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污水廠跌水復(fù)氧會影響碳源?研究數(shù)據(jù)這樣說

污水廠跌水復(fù)氧會影響碳源?研究數(shù)據(jù)這樣說

2022-12-06 13:20:53 12

選取太湖流域3座GB 18918-2002一級A排放標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠,開展預(yù)處理單元跌水復(fù)氧問題研究。監(jiān)測結(jié)果表明,每次跌水后通常形成3 mg/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)的有機物。預(yù)處理單元多次跌水復(fù)氧和耗氧將導(dǎo)致形成5~10 mg/L,甚至更高的碳源損失,對脫氮除磷造成不利影響。工程測試結(jié)果表明,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)和跌水口類型等因素有關(guān),與跌水高度的相關(guān)性不顯著,跌水過程復(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理廠進(jìn)行了工程試驗,結(jié)果表明,加蓋封閉后,跌水區(qū)域水中溶解氧由3.5~4.5 mg/L穩(wěn)步下降至1~1.5 mg/L,控制效果顯著。

更加嚴(yán)格的城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)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現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理廠氮磷穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的根本保障。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,我國大部分城鎮(zhèn)污水處理廠面臨著進(jìn)水碳源嚴(yán)重不足的技術(shù)難題,很大程度上影響了氮磷的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。根據(jù)全國3 000多座城鎮(zhèn)污水處理廠的統(tǒng)計結(jié)果,BOD5/TN年均值達(dá)到5以上的不足20%,其中40%以上的污水處理廠BOD5/TN不足3,在不投加外部碳源的情況下,通常難以達(dá)到高排放標(biāo)準(zhǔn)對氮磷控制的要求,這個問題在冬季低溫地區(qū)尤為明顯。為進(jìn)一步強化氮磷去除,滿足日趨嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)要求,投加外碳源成為許多污水處理廠的無奈之舉。近年來,城鎮(zhèn)污水處理廠碳源優(yōu)化利用和內(nèi)碳源開發(fā)已經(jīng)引起了國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注,但預(yù)處理單元復(fù)氧及碳源損耗問題并沒有引起足夠重視。

研究團隊在多年的污水處理工程績效跟蹤與評價過程中發(fā)現(xiàn),多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠在進(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)了不同程度的有機物消耗,進(jìn)一步加劇了碳源不足問題。

01 試驗材料與方法

1.1 案例及跌水點分布

根據(jù)國內(nèi)外跌水曝氣及跌水區(qū)惡臭控制的相關(guān)研究經(jīng)驗,本文選擇太湖流域3座GB 18918-2002一級A排放標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠為研究對象,對其預(yù)處理單元主要跌水點的分布情況進(jìn)行了分析,見表1。

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

1.2 檢測點的選擇

結(jié)合被調(diào)研城鎮(zhèn)污水處理廠預(yù)處理單元工藝的特點和潛在的溶解氧變化區(qū)域,分別在跌水前相對靜止區(qū)、跌水后紊流區(qū),以及管道、渠道或構(gòu)筑物的入口和出口設(shè)置檢測點,連續(xù)測定上述檢測點溶解氧的變化情況。

1.3 分析測試方法

本研究采用現(xiàn)場直接測試法,主要監(jiān)測指標(biāo)為DO值,采用HACH HQ30d單路輸入多參數(shù)數(shù)字化分析儀(標(biāo)準(zhǔn)型電極LD10103)進(jìn)行測試。

02 工程測試結(jié)果分析與討論

2.1 預(yù)處理單元沿程DO變化

2014年秋季對3座城鎮(zhèn)污水處理廠預(yù)處理單元檢測點的DO值進(jìn)行多次檢測并取平均值,繪制主要檢測點DO變化曲線,見圖1,不同跌水點封閉狀況、跌水高度和DO增量關(guān)系見表2。

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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)國內(nèi)外跌水曝氣的相關(guān)研究結(jié)論,傳統(tǒng)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。為此對表2中不同跌水點的跌水高度與DO增量之間的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計分析,結(jié)果見圖2所示。

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根據(jù)圖2,實際工程中跌水點的DO增量與跌水高度并無直接相關(guān)關(guān)系。雖然A廠兩個跌水高度超過1 m的跌水點DO增量均達(dá)到3 mg/L以上,但B廠提升泵出口在跌水高度僅為0.4 m的情況下,DO增量同樣達(dá)到3 mg/L以上,而同樣是B廠,沉砂池0.5 m的跌水高度,DO增量不足0.5 mg/L。

