新型一體化氧化溝工藝的節能特點
鄧榮森，俞天明，王濤，肖海文?
(重慶建筑大學城市建筑學院，重慶 400045)
摘 要： 以成都城北污水處理廠為例，對合建式一體化氧化溝作了簡單介紹，從實際工程角度對其節能特點作了分析，指出其之所以節能主要在于實現了污泥自動回流、水力內回流及優化運行的管理方式。?
關鍵詞：合建式一體化氧化溝；節能；污泥自動回流；水力內 回流?
中圖分類號：X703.1
文獻標識碼：C
文章編號：1000-4602(2001)10-0044-03
到2010年，我國城市污水治理率將從目前的不到10%提高到40%，這個任務非常艱巨，而資金緊缺則會是面臨的首要問題。因此，選擇并推廣一些適合中小城市、具有高效、節能、投入低而且可靠的污水處理新技術有著巨大的現實意義。近幾年發展較快的一體化氧化溝技術對解決上述問題有針對性，其較多的經濟和節能特點是該技術得以廣泛推廣的基礎。目前應用該技術在國內興建的污水處理廠已超過10余座，現以四川省示范工程——成都城北污水處理廠為例，闡述該技術在節能方面的特點。?
1 城北污水廠概況
城北污水處理廠的工藝流程如圖1。?
該污水廠設計處理水量為1×104m3/d，考慮N、P的去除，在氧化溝前段設置缺氧段和厭氧段，設計停留時間為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。設計污泥濃度MLSS=3000 mg/L，污泥負荷為0.1kgBOD5/(kgMLSS·d)。該污水廠實現整套設備國產化，主要設備包括：D＝1000mm，L＝9000 mm的轉刷2臺，配用電機的功率為45 kW；7.5 kW的水下推進器2臺，設置于主溝，2.2 kW的1臺，設置于缺氧段，0.75 kW的2臺，缺氧段和厭氧段各1臺。經濟技術指標如下：投資為761.46 元/m3，運行費用為0.2 元/m3。
設計進水BOD為100～150 mg/L，COD為200～300 mg/L，SS為250 mg/L。設計出水水質達到《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)的一級標準。進、出水水質見表1。
該廠出水TP指標未能達到標準(0.5mg/L)，主要是由于進水有機物濃度 較低及運行調試期間未正常排泥所致。目前總磷去除率可達70%左右，若排泥正常則去除率更高。?
2 節能特點及機理
2.1 固液分離和污泥無泵自動回流
一體化氧化溝比常規活性污泥法具有節能優勢，其首要特點在于用固液分離器取代了傳統的二沉池，并同時實現了污泥無泵自動回流。?
固液分離器的設計表面負荷一般為50～65m3/(m2·d)，該值是傳統二沉池設計的1.5～2倍。成都城北污水處理廠的固液分離器采用側溝式和中心島式(尚未啟用)，在固液分離的 同時實現污泥自動回流，省卻了一道機械回流，從而大大降低了運行能耗。傳統的氧化溝法須設污泥回流系統，以MLSS=4000mg/L，SVI=150設計，就需100%的回流比，該回流比需設置NWL240—8立式污泥泵2臺，運行功率為22 kW，電耗增加約0.053 (kW·h)/m3。而實現污泥自動回流，則節能可達15%左右。?
固液分離及回流機理見圖2。?
主溝內混合液在流經組件進入分離器內部時，由于特殊的分離器組件結構和水力條件，流動方向發生了多次變化，客觀上消耗了液流的能量，為固液分離打下了基礎。分離后的污泥通過絮凝，體積變得越來越大，在其沉降過程中，不斷受到從主溝進入到分離器內的液流向上的沖擊，形成污泥反沖。當這一沖擊作用與污泥的重力持平時，污泥便懸浮在分離器中，保持動態靜止，形成一懸浮污泥層。當混合液由下而上通過懸浮層時，混合液中的污泥便被懸浮污泥“網捕”下來，這就比傳統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板的反力作用，該力可分解組件下側板流動的兩束流——上向流和下向流，因流速差的存在形成壓力差，該壓力差就直接導致了污泥自動回流。成 都城北污水廠一年多的運行情況表明，只要保證固液分離器底部的推動力并及時排泥，就能 保證穩定的分離及回流效果。?
2.2 水力內回流
合建式一體化氧化溝其節能之處不僅在于曝氣/沉淀一體化，實現了污泥無泵自動回流(見圖3中的a)，還在于直接將缺氧區和好氧區共壁合建實現了水力內回流。該設計的獨到之處在于硝化液是通過好氧區的循環流動直接流至缺氧區，與厭氧池中的出水混合后進行反硝化反應的，這樣就再次省卻了一道機械內回流，并充分利用了一體化氧化溝的能量分區及水 力分布特點(見圖3中的b)。?
