污水廠跌水復(fù)氧會影響碳源？研究數(shù)據(jù)這樣說

選取太湖流域3座GB 18918-2002一級A排放標準的城鎮(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。

更加嚴格的城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準已經(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)定達標的根本保障。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水碳源嚴重不足的技術(shù)難題，很大程度上影響了氮磷的穩(wěn)定達標。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，通常難以達到高排放標準對氮磷控制的要求，這個問題在冬季低溫地區(qū)尤為明顯。為進一步強化氮磷去除，滿足日趨嚴格的排放標準要求，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排放標準城鎮(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行了分析，見表1。

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)測指標為DO值，采用HACH HQ30d單路輸入多參數(shù)數(shù)字化分析儀（標準型電極LD10103）進行測試。

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。

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)系進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖2所示。

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增量達到4.28 mg/L，而A廠為半封閉式結(jié)構(gòu)，雖然跌水高度達到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變化情況進行了統(tǒng)計，見表3。

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)氧導致的碳源損失總量情況。

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長期處于超標邊緣，需通過投加碳源確保穩(wěn)定達標的污水處理廠而言，預(yù)處理單元碳源損失量相當可觀。

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。

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。

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。

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，都難以達到工程測試的DO增量，尤其是對于污水處理廠進水泵出口、沉砂池出口等過水斷面相對較窄、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。

（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行復(fù)氧控制，并選擇太湖流域某污水處理廠進行了工程性研究。

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)域頂部適當位置進行密閉處理，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。

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行連續(xù)監(jiān)測，結(jié)果見圖7所示。

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濃度可進一步降低至1~2 mg/L水平，此時水渠中的DO濃度可達到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排放標準城鎮(zhèn)污水處理廠進行了調(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，部分工程甚至達到或超過10 mg/L，進一步加劇了碳源不足問題。

（3）采用加蓋密封的方式進行進水泵出口跌水復(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。