城鎮(zhèn)污水處理縱軸曝氣氧化溝技術(shù)

1、引言

氧化溝工藝是活性污泥法處理污水的一種變形方式，它的優(yōu)點(diǎn)是工藝流程短、凈化效率高、運(yùn)行方式靈活、操作便捷、維護(hù)費(fèi)用低等，應(yīng)用前景十分廣闊。目前應(yīng)用較為廣泛的氧化溝類型有Carrousel氧化溝、Orbal氧化溝和一體式氧化溝等。普通氧化溝一般由溝體、曝氣裝置、進(jìn)出水裝置、混合和導(dǎo)流設(shè)備組成。其中，曝氣裝置是決定氧化溝運(yùn)行效率的重要部分。隨著氧化溝處理工藝對曝氣設(shè)備的要求越來越高，以及能源的日趨緊張，新型高效低能曝氣設(shè)備的研究已經(jīng)成為推動氧化溝處理技術(shù)發(fā)展和節(jié)能降耗的重要內(nèi)容。國內(nèi)外的實(shí)踐表明，新型曝氣設(shè)備的出現(xiàn)將意味著新一代氧化溝工藝的誕生。近幾年來，遼寧社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)污水處理率逐年提高，截止到2016年底，遼寧省可檢測范圍內(nèi)共有污水處理廠128座，較發(fā)達(dá)地區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)已基本實(shí)現(xiàn)生活污水處理廠全覆蓋。與日處理能力幾萬噸乃至十幾萬噸的縣級、市級污水處理廠相比，鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水處理廠的設(shè)計(jì)處理能力在1萬t左右，相對規(guī)模較小，全省城鎮(zhèn)污水集中處理率為84％。城鎮(zhèn)污水處理工藝的不斷改進(jìn)，對提升城鎮(zhèn)污水處理率有著巨大的現(xiàn)實(shí)意義。

縱軸曝氣氧化溝是在導(dǎo)管式氧化溝的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，增加氧化溝溝體的有效深度，延長空氣在水中的停留時間?？v軸曝氣裝置是安裝在氧化溝上部的機(jī)械式曝氣攪拌裝置，整套裝置的葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生向下的推力，切斷鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣泡，并將其推動到氧化溝溝體底部，氣泡在溝體底部破裂，這種方式增加了空氣與活性污泥的接觸面積，提高氧溶解量。縱軸曝氣氧化溝內(nèi)的混合液都必須通過縱軸曝氣裝置，所以曝氣裝置可以持續(xù)為混合液提供氧氣，混合液在流動的過程中不易形成短路，保證氧化溝持續(xù)高效運(yùn)行。本文介紹了縱軸曝氣氧化溝的設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理、技術(shù)優(yōu)勢以及在城鎮(zhèn)污水處理中的應(yīng)用，為城鎮(zhèn)污水處理技術(shù)提供新的理論支持。

2、縱軸曝氣氧化溝結(jié)構(gòu)

縱軸曝氣氧化溝是在導(dǎo)管式氧化溝的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，使充氧效率提高的設(shè)備，其改良的主要部位是氧化溝的曝氣裝置。導(dǎo)管式曝氣設(shè)備是20世紀(jì)80年代初由美國推出的污水處理新工藝技術(shù)，它以導(dǎo)管式曝氣器替代轉(zhuǎn)刷，1980年美國環(huán)境保護(hù)局（EPA）把它作為一種高效、節(jié)能的新技術(shù)予以介紹。

縱軸曝氣器主要由驅(qū)動裝置、減速機(jī)、軸承、葉輪和散氣管等組成（圖1），是將導(dǎo)管式曝氣器的出口導(dǎo)管進(jìn)行改造，將下部導(dǎo)管拆除，將曝氣器置于氧化溝水深方向中下部，曝氣器下方設(shè)置擋流墻，氣泵產(chǎn)生的空氣經(jīng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)切割后形成細(xì)小氣泡，最終破碎溶解到氧化溝水體中。因?yàn)閾趿鲏Φ脑O(shè)置，氧化溝內(nèi)水體全部只能經(jīng)過曝氣器直接流入下游溝體中，導(dǎo)流擋板可以有效防止淤泥堆積的問題出現(xiàn)。相比于其他曝氣裝置，縱軸曝氣氧化溝提供空氣的位置比較淺，可以選擇小型鼓風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)耗能相對較少。

3、技術(shù)優(yōu)勢

3．1 縱軸曝氣氧化溝特點(diǎn)

縱軸曝氣氧化溝采用縱軸曝氣裝置替代傳統(tǒng)的表面攪拌型曝氣裝置，不僅彌補(bǔ)了氧化溝一直以來公認(rèn)的缺點(diǎn)，而且還有傳統(tǒng)氧化溝不具備的諸多優(yōu)點(diǎn)。

