跌水曝氣系統(tǒng)在污水處理工藝上的運(yùn)用前景探討

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簡(jiǎn)介： 本文就重慶市忠縣新生鎮(zhèn)污水工程BT項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)例展開(kāi)分析，探討在目前國(guó)情下，引入跌水曝氣系統(tǒng)的可行性及介紹跌水曝氣方式特點(diǎn)，以及在氧化溝和其他污水處理工藝上的應(yīng)用等。
關(guān)鍵字：跌水曝氣 成本 氧化溝 技術(shù)改造 生態(tài)環(huán)境保護(hù)

1 背景

　　水污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，已經(jīng)開(kāi)始威脅中國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，今后除了還需要大規(guī)模的建設(shè)城市污水排放和處理設(shè)施外，對(duì)河流湖泊的治理也必須要同時(shí)跟上。因此可以推斷，未來(lái)10年間將是中國(guó)污水治理的高峰期。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要增加約3000億元投資，而中小城市的城市污水治理將占有絕對(duì)的數(shù)量。目前中國(guó)中小城市的城市污水處理廠發(fā)展十分緩慢，主要是無(wú)法承擔(dān)過(guò)高的修建成本和運(yùn)行處理費(fèi)用^[5][6]。而且,據(jù)調(diào)查，在已建成的污水處理廠中，也由于運(yùn)行費(fèi)用的問(wèn)題，能夠滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行的還不到1/3，根本無(wú)法達(dá)到國(guó)內(nèi)的水污染控制的要求。

　　因此，探索和發(fā)展簡(jiǎn)易、高效低耗、能有效降低污水中氮、磷含量而且適合中國(guó)國(guó)情的中小城市污水處理工藝已成為中國(guó)水處理行業(yè)普遍關(guān)注的課題。隨著污水處理設(shè)施在中小型城市的推廣，中國(guó)需要尋找更多運(yùn)行成本低，管理、操作簡(jiǎn)單，符合中國(guó)國(guó)情的污水處理技術(shù)。從國(guó)內(nèi)外的情況來(lái)看，最大限度地削減處理廠運(yùn)行費(fèi)，其中跌水曝氣技術(shù)是一項(xiàng)可以探討應(yīng)用的好技術(shù)。

　　2 工程設(shè)計(jì)實(shí)例分析

　　2004年11月份，筆者曾在重慶市三峽庫(kù)區(qū)中小城鎮(zhèn)污水處理工程項(xiàng)目（BT項(xiàng)目）的方案設(shè)計(jì)中，針對(duì)忠縣新生鎮(zhèn)污水處理廠項(xiàng)目的地形特點(diǎn)，探討試用跌水曝氣一體化氧化溝工藝方案，受到多方面關(guān)注。所采用的工藝流程如圖1：

　　圖1 跌水曝氣一體化氧化溝工藝流程

　　在工藝上，以一體化氧化溝工藝為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦翁攸c(diǎn)，將氧化溝的傳統(tǒng)曝氣系統(tǒng)改為跌水曝氣系統(tǒng)（如圖2）。在該設(shè)計(jì)方案中，充分利用當(dāng)?shù)氐牡匦翁攸c(diǎn)（落差達(dá)18米），使污水在進(jìn)入氧化溝之前就采用跌水進(jìn)行曝氣，然后進(jìn)入氧化溝上的跌水曝氣裝置，使得未處理污水與溝內(nèi)混合液進(jìn)行充分的混合，再通過(guò)氧化溝上的跌水曝氣裝置對(duì)混合液進(jìn)行跌水曝氣，以滿(mǎn)足污水處理所需要的氧量，由此循環(huán)，去除污水中COD，BOD，N，P等。采用此設(shè)計(jì)的依據(jù)是：一，利用進(jìn)水與氧化溝落差大（4米），對(duì)污水進(jìn)行曝氣；二，不用對(duì)地形進(jìn)行過(guò)多的平整，減少土石方開(kāi)挖，節(jié)約基建成本；三，有國(guó)外成功的經(jīng)驗(yàn)。

