摘要：結(jié)合具體工程實例分析了影響氧化溝工藝的主要因素,通過效益分析得到了氧化溝工藝的排污費征收標準,并對幾種氧化溝工程應(yīng)用的優(yōu)缺點進行了闡述。

關(guān)鍵詞：氧化溝工藝,影響因素,效益分析

在污水處理工藝中,活性污泥法是當(dāng)前污水生物處理最成熟的、最主要的污水處理方法。氧化溝工藝是一種污水在溝渠中做循環(huán)運動的、通過曝氣轉(zhuǎn)刷或轉(zhuǎn)盤進行曝氣的一種活性污泥工藝。除具有一般活性污泥法的優(yōu)點外,還具有許多獨特的特性:
11 流程簡化,一般不需設(shè)初沉池。氧化溝水力停留時間和污泥齡較長,有機物去除較為徹底,剩余污泥高度穩(wěn)定,污泥一般不需厭氧消化。
21 氧化溝具有推流特性,因此沿池長方向具有溶解氧梯度,分別形成好氧、缺氧和厭氧區(qū)。通過合理設(shè)計和控制可使N 和P 得到較好地去除。
31 操控靈活,如曝氣強度可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速或通過出水溢流堰來改變曝氣機的淹沒深度;交替式氧化溝各溝間交替運行的動態(tài)控制等。

氧化溝工藝作為一般生活污水處理流程中處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)或是特異性廢水組合處理流程中的最后一級好氧處理,其處理效果的好壞直接影響著污水能否達標排放。因此,對影響氧化溝工藝的各種因素如環(huán)境因素、占地面積、曝氣設(shè)備能耗、經(jīng)濟效益等進行分析,來了解各種氧化溝工藝的優(yōu)缺點、局限性等,對工程應(yīng)用具有重要意義。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展和工藝改進,目前在我國工程應(yīng)用中技術(shù)相對成熟、處理效果較好的氧化溝主要有卡魯塞爾型、奧貝爾型、一體化氧化溝及T 型、DE 型氧化溝五種。本文依次選取了五個工程實例,對氧化溝系統(tǒng)運行主要影響因素進行了綜合分析。

1 環(huán)境因素

在生物處理過程中,溫度和pH 值是影響其正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素,是常規(guī)污水處理中最重要的分析控制指標。因此,掌握溫度和pH 值對微生物的
影響規(guī)律就變得非常重要。溫度對氧化溝系統(tǒng)中的微生物生長有著較大的影響。一般情況下,溫度對生物處理速率的影響可用下述公式[1 ]表示:

μmax ( T) = μmax (20 ℃) exp [ k ( T - 20) ] (1)

式中:
μmax (20 ℃) :20 ℃時的微生物最大比增長速率;
μmax ( T) :溫度為T 時的微生物最大比增長速率;
k :溫度系數(shù)。

溫度對厭氧過程的影響與對好氧過程的影響類似,均可用式(1) 來描述。溫度與反應(yīng)速率的關(guān)系見圖1 。

對好氧過程,該公式的適用溫度為0 —32 ℃。當(dāng)溫度在32 —40 ℃時,μmax ( T) 的數(shù)值不受溫度變化的影響; 當(dāng)溫度在45 ℃左右時,μmax ( T) 下降為零,好氧過程停止進行;但在50 —60 ℃時,好氧過程重新進行,且反應(yīng)速率約比35 ℃時高50 %。主要原因是由于嗜熱菌的作用。這也正是該過程隨溫度變化呈現(xiàn)多峰狀變化的主要原因。

pH 值是生物處理中影響微生物活性最重要的影響因素之一。

pH 值對微生物最大比生長速率的影響可用下式[1 ]描述:

μmax ( pH) = μmax (最佳pH) [ KpH/ ( KpH + I) ] (2)

式中:
KpH是pH 值常數(shù),一般通過試驗測定;
I = 10[最佳pH- pH] - 1

微生物對pH 值的波動較為敏感,即使在其生長pH 值范圍內(nèi)的pH 值的突然改變也會引起細菌活力的明顯下降。pH 值與反應(yīng)速率的關(guān)系見圖2 。

從圖2 可以看出,當(dāng)廢水的pH 值保持在6. 0 —9. 0之間時,無論是好氧過程還是厭氧過程,其反應(yīng)速率均處于最理想狀態(tài)。當(dāng)pH 超出6. 0 —9. 0 這個范圍時,其生物活性、反應(yīng)速率大為下降。同時由圖可見,pH 對厭氧過程的影響對比好氧過程更敏感。