（1）供氧量和流速可以分別獨(dú)立控制。驅(qū)動裝置控制葉輪的轉(zhuǎn)速，葉輪轉(zhuǎn)動速度決定氧化溝內(nèi)水流速度，供氧量通過控制氣泵來進(jìn)行調(diào)節(jié)。縱軸曝氣氧化溝曝氣和轉(zhuǎn)動獨(dú)立運(yùn)行，有利于對運(yùn)行狀態(tài)的精準(zhǔn)控制，有利于提高氧化溝運(yùn)行效率。當(dāng)原水的流量不變，而有機(jī)物濃度變小時，可以控制水流速度不變，從而減少曝氣量，這樣就可以減少因?yàn)檫^度曝氣而造成的能量損失。

（2）可以加深氧化溝深度。氧化溝內(nèi)混合液通過縱軸曝氣裝置從氧化溝底部流出，只要滿足水溝截面面積的送水量，即使水的深度很深，也可以確保溝體底部的流速，使全部混合液得到循環(huán)。如果加深氧化溝的深度，可以減少氧化溝的占地面積。

（3）良好的脫氮能力。縱軸曝氣氧化溝的曝氣裝置只有一處，運(yùn)行時更容易形成溶解氧梯度。如果氧化溝的長度允許，硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)會更加理想，可以得到較高的脫氮率。反硝化反應(yīng)時消耗水中的BOD，當(dāng)BOD/N為3左右時，無需為脫氮補(bǔ)充碳源。反硝化反應(yīng)也可以去除一部分BOD，比起好氧處理去除BOD，其不需要曝氣，因此能達(dá)到節(jié)能效果。氧化溝脫氮示意見圖1。

（4）氧化溝運(yùn)行時可對溝體進(jìn)行覆蓋。在冬季運(yùn)行時可對氧化溝加蓋，避免溝體與外界空氣直接接觸，在寒冷地區(qū)也能充分發(fā)揮功能。另外，加蓋處理后，在氧化溝運(yùn)行時，不會產(chǎn)生飛沫、水聲和臭氣等二次污染問題。

3．2 常見曝氣器

3.2.1 轉(zhuǎn)刷曝氣器

轉(zhuǎn)刷曝氣器是第一個真正意義上的氧化溝污水處理廠采用的曝氣設(shè)備，它起到曝氣充氧、混合推流的雙重作用，可以有效防止氧化溝內(nèi)活性污泥沉淀，并且有利于微生物的生長。轉(zhuǎn)刷曝氣器由電機(jī)、螺旋圓錐―圓柱齒輪減速器、刷片、主軸、軸承座和潤滑及控制系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)刷曝氣器在運(yùn)行時，主軸在電機(jī)的帶動下，以一定的速度旋轉(zhuǎn)，刷片在隨主軸旋轉(zhuǎn)的過程中，將空氣中的氧不斷充入水中。另外，氧化溝內(nèi)的污水通過轉(zhuǎn)刷的運(yùn)轉(zhuǎn)在溝體內(nèi)循環(huán)流動，使有機(jī)物、氧氣和微生物充分混合，從而達(dá)到混合和充氧的目的。

轉(zhuǎn)刷曝氣器在實(shí)際運(yùn)行過程中，噪聲振動大，主軸兩端的運(yùn)動構(gòu)建相互摩擦，減速器輸出端的齒輪易損壞，導(dǎo)致軸承咬死，影響正常工作。轉(zhuǎn)刷曝氣器的整體跨度較大，混凝土安裝時基面的誤差會相對變大，在施工過程中，難以保證立體空間內(nèi)的同心同軸，在動態(tài)的裝置運(yùn)行時變形就更會變大，裝置易發(fā)生故障，影響設(shè)備正常運(yùn)行。

3.2.2 盤式曝氣器

曝氣轉(zhuǎn)盤是Orbal氧化溝的專用曝氣裝置，它起著充氧、混合、推動水流循環(huán)流動和防止活性污泥沉淀等作用。曝氣轉(zhuǎn)盤上有曝氣孔，可以使空氣分散到混合液中以達(dá)到充氧目的。中心軸一般為碳鋼實(shí)心軸體，轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)成兩個半圓斷面，以半法蘭與軸連接，轉(zhuǎn)速通常在43~55r/min，浸沒深度為0．23~0．53m。盤式曝氣器與其他同類曝氣設(shè)備相比，它的工作水深更大，混合能力強(qiáng)，并且結(jié)構(gòu)相對簡單，具有組裝靈活、安裝維修方便等特點(diǎn)。

