預(yù)處理單元跌水復(fù)氧問(wèn)題研究報(bào)告反應(yīng)出的環(huán)保問(wèn)題
【合肥純水設(shè)備行業(yè)新聞】
選取太湖流域3座GB18918-2002一級(jí)A排放規(guī)范的城鎮(zhèn)污水處置廠，開(kāi)展預(yù)處置單元跌水復(fù)氧問(wèn)題研究。監(jiān)測(cè)結(jié)果標(biāo)明，每次跌水后通常形成3mg/L以上的溶解氧增量，跌水所形成的溶解氧在后續(xù)輸水管道、渠道或池體內(nèi)消耗相應(yīng)的有機(jī)物。預(yù)處置單元多次跌水復(fù)氧和耗氧將導(dǎo)致形成5~10mg/L甚至更高的碳源損失，對(duì)脫氮除磷造成有利影響。工程測(cè)試結(jié)果標(biāo)明，跌水復(fù)氧主要發(fā)生于污水跌落瞬間，復(fù)氧量與跌水區(qū)封閉狀況、渠型結(jié)構(gòu)和跌水口類(lèi)型等因素有關(guān)，與跌水高度的相關(guān)性不顯著，跌水過(guò)程復(fù)氧量可忽略。結(jié)合跌水區(qū)域的特征，提出了跌水區(qū)域加蓋封閉抑制空氣流通的工程措施，并選擇太湖流域某污水處置廠進(jìn)行了工程試驗(yàn)，結(jié)果標(biāo)明，加蓋封閉后，跌水區(qū)域水中溶解氧由3.5~4.5mg/L穩(wěn)步下降至1~1.5mg/L控制效果顯著。
更加嚴(yán)格的城鎮(zhèn)污水處置廠污染物排放規(guī)范已經(jīng)成為全球水環(huán)境治理的重要手段，而充足的碳源則是實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處置廠氮磷穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的根本保證。根據(jù)生物脫氮除磷理論，生物反硝化所需的BOD5/TN為6~7如同期考慮污泥外排的影響，生物反硝化所需的BOD5/TN通常為5~6
但是國(guó)大部分城鎮(zhèn)污水處置廠面臨著進(jìn)水碳源嚴(yán)重不足的技術(shù)難題，很大水平上影響了氮磷的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。根據(jù)全國(guó)3000多座城鎮(zhèn)污水處置廠的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，BOD5/TN年均值達(dá)到5以上的缺乏20%其中40%以上的污水處置廠BOD5/TN缺乏3不投加外部碳源的情況下，通常難以達(dá)到高排放規(guī)范對(duì)氮磷控制的要求，這個(gè)問(wèn)題在冬季低溫地區(qū)尤為明顯。為進(jìn)一步強(qiáng)化氮磷去除，滿足日趨嚴(yán)格的排放規(guī)范要求，投加外碳源成為許多污水處置廠的無(wú)奈之舉。近年來(lái)，城鎮(zhèn)污水處置廠碳源優(yōu)化利用和內(nèi)碳源開(kāi)發(fā)已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的廣泛關(guān)注，但預(yù)處置單元復(fù)氧及碳源損耗問(wèn)題并沒(méi)有引起足夠重視。
研究團(tuán)隊(duì)在多年的污水處置工程績(jī)效跟蹤與評(píng)價(jià)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)城鎮(zhèn)污水處置廠在進(jìn)水泵出口、沉砂池出口、初沉池出水堰等位置都設(shè)有跌水區(qū)域，跌水導(dǎo)致的復(fù)氧現(xiàn)象明顯；復(fù)氧后的污水在輸水渠、管道、沉砂池、初沉池等構(gòu)筑物內(nèi)出現(xiàn)了不同水平的有機(jī)物消耗，進(jìn)一步加劇了碳源不足問(wèn)題。
01試驗(yàn)資料與方法
1.1案例及跌水點(diǎn)分布
