新型一體化氧化溝工藝的節(jié)能特點

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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，從實際工程角度對其節(jié)能特點作了分析，指出其之所以節(jié)能主要在于實現了污泥自動回流、水力內回流及優(yōu)化運行的管理方式。
關鍵字：合建式一體化氧化溝 節(jié)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(jié)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(fā)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(jié)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(jié)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。

表1　污水廠進、出水水質　　mg/L項目CODBODSSNH₃-NTN進水77.9～57855～15322～54113～27.818 ～30.7進水平均值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(jié)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(guī)活性污泥法具有節(jié)能優(yōu)勢，其首要特點在于用固液分離器取代了傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的氧化溝法須設污泥回流系統(tǒng)，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(jié)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(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。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(tài)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(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(wěn)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(jié)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(qū)和好氧區(qū)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(qū)的循環(huán)流動直接流至缺氧區(qū)，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(qū)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(qū)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(guī)模的反硝化反應。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(tǒng)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(jié)省能耗及控制簡單兩方面的優(yōu)勢 ，僅水力內回流就可節(jié)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(tǒng)耗氧量可節(jié)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(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。
　　合建式氧化溝實現了：①將不同功能的反應器以功能分區(qū)的形式融合在同一空間中，免去了頻繁的空間調配；②結合設備配置，做到各功能區(qū)優(yōu)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(yōu)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(jié)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(tài)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(huán)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(yōu)化運行的模式，即采取連續(xù)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(xù)運行?，F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(tǒng)的脫氮除磷。與連續(xù)進水、連續(xù)曝氣相比，其對COD與SS的處理效果略有下降，但均在達標范圍之內，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。這主要是因為系統(tǒng)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(tǒng)，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(tài)。另外，間歇曝氣的運行方式還可使系統(tǒng)內氧轉移速率增大，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22%左右， 兩種運行方式的能耗比較見表2。

表2　兩種運行方式能耗比較項目Q(m³/d)總電耗(kW·h)噸水電耗(kW·h)/m³連續(xù)進水連續(xù)曝氣1110027270.2481050026040.2481150031430.273750019000.253800021200.2651200031200.260150033600.269平均1044227100.260間歇進水間歇曝氣980019600.2001020020000.1961250024670.197780014400.1851080021140.1961180024390.2071150021770.189平均1062920850.196

3　 結論

　　①合建式一體化氧化溝工藝節(jié)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(tǒng)。
　　②設備的合理配置和優(yōu)化的運行管理模式也是實現節(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：

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