利用下水道管渠空間處理城市污水的探討

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摘要：敘述了利用下水道處理污水技術(shù)的理論基礎(chǔ)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀；利用下水道處理污水是正在不斷得到研究應(yīng)用和發(fā)展的污水處理新技術(shù)，具有投資省，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),是適合我國(guó)國(guó)情，尤其適用于我國(guó)廣大中小城鎮(zhèn)的實(shí)用技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：下水道管渠空間 城市污水 污水處理

　　一、污水在下水道內(nèi)輸送過(guò)程中的水質(zhì)變化

　　目前普遍的看法是：城市污水排放系統(tǒng)由污水收集系統(tǒng)（排水管網(wǎng)）和污水處理系統(tǒng)（污水廠(chǎng)）兩部分組成，而且各自的功能劃分十分明確，排水管網(wǎng)的主要功能是收集與輸送污水，而污水廠(chǎng)則起到了凈化污水的作用。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)污水排放系統(tǒng)各部分的功能和各自扮演的角色有了更深的認(rèn)識(shí)，排水管道將污水收集并輸運(yùn)到污水處理廠(chǎng)的同時(shí)，其內(nèi)部的污水在管道內(nèi)還進(jìn)行著復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物學(xué)變化過(guò)程，這些過(guò)程的發(fā)生不僅影響了排水管道的輸送效率，而且直接影響污水處理廠(chǎng)的進(jìn)水水質(zhì)。

　　實(shí)際上，污水排放系統(tǒng)對(duì)污水的凈化作用并不是從污水到達(dá)污水處理廠(chǎng)才開(kāi)始的，自污水進(jìn)入污水管網(wǎng)的那一刻開(kāi)始，污水排放系統(tǒng)對(duì)污水的凈化就已經(jīng)開(kāi)始了，污水管網(wǎng)對(duì)污水處理廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，其作用不僅僅只是一個(gè)“中轉(zhuǎn)運(yùn)輸站”，它同時(shí)也扮演著一個(gè)巨大的中間反應(yīng)器的角色，對(duì)一些污水管道內(nèi)沉積的淤泥以及附著在管壁上的生物膜的測(cè)試表明，下水道管渠表面、管底沉積淤泥和污水中已經(jīng)存在了大量高活性的微生物，管渠污水中的微生物不斷發(fā)生著細(xì)菌增殖、適應(yīng)及選擇等物理、化學(xué)和生物過(guò)程，并在原污水中不斷誘導(dǎo)出活性很強(qiáng)的微生物群落。

　　二、國(guó)內(nèi)外對(duì)下水道內(nèi)污水水質(zhì)變化的研究

　　Nielsen在實(shí)驗(yàn)室中研究了自然狀態(tài)下不同溫度時(shí)下水道污水中糖類(lèi)、乙酸、蛋白質(zhì)、SCOD及 COD等的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這幾種物質(zhì)的含量與組成變化較大，且這幾類(lèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程基本上遵循高活性的零級(jí)反應(yīng)模式。

　　Raunkjaer在一段5km長(zhǎng)的重力下水道內(nèi)以BOD作為考察指標(biāo)，對(duì)下水道污水中BOD的變化進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，25℃時(shí)，生活污水在下水道內(nèi)流行時(shí)，其BOD去除率達(dá)到了30%～40%.Kaijun在1995年分別在不同的反應(yīng)器內(nèi)模擬了下水道內(nèi)的好氧、微氧條件，經(jīng)20天的試驗(yàn)結(jié)果表明，在反應(yīng)開(kāi)始1～2天內(nèi)有機(jī)物的降解速率維持在一個(gè)較高的水平，降解速率遵從零級(jí)反應(yīng)模式，在隨后的18天里有機(jī)物的降解速率才逐漸降低并接近一級(jí)反應(yīng)。

