新型一體化氧化溝工藝的節(jié)能特點(diǎn)

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簡介： 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(shí)際工程角度對其節(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)鍵字：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)對解決上述問題有針對性，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)在國內(nèi)興建的污水處理廠已超過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)見表1。

表1　污水廠進(jìn)、出水水質(zhì)　　mg/L項(xiàng)目CODBODSSNH₃-NTN進(jìn)水77.9～57855～15322～54113～27.818 ～30.7進(jìn)水平均值197.473.2123.12023.4出水26.0～46.09.2～20.63.0～21.00.8～2.33.1～12.4出水平均值33.615.413.11.56.9

　　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，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(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懸浮層時(shí)，混合液中的污泥便被懸浮污泥“網(wǎng)捕”下來，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)了污泥無泵自動(dòng)回流(見圖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)省能耗及控制簡單兩方面的優(yōu)勢 ，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?label class="lb" onclick="g('污泥');">污泥是從缺氧區(qū)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(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，以充氧功能為主，而混合推 動(dòng)則由水下推進(jìn)器來承擔(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)開啟時(shí)，混合推動(dòng)效果非常好且無沉泥現(xiàn)象，這 說明曝氣轉(zhuǎn)刷和水下推進(jìn)器具有很大的互補(bǔ)性。
　　從水力學(xué)的角度來說，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1110027270.2481050026040.2481150031430.273750019000.253800021200.2651200031200.260150033600.269平均1044227100.260間歇進(jìn)水間歇曝氣980019600.2001020020000.1961250024670.197780014400.1851080021140.1961180024390.2071150021770.189平均1062920850.196

3　 結(jié)論

　　①合建式一體化氧化溝工藝節(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)。
　?、谠O(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。
　　③該工藝因其巨大的節(jié)能優(yōu)勢及技術(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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