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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簡介： 本文就重慶市忠縣新生鎮(zhèn)污水工程BT項目設(shè)計實例展開分析，探討在目前國情下，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

　　水污染問題的日益嚴(yán)重，已經(jīng)開始威脅中國的國民經(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，對河流湖泊的治理也必須要同時跟上。因此可以推斷，未來10年間將是中國污水治理的高峰期。要實現(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的數(shù)量。目前中國中小城市的城市污水處理廠發(fā)展十分緩慢，主要是無法承擔(dān)過高的修建成本和運(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)用的問題，能夠滿負(fù)荷運(yùn)行的還不到1/3，根本無法達(dá)到國內(nèi)的水污染控制的要求。

　　因此，探索和發(fā)展簡易、高效低耗、能有效降低污水中氮、磷含量而且適合中國國情的中小城市污水處理工藝已成為中國水處理行業(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，中國需要尋找更多運(yùn)行成本低，管理、操作簡單，符合中國國情的污水處理技術(shù)。從國內(nèi)外的情況來看，最大限度地削減處理廠運(yùn)行費(fèi)，其中跌水曝氣技術(shù)是一項可以探討應(yīng)用的好技術(shù)。

　　2 工程設(shè)計實例分析

　　2004年11月份，筆者曾在重慶市三峽庫區(qū)中小城鎮(zhèn)污水處理工程項目（BT項目）的方案設(shè)計中，針對忠縣新生鎮(zhèn)污水處理廠項目的地形特點(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，再通過氧化溝上的跌水曝氣裝置對混合液進(jìn)行跌水曝氣，以滿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)計的依據(jù)是：一，利用進(jìn)水與氧化溝落差大（4米），對污水進(jìn)行曝氣；二，不用對地形進(jìn)行過多的平整，減少土石方開挖，節(jié)約基建成本；三，有國外成功的經(jīng)驗。

　　圖2 跌水曝氣一體化氧化溝

　　從工程設(shè)計方案本身看，跌水曝氣一體化氧化溝采用了靈活的設(shè)計思路，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；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跌水方式，且在跌落的過程中安裝濺水裝置。為了保持對跌水流態(tài)的控制，在堰上還裝有調(diào)節(jié)用的堰板，如圖4。在設(shè)計中，由于采用了跌水曝氣系統(tǒng)，使用了一臺潛水軸流泵來提升溝內(nèi)污水，使用時可以帶動溝內(nèi)污水的流動，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，并簡化運(yùn)行管理。

　　從以上的設(shè)計方案中可以看出，采用跌水曝氣改造氧化溝，簡便易行，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：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)計方案中，已經(jīng)對跌水曝氣系統(tǒng)在氧化溝上的應(yīng)用進(jìn)行了分析。在實際的工程應(yīng)用上，早在90年代，日本的Hideo Nakasone和Masuo Ozaki就對跌水曝氣氧化溝進(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

　　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的時候測得

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

　　由圖3可以看出，日本方面對跌水曝氣氧化溝的改造，并沒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)過改造后，不但設(shè)備和構(gòu)筑物改造設(shè)計都非常

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

　　達(dá)到了一個非常高的水平。

　　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)用價值不高。但對于采用鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的SBR工藝來說，改用跌水曝氣系統(tǒng)還是有足夠的優(yōu)勢的。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)操作更加簡單，設(shè)備數(shù)量少，系統(tǒng)簡單。第三、跌水曝氣系統(tǒng)比鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)維修更加簡單方便。

　　從以上理論分析可知，在使用跌水曝氣系統(tǒng)對SBR的改造上，并不具有特別多的優(yōu)勢，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其他工藝要更困難一些，但對某些工程項目還是可以改造的。例如姜湘山等人采用跌水曝氣來改進(jìn)填料排水系統(tǒng)來處理屠宰廢水，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，工藝相對簡單，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)計計算方法和實際運(yùn)用還不多見。

　　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)

　　就中國目前的環(huán)境保護(hù)發(fā)展情況看，對水環(huán)境的保護(hù)已經(jīng)到了一個比較關(guān)鍵的時候。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)的角度來說，跌水曝氣系統(tǒng)作為一種優(yōu)秀的曝氣系統(tǒng)值得推廣。中國是一個以山區(qū)和丘陵地帶為主的一個國家，但目前的大多數(shù)的污水處理廠的設(shè)計，要求有比較平坦的場地，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。對于跌水曝氣來說，可以因地制宜的設(shè)計，將山地丘陵的劣勢化為優(yōu)勢，利用高差跌水充氧，從而減少土石方的開挖和混合液曝氣所需電能的消耗。而這樣的設(shè)計僅僅只需要改變曝氣系統(tǒng)就可以實現(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，特別是對空氣環(huán)境要求來說。由于跌水曝氣系統(tǒng)會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)，會造成二次污染；但這也不是絕對的，在偏遠(yuǎn)人少和開闊的郊區(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)。這一項就可以大幅度減少開發(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改進(jìn)填料排水系統(tǒng)來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)省工程造價達(dá)60%^[2]。第三，機(jī)械設(shè)備簡單，運(yùn)行管理、檢修方便。對于一般的曝氣方式來說，機(jī)械設(shè)備都比較復(fù)雜，操作不方便、簡單，需要對操作人員進(jìn)行很好的專門培訓(xùn)。而對跌水曝氣系統(tǒng)來說，由于總共就一臺提升水泵加上控制柜等即可，并沒有其他設(shè)備，使得設(shè)備安裝操作都比較簡單，檢修也很簡單，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改進(jìn)填料排水系統(tǒng)來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8000萬立方米／日[5]的污水處理量來算，日耗電量為4000萬千瓦，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區(qū)中小城鎮(zhèn)污水處理工程項目（BT項目）的方案設(shè)計中的運(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，減少工程造價，不人為破壞生態(tài)環(huán)境。

　　3）國內(nèi)外實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)計使用，適合中國國情的中小型城鎮(zhèn)水環(huán)境控制的污水處理改進(jìn)技術(shù)。

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

　　可以使得工藝設(shè)計，施工，管理和維修更加簡單方便。