摘要：我國很多地區的地表水以及淺層地下水都遭到工業污染，加強我國污水處理事業建設，提高污水處理技術是緩解我國水資源困境的必由之路。本文對某污水處理廠的處理工藝進行了分析，并闡述了污水處理的相關新技術。

　　關鍵詞：污水處理,一體化,低溶氧,同時硝化/反硝化,推流

　　前言

　　污水是工業發展以及人類濫用水資源的產物，隨著水資源的日益枯竭以及污水排放量的日益增多，水質污染超越了水體的自凈能力。如果不及時處理污水，不但會造成巨大的經濟損失，污水還會進入土壤，通過食物鏈來影響我們的身體健康。同時在污水處理過程中如何應用多項低能耗污水處理技術，大大減少污水處理廠的運行費用，并保證良好的出水水質，使投資省、占地面積小、運行費用低、維護管理方便，也是我國目前污水處理要研究的問題。

　　1污水處理廠項目概況

　　某污水處理廠，配套管網40.93 km，以及中途提升泵站1座。污水處理廠尾水排放執行《城鎮污水廠污染物排放標準》(GB19918-2002)一級標準的B標準，設計進、出水水質及要求處理程度見表1。

 

　　2低能耗污水處理技術的應用

　　為貫徹節能理念并保證出水水質，工程中主要應用了一體化技術、低溶氧技術、同時硝化/反硝化技術、微孔軟管曝氣技術、新型推流技術等低能耗污水處理技術。

　　2.1一體化技術

　　一體化氧化溝技術源于上世紀50年代的荷蘭(沃紹登Voorschoten)，其特點是用合建的生物反應池取代傳統氧化溝工藝中的氧化溝、二沉池、污泥回流泵房等處理構筑物，將初沉池、水解酸化池、厭氧池、曝氣池以及二沉池的功能集于一身，使傳統工藝的多個池體簡化為一個綜合池體，在其中高效完成碳源氧化、硝化、反硝化、磷的去除以及處理水的固液分離，前段的預處理及后段的消毒和污泥處置與傳統工藝基本一致。國內于上世紀90年代初引進該技術，目前運行廠已超過10余座。

　　一體化技術最顯著的特征是不設獨立的污泥回流系統。按功能需要，該項目的一體化生物反應池共劃分為4個分區(如圖1所示)，按水的流向分別為厭氧區、空氣提升區、主反應(曝氣區、沉淀區。在沉淀區，用快速澄清裝置(斜管)取代了傳統的二沉池，斜管沉淀具有高效分離的特點，表面負荷一般為50～65 m3/(m2·d)，該值是傳統二沉池設計的1.5～4倍。沉淀污泥直接落于斜管下方，通過混合液回流，將斜管下方污泥帶回氧化溝進水端，實現了污泥無泵自動回流，省去機械回流，從而降低運行能耗，比設獨立污泥回流系統的傳統氧化溝法可節能15%左右。該廠項目規模2.5×104 m3/d，如采用泵回流系統，需設置回流泵臺，運行功率30 kW，電耗增加約0.05 kWh/m3�；旌弦涸谛惫芟路降耐ǖ劳ㄟ^時，流速控制

　　在0.3～0.4 m/s，可以形成抽吸作用，保證了分離沉淀的污泥不會在通道底部積累，另一方面也加速了污泥的沉降，同時，由于抽吸作用形成獨特的水力條件，在斜管下部的水處于旋流狀態，這樣可以有效避免斜管內部積泥。而斜管上部處于異向流狀態，水流較為平緩，比重大的污泥顆粒先行分離，隨著上升過程中的阻力影響，水流趨于平穩緩緩上升，比重小的污泥顆粒也能夠重力沉降，在此過程中水質不斷改善，最終通過斜管，保證出水水質。事實上，在改良型一體化氧化溝工藝中，形成的活性污泥絮體主要是微量好氧的微生物和兼性厭氧微生物，這些微生物菌種生長速度較慢，不會在菌群團表面形成水膜，這樣的污泥易于分離SVI僅在60～100之間;此外，由工藝本身控制的短程同時硝化/反硝化，決定了在水體進入沉淀區之前，NO2-或NO3-及可溶性BOD幾乎為零，沉淀區即使是缺氧條件下也幾乎不會發生反硝化和產生氮氣，也不會出現傳統活性污泥法中的二沉池翻泥現象。