根據(jù)國(guó)內(nèi)外跌水曝氣及跌水區(qū)惡臭控制的相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，本文選擇太湖流域3座GB18918-2002一級(jí)A排放規(guī)范城鎮(zhèn)污水處置廠為研究對(duì)象，對(duì)其預(yù)處置單元主要跌水點(diǎn)的分布情況進(jìn)行了分析，見(jiàn)表1
污水廠跌水復(fù)氧會(huì)影響碳源？研究數(shù)據(jù)這樣說(shuō)
1.2檢測(cè)點(diǎn)的選擇
結(jié)合被調(diào)研城鎮(zhèn)污水處置廠預(yù)處置單元工藝的特點(diǎn)和潛在溶解氧變化區(qū)域，分別在跌水前相對(duì)靜止區(qū)、跌水后紊流區(qū)，以及管道、渠道或構(gòu)筑物的入口和入口設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，連續(xù)測(cè)定上述檢測(cè)點(diǎn)溶解氧的變化情況。
1.3分析測(cè)試方法
本研究采用現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)試法，主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)為DO值，采用HA CHHQ30d單路輸入多參數(shù)數(shù)字化分析儀（規(guī)范型電極LD10103進(jìn)行測(cè)試。
02工程測(cè)試結(jié)果分析與討論
2.1預(yù)處置單元沿程DO變化
2014年秋季對(duì)3座城鎮(zhèn)污水處置廠預(yù)處置單元檢測(cè)點(diǎn)的DO值進(jìn)行多次檢測(cè)并取平均值，繪制主要檢測(cè)點(diǎn)DO變化曲線，見(jiàn)圖1不同跌水點(diǎn)封閉狀況、跌水高度和DO增量關(guān)系見(jiàn)表2
污水廠跌水復(fù)氧會(huì)影響碳源？研究數(shù)據(jù)這樣說(shuō)
污水廠跌水復(fù)氧會(huì)影響碳源？研究數(shù)據(jù)這樣說(shuō)
污水廠跌水復(fù)氧會(huì)影響碳源？研究數(shù)據(jù)這樣說(shuō)
污水廠跌水復(fù)氧會(huì)影響碳源？研究數(shù)據(jù)這樣說(shuō)
2.2跌水復(fù)氧的工程影響因素
1復(fù)氧量與跌水高度的關(guān)系。根據(jù)國(guó)內(nèi)外跌水曝氣的相關(guān)研究結(jié)論，激進(jìn)跌水曝氣工藝跌水導(dǎo)致的DO增量與跌水高度有關(guān)，跌水高度越高，DO增量越大。為此對(duì)表2中不同跌水點(diǎn)的跌水高度與DO增量之間的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)圖2所示。
污水廠跌水復(fù)氧會(huì)影響碳源？研究數(shù)據(jù)這樣說(shuō)
根據(jù)圖2實(shí)際工程中跌水點(diǎn)的DO增量與跌水高度并無(wú)直接相關(guān)關(guān)系。雖然A廠兩個(gè)跌水高度超過(guò)1m跌水點(diǎn)DO增量均達(dá)到3mg/L以上，但B廠提升泵出口在跌水高度僅為0.4m情況下，DO增量同樣達(dá)到3mg/L以上，而同樣是B廠，沉砂池0.5m跌水高度，DO增量缺乏0.5mg/L
2復(fù)氧量與跌水區(qū)域封閉狀況。檢測(cè)結(jié)果標(biāo)明，跌水區(qū)域封閉狀況是影響跌水復(fù)氧量的重要因素。從表2數(shù)據(jù)不難看出，相對(duì)而言，大部分關(guān)閉式或半關(guān)閉式結(jié)構(gòu)的跌水區(qū)域，跌水后的DO增量明顯大于封閉或半封閉結(jié)構(gòu)。例如同樣是提升泵出口，B廠為關(guān)閉式結(jié)構(gòu)，經(jīng)0.4m跌水后，DO增量達(dá)到4.28mg/L而A廠為半封閉式結(jié)構(gòu)，雖然跌水高度達(dá)到1.4m但跌水后DO增量?jī)H為3.49mg/L低于B廠水平。
3跌水區(qū)紊流狀況及其他調(diào)研發(fā)現(xiàn)，跌水點(diǎn)的紊流狀況、跌水過(guò)程中水流受到?jīng)_擊情況，以及其他一些工程因素都可能在一定水平上影響復(fù)氧量水平，相關(guān)效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。
