通信作者

孙永利

博士,正高 级工程师。主要研究方向为城市水环境治理技术与政策

更加严格的城镇污水处理厂污染物排放标准已经成为全球水环境治理的重要手段，而充足的碳源则是实现城镇污水处理厂氮磷稳定达标的根本保障。根据生物脱氮除磷理论，生物反硝化所需的BOD5/TN为6~7，如同期考虑污泥外排的影响，生物反硝化所需的BOD5/TN通常为5~6。


但是，我国大部分城镇污水处理厂面临着进水碳源严重不足的技术难题，很大程度上影响了氮磷的稳定达标。根据全国3 000多座城镇污水处理厂的统计结果，BOD5/TN年均值达到5以上的不足20%，其中40%以上的污水处理厂BOD5/TN不足3，在不投加外部碳源的情况下，通常难以达到高排放标准对氮磷控制的要求，这个问题在冬季低温地区尤为明显。为进一步强化氮磷去除，满足日趋严格的排放标准要求，投加外碳源成为许多污水处理厂的无奈之举。近年来，城镇污水处理厂碳源优化利用和内碳源开发已经引起了国内外专家学者的广泛关注，但预处理单元复氧及碳源损耗问题并没有引起足够重视。


研究团队在多年的污水处理工程绩效跟踪与评价过程中发现，多数城镇污水处理厂在进水泵出口、沉砂池出口、初沉池出水堰等位置都设有跌水区域，跌水导致的复氧现象明显；复氧后的污水在输水渠、管道、沉砂池、初沉池等构筑物内出现了不同程度的有机物消耗，进一步加剧了碳源不足问题。


01 试验材料与方法

1.1 案例及跌水点分布

根据国内外跌水曝气及跌水区恶臭控制的相关研究经验，本文选择太湖流域3座GB 18918-2002一级A排放标准城镇污水处理厂为研究对象，对其预处理单元主要跌水点的分布情况进行了分析，见表1。

表1 被选污水处理厂预处理单元主要跌水点跌水情况

1.2 检测点的选择

结合被调研城镇污水处理厂预处理单元工艺的特点和潜在的溶解氧变化区域，分别在跌水前相对静止区、跌水后紊流区，以及管道、渠道或构筑物的入口和出口设置检测点，连续测定上述检测点溶解氧的变化情况。



1.3 分析测试方法

本研究采用现场直接测试法，主要监测指标为DO值，采用HACH HQ30d单路输入多参数数字化分析仪（标准型电极LD10103）进行测试。



02 工程测试结果分析与讨论

2.1 预处理单元沿程DO变化

2014年秋季对3座城镇污水处理厂预处理单元检测点的DO值进行多次检测并取平均值，绘制主要检测点DO变化曲线，见图1，不同跌水点封闭状况、跌水高度和DO增量关系见表2。

图1 污水处理厂预处理单元主要检测点DO变化曲线



表2 典型污水处理厂跌水点封闭状况、跌水高度与DO增量关系

2.2 跌水复氧的工程影响因素

（1）复氧量与跌水高度的关系。根据国内外跌水曝气的相关研究结论，传统跌水曝气工艺跌水导致的DO增量与跌水高度有关，跌水高度越高，DO增量越大。为此对表2中不同跌水点的跌水高度与DO增量之间的关系进行了统计分析，结果见图2所示。

表3 预处理单元构筑物或输水管道前后DO消耗情况

表3数据表明，经跌水复氧后的污水，在流经后续密闭管道、渠道或进入单元构筑物时，会出现明显的DO浓度降低的情况。而根据污水处理的基本理论，在该区域内的DO降低意味着快速可生物降解有机物的消耗，模拟试验结果也验证了预处理单元各构筑物内微生物的存在。


表3中的数据以及模拟试验结果也表明，输水管道内DO消耗量与管道长度或污水在管道内的实际停留时间近似正相关，正常情况下，输水管道内每10 min停留时间可消耗0.5~1 mg/L的DO。


（2）复氧导致的预处理单元碳源总消耗量。污水预处理单元的复氧将导致两种类型的碳源损失：首先，预处理单元内的微生物以DO为电子受体，利用碳源完成生物合成；其次，预处理单元末端存留的DO进入后续生物系统的厌氧、缺氧工艺单元，同样消耗污水中的碳源。表4为案例污水处理厂预处理单元跌水复氧导致的碳源损失总量情况。

  