　　2.2低溶氧技術

　　低溶氧技術是降低污水廠運行能耗的一項重要措施，低溶氧不代表有機物氧化、氨氮硝化供氧量不足，而是通過曝氣系統的改進，使供氧量和需氧量之間的富余值控制在科學經濟的范圍內，從而避免能耗的浪費。實踐證明，改良型一體化氧化溝工藝中溶解氧僅需0.1～0.3 mg/L就夠了，這與奧貝爾氧化溝外溝的運行十分相似，因此氧的傳遞作用是在氧虧條件下進行的，傳遞效率大大提高，鼓風系統的供氧量隨之降低。

　　低溶氧環境也決定了微生物種類和所發生的生化反應類型，經過馴化形成的活性污泥絮體中，主要保留的是微量好氧的微生物和兼性厭氧微生物，這些微生物菌種生長速度較慢，在吸附COD后不會在菌群團表面形成水膜，活性污泥絮體則通過接觸微小氣泡而直接攝取氧氣進行代謝，即使在溶解氧濃度較低的情況下也可以正常地攝取有機物進行代謝，從而使得微生物獲得氧的效率大大提高。只要反應池中有溶解氧富余出來(控制出水端的溶解氧濃度在0.1～0.3 mg/L)，就說明池中微生物已經不再需要更多的溶解氧，這比傳統好氧工藝專性好氧菌種對氧濃度的需求要低得多。

　　傳統好氧工藝中，活性污泥絮體以專性好氧菌種為主，污泥絮體較大且外表有水膜，絕大多數細菌是被“包埋”在污泥絮體內，水體中的溶解氧必須克服絮體表面水膜阻力后才能被微生物攝取和利用，因此擴散進去的溶氧極為有限，即使水體中溶氧較高(2 mg/L或以上)，但真正被微生物利用的也只有0.1～0.3 mg/L。

　　工程中設有高精度的溶解氧檢測儀，如果氧濃度超過0.3 mg/L，通過變頻裝置，降低鼓風機的輸出功率;相反，如果氧含量低于0.1 mg/L，則增加鼓風機的鼓風量。這種控制可輕易實現自動化調節，操作簡便、運行可靠又可節省運營成本。

　　2.3同時硝化/反硝化技術

　　上節提到的低溶氧環境，決定了該廠項目的另一項低能耗污水處理技術———短程同時硝化/反硝化。目前研究表明，在奧貝爾氧化溝、卡魯塞爾氧化溝、SBR、曝氣生物濾池等工藝中都不同程度地存在短程同時硝化/反硝化現象，而在該廠項目中短程同時硝化/反硝化的特征十分明顯，由于生物池中溶解氧較低，氨氮在硝化過程中大部分生成亞硝酸鹽，而不是硝酸鹽，反硝化菌群利用NO2--N作電子受體進行反硝化脫氮，在NH4+-N被降解的同時，沒有NO2--N的積累及NO3--N的產生，整個生物脫氮過程比一般的全程好氧硝化/厭氧反硝化歷時要短得多，為好氧短程同時硝化/反硝化過程，即在好氧條件下亞硝化微生物將NH4+-N轉化為NO2--N，隨即由反硝化微生物直接進行反硝化反應，將NO2--N還原為N2釋放。

　　全程反硝化主要反應為：

　　NH4++2O2=NO3-+2H++H2O

　　2NO3-+OH(電子供給體COD)=N2+4H2O+2OH-

　　短程同時硝化/反硝化主要反應為：

　　NH4++1.5O2=NO2-+2H++H2O

　　2NO2-+3H(電子供給體COD)=N2+H2O+OH-

　　由公式可看出，去除一個分子的氨氮，短程硝化/反硝化要比全程硝化/反硝化少消耗0.5個氧分子，可減少25%左右的需氧量，大大降低因充氧所需的能耗。

　　此外，由于短程硝化/反硝化可直接利用NO2--N還原為N2，因此具備較高的反硝化速率，通常比全程硝化/反硝化高63%左右。

　　2.4微孔軟管曝氣技術

　　改良型一體化氧化溝運行的一個重要特征是低溶氧，僅0.1～0.3 mg/L，要保證這一參數，除了設置高精度的溶解氧檢測儀外，運用先進的曝氣技術也是關鍵。該廠項目采用的是新型節能微孔軟管曝氣技術，在曝氣區下方，沿長向密集地布置多道細長曝氣軟管，間隔只有20~30cm，每米軟管上開有數千個微氣孔，曝氣時能產生均勻的細小氣泡。由于曝氣軟管沿曝氣區通長布置，這樣在整個曝氣區池底面積上，可以進行大表面面積的細小氣泡曝氣作業，保證區域內水體100%得以有效曝氣。這種曝氣方式主要有3方面優點：