2.3跌水對(duì)污水處置廠碳源損耗的影響
1預(yù)處理單元DO消耗情況。復(fù)氧后的污水在后續(xù)的輸水管道、渠道和構(gòu)筑物中，可能被來(lái)自于鄉(xiāng)村下水道、污泥脫水區(qū)或其他途徑的微生物所利用，從而使DO值降低，一定水平上消耗進(jìn)水中的可生物降解有機(jī)物。為此對(duì)3座污水處置廠潛在耗氧段的DO變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表3
污水廠跌水復(fù)氧會(huì)影響碳源？研究數(shù)據(jù)這樣說(shuō)
表3數(shù)據(jù)標(biāo)明，經(jīng)跌水復(fù)氧后的污水，流經(jīng)后續(xù)密閉管道、渠道或進(jìn)入單元構(gòu)筑物時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的DO濃度降低的情況。而根據(jù)污水處置的基本理論，該區(qū)域內(nèi)的DO降低意味著快速可生物降解有機(jī)物的消耗，模擬試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了預(yù)處置單元各構(gòu)筑物內(nèi)微生物的存在
表3中的數(shù)據(jù)以及模擬試驗(yàn)結(jié)果也表明，輸水管道內(nèi)DO消耗量與管道長(zhǎng)度或污水在管道內(nèi)的實(shí)際停留時(shí)間近似正相關(guān)，正常情況下，輸水管道內(nèi)每10min停留時(shí)間可消耗0.5~1mg/LDO
2復(fù)氧導(dǎo)致的預(yù)處置單元碳源總消耗量。污水預(yù)處理單元的復(fù)氧將導(dǎo)致兩種類(lèi)型的碳源損失：首先，預(yù)處置單元內(nèi)的微生物以DO為電子受體，利用碳源完成生物合成；其次，預(yù)處置單元末端存留的DO進(jìn)入后續(xù)生物系統(tǒng)的厭氧、缺氧工藝單元，同樣消耗污水中的碳源。表4為案例污水處置廠預(yù)處置單元跌水復(fù)氧導(dǎo)致的碳源損失總量情況。
污水廠跌水復(fù)氧會(huì)影響碳源？研究數(shù)據(jù)這樣說(shuō)
根據(jù)表4被調(diào)查城鎮(zhèn)污水處置廠預(yù)處置單元跌水復(fù)氧均造成不低于5mg/L優(yōu)質(zhì)碳源損失量，其中B廠的碳源損失量達(dá)到10mg/L對(duì)于脫氮除磷所需碳源不足，或出水TN臨時(shí)處于超標(biāo)邊緣，需通過(guò)投加碳源確保穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的污水處置廠而言，預(yù)處置單元碳源損失量相當(dāng)可觀。
03跌水復(fù)氧的成因分析
根據(jù)前期研究結(jié)果，預(yù)處置單元反復(fù)的跌水復(fù)氧、耗氧過(guò)程必將消耗污水處置廠原水中的碳源，進(jìn)一步加劇碳源不足問(wèn)題，為此有必要對(duì)跌水復(fù)氧的原理和成因進(jìn)行分析，以提出相應(yīng)的控制措施。
3.1跌水過(guò)程DO變化情況
為進(jìn)一步研究跌水過(guò)程中DO值的變化規(guī)律，圖3所示的典型跌水區(qū)域設(shè)置了5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行跌水前（1#跌落過(guò)程（2#~4#和跌落后（5#DO變化規(guī)律測(cè)試，見(jiàn)圖4所示。
污水廠跌水復(fù)氧會(huì)影響碳源？研究數(shù)據(jù)這樣說(shuō)
根據(jù)圖4曲線，不同檢測(cè)點(diǎn)兩個(gè)深度下的檢測(cè)結(jié)果基本吻合，且1#~4#檢測(cè)點(diǎn)均處于極低值，說(shuō)明跌落過(guò)程中沒(méi)有形成明顯的外表復(fù)氧現(xiàn)象。而污水自4#檢測(cè)點(diǎn)（圖3b水花上方5~10cm跌落至5檢測(cè)點(diǎn)（圖3b水花位置）瞬間，溶解氧自不足0.2mg/L增加至2.7mg/LDO增量達(dá)到2.5mg/L結(jié)果標(biāo)明跌水復(fù)氧作用主要發(fā)生于污水跌落至池體底部的瞬間。