固液分離器和轉刷分別位于氧化溝的兩側，氧化溝在本質上屬于延時曝氣，污泥負荷很低，曝氣池內氧利用率高，使好氧段溶解氧濃度只要達到1.5～2.0 mg/L就能較好地去除BOD 及進行硝化反應。而在分離器底部及缺氧區內回流進口處——為好氧段的溶解氧最低處，經測定只有0.6 mg/L左右，實際上已經處于缺氧階段(可稱為預缺氧段)，并進行著小規模的反硝化反應。其回流比的大小對缺氧區溶解氧濃度影響不大，而氧化溝的完全混合加循環推流 的獨特水力特征，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。以設計r=200%，Q= 1×104m3/d的機械內回流系統為例，需設置WQ80—12—45潛污泵1臺，運行功率為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，一體化氧化溝的內回流就具有節省能耗及控制簡單兩方面的優勢 ，僅水力內回流就可節能近30%。
當原水流經厭氧池后，可快速降解有機物濃度大大增加，其出水與水力內回流的硝化液混合(經測定在混合處的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進行得非常徹底。反應的結果是NO3-作為電子受體代替溶解氧 去除大量的有機物質，使整個系統耗氧量可節省近1/3，從而進一步降低了運行費用。?
此外，缺氧段反硝化反應的順利進行，也為厭氧池磷的釋放打下了基礎，因為厭氧池含磷污泥是從缺氧區回流的(見圖3中的c)，該回流液中NO3-含量越低，釋磷就越充分。?
合建式氧化溝實現了：①將不同功能的反應器以功能分區的形式融合在同一空間中，免去了頻繁的空間調配；②結合設備配置，做到各功能區優化和能量投入可調；③利用水力內回流而省卻了機械回流措施。?
2.3 合理配置設備和優化運行模式
曝氣轉刷與水下推進器的合理配置，不僅能解決氧化溝溝深加大的問題，而且為節能運行提供了基礎。水下推進器的配置使轉刷從眾多的功能中獨立出來，以充氧功能為主，而混合推 動則由水下推進器來承擔，轉刷可根據不同目的靈活應用。試驗表明，僅水下推進器單獨運行時，溝中的流速分布與轉刷單獨運轉時相反；兩臺轉刷同時開啟時，氧化溝底部有積泥產生；而當1臺轉刷和主溝的兩臺水下推進器同時開啟時，混合推動效果非常好且無沉泥現象，這 說明曝氣轉刷和水下推進器具有很大的互補性。?
從水力學的角度來說，側溝式一體化氧化溝比船式、BMTS等氧化溝的水頭損失更小，流態更好。城北污水廠的主溝有效水深達4.5 m，單獨使用轉刷則混合推動得不到保證，而水下推 進器的設計功率僅為4W/m3左右，它與轉刷的合理配置達到了充氧混合和循環流動的目的，使運行能耗得到了降低。
為進一步降低能耗，城北污水廠在日常還采取了優化運行的模式，即采取連續流間歇曝氣。該方式是讓曝氣轉刷周期性開啟，根據需要的溶解氧濃度調整周期，而水下推進器保持連續運行。現在該污水廠最常用的運行方式是保持1臺轉刷長期運行，另1臺以2 h為周期間歇運行。這種運行方式加快了好氧/缺氧的交替頻率，有利于整個系統的脫氮除磷。與連續進水、連續曝氣相比，其對COD與SS的處理效果略有下降，但均在達標范圍之內，即NO3-N基本不變，而TN和TP的去除效果均優于連續曝氣。這主要是因為系統的間歇運行能充分利用氧化溝中的內源代謝產物，進行預缺氧反硝化，脫除部分NO3-N，使前置缺氧段內的C/N提高，從而維持較高的反硝化速率。其次，間歇運行還能使溝中溶解氧的利用率得到提高，這是因為氧化溝是延時曝氣活性污泥系統，BOD負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。另外，間歇曝氣的運行方式還可使系統內氧轉移速率增大，氧利用率高則為系統 節能創造了條件。在達到同種處理要求的條件下，間歇曝氣比連續曝氣節能達22%左右， 兩種運行方式的能耗比較見表2。
3 結論
①合建式一體化氧化溝工藝節能之處在于成功實現了固液分離和無泵污泥自動回流,同時實現了水力內回流,從而省卻了兩道機械回流系統。?
②設備的合理配置和優化的運行管理模式也是實現節能的一種重要手段。?
③該工藝因其巨大的節能優勢及技術特點,在中小城市的污水治理中有良好的推廣及應用前景。
參考文獻：
［1］ 鄧榮森，許俊儀，劉保疆.側溝式固液分離器的污泥回流機理研究［J］.中國給水排水，20 00，16(8)：1-4.
［2］張自杰，林榮忱，金儒霖.排水工程(下冊,第3版)［M］.北京:中國建筑工業 出版社,1996.
電 話：(023)68704247?
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E-mail:dengrongsen@263.net
收稿日期：2001-07-02
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