　　圖2 跌水曝氣一體化氧化溝

　　從工程設(shè)計(jì)方案本身看，跌水曝氣一體化氧化溝采用了靈活的設(shè)計(jì)思路，充分的利用了當(dāng)?shù)氐牡匦翁攸c(diǎn)，進(jìn)行因地制宜的設(shè)計(jì)；為了進(jìn)一步增加曝氣的效果，在進(jìn)水的跌水和氧化溝上的跌水曝氣都采用了多級(jí)跌水方式，且在跌落的過(guò)程中安裝濺水裝置。為了保持對(duì)跌水流態(tài)的控制，在堰上還裝有調(diào)節(jié)用的堰板，如圖4。在設(shè)計(jì)中，由于采用了跌水曝氣系統(tǒng)，使用了一臺(tái)潛水軸流泵來(lái)提升溝內(nèi)污水，使用時(shí)可以帶動(dòng)溝內(nèi)污水的流動(dòng)，因此可以不在溝內(nèi)使用水下推進(jìn)器，可以進(jìn)一步節(jié)約投資和運(yùn)行成本，并簡(jiǎn)化運(yùn)行管理。

　　從以上的設(shè)計(jì)方案中可以看出，采用跌水曝氣改造氧化溝，簡(jiǎn)便易行，適合在中小型山地城鎮(zhèn)推廣使用的污水處理技術(shù)。

　　3 跌水曝氣系統(tǒng)對(duì)用于現(xiàn)有污水處理工藝的改造可行性探討

　　常用的城市污水處理方法主要可以分為以下兩類(lèi)：一、活性污泥生物處理法；二、生物膜生物處理法?，F(xiàn)在就這兩大類(lèi)的典型處理技術(shù)進(jìn)行探討。

　　氧化溝：

　　在上面的工程設(shè)計(jì)方案中，已經(jīng)對(duì)跌水曝氣系統(tǒng)在氧化溝上的應(yīng)用進(jìn)行了分析。在實(shí)際的工程應(yīng)用上，早在90年代，日本的Hideo Nakasone和Masuo Ozaki就對(duì)跌水曝氣氧化溝進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，跌水曝氣氧化溝的處理效果很好，出水水質(zhì)指標(biāo)很低（見(jiàn)

　　表1）。

　　表1 日本跌水曝氣氧化溝進(jìn)出水的水質(zhì)^[1]

　　注：1、以上數(shù)據(jù)是在跌水高度h=53cm，流量為0.2m3/s的時(shí)候測(cè)得

　　2、所有數(shù)據(jù)都是1990年Hideo Nakasone和Masuo Ozak所測(cè)得

　　由圖3可以看出，日本方面對(duì)跌水曝氣氧化溝的改造，并沒(méi)有改變氧化溝的工藝特點(diǎn)，

　　只是在傳統(tǒng)曝氣系統(tǒng)的位置進(jìn)行了改造。經(jīng)過(guò)改造后，不但設(shè)備和構(gòu)筑物改造設(shè)計(jì)都非常

　　簡(jiǎn)單，管理也是非常的方便；而且極大的減少了工程的造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)出水效果也

　　達(dá)到了一個(gè)非常高的水平。

　　圖3 跌水曝氣氧化溝                     圖4 跌水堰示意

　　SBR：

　　SBR法也是最常用的污水處理技術(shù)之一，一般都采用傳統(tǒng)的鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)和表面曝氣系統(tǒng)充氧。與氧化溝技術(shù)相比，進(jìn)行跌水曝氣改造更有難度。在SBR工藝上進(jìn)行跌水曝氣改造，必須將SBR池中的混合液用水泵進(jìn)行提升，這樣SBR池中的混合液就將做如下循環(huán)：提升——曝氣——混合反應(yīng)——提升，操作比表面曝氣系統(tǒng)復(fù)雜，應(yīng)用價(jià)值不高。但對(duì)于采用鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的SBR工藝來(lái)說(shuō)，改用跌水曝氣系統(tǒng)還是有足夠的優(yōu)勢(shì)的。首先，跌水曝氣系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量少。在跌水曝氣系統(tǒng)中只有水泵、控制系統(tǒng)等設(shè)備和一些必須的構(gòu)筑物改造，而鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)不僅需要鼓風(fēng)機(jī)，而且還要風(fēng)管和控制設(shè)備，水下的曝氣管網(wǎng)、曝氣頭，系統(tǒng)更復(fù)雜。第二，跌水曝氣系統(tǒng)比鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)操作更加簡(jiǎn)單，設(shè)備數(shù)量少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單。第三、跌水曝氣系統(tǒng)比鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)維修更加簡(jiǎn)單方便。