2 曝氣設(shè)備能耗

曝氣裝置是氧化溝工藝的關(guān)鍵部件,是能源消耗的主要設(shè)備。目前在氧化溝工藝中應(yīng)用的曝氣設(shè)備主要有曝氣轉(zhuǎn)刷、曝氣轉(zhuǎn)盤和立式表曝機三種。其中,曝氣轉(zhuǎn)刷應(yīng)用最廣。曝氣轉(zhuǎn)盤主要應(yīng)用于奧貝爾氧化溝;立式表曝機主要應(yīng)用在卡魯塞爾氧化溝中。

曝氣設(shè)備的性能直接影響生物處理法的運行費用和處理效果。據(jù)統(tǒng)計,我國目前污水處理廠的數(shù)量雖然不多,但每年的耗電已經(jīng)約占全國發(fā)電量的0. 3 %左右,電量超過10 億kw·h[2 ] 。據(jù)北京、上海、青島等幾個污水處理廠的統(tǒng)計,運行費用中能耗約占45 % ,其中曝氣設(shè)備能耗約占總能耗的95 %甚至更多,因此,曝氣設(shè)備選擇的恰當(dāng)與否,對節(jié)約成本、降低能耗具有重要的意義。

表1 列出了幾種典型氧化溝的曝氣設(shè)備及能耗。從表中可以看出,實例1 (卡魯塞爾氧化溝) 的能耗最低,主要原因是其采用了與其他氧化溝不同的曝氣設(shè)備倒傘型立式表曝機。這種曝氣設(shè)備單機功率大,攪拌能力強,傳氧效率高,從而使設(shè)備數(shù)量大為減少,易于管理和維護;節(jié)能效果顯著。其單位能耗約為奧貝爾氧化溝的1/ 3 —1/ 4 。從而大大降低了運行費用。這也是其在所有氧化溝工藝中應(yīng)用最為廣泛的一個重要原因。

3 占地面積

氧化溝實際上是一種循環(huán)延時曝氣法,和普通的活性污泥法相比,污水在溝中停留時間長、污泥的有機負荷和容積負荷低、循環(huán)水量大(見表2) 。因此,溝渠容積較大、占地面積大是氧化溝工藝的一個主要缺點。特別是近年來氧化溝工藝不斷改進、處理量不斷增大。而且,由于環(huán)境法規(guī)對污染物的排放要求越來越嚴格以及污水水質(zhì)的變化,較早建立的處理廠已難滿足環(huán)保要求,需要對傳統(tǒng)處理工藝進行技術(shù)改造。在改造過程中,由于場地面積和布局的限制使氧化溝占地面積大的問題也越來越突出。因此如何在保證其他技術(shù)指標的同時加大氧化溝渠的深度、減少占地面積一直是工程設(shè)計者不斷追求的目標。

表3 對普通活性污泥法和氧化溝的占地面積進行了對比。從數(shù)據(jù)中可以看出,即使按照等量增加(不考慮規(guī)模效應(yīng)) 的原則,將山東安丘造紙廠廢水工程的處理量增加2 倍,達到40000m3/ d。其生化反應(yīng)區(qū)的面積也僅占采用氧化溝處理工藝的1/ 2 。如果能將氧化溝的有效水深從315m 增加到417m ,那么其生化反應(yīng)區(qū)的面積相應(yīng)地從14300m2下降到10600m2 。占地面積下降了1/ 4 ,節(jié)約土地效果顯著。實際上,氧化溝渠的深度自問世之初的不到2m增加到現(xiàn)在的4m 左右,有的工藝流程甚至可以達到7 —8m ,是和曝氣設(shè)備或曝氣方法的不斷發(fā)展緊密相連的?；旧厦砍霈F(xiàn)一種新的曝氣設(shè)備都會相應(yīng)地誕生一種新的氧化溝。因此,通過曝氣設(shè)備或工藝的改進來增加溝渠深度來減少占地面積是氧化溝工藝發(fā)展的一個方向。

