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通信作者

孫永利

博士,正高 級工程師。主要研究方向為城市水環(huán)境治理技術(shù)與政策

更加嚴格的城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為全球水環(huán)境治理的重要手段，而充足的碳源則是實現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理廠氮磷穩(wěn)定達標(biāo)的根本保障。根據(jù)生物脫氮除磷理論，生物反硝化所需的BOD5/TN為6~7，如同期考慮污泥外排的影響，生物反硝化所需的BOD5/TN通常為5~6。


但是，我國大部分城鎮(zhèn)污水處理廠面臨著進水碳源嚴重不足的技術(shù)難題，很大程度上影響了氮磷的穩(wěn)定達標(biāo)。根據(jù)全國3 000多座城鎮(zhèn)污水處理廠的統(tǒng)計結(jié)果，BOD5/TN年均值達到5以上的不足20%，其中40%以上的污水處理廠BOD5/TN不足3，在不投加外部碳源的情況下，通常難以達到高排放標(biāo)準(zhǔn)對氮磷控制的要求，這個問題在冬季低溫地區(qū)尤為明顯。為進一步強化氮磷去除，滿足日趨嚴格的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，投加外碳源成為許多污水處理廠的無奈之舉。近年來，城鎮(zhèn)污水處理廠碳源優(yōu)化利用和內(nèi)碳源開發(fā)已經(jīng)引起了國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注，但預(yù)處理單元復(fù)氧及碳源損耗問題并沒有引起足夠重視。


研究團隊在多年的污水處理工程績效跟蹤與評價過程中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠在進水泵出口、沉砂池出口、初沉池出水堰等位置都設(shè)有跌水區(qū)域，跌水導(dǎo)致的復(fù)氧現(xiàn)象明顯；復(fù)氧后的污水在輸水渠、管道、沉砂池、初沉池等構(gòu)筑物內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的有機物消耗，進一步加劇了碳源不足問題。


01 試驗材料與方法

1.1 案例及跌水點分布

根據(jù)國內(nèi)外跌水曝氣及跌水區(qū)惡臭控制的相關(guān)研究經(jīng)驗，本文選擇太湖流域3座GB 18918-2002一級A排放標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠為研究對象，對其預(yù)處理單元主要跌水點的分布情況進行了分析，見表1。

表1 被選污水處理廠預(yù)處理單元主要跌水點跌水情況

1.2 檢測點的選擇

結(jié)合被調(diào)研城鎮(zhèn)污水處理廠預(yù)處理單元工藝的特點和潛在的溶解氧變化區(qū)域，分別在跌水前相對靜止區(qū)、跌水后紊流區(qū)，以及管道、渠道或構(gòu)筑物的入口和出口設(shè)置檢測點，連續(xù)測定上述檢測點溶解氧的變化情況。



1.3 分析測試方法

本研究采用現(xiàn)場直接測試法，主要監(jiān)測指標(biāo)為DO值，采用HACH HQ30d單路輸入多參數(shù)數(shù)字化分析儀（標(biāo)準(zhǔn)型電極LD10103）進行測試。



02 工程測試結(jié)果分析與討論

2.1 預(yù)處理單元沿程DO變化

2014年秋季對3座城鎮(zhèn)污水處理廠預(yù)處理單元檢測點的DO值進行多次檢測并取平均值，繪制主要檢測點DO變化曲線，見圖1，不同跌水點封閉狀況、跌水高度和DO增量關(guān)系見表2。

圖1 污水處理廠預(yù)處理單元主要檢測點DO變化曲線



表2 典型污水處理廠跌水點封閉狀況、跌水高度與DO增量關(guān)系

2.2 跌水復(fù)氧的工程影響因素

（1）復(fù)氧量與跌水高度的關(guān)系。根據(jù)國內(nèi)外跌水曝氣的相關(guān)研究結(jié)論，傳統(tǒng)跌水曝氣工藝跌水導(dǎo)致的DO增量與跌水高度有關(guān)，跌水高度越高，DO增量越大。為此對表2中不同跌水點的跌水高度與DO增量之間的關(guān)系進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖2所示。

表3 預(yù)處理單元構(gòu)筑物或輸水管道前后DO消耗情況

表3數(shù)據(jù)表明，經(jīng)跌水復(fù)氧后的污水，在流經(jīng)后續(xù)密閉管道、渠道或進入單元構(gòu)筑物時，會出現(xiàn)明顯的DO濃度降低的情況。而根據(jù)污水處理的基本理論，在該區(qū)域內(nèi)的DO降低意味著快速可生物降解有機物的消耗，模擬試驗結(jié)果也驗證了預(yù)處理單元各構(gòu)筑物內(nèi)微生物的存在。


表3中的數(shù)據(jù)以及模擬試驗結(jié)果也表明，輸水管道內(nèi)DO消耗量與管道長度或污水在管道內(nèi)的實際停留時間近似正相關(guān)，正常情況下，輸水管道內(nèi)每10 min停留時間可消耗0.5~1 mg/L的DO。


（2）復(fù)氧導(dǎo)致的預(yù)處理單元碳源總消耗量。污水預(yù)處理單元的復(fù)氧將導(dǎo)致兩種類型的碳源損失：首先，預(yù)處理單元內(nèi)的微生物以DO為電子受體，利用碳源完成生物合成；其次，預(yù)處理單元末端存留的DO進入后續(xù)生物系統(tǒng)的厭氧、缺氧工藝單元，同樣消耗污水中的碳源。表4為案例污水處理廠預(yù)處理單元跌水復(fù)氧導(dǎo)致的碳源損失總量情況。

  