　　從以上理論分析可知，在使用跌水曝氣系統(tǒng)對(duì)SBR的改造上，并不具有特別多的優(yōu)勢(shì)，也不能夠有效的利用污水處理廠的地形。

　　由于生物濾池的多樣性以及其自身固有的特性，將跌水曝氣系統(tǒng)整合到生物濾池相對(duì)其他工藝要更困難一些，但對(duì)某些工程項(xiàng)目還是可以改造的。例如姜湘山等人采用跌水曝氣來(lái)改進(jìn)填料排水系統(tǒng)來(lái)處理屠宰廢水，也取得了很好的出水效果（如表2）。

　　表2 屠宰廢水處理前后的水質(zhì)^[2]

　　生物流化床也是生物膜生物處理法的一種，從生物流化床工藝流程（圖5）可以看出，它的充氧階段是獨(dú)立于整個(gè)系統(tǒng)的，因此使得改進(jìn)比較容易。只需直接將充氧曝氣部分改造為跌水曝氣系統(tǒng)即可。這個(gè)是可以很好的利用地形的。特別適合在山地和丘陵地帶采用。

　　圖5 生物流化床工藝流程

　　如上分析，跌水曝氣系統(tǒng)有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，特別適合應(yīng)用山區(qū)和丘陵地帶，可以減少基礎(chǔ)建設(shè)成本和運(yùn)行成本；但目前跌水曝氣相關(guān)理論、設(shè)計(jì)計(jì)算方法和實(shí)際運(yùn)用還不多見(jiàn)。

　　4 跌水曝氣系統(tǒng)的特點(diǎn)分析

　　4.1 生態(tài)環(huán)境保護(hù)

　　就中國(guó)目前的環(huán)境保護(hù)發(fā)展情況看，對(duì)水環(huán)境的保護(hù)已經(jīng)到了一個(gè)比較關(guān)鍵的時(shí)候。要有效的控制水環(huán)境的污染，發(fā)展適應(yīng)中小型城鎮(zhèn)的污水處理技術(shù)是非常有必要的。從生態(tài)環(huán)境保護(hù)的角度來(lái)說(shuō)，跌水曝氣系統(tǒng)作為一種優(yōu)秀的曝氣系統(tǒng)值得推廣。中國(guó)是一個(gè)以山區(qū)和丘陵地帶為主的一個(gè)國(guó)家，但目前的大多數(shù)的污水處理廠的設(shè)計(jì)，要求有比較平坦的場(chǎng)地，這必然加大基礎(chǔ)建設(shè)的費(fèi)用，而且還破壞了原有地形地貌和生態(tài)平衡，不適宜山區(qū)和丘陵地帶。對(duì)于跌水曝氣來(lái)說(shuō)，可以因地制宜的設(shè)計(jì)，將山地丘陵的劣勢(shì)化為優(yōu)勢(shì)，利用高差跌水充氧，從而減少土石方的開(kāi)挖和混合液曝氣所需電能的消耗。而這樣的設(shè)計(jì)僅僅只需要改變曝氣系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)，非常方便，而且不影響現(xiàn)有的污水處理技術(shù)的運(yùn)用，可以集中發(fā)揮兩者之間的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然跌水曝氣也有它的劣勢(shì)，特別是對(duì)空氣環(huán)境要求來(lái)說(shuō)。由于跌水曝氣系統(tǒng)會(huì)將污水提升到一定高度，然后在露天的情況下進(jìn)行跌落以達(dá)到給污水充氧的目的，這必然會(huì)把污水難聞的氣味帶入空氣中，不利于空氣環(huán)境的保護(hù)，會(huì)造成二次污染；但這也不是絕對(duì)的，在偏遠(yuǎn)人少和開(kāi)闊的郊區(qū)影響也就小得多。