　　以色列科技學(xué)院的M.Green等人在1985年采用SBR生物反應(yīng)器模擬了DAN REGION的污水管道處理系統(tǒng)，該污水管網(wǎng)覆蓋人口超過(guò)100萬(wàn)，每天的污水量近300,000m3，污水主干管呈U型，管徑600～2100mm，總長(zhǎng)37km，污水在排水管道內(nèi)的平均停留時(shí)間超過(guò)10h.研究人員通過(guò)增加一條8km長(zhǎng)的壓力管提供活性污泥回流以保證下水道系統(tǒng)內(nèi)足夠的微生物數(shù)量，通過(guò)在排水管道的適當(dāng)位置進(jìn)行曝氣以保證下水管道內(nèi)有充足的溶解氧。這樣，整個(gè)環(huán)狀管網(wǎng)系統(tǒng)就成為了“分段進(jìn)水推流式好氧污水處理裝置”。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠充分利用分段進(jìn)水反應(yīng)器和推流式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，其COD去除率達(dá)到了79%~80.8%，BOD的去除率達(dá)到了85%~93%，最終出水BOD低于25mg/L.通過(guò)經(jīng)濟(jì)分析可知，利用重力式管道系統(tǒng)處理污水的基建投資比普通活性污泥法要節(jié)省50%以上。

　　Ozer 和Kasirgal也在1995年進(jìn)行了利用下水道微生物處理生活污水的模擬試驗(yàn)研究，在供給充足的空氣條件下試驗(yàn)了相同水質(zhì)的生活污水在不同管徑污水管中達(dá)到相同去除效果時(shí)所需管長(zhǎng)。根據(jù)Ozer和Kasirga所提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以得到圖1和圖2；其中圖1是在不同管徑的污水管中達(dá)到相同的處理效率時(shí)所需管道長(zhǎng)度間的關(guān)系，圖2為在確定的處理效率條件下，在不同管徑污水管進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的反應(yīng)速率。

　　根據(jù)圖1和圖2，可以得出如下結(jié)論，在好氧條件下利用下水道空間處理污水，在相同的流速下，使同樣水質(zhì)的污水達(dá)到相同的去除效率，小管徑的污水管所需的管長(zhǎng)明顯小于大管徑所需的管長(zhǎng)，在小管徑的污水管中發(fā)生的生化降解速率更快，也就是說(shuō)小管徑的污水管比大管徑的污水管具有更高的處理效率。

　　分析其原因，在小管徑的污水管中，潤(rùn)周/過(guò)水?dāng)嗝娣e之值較高，也就是在小管徑的污水管中，單位體積的污水能夠接觸更多的微生物，生化反應(yīng)速率更高，隨著管徑的加大，在相同的條件下污水取得同樣的去除效果所需的停留時(shí)間將延長(zhǎng)。由圖2我們還可以看出，管徑越大，反應(yīng)過(guò)程中下水道內(nèi)的物質(zhì)降解速率更接近0級(jí)反應(yīng)模式而不是1級(jí)反應(yīng)模式，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，有機(jī)物濃度降解到一定程度，下水道內(nèi)發(fā)生的生化反應(yīng)越來(lái)越向一級(jí)反應(yīng)模式靠近，根據(jù)米門(mén)方程可知，下水道處理污水的限制性因素不是污水中的有機(jī)物濃度，而是下水道內(nèi)的生物量。

　　陳輔利等人曾采用在排水明渠內(nèi)放置特制載體的形式增加溝渠中的微生物量以加快明渠污水反應(yīng)速度的方式進(jìn)行了試驗(yàn)，并分別在實(shí)驗(yàn)室和某天然河渠內(nèi)對(duì)溝渠處理污水的工藝、效率、抗沖刷能力等進(jìn)行了試驗(yàn)，該試驗(yàn)結(jié)果表明在1.5h內(nèi)COD去除效率可以達(dá)到80%以上。

　　黃方等人則通過(guò)在管道前端設(shè)置高負(fù)荷生物接觸氧化池的方式進(jìn)行了管式活性污泥法的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：只要使管道內(nèi)保持一定的微生物濃度及溶解氧，城市污水可在管道內(nèi)能夠得到較好的凈化。

