幾種氧化溝工藝的比較分析
摘要：結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用的優缺點進行了闡述。
關鍵詞：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運動的、通過曝氣轉刷或轉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點外,還具有許多獨特的特性:
11 流程簡化,一般不需設初沉池。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。通過合理設計和控制可使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節轉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鍵環節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境因素、占地面積、曝氣設備能耗、經濟效益等進行分析,來了解各種氧化溝工藝的優缺點、局限性等,對工程應用具有重要意義。
經過幾十年的發展和工藝改進,目前在我國工程應用中技術相對成熟、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,對氧化溝系統運行主要影響因素進行了綜合分析。
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1 環境因素
在生物處理過程中,溫度和pH 值是影響其正常運轉的關鍵因素,是常規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
影響規律就變得非常重要。溫度對氧化溝系統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。
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。溫度與反應速率的關系見圖1 。
對好氧過程,該公式的適用溫度為0 —32 ℃。當溫度在32 —40 ℃時,μmax ( T) 的數值不受溫度變化的影響; 當溫度在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,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 值與反應速率的關系見圖2 。
從圖2 可以看出,當廢水的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,其反應速率均處于最理想狀態。當pH 超出6. 0 —9. 0 這個范圍時,其生物活性、反應速率大為下降。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 曝氣設備能耗
曝氣裝置是氧化溝工藝的關鍵部件,是能源消耗的主要設備。目前在氧化溝工藝中應用的曝氣設備主要有曝氣轉刷、曝氣轉盤和立式表曝機三種。其中,曝氣轉刷應用最廣。曝氣轉盤主要應用于奧貝爾氧化溝;立式表曝機主要應用在卡魯塞爾氧化溝中。
曝氣設備的性能直接影響生物處理法的運行費用和處理效果。據統計,我國目前污水處理廠的數量雖然不多,但每年的耗電已經約占全國發電量的0. 3 %左右,電量超過10 億kw·h[2 ] 。據北京、上海、青島等幾個污水處理廠的統計,運行費用中能耗約占45 % ,其中曝氣設備能耗約占總能耗的95 %甚至更多,因此,曝氣設備選擇的恰當與否,對節約成本、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備倒傘型立式表曝機。這種曝氣設備單機功率大,攪拌能力強,傳氧效率高,從而使設備數量大為減少,易于管理和維護;節能效果顯著。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用最為廣泛的一個重要原因。
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3 占地面積
氧化溝實際上是一種循環延時曝氣法,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,由于環境法規對污染物的排放要求越來越嚴格以及污水水質的變化,較早建立的處理廠已難滿足環保要求,需要對傳統處理工藝進行技術改造。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。從數據中可以看出,即使按照等量增加(不考慮規模效應) 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。其生化反應區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 ,那么其生化反應區的面積相應地從14300m2下降到10600m2 。占地面積下降了1/ 4 ,節約土地效果顯著。實際上,氧化溝渠的深度自問世之初的不到2m增加到現在的4m 左右,有的工藝流程甚至可以達到7 —8m ,是和曝氣設備或曝氣方法的不斷發展緊密相連的。基本上每出現一種新的曝氣設備都會相應地誕生一種新的氧化溝。因此,通過曝氣設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和運營均由國家和地方財政負擔,作為城市基礎設施的一部分來經營,污水處理廠相當于政府的一個下屬部門。隨著污水處理廠的大量興建,政府的財政負擔越來越重,存在建得起養不起的現象。因此,各級政府均在嘗試各種方法使污水處理廠能夠實現良性運行。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濟性、創造的環境效益無法補償、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 ,總經濟損失按國民經濟的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,環境效益= COD 的消減量×每噸COD造成的環境損失。運用此式可計算出五個實例的環境效益值,見表4 。
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412 經濟效益
經濟效益的計算公式為:經濟效益= 排污費收入—運行費用—設備折舊—貸款利息。
其中: 排污費按0. 3 元/ m3 收取; 設備折舊按5 %折算;貸款為總投資的30 % ,年利率按4 %計算。經濟效益分析見表5 。
從表中可以看出,幾個實例都具有較好的環境效益,對改善環境水質具有重要作用。但經濟效益均為負值,即均處于虧損狀態。污水處理廠所創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濟性的特征。為了維持污水處理廠的正常運轉,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,有助于促進污水產業的良性發展。圖4 列出了五個實例實現保本(盈虧平衡)時的排污費征收標準。
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5結論
通過以上分析并結合各種氧化溝工藝的特點,可以得出以下結論:
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,減少了設備數量,易于管理和維護;節能效果顯著。因此在所有氧化溝處理工藝中應用最為廣泛。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構,能夠更有效地利用水流慣性,同時該氧化溝具有推流反應器的特性。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,不適于在經濟落后的地區推廣。
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計,使出水易受水質、水量波動的影響,影響處理效果。二是對固液分離器的設計和安裝要求較高,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,應慎重考慮,權衡利弊。
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