在處理污水時，曝氣轉(zhuǎn)盤日夜不停長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此其質(zhì)量是影響全套氧化溝處理設(shè)備效果和使用壽命的決定性因素。轉(zhuǎn)盤曝氣器相較于其他新型曝氣器而言，其曝氣阻力損失大，需要鼓風(fēng)機(jī)的功率較高，提升了污水處理廠的運(yùn)行成本。另外，盤式曝氣器自閉性能差，在系統(tǒng)停止曝氣時，會使污水回流至曝氣器，造成氣流不暢通甚至管道堵塞。盤式曝氣器安裝和拆卸較為繁瑣，更換曝氣器時需要投入更多的人力和時間，直接影響運(yùn)行和維護(hù)成本。

3.2.3 微孔曝氣器

微孔曝氣器是通過膜片或多孔材料的微孔釋放壓縮空氣，從而產(chǎn)生微氣泡，具有較高的氧轉(zhuǎn)移效率。在實(shí)際氧化溝工藝運(yùn)行操作中，機(jī)械曝氣設(shè)備起到充氧和推流的作用，很難分別控制充氧量和流速。尤其是對脫氮除磷的要求較高時，需要氧化溝內(nèi)保持一定容積的厭氧段，但是機(jī)械曝氣設(shè)備為了防止溝體內(nèi)活性污泥的沉積而需要一定的流速，這樣容易引起充氧過量，因而不能達(dá)到理想的脫氮除磷效果。與此相比，微孔曝氣器和潛水推流設(shè)備的組合方式可以很好地避免這種情況發(fā)生，因?yàn)槌溲鹾蛿嚢栌蓛蓚€完全獨(dú)立的設(shè)備進(jìn)行，能夠更加簡單高效地進(jìn)行操作。微孔曝氣器由于其具有氧轉(zhuǎn)移效率和理論動力效率較高、能耗較低的特點(diǎn)已被廣泛地應(yīng)用于污水生物處理工程中。微孔曝氣器的缺點(diǎn)是氣壓損失較大，曝氣微孔由于雜物、懸浮物和污泥沉積都會引起堵塞，造成阻力增大，影響曝氣充氧效果，所以進(jìn)入的壓縮空氣必須要預(yù)先經(jīng)過過濾處理。

3.2.4 射流曝氣器

射流曝氣器是將氣流或氣―液混合流導(dǎo)入曝氣池，以增加液體中氧含量的裝置。它既不是氣泡擴(kuò)散裝置，也不是機(jī)械曝氣設(shè)備，而是介于這兩者之間的一種曝氣設(shè)備，利用水力剪切和氣泡擴(kuò)散共同作用來達(dá)到曝氣和混合的目的。射流曝氣器結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)節(jié)，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，有較高的充氧能力和混合攪拌能力。

射流曝氣器最早于1947年在美國被應(yīng)用到處理污水的曝氣設(shè)備中，我國對射流曝氣器處理污水的試驗(yàn)研究工作始于1973年。根據(jù)供氣方式的不同，射流曝氣器可以分為壓力供氣和自吸供氣。壓力供氣的特點(diǎn)是空氣由鼓風(fēng)機(jī)提供，空氣量的控制比較方便，可以根據(jù)實(shí)際的工程需要安裝在曝氣池的不同位置，但是其不足之處在于射流器一般浸沒在水中，安裝與維修不方便。自吸供氣是由射流器噴嘴噴出的高速射流，使吸氣室形成負(fù)壓，將空氣吸入，其特點(diǎn)是不需要鼓風(fēng)設(shè)備。

4、應(yīng)用現(xiàn)狀

縱軸曝氣氧化溝已經(jīng)被引進(jìn)到遼寧省開原市老城街道氧化溝污水處理廠中。開原市位于遼寧省鐵嶺市，該地區(qū)的冬季水溫較低，有必要防止污水處理裝置因?yàn)闇囟冉档投鹛幚硇氏陆档膯栴}。傳統(tǒng)氧化溝為解決這一問題，需要額外安裝更多的曝氣裝置，其缺點(diǎn)之一是因?yàn)檫^度攪拌水面，溝體內(nèi)水溫不可避免地會有所下降。另外，安裝了多臺曝氣裝置，操作運(yùn)行更為復(fù)雜，操作人員需要具備更加豐富的專業(yè)知識，而且整個污水處理廠的耗電量會有所升高，處理成本加大，不利于節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。

采用縱軸曝氣裝置的氧化溝，曝氣裝置不會攪拌水面，并且只設(shè)立一臺裝置，因此不存在因攪拌水面而引起的水泡飛散和臭氣飄散的問題。在冬季溫度較低時，還可以進(jìn)行加蓋封閉，確保氧化溝不會因?yàn)榈蜏囟鴮?dǎo)致處理效率下降?？v軸曝氣氧化溝在運(yùn)行過程中保證了污水和空氣的有效接觸，處理污水高效穩(wěn)定，直至今日，該裝置已有多項(xiàng)應(yīng)用業(yè)績。（來源：遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院）