污水廠跌水復(fù)氧會(huì)影響碳源？研究數(shù)據(jù)這樣說(shuō)
3.2跌水復(fù)氧形成機(jī)制分析
跌落過(guò)程復(fù)氧潛能分析。根據(jù)圖3污水經(jīng)泵提升并從出口排出的瞬間，可認(rèn)為具有一定的水平流速，而垂直流速可忽略不計(jì)。因此整個(gè)跌落過(guò)程可近似按自由落體理論計(jì)算。根據(jù)自由落體理論和計(jì)算公式，不同跌落時(shí)間下所完成的跌落高度見(jiàn)表5所示。
污水廠跌水復(fù)氧會(huì)影響碳源？研究數(shù)據(jù)這樣說(shuō)
從表5數(shù)據(jù)不難看出，對(duì)于高度小于2m跌水區(qū)域，污水將在不超過(guò)1s時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)跌落過(guò)程，因此無(wú)論是采用哪種氧傳送理論模型，如此短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)表層復(fù)氧，都難以達(dá)到工程測(cè)試的DO增量，尤其是對(duì)于污水處置廠進(jìn)水泵出口、沉砂池入口等過(guò)水?dāng)嗝嫦鄬?duì)較窄、水量相對(duì)較大的區(qū)域，氣水接觸面更小，通過(guò)界面理論復(fù)氧的可能性進(jìn)一步降低。
3.3跌水瞬間快速?gòu)?fù)氧理論
根據(jù)圖4跌水區(qū)域內(nèi)DO增加幾乎發(fā)生于跌落瞬間，跌落過(guò)程中污水并沒(méi)有明顯的DO增量。結(jié)合跌水復(fù)氧工程影響因素分析結(jié)果，污水處置廠跌水復(fù)氧的條件主要包括：關(guān)閉式跌水區(qū)域和跌落點(diǎn)明顯的紊流，而污水跌落的瞬間是充氧發(fā)生的主要時(shí)段。支持該推斷的理論包括：
1跌水的過(guò)程中雖然無(wú)明顯的復(fù)氧現(xiàn)象，但水柱周邊的空氣在摩擦力作用下沿水流方向運(yùn)動(dòng)，這種旋流的作用下，水柱與圍墻之間形成明顯的空氣旋流，如圖5所示。
污水廠跌水復(fù)氧會(huì)影響碳源？研究數(shù)據(jù)這樣說(shuō)
2空氣旋流作用下，區(qū)域內(nèi)的空氣快速交換，同時(shí)將污水厭氧過(guò)程中產(chǎn)生并在跌水過(guò)程中釋放出的各種小分子有機(jī)物和氣態(tài)物質(zhì)排放到區(qū)域內(nèi)，這也是預(yù)處置單元跌水區(qū)惡臭產(chǎn)生的主要原因。
3池頂不封閉的情況下，所形成的空氣旋流可加速渠道內(nèi)氣體與渠道周邊空氣的流通，使新鮮空氣不時(shí)注入到跌水渠道內(nèi)；池頂封閉或半封閉狀態(tài)時(shí)，內(nèi)外空氣對(duì)流減小，區(qū)域內(nèi)DO值逐漸降低。
4污水跌落至匯水渠的同時(shí)，也帶動(dòng)周邊的富氧空氣進(jìn)入渠內(nèi)，并與污水快速混合。
5水柱跌落至渠道內(nèi)的瞬間，沖擊力作用下，界面的外表張力被破壞，氧傳送阻力降低，加速氣水混合。
6跌落瞬間，形成明顯的波浪和水花，氣水接觸面增大，加速?gòu)?fù)氧過(guò)程。
04基于跌水復(fù)氧的加蓋控制技術(shù)研究
根據(jù)上述研究結(jié)論，跌水復(fù)氧主要發(fā)生于跌落至底部水渠的瞬間，跌水區(qū)域內(nèi)空氣旋流是復(fù)氧形成的主要原因，而跌水區(qū)域內(nèi)空氣與外界空氣流通是復(fù)氧的前提。實(shí)際工程中，跌水點(diǎn)的紊流狀況和跌水區(qū)域內(nèi)的空氣旋流通常是難以控制的因此本文提出通過(guò)跌水區(qū)域頂部加蓋密封抑制空氣交換的方式進(jìn)行復(fù)氧控制，并選擇太湖流域某污水處置廠進(jìn)行了工程性研究。
4.1加蓋密封技術(shù)原理