4 　效益分析

長期以來,我國絕大部分的污水處理廠的建設(shè)和運營均由國家和地方財政負擔(dān),作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的一部分來經(jīng)營,污水處理廠相當(dāng)于政府的一個下屬部門。隨著污水處理廠的大量興建,政府的財政負擔(dān)越來越重,存在建得起養(yǎng)不起的現(xiàn)象。因此,各級政府均在嘗試各種方法使污水處理廠能夠?qū)崿F(xiàn)良性運行。但由于城市污水處理的特殊性以及一些歷史原因,如污水處理的外部不經(jīng)濟性、創(chuàng)造的環(huán)境效益無法補償、排污費定價過低等,目前實施起來還有些困難。下文對影響污水處理廠效益的各種因素進行了分析。

411 環(huán)境效益

以COD 為計算指標,以2000 年為計算年限。2000 年全國排放COD 約15000kt ,總經(jīng)濟損失按國民經(jīng)濟的5 %計算,因COD 的排放引起的損失按占總損失的20 %計算[8 ] ,因此可計算出COD 造成的損失約為6600 元/ t 。COD 的消減量為COD 進口濃度與處理效率的乘積。所以,環(huán)境效益= COD 的消減量×每噸COD造成的環(huán)境損失。運用此式可計算出五個實例的環(huán)境效益值,見表4 。

412 經(jīng)濟效益

經(jīng)濟效益的計算公式為:經(jīng)濟效益= 排污費收入—運行費用—設(shè)備折舊—貸款利息。

其中: 排污費按0. 3 元/ m3 收取; 設(shè)備折舊按5 %折算;貸款為總投資的30 % ,年利率按4 %計算。經(jīng)濟效益分析見表5 。

從表中可以看出,幾個實例都具有較好的環(huán)境效益,對改善環(huán)境水質(zhì)具有重要作用。但經(jīng)濟效益均為負值,即均處于虧損狀態(tài)。污水處理廠所創(chuàng)造的效益沒有完全以貨幣化的形式返還到污水廠,即污水處理廠具有外部不經(jīng)濟性的特征。為了維持污水處理廠的正常運轉(zhuǎn),虧損部分只能由國家財政撥款或提高排污費征收標準。隨著污水處理廠的增加,目前國家和地方政府財政已不堪重負。因此,提高排污費征收標準是一個必然的選擇,使污水廠處于盈虧平衡或微利狀態(tài),有助于促進污水產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。圖4 列出了五個實例實現(xiàn)保本(盈虧平衡)時的排污費征收標準。

5結(jié)論

通過以上分析并結(jié)合各種氧化溝工藝的特點,可以得出以下結(jié)論:

卡魯塞爾氧化溝處理效果好,由于采用了倒傘型立式表曝機。攪拌能力強,傳氧效率高,減少了設(shè)備數(shù)量,易于管理和維護;節(jié)能效果顯著。因此在所有氧化溝處理工藝中應(yīng)用最為廣泛。奧貝爾氧化溝也是城市污水處理常見的一種工藝。在不增加水下推進器的情況下有效水深可達4. 2 米左右。主要原因在于奧貝爾氧化溝溝渠的橢圓形結(jié)構(gòu),能夠更有效地利用水流慣性,同時該氧化溝具有推流反應(yīng)器的特性。去除有機物和氨氮效果更好。其主要缺點是能耗、投資成本、處理成本相對較高,不適于在經(jīng)濟落后的地區(qū)推廣。

一體化氧化溝處理效果不是很好。主要原因有二:一是由于固液分離器和氧化溝渠的一體化設(shè)計,使出水易受水質(zhì)、水量波動的影響,影響處理效果。二是對固液分離器的設(shè)計和安裝要求較高,但工程上往往達不到要求。但一體化氧化溝也有顯著的優(yōu)點:由于省去了二沉池,占地面積小,污泥自動回流,管理更方便,能耗少,投資成本和運行費用較低。特別是在小城市和小城鎮(zhèn)的污水處理、旅游景點的生活污水處理及類似情況下適合推廣。

T 型氧化溝和DE 型氧化溝屬于交替運行式氧化溝。容積利用率都比較低,因此使占地面積遠遠大于其它氧化溝工藝。如西安市北石橋污水處理廠采用的DE型氧化溝工藝,占地面積達到了285 畝,單位占地面積1. 26m2/ m3 。但正是由于這種交替式運行工藝的特點,提高了處理效率,同時脫氮除磷效果顯著。如氨氮去除率> 90 %;總磷去除率> 70 %。因此在選擇工藝時,應(yīng)慎重考慮,權(quán)衡利弊。

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