(2)復(fù)氧量與跌水區(qū)域封閉狀況。檢測結(jié)果表明,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,相對而言,大部分敞開式或半敞開式結(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廠為敞開式結(jié)構(gòu),經(jīng)0.4 m跌水后,DO增量達(dá)到4.28 mg/L,而A廠為半封閉式結(jié)構(gòu),雖然跌水高度達(dá)到1.4 m,但跌水后DO增量僅為3.49 mg/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),跌水點的紊流狀況、跌水過程中水流受到的沖擊情況,以及其他一些工程因素都可能在一定程度上影響復(fù)氧量水平,相關(guān)效果有待進(jìn)一步驗證。

2.3 跌水對污水處理廠碳源損耗的影響

(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,可能被來自于城市下水道、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,一定程度上消耗進(jìn)水中的可生物降解有機物。為此對3座污水處理廠潛在耗氧段的DO變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計,見表3。

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表3數(shù)據(jù)表明,經(jīng)跌水復(fù)氧后的污水,在流經(jīng)后續(xù)密閉管道、渠道或進(jìn)入單元構(gòu)筑物時,會出現(xiàn)明顯的DO濃度降低的情況。而根據(jù)污水處理的基本理論,在該區(qū)域內(nèi)的DO降低意味著快速可生物降解有機物的消耗,模擬試驗結(jié)果也驗證了預(yù)處理單元各構(gòu)筑物內(nèi)微生物的存在。

表3中的數(shù)據(jù)以及模擬試驗結(jié)果也表明,輸水管道內(nèi)DO消耗量與管道長度或污水在管道內(nèi)的實際停留時間近似正相關(guān),正常情況下,輸水管道內(nèi)每10 min停留時間可消耗0.5~1 mg/L的DO。

(2)復(fù)氧導(dǎo)致的預(yù)處理單元碳源總消耗量。污水預(yù)處理單元的復(fù)氧將導(dǎo)致兩種類型的碳源損失:首先,預(yù)處理單元內(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)處理單元末端存留的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為案例污水處理廠預(yù)處理單元跌水復(fù)氧導(dǎo)致的碳源損失總量情況。

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根據(jù)表4,被調(diào)查城鎮(zhèn)污水處理廠預(yù)處理單元跌水復(fù)氧均造成不低于5 mg/L的優(yōu)質(zhì)碳源損失量,其中B廠的碳源損失量達(dá)到10 mg/L,對于脫氮除磷所需碳源不足,或出水TN長期處于超標(biāo)邊緣,需通過投加碳源確保穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的污水處理廠而言,預(yù)處理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)處理單元反復(fù)的跌水復(fù)氧、耗氧過程必將消耗污水處理廠原水中的碳源,進(jìn)一步加劇碳源不足問題,為此有必要對跌水復(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 跌水過程DO變化情況

為進(jìn)一步研究跌水過程中DO值的變化規(guī)律,在圖3所示的典型跌水區(qū)域設(shè)置了5個檢測點,進(jìn)行跌水前(1#)、跌落過程(2#~4#)和跌落后(5#)DO的變化規(guī)律測試,見圖4所示。

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根據(jù)圖4曲線,不同檢測點兩個深度下的檢測結(jié)果基本吻合,且1#~4#檢測點均處于極低值,說明跌落過程中沒有形成明顯的表面復(fù)氧現(xiàn)象。而污水自4#檢測點(圖3b水花上方5~10 cm)跌落至5檢測點(圖3b水花位置)的瞬間,溶解氧自不足0.2 mg/L增加至2.7 mg/L,DO增量達(dá)到2.5 mg/L,結(jié)果表明跌水復(fù)氧作用主要發(fā)生于污水跌落至池體底部的瞬間。

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3.2 跌水復(fù)氧形成機制分析

跌落過程復(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。因此整個跌落過程可近似按自由落體理論計算。根據(jù)自由落體理論和計算公式,不同跌落時間下所完成的跌落高度見表5所示。

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從表5數(shù)據(jù)不難看出,對于高度小于2 m的跌水區(qū)域,污水將在不超過1 s的時間內(nèi)完成整個跌落過程,因此無論是采用哪種氧傳遞理論模型,在如此短的時間內(nèi)通過表層復(fù)氧,都難以達(dá)到工程測試的DO增量,尤其是對于污水處理廠進(jìn)水泵出口、沉砂池出口等過水?dāng)嗝嫦鄬^窄、水量相對較大的區(qū)域,氣水接觸面更小,通過界面理論復(fù)氧的可能性進(jìn)一步降低。

