(shì) ，僅水力內(nèi)回流就可節(jié)能近30%。
　　當(dāng)原水流經(jīng)厭氧池后，可快速降解有機(jī)物濃度大大增加，其出水與水力內(nèi)回流的硝化液混合(經(jīng)測(cè)定在混合處的COD/TN≥7.2)，即充足的碳源、理想的DO條件及高回流比的硝化液使反硝化反應(yīng)進(jìn)行得非常徹底。反應(yīng)的結(jié)果是NO₃^-作為電子受體代替溶解氧 去除大量的有機(jī)物質(zhì)，使整個(gè)系統(tǒng)耗氧量可節(jié)省近1/3，從而進(jìn)一步降低了運(yùn)行費(fèi)用。?
　　此外，缺氧段反硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行，也為厭氧池磷的釋放打下了基礎(chǔ)，因?yàn)閰捬醭睾孜勰嗍菑娜毖鯀^(qū)回流的(見(jiàn)圖3中的c)，該回流液中NO₃^-含量越低，釋磷就越充分。?
　　合建式氧化溝實(shí)現(xiàn)了：①將不同功能的反應(yīng)器以功能分區(qū)的形式融合在同一空間中，免去了頻繁的空間調(diào)配；②結(jié)合設(shè)備配置，做到各功能區(qū)優(yōu)化和能量投入可調(diào)；③利用水力內(nèi)回流而省卻了機(jī)械回流措施。?
2.3　合理配置設(shè)備和優(yōu)化運(yùn)行模式
　　曝氣轉(zhuǎn)刷與水下推進(jìn)器的合理配置，不僅能解決氧化溝溝深加大的問(wèn)題，而且為節(jié)能運(yùn)行提供了基礎(chǔ)。水下推進(jìn)器的配置使轉(zhuǎn)刷從眾多的功能中獨(dú)立出來(lái)，以充氧功能為主，而混合推 動(dòng)則由水下推進(jìn)器來(lái)承擔(dān)，轉(zhuǎn)刷可根據(jù)不同目的靈活應(yīng)用。試驗(yàn)表明，僅水下推進(jìn)器單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，溝中的流速分布與轉(zhuǎn)刷單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)相反；兩臺(tái)轉(zhuǎn)刷同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，氧化溝底部有積泥產(chǎn)生；而當(dāng)1臺(tái)轉(zhuǎn)刷和主溝的兩臺(tái)水下推進(jìn)器同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，混合推動(dòng)效果非常好且無(wú)沉泥現(xiàn)象，這 說(shuō)明曝氣轉(zhuǎn)刷和水下推進(jìn)器具有很大的互補(bǔ)性。?
　　從水力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，側(cè)溝式一體化氧化溝比船式、BMTS等氧化溝的水頭損失更小，流態(tài)更好。城北污水廠的主溝有效水深達(dá)4.5 m，單獨(dú)使用轉(zhuǎn)刷則混合推動(dòng)得不到保證，而水下推 進(jìn)器的設(shè)計(jì)功率僅為4W/m³左右，它與轉(zhuǎn)刷的合理配置達(dá)到了充氧混合和循環(huán)流動(dòng)的目的，使運(yùn)行能耗得到了降低。
　　為進(jìn)一步降低能耗，城北污水廠在日常還采取了優(yōu)化運(yùn)行的模式，即采取連續(xù)流間歇曝氣。該方式是讓曝氣轉(zhuǎn)刷周期性開(kāi)啟，根據(jù)需要的溶解氧濃度調(diào)整周期，而水下推進(jìn)器保持連續(xù)運(yùn)行?，F(xiàn)在該污水廠最常用的運(yùn)行方式是保持1臺(tái)轉(zhuǎn)刷長(zhǎng)期運(yùn)行，另1臺(tái)以2 h為周期間歇運(yùn)行。這種運(yùn)行方式加快了好氧/缺氧的交替頻率，有利于整個(gè)系統(tǒng)的脫氮除磷。與連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)曝氣相比，其對(duì)COD與SS的處理效果略有下降，但均在達(dá)標(biāo)范圍之內(nèi)，即NO₃^-N基本不變，而TN和TP的去除效果均優(yōu)于連續(xù)曝氣。這主要是因?yàn)橄到y(tǒng)的間歇運(yùn)行能充分利用氧化溝中的內(nèi)源代謝產(chǎn)物，進(jìn)行預(yù)缺氧反硝化，脫除部分NO₃^-N，使前置缺氧段內(nèi)的C/N提高，從而維持較高的反硝化速率。其次，間歇運(yùn)行還能使溝中溶解氧的利用率得到提高，這是因?yàn)檠趸瘻鲜茄訒r(shí)曝氣活性污泥系統(tǒng)，BOD負(fù)荷大大低于普通活性污泥法，活性污泥的能量水平低，故即使DO濃度值較低(低于2mg/L)，也可使活性污泥絮體處于好氧狀態(tài)。另外，間歇曝氣的運(yùn)行方式還可使系統(tǒng)內(nèi)氧轉(zhuǎn)移速率增大，氧利用率高則為系統(tǒng) 節(jié)能創(chuàng)造了條件。在達(dá)到同種處理要求的條件下，間歇曝氣比連續(xù)曝氣節(jié)能達(dá)22%左右， 兩種運(yùn)行方式的能耗比較見(jiàn)表2。

表2　兩種運(yùn)行方式能耗比較 項(xiàng)目 Q(m³/d) 總電耗(kW·h) 噸水電耗(kW·h)/m³ 連續(xù)進(jìn)水連續(xù)曝氣 11100 2727 0.248 10500 2604 0.248 11500 3143 0.273 7500 1900 0.253 8000 2120 0.265 12000 3120 0.260 1500 3360 0.269 平均 10442 2710 0.260 間歇進(jìn)水間歇曝氣 9800 1960 0.200 10200 2000 0.196 12500 2467 0.197 7800 1440 0.185 10800 2114 0.196 11800 2439 0.207 11500 2177 0.189 平均 10629 2085 0.196

3　 結(jié)論

　?、俸辖ㄊ揭惑w化氧化溝工藝節(jié)能之處在于成功實(shí)現(xiàn)了固液分離和無(wú)泵污泥自動(dòng)回流,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了水力內(nèi)回流,從而省卻了兩道機(jī)械回流系統(tǒng)。?
　　②設(shè)備的合理配置和優(yōu)化的運(yùn)行管理模式也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的一種重要手段。?
　?、墼摴に囈蚱渚薮蟮墓?jié)能優(yōu)勢(shì)及技術(shù)特點(diǎn),在中小城市的污水治理中有良好的推廣及應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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　　收稿日期：2001-07-02