加蓋密封跌水復(fù)氧控制的技術(shù)原理如圖5b所示，采用具有一定強(qiáng)度和密封性能的工程資料，跌水區(qū)域頂部適當(dāng)位置進(jìn)行密閉處置，有效阻斷跌水區(qū)域內(nèi)空氣與外界環(huán)境空氣交換的渠道。這種情況下，隨著跌水過(guò)程中氣水之間的物質(zhì)交換，跌水區(qū)域空氣中的氧濃度逐漸降低，最終達(dá)到穩(wěn)定的低氧水平。
4.2工程實(shí)施及效果
太湖流域某城鎮(zhèn)污水處置廠進(jìn)水泵入口原為半關(guān)閉式結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖6a頂部鋪設(shè)有鋼制走道板結(jié)構(gòu)，渠底液位到池頂?shù)拈g距約為2.5m采取工程密封措施前，對(duì)跌水區(qū)域內(nèi)空氣和水的溶解氧進(jìn)行了測(cè)試，其中空氣溶解氧基本保持在8.0~9.0mg/L動(dòng)搖，與外界空氣溶解氧濃度等因素有關(guān)；水中溶解氧保持在3.5~4.5mg/L動(dòng)搖性相對(duì)較小。
污水廠跌水復(fù)氧會(huì)影響碳源？研究數(shù)據(jù)這樣說(shuō)
采用在走道板頂部加裝柔性材料的形式對(duì)該跌水區(qū)域頂部進(jìn)行了密封處置，工程的整體密封性相對(duì)較好，施工過(guò)程照片見(jiàn)圖6b工程實(shí)施后對(duì)跌水區(qū)域內(nèi)空氣和水的溶解氧濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖7所示。
污水廠跌水復(fù)氧會(huì)影響碳源？研究數(shù)據(jù)這樣說(shuō)
根據(jù)圖7加蓋封閉的前20多個(gè)小時(shí)內(nèi)，跌水區(qū)域空氣和水中的溶解氧濃度快速降低，標(biāo)明跌水過(guò)程中空氣中的溶解氧向水中逐漸轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致封閉空間內(nèi)溶解氧濃度降低。至24h后跌水區(qū)域空氣中的溶解氧濃度降低到3~4mg/L水平，水中溶解氧下降至1~1.5mg/L且基本堅(jiān)持平穩(wěn)。多次破壞性試驗(yàn)出現(xiàn)基本相同的結(jié)論，且跌水區(qū)域的密封性進(jìn)一步加強(qiáng)（出于平安考慮，預(yù)留了局部通氣孔）后，空氣中DO濃度可進(jìn)一步降低至1~2mg/L水平，此時(shí)水渠中的DO濃度可達(dá)到0.5mg/L左右水平，有效抑制了跌水復(fù)氧。
05結(jié)論與建議
1對(duì)3座典型一級(jí)A排放規(guī)范城鎮(zhèn)污水處置廠進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果標(biāo)明預(yù)處置單元跌水區(qū)域普遍存在復(fù)氧現(xiàn)象，每次跌水后通常形成3mg/L以上的DO增量；復(fù)氧作用主要發(fā)生于污水跌落瞬間，跌水過(guò)程中的復(fù)氧作用可忽略；復(fù)氧量與跌水區(qū)域的封閉情況、池型結(jié)構(gòu)以及匯水渠的紊流狀況直接相關(guān)，與跌水高度的關(guān)系不顯著。
2預(yù)處理單元的管道、渠道或構(gòu)筑物內(nèi)微生物具有明顯的耗氧能力，平均每10min停留時(shí)間可消耗0.5~1mg/LDO意味著同等量的碳源損失；預(yù)處置單元末端的DO進(jìn)入后續(xù)生物系統(tǒng)，同樣損耗碳源。被調(diào)查3座城鎮(zhèn)污水處置廠預(yù)處置單元跌水復(fù)氧均造成5mg/L以上的優(yōu)質(zhì)碳源損失，局部工程甚至達(dá)到或超過(guò)10mg/L進(jìn)一步加劇了碳源不足問(wèn)題。
3采用加蓋密封的方式進(jìn)行進(jìn)水泵入口跌水復(fù)氧控制，結(jié)果標(biāo)明加蓋密封后，跌水區(qū)域空氣的溶解氧由8.0~9.0mg/L穩(wěn)步下降至3~4mg/L水中溶解氧由3.5~4.5mg/L穩(wěn)步下降至1~1.5mg/L