根據(jù)表4，被調(diào)查城鎮(zhèn)污水處理廠預(yù)處理單元跌水復(fù)氧均造成不低于5 mg/L的優(yōu) 質(zhì)碳源損失量，其中B廠的碳源損失量達到10 mg/L，對于脫氮除磷所需碳源不足，或出水TN長期處于超標(biāo)邊緣，需通過投加碳源確保穩(wěn)定達標(biāo)的污水處理廠而言，預(yù)處理單元碳源損失量相當(dāng)可觀。


03 跌水復(fù)氧的成因分析

根據(jù)前期研究結(jié)果，預(yù)處理單元反復(fù)的跌水復(fù)氧、耗氧過程必將消耗污水處理廠原水中的碳源，進一步加劇碳源不足問題，為此有必要對跌水復(fù)氧的原理和成因進行分析，以提出相應(yīng)的控制措施。

3.1 跌水過程DO變化情況

為進一步研究跌水過程中DO值的變化規(guī)律，在圖3所示的典型跌水區(qū)域設(shè)置了5個檢測點，進行跌水前（1#）、跌落過程（2#~4#）和跌落后（5#）DO的變化規(guī)律測試，見圖4所示。

圖3 跌水全過程檢測點分布情況

從表5數(shù)據(jù)不難看出，對于高度小于2 m的跌水區(qū)域，污水將在不超過1 s的時間內(nèi)完成整個跌落過程，因此無論是采用哪種氧傳遞理論模型，在如此短的時間內(nèi)通過表層復(fù)氧，都難以達到工程測試的DO增量，尤其是對于污水處理廠進水泵出口、沉砂池出口等過水?dāng)嗝嫦鄬^窄、水量相對較大的區(qū)域，氣水接觸面更小，通過界面理論復(fù)氧的可能性進一步降低。

3.3 跌水瞬間快速復(fù)氧理論

根據(jù)圖4，跌水區(qū)域內(nèi)DO的增加幾乎發(fā)生于跌落瞬間，跌落過程中污水并沒有明顯的DO增量。結(jié)合跌水復(fù)氧工程影響因素分析結(jié)果，污水處理廠跌水復(fù)氧的條件主要包括：敞開式跌水區(qū)域和跌落點明顯的紊流，而污水跌落的瞬間是充氧發(fā)生的主要時段。支持該推斷的理論包括：


（1）跌水的過程中雖然無明顯的復(fù)氧現(xiàn)象，但水柱周邊的空氣在摩擦力作用下沿水流方向運動，在這種旋流的作用下，水柱與圍墻之間形成明顯的空氣旋流，如圖5所示。

太湖流域某城鎮(zhèn)污水處理廠進水泵出口原為半敞開式結(jié)構(gòu)（見圖6a），頂部鋪設(shè)有鋼制走道板結(jié)構(gòu)，渠底液位到池頂?shù)拈g距約為2.5 m。采取工程密封措施前，對跌水區(qū)域內(nèi)空氣和水的溶解氧進行了測試，其中空氣溶解氧基本保持在8.0~9.0 mg/L波動，與外界空氣溶解氧濃度等因素有關(guān)；水中溶解氧保持在3.5~4.5 mg/L，波動性相對較小。

圖6 進水泵出口加蓋密封復(fù)氧控制工程

 圖7 進水泵跌水區(qū)封閉后DO變化


根據(jù)圖7，加蓋封閉的前20多個小時內(nèi)，跌水區(qū)域空氣和水中的溶解氧濃度快速降低，表明跌水過程中空氣中的溶解氧向水中逐漸轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致封閉空間內(nèi)溶解氧濃度降低。至24 h后跌水區(qū)域空氣中的溶解氧濃度降低到3~4 mg/L水平，水中溶解氧下降至1~1.5 mg/L，且基本保持平穩(wěn)。多次破壞性試驗出現(xiàn)基本相同的結(jié)論，且跌水區(qū)域的密封性進一步加強（出于安全考慮，預(yù)留了部分通氣孔）后，空氣中DO濃度可進一步降低至1~2 mg/L水平，此時水渠中的DO濃度可達到0.5 mg/L左右水平，有效抑 制了跌水復(fù)氧。


05 結(jié)論與建議

（1）對3座典型一級A排放標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠進行了調(diào)研，結(jié)果表明預(yù)處理單元跌水區(qū)域普遍存在復(fù)氧現(xiàn)象，每次跌水后通常形成3 mg/L以上的DO增量；復(fù)氧作用主要發(fā)生于污水跌落瞬間，跌水過程中的復(fù)氧作用可忽略；復(fù)氧量與跌水區(qū)域的封閉情況、池型結(jié)構(gòu)以及匯水渠的紊流狀況直接相關(guān)，與跌水高度的關(guān)系不顯著。


（2）預(yù)處理單元的管道、渠道或構(gòu)筑物內(nèi)微生物具有明顯的耗氧能力，平均每10 min停留時間可消耗0.5~1 mg/L的DO，意味著同等量的碳源損失；預(yù)處理單元末端的DO進入后續(xù)生物系統(tǒng)，同樣損耗碳源。被調(diào)查3座城鎮(zhèn)污水處理廠預(yù)處理單元跌水復(fù)氧均造成5 mg/L以上的優(yōu) 質(zhì)碳源損失，部分工程甚至達到或超過10 mg/L，進一步加劇了碳源不足問題。


（3）采用加蓋密封的方式進行進水泵出口跌水復(fù)氧控制，結(jié)果表明加蓋密封后，跌水區(qū)域空氣的溶解氧由8.0~9.0 mg/L穩(wěn)步下降至3~4 mg/L；水中溶解氧由3.5~4.5 mg/L穩(wěn)步下降至1~1.5 mg/L。