根据表4，被调查城镇污水处理厂预处理单元跌水复氧均造成不低于5 mg/L的优 质碳源损失量，其中B厂的碳源损失量达到10 mg/L，对于脱氮除磷所需碳源不足，或出水TN长期处于超标边缘，需通过投加碳源确保稳定达标的污水处理厂而言，预处理单元碳源损失量相当可观。


03 跌水复氧的成因分析

根据前期研究结果，预处理单元反复的跌水复氧、耗氧过程必将消耗污水处理厂原水中的碳源，进一步加剧碳源不足问题，为此有必要对跌水复氧的原理和成因进行分析，以提出相应的控制措施。

3.1 跌水过程DO变化情况

为进一步研究跌水过程中DO值的变化规律，在图3所示的典型跌水区域设置了5个检测点，进行跌水前（1#）、跌落过程（2#~4#）和跌落后（5#）DO的变化规律测试，见图4所示。

图3 跌水全过程检测点分布情况

从表5数据不难看出，对于高度小于2 m的跌水区域，污水将在不超过1 s的时间内完成整个跌落过程，因此无论是采用哪种氧传递理论模型，在如此短的时间内通过表层复氧，都难以达到工程测试的DO增量，尤其是对于污水处理厂进水泵出口、沉砂池出口等过水断面相对较窄、水量相对较大的区域，气水接触面更小，通过界面理论复氧的可能性进一步降低。

3.3 跌水瞬间快速复氧理论

根据图4，跌水区域内DO的增加几乎发生于跌落瞬间，跌落过程中污水并没有明显的DO增量。结合跌水复氧工程影响因素分析结果，污水处理厂跌水复氧的条件主要包括：敞开式跌水区域和跌落点明显的紊流，而污水跌落的瞬间是充氧发生的主要时段。支持该推断的理论包括：


（1）跌水的过程中虽然无明显的复氧现象，但水柱周边的空气在摩擦力作用下沿水流方向运动，在这种旋流的作用下，水柱与围墙之间形成明显的空气旋流，如图5所示。

太湖流域某城镇污水处理厂进水泵出口原为半敞开式结构（见图6a），顶部铺设有钢制走道板结构，渠底液位到池顶的间距约为2.5 m。采取工程密封措施前，对跌水区域内空气和水的溶解氧进行了测试，其中空气溶解氧基本保持在8.0~9.0 mg/L波动，与外界空气溶解氧浓度等因素有关；水中溶解氧保持在3.5~4.5 mg/L，波动性相对较小。

图6 进水泵出口加盖密封复氧控制工程

 图7 进水泵跌水区封闭后DO变化


根据图7，加盖封闭的前20多个小时内，跌水区域空气和水中的溶解氧浓度快速降低，表明跌水过程中空气中的溶解氧向水中逐渐转移，导致封闭空间内溶解氧浓度降低。至24 h后跌水区域空气中的溶解氧浓度降低到3~4 mg/L水平，水中溶解氧下降至1~1.5 mg/L，且基本保持平稳。多次破坏性试验出现基本相同的结论，且跌水区域的密封性进一步加强（出于安全考虑，预留了部分通气孔）后，空气中DO浓度可进一步降低至1~2 mg/L水平，此时水渠中的DO浓度可达到0.5 mg/L左右水平，有效抑 制了跌水复氧。


05 结论与建议

（1）对3座典型一级A排放标准城镇污水处理厂进行了调研，结果表明预处理单元跌水区域普遍存在复氧现象，每次跌水后通常形成3 mg/L以上的DO增量；复氧作用主要发生于污水跌落瞬间，跌水过程中的复氧作用可忽略；复氧量与跌水区域的封闭情况、池型结构以及汇水渠的紊流状况直接相关，与跌水高度的关系不显著。


（2）预处理单元的管道、渠道或构筑物内微生物具有明显的耗氧能力，平均每10 min停留时间可消耗0.5~1 mg/L的DO，意味着同等量的碳源损失；预处理单元末端的DO进入后续生物系统，同样损耗碳源。被调查3座城镇污水处理厂预处理单元跌水复氧均造成5 mg/L以上的优 质碳源损失，部分工程甚至达到或超过10 mg/L，进一步加剧了碳源不足问题。


（3）采用加盖密封的方式进行进水泵出口跌水复氧控制，结果表明加盖密封后，跌水区域空气的溶解氧由8.0~9.0 mg/L稳步下降至3~4 mg/L；水中溶解氧由3.5~4.5 mg/L稳步下降至1~1.5 mg/L。