　　4.2 經(jīng)濟(jì)性

　　就跌水曝氣系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性而言，可以從污水處理設(shè)施的投資來(lái)分析，它的主要投資有以下幾點(diǎn)：技術(shù)研發(fā)，土建，設(shè)備和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。首先，跌水曝氣系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的污水處理技術(shù)。這一項(xiàng)就可以大幅度減少開(kāi)發(fā)新的污水處理工藝所需要的研究費(fèi)用。其次，在土建方面，跌水曝氣系統(tǒng)可以有效的利用中國(guó)以山區(qū)和丘陵地帶為主這一地形地貌特點(diǎn)，在既不破壞原有的生態(tài)環(huán)境，又可以有效的減少土石方的開(kāi)挖的前提下，達(dá)到生態(tài)環(huán)境保護(hù)和節(jié)省投資的雙重目的。這在姜湘山等人采用跌水曝氣來(lái)改進(jìn)填料排水系統(tǒng)來(lái)處理屠宰廢水中得到了很好的體現(xiàn)，其比常規(guī)方法節(jié)省工程造價(jià)達(dá)60%^[2]。第三，機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理、檢修方便。對(duì)于一般的曝氣方式來(lái)說(shuō)，機(jī)械設(shè)備都比較復(fù)雜，操作不方便、簡(jiǎn)單，需要對(duì)操作人員進(jìn)行很好的專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)。而對(duì)跌水曝氣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于總共就一臺(tái)提升水泵加上控制柜等即可，并沒(méi)有其他設(shè)備，使得設(shè)備安裝操作都比較簡(jiǎn)單，檢修也很簡(jiǎn)單，這也是進(jìn)一步節(jié)省成本和運(yùn)行費(fèi)用的新“渠道”。例如在氧化溝中，由于提升水泵的存在，可以減少溝內(nèi)的水下推進(jìn)器的安裝數(shù)量。這既減少了機(jī)械設(shè)備的投資，也減少了運(yùn)行的費(fèi)用和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，簡(jiǎn)化了操作，提高了運(yùn)行的可靠性。

　　而最重要的一點(diǎn)，可以有效的節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。由于設(shè)備的減少，管理的簡(jiǎn)單，不僅可以減少操作人員的數(shù)量和培訓(xùn)費(fèi)用，而且可以減少更多的電量消耗和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。如姜湘山等人采用跌水曝氣來(lái)改進(jìn)填料排水系統(tǒng)來(lái)處理屠宰廢水可以節(jié)省70%的運(yùn)行成本^[2]。根據(jù)一般的污水處理廠的運(yùn)行費(fèi)用構(gòu)成比例，可以初步估算如下：一般活性污泥法污水處理廠的耗電平均為0.5kw·h/m3，按2010年達(dá)到8000萬(wàn)立方米／日[5]的污水處理量來(lái)算，日耗電量為4000萬(wàn)千瓦，而其中用于曝氣部分的電耗占總能耗的70%左右。據(jù)筆者在重慶市三峽庫(kù)區(qū)中小城鎮(zhèn)污水處理工程項(xiàng)目（BT項(xiàng)目）的方案設(shè)計(jì)中的運(yùn)行成本核算，耗電約為0.37kw·h/m3，比一般活性污泥法污水處理廠的耗電節(jié)省達(dá)26%。按此計(jì)算，若在2005年到2010年新建的所有污水處理廠中采用跌水曝氣系統(tǒng)的達(dá)到10%，一年就可為國(guó)家節(jié)省電能1.4億度左右，由此可以看出，跌水曝氣節(jié)約電能的潛力是非常巨大的。

　　總結(jié)以上的分析，使用跌水曝氣技術(shù)，不僅能夠很好的控制水污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，而且可以有效的降低污水處理的成本，具有很好的發(fā)展前景。

　　5 結(jié)論

　　1）采用跌水曝氣后，可以使污水處理廠的運(yùn)行費(fèi)用得到降低，減少運(yùn)行成本。

　　2）采用跌水曝氣的方式，可以很好的適應(yīng)丘陵、山區(qū)的地形特點(diǎn)，進(jìn)行因地制宜的設(shè)計(jì)，減少工程造價(jià)，不人為破壞生態(tài)環(huán)境。

　　3）國(guó)內(nèi)外實(shí)踐表明跌水曝氣系統(tǒng)是可行的，可以作為一種獨(dú)立的曝氣方式設(shè)計(jì)使用，適合中國(guó)國(guó)情的中小型城鎮(zhèn)水環(huán)境控制的污水處理改進(jìn)技術(shù)。

　　4）從國(guó)內(nèi)外和實(shí)際工程證實(shí)，跌水曝氣系統(tǒng)可以用來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的污水處理工藝，而且

　　可以使得工藝設(shè)計(jì)，施工，管理和維修更加簡(jiǎn)單方便。