　　(1)避免傳統曝氣的曝氣不均勻。傳統盤式、管式曝氣的曝氣裝置在池底是分散布置的，其直接曝氣區域極為有限，僅在5%左右或稍高，其它區域氧的供應則依靠氣體或水體流動形成的擴散來完成，這種曝氣方式在分布上是不均勻的，也就難以保證微生物體對氧氣需求的均勻。

　　(2)提高充氧效率。傳統曝氣方式是局部曝氣，曝氣相對集中，局部強度過大，會導致垂直水波，以非常高的速度傳播氣泡，加之氣泡粒徑較大，氣泡上升速度相對較大，氣泡與水的接觸時間短，充氧效率低，僅能達到2.5 kg O2/kWh左右。

　　而工程中采用的大表面面積曝氣，在池底表面產生的氣泡是均勻的，這樣可以降低單位面積的池中曝氣量，同時由于產生的氣泡細小且密集，氣泡上升速度減小，延長了與水接觸的時間(約是傳統曝氣的3～4倍)，另一方面，氣泡粒徑減小，增大了氣泡與水的接觸面積，有利于增加氧的傳遞效率。因此，采用大表面面積的軟管微孔曝氣，動力效率大大提高，可達到4 kg O2/kWh或更高，氧的利用率(EA)高達35%～60%。

　　(3)加速氧的直接利用。采用曝氣軟管曝氣時產生的氣泡極其細小，氣泡直徑僅為10～30μm，這些氣泡絕大多數直接附著在活性污泥上，實現了泥、水之間良好有效的微混合，加速了微生物體對氣泡中氧氣的直接利用。

　　曝氣軟管的安裝也非常簡單，通過活結頭與主空氣管連接，在池底的敷設則通過特殊設計的拉環和牽引繩來完成，這種安裝方式可以在不停車的情況下對運行中出現問題的曝氣管進行更換。

　　2.5新型推流技術

　　該廠項目采用的推流技術也具有高效節能的特點，在一體化氧化溝空氣提升區的底部設有空氣提升裝置，通過鼓入空氣形成提升區內外液體密度差和液位差，導致空氣提升區液位的抬高，從而實現氧化溝的推流。

　　采用空氣提升形成氧化溝推流的動能消耗較小，通常不到氧化溝動能消耗的5%，以該廠項目為例，規模2.5×104 m3/d，如回流比為20，每秒的推流水量約6 m3，采用空氣提升形成推流的能消耗不到7.5 kW，而傳統氧化溝工藝要形成推流，動能消耗至少在45 kW以上。主要原因在于改良型一體化氧化溝和傳統氧化溝工藝的工況不同，在傳統氧化溝工藝中，推流的動能消耗主要用于保持溝內活性污泥的懸浮，避免污泥在溝底沉積，而改良型一體化氧化溝，由于其獨特的曝氣方式，活性污泥始終能保持懸浮狀態，除澄清裝置下方要求一定的流速外，其它地方對流速并無要求，其推流的作用是保證混合液回流，通過調節回流

　　比對進水進行稀釋，使曝氣池進水端的負荷降低，整個曝氣池的有機物濃度梯度差保持在較小范圍，COD負荷也幾乎平均一致，使得微生物生長的環境穩定，有利于微生物的生長及有機物的降解。

　　3結語

　　從各方面的分析比較可以得知該廠項目的節能特點：

　　(1)工程采用新型微孔軟管曝氣技術，為大表面面積微孔曝氣，可以保證氣泡在池體的均勻分布，產生的氣泡細小且密集，大大增加氧的傳遞效率，動力效率(Ep)高達4 kg O2/kWh以上，氧的利用率(EA)高達35%～60%，有效減少鼓風量和運行能耗;

　　(2)微孔軟管曝氣技術的使用，使低溶氧技術、同時硝化/反硝化技術得以實施，低溶氧環境下馴化的活性污泥絮體可以直接攝取細小氣泡中的氧氣進行代謝，對氧濃度的需求較其它活性污泥法要低得多，可以降低單位面積的池中曝氣量，另一方面，氧傳遞作用是在氧虧條件下進行的，可以提高氧的傳遞效率。同時，由于生物池中溶解氧較低，氨氮在硝化過程中大部分生成亞硝酸鹽，可以被反硝化菌群直接利用進行反硝化脫氮，提高反硝化速率和脫氮效率;

　　(3)工程中應用一體化技術，在沉淀區用快速澄清裝置(斜管)取代二沉池，實現了污泥無泵自動回流，省去機械回流，從而降低運行能耗。此外，工程利用空氣提升裝置來實現溝內大比例混合液回流，大大降低用于推流的動力消耗。

　　參考文獻:

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