3.3 跌水瞬間快速復(fù)氧理論

根據(jù)圖4,跌水區(qū)域內(nèi)DO的增加幾乎發(fā)生于跌落瞬間,跌落過程中污水并沒有明顯的DO增量。結(jié)合跌水復(fù)氧工程影響因素分析結(jié)果,污水處理廠跌水復(fù)氧的條件主要包括:敞開式跌水區(qū)域和跌落點明顯的紊流,而污水跌落的瞬間是充氧發(fā)生的主要時段。支持該推斷的理論包括:

(1)跌水的過程中雖然無明顯的復(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動,在這種旋流的作用下,水柱與圍墻之間形成明顯的空氣旋流,如圖5所示。

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(2)在空氣旋流作用下,區(qū)域內(nèi)的空氣快速交換,同時將污水厭氧過程中產(chǎn)生并在跌水過程中釋放出的各種小分子有機物和氣態(tài)物質(zhì)排放到區(qū)域內(nèi),這也是預(yù)處理單元跌水區(qū)惡臭產(chǎn)生的主要原因。

(3)在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,使新鮮空氣不斷注入到跌水渠道內(nèi);池頂封閉或半封閉狀態(tài)時,內(nèi)外空氣對流減小,區(qū)域內(nèi)DO值逐漸降低。

(4)污水跌落至匯水渠的同時,也帶動周邊的富氧空氣進(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,在沖擊力作用下,界面的表面張力被破壞,氧傳遞阻力降低,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,加速復(fù)氧過程。

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。在實際工程中,跌水點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理廠進(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,采用具有一定強度和密封性能的工程材料,在跌水區(qū)域頂部適當(dāng)位置進(jìn)行密閉處理,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。在這種情況下,隨著跌水過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 工程實施及效果

太湖流域某城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水泵出口原為半敞開式結(jié)構(gòu)(見圖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2.5 m。采取工程密封措施前,對跌水區(qū)域內(nèi)空氣和水的溶解氧進(jìn)行了測試,其中空氣溶解氧基本保持在8.0~9.0 mg/L波動,與外界空氣溶解氧濃度等因素有關(guān);水中溶解氧保持在3.5~4.5 mg/L,波動性相對較小。

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采用在走道板頂部加裝柔性材料的形式對該跌水區(qū)域頂部進(jìn)行了密封處理,工程的整體密封性相對較好,施工過程照片見圖6b。工程實施后對跌水區(qū)域內(nèi)空氣和水的溶解氧濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,結(jié)果見圖7所示。

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根據(jù)圖7,加蓋封閉的前20多個小時內(nèi),跌水區(qū)域空氣和水中的溶解氧濃度快速降低,表明跌水過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24 h后跌水區(qū)域空氣中的溶解氧濃度降低到3~4 mg/L水平,水中溶解氧下降至1~1.5 mg/L,且基本保持平穩(wěn)。多次破壞性試驗出現(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(出于安全考慮,預(yù)留了部分通氣孔)后,空氣中DO濃度可進(jìn)一步降低至1~2 mg/L水平,此時水渠中的DO濃度可達(dá)到0.5 mg/L左右水平,有效抑制了跌水復(fù)氧。

05 結(jié)論與建議

(1)對3座典型一級A排放標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)行了調(diào)研,結(jié)果表明預(yù)處理單元跌水區(qū)域普遍存在復(fù)氧現(xiàn)象,每次跌水后通常形成3 mg/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10 min停留時間可消耗0.5~1 mg/L的DO,意味著同等量的碳源損失;預(yù)處理單元末端的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)污水處理廠預(yù)處理單元跌水復(fù)氧均造成5 mg/L以上的優(yōu)質(zhì)碳源損失,部分工程甚至達(dá)到或超過10 mg/L,進(jìn)一步加劇了碳源不足問題。

(3)采用加蓋密封的方式進(jìn)行進(jìn)水泵出口跌水復(fù)氧控制,結(jié)果表明加蓋密封后,跌水區(qū)域空氣的溶解氧由8.0~9.0 mg/L穩(wěn)步下降至3~4 mg/L;水中溶解氧由3.5~4.5 mg/L穩(wěn)步下降至1~1.5 mg/L。


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