　　王西聘則利用固定化細(xì)胞技術(shù)進(jìn)行了下水管網(wǎng)系統(tǒng)凈化污水的模擬試驗(yàn)，通過(guò)比較研究了厭氧、好氧、厭氧-缺氧-好氧以及缺氧-好氧4種工藝凈化生活污水的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在管網(wǎng)系統(tǒng)中設(shè)置固定化細(xì)胞，施以適當(dāng)?shù)娜斯て貧?，保證污水在管道內(nèi)一定的停留時(shí)間的工況條件下，可使污水中的COD去除率大于60％，出水COD和SS均達(dá)到國(guó)家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　三、結(jié)論

　　目前，我國(guó)中小城鎮(zhèn)的污水排放量約占全國(guó)污水排放總量的一半以上，隨著“十一五”國(guó)家政策向中小城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)的傾斜，未來(lái)我國(guó)中小城鎮(zhèn)建設(shè)將會(huì)以前所未有的速度快速發(fā)展，生活污水和工業(yè)廢水的排放量也會(huì)以數(shù)倍、甚至十幾倍的速度增長(zhǎng)，這勢(shì)必加劇我國(guó)水環(huán)境的惡化程度。中小城鎮(zhèn)和大城市在水系上是相通的，中小城鎮(zhèn)的污水治理工作做不好，大城市污水處理即使達(dá)到一個(gè)很高的水平，水環(huán)境的質(zhì)量也不會(huì)有明顯的改善。因此，要改善我國(guó)水環(huán)境污染和惡化的狀況，保護(hù)我國(guó)緊缺的水資源，除了要刻不容緩地對(duì)大城市的污水進(jìn)行處理外，中小城鎮(zhèn)污水也應(yīng)該引起足夠的重視。

　　由于中小城鎮(zhèn)和大城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、排水體制、基礎(chǔ)資料、融資渠道等有很大的差異，所以不可能也不應(yīng)該把大城市的污水處理工藝、技術(shù)裝備等搬用到中小城鎮(zhèn)中去。

　　例如在我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)，這一區(qū)域人口達(dá)到2.1億，中小城鎮(zhèn)分布面相當(dāng)廣，污水排放零散，不利于污水的集中處理，且目前對(duì)這些污水進(jìn)行處理所需的技術(shù)和資金都比較缺乏，如果能夠開(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)易、高效、低能耗的污水處理工藝，就能夠利用較少的投資削減大量的污染負(fù)荷，在有限的經(jīng)濟(jì)條件下有效地控制水環(huán)境污染。

　　由于城市污水管道的管徑大，管道長(zhǎng)，污水在其中有相當(dāng)長(zhǎng)的滯留時(shí)間，如果能夠采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施增加管道內(nèi)的微生物量和溶解氧的濃度，利用下水道空間處理污水是完全可行的。

　　與傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)相比，利用下水道處理污水的經(jīng)濟(jì)性是顯著的，它不占地、不需建污水廠(chǎng)或只需建小規(guī)模污水處理廠(chǎng)，其投入主要在下水道微生物的維持及某些管段的強(qiáng)化通風(fēng)上，其經(jīng)濟(jì)性也是比較顯著的。

　　該技術(shù)具有簡(jiǎn)易高效、投資省、能耗低及管理方便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)目前尚未建污水廠(chǎng)的中小城鎮(zhèn)，可以在有限的資金投入情況下改善水環(huán)境污染狀況, 并且有利于減小今后新建污水處理廠(chǎng)的規(guī)模。對(duì)于那些已建有污水處理廠(chǎng)的城鎮(zhèn)，則可用以緩解污水廠(chǎng)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的壓力。該工藝是適合我國(guó)國(guó)情的污水處理新技術(shù)，無(wú)論是在經(jīng)濟(jì)效益還是環(huán)境效益上均有較大的優(yōu)勢(shì)。

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