幾種氧化溝工藝的比較分析
摘要：結(jié)合具體工程實(shí)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(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)幾種氧化溝工程應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)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(yùn)動(dòng)的、通過曝氣轉(zhuǎn)刷或轉(zhuǎn)盤進(jìn)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(diǎn)外,還具有許多獨(dú)特的特性:
11 流程簡(jiǎn)化,一般不需設(shè)初沉池。氧化溝水力停留時(shí)間和污泥齡較長,有機(jī)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(jì)和控制可使N 和P 得到較好地去除。
31 操控靈活,如曝氣強(qiáng)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(jī)的淹沒深度;交替式氧化溝各溝間交替運(yùn)行的動(dòng)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(jí)好氧處理,其處理效果的好壞直接影響著污水能否達(dá)標(biāo)排放。因此,對(duì)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(jì)效益等進(jìn)行分析,來了解各種氧化溝工藝的優(yōu)缺點(diǎn)、局限性等,對(duì)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(jìn),目前在我國工程應(yīng)用中技術(shù)相對(duì)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(gè)工程實(shí)例,對(duì)氧化溝系統(tǒng)運(yùn)行主要影響因素進(jìn)行了綜合分析。
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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(yùn)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(biāo)。因此,掌握溫度和pH 值對(duì)微生物的
影響規(guī)律就變得非常重要。溫度對(duì)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(duì)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(shí)的微生物最大比增長速率;
μmax ( T) :溫度為T 時(shí)的微生物最大比增長速率;
k :溫度系數(shù)。
溫度對(duì)厭氧過程的影響與對(duì)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(duì)好氧過程,該公式的適用溫度為0 —32 ℃。當(dāng)溫度在32 —40 ℃時(shí),μmax ( T) 的數(shù)值不受溫度變化的影響; 當(dāng)溫度在45 ℃左右時(shí),μmax ( T) 下降為零,好氧過程停止進(jìn)行;但在50 —60 ℃時(shí),好氧過程重新進(jìn)行,且反應(yīng)速率約比35 ℃時(shí)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(duì)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(yàn)測(cè)定;
I = 10[最佳pH- pH] - 1
微生物對(duì)pH 值的波動(dòng)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(huì)引起細(xì)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(shí),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(gè)范圍時(shí),其生物活性、反應(yīng)速率大為下降。同時(shí)由圖可見,pH 對(duì)厭氧過程的影響對(duì)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(jī)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(jī)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(yùn)行費(fèi)用和處理效果。據(jù)統(tǒng)計(jì),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(gè)污水處理廠的統(tǒng)計(jì),運(yùn)行費(fèi)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(duì)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(shí)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(jī)。這種曝氣設(shè)備單機(jī)功率大,攪拌能力強(qiáng),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(hù);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(yùn)行費(fèi)用。這也是其在所有氧化溝工藝中應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)重要原因。
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3 占地面積
氧化溝實(shí)際上是一種循環(huán)延時(shí)曝氣法,和普通的活性污泥法相比,污水在溝中停留時(shí)間長、污泥的有機(jī)負(fù)荷和容積負(fù)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(gè)主要缺點(diǎn)。特別是近年來氧化溝工藝不斷改進(jìn)、處理量不斷增大。而且,由于環(huán)境法規(guī)對(duì)污染物的排放要求越來越嚴(yán)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(duì)傳統(tǒng)處理工藝進(jìn)行技術(shù)改造。在改造過程中,由于場(chǎng)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(biāo)的同時(shí)加大氧化溝渠的深度、減少占地面積一直是工程設(shè)計(jì)者不斷追求的目標(biāo)。
表3 對(duì)普通活性污泥法和氧化溝的占地面積進(jìn)行了對(duì)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(dá)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(shí)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(dá)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(huì)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(jìn)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(gè)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(yùn)營均由國家和地方財(cái)政負(fù)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(gè)下屬部門。隨著污水處理廠的大量興建,政府的財(cái)政負(fù)擔(dān)越來越重,存在建得起養(yǎng)不起的現(xiàn)象。因此,各級(jí)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(yùn)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(jì)性、創(chuàng)造的環(huán)境效益無法補(bǔ)償、排污費(fèi)定價(jià)過低等,目前實(shí)施起來還有些困難。下文對(duì)影響污水處理廠效益的各種因素進(jìn)行了分析。
411 環(huán)境效益
以COD 為計(jì)算指標(biāo),以2000 年為計(jì)算年限。2000 年全國排放COD 約15000kt ,總經(jīng)濟(jì)損失按國民經(jīng)濟(jì)的5 %計(jì)算,因COD 的排放引起的損失按占總損失的20 %計(jì)算[8 ] ,因此可計(jì)算出COD 造成的損失約為6600 元/ t 。COD 的消減量為COD 進(jìn)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(yùn)用此式可計(jì)算出五個(gè)實(shí)例的環(huán)境效益值,見表4 。
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412 經(jīng)濟(jì)效益
經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算公式為:經(jīng)濟(jì)效益= 排污費(fèi)收入—運(yùn)行費(fèi)用—設(shè)備折舊—貸款利息。
其中: 排污費(fèi)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(jì)算。經(jīng)濟(jì)效益分析見表5 。
從表中可以看出,幾個(gè)實(shí)例都具有較好的環(huán)境效益,對(duì)改善環(huán)境水質(zhì)具有重要作用。但經(jīng)濟(jì)效益均為負(fù)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(jì)性的特征。為了維持污水處理廠的正常運(yùn)轉(zhuǎn),虧損部分只能由國家財(cái)政撥款或提高排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)。隨著污水處理廠的增加,目前國家和地方政府財(cái)政已不堪重負(fù)。因此,提高排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)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(jìn)污水產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。圖4 列出了五個(gè)實(shí)例實(shí)現(xiàn)保本(盈虧平衡)時(shí)的排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)。
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5結(jié)論
通過以上分析并結(jié)合各種氧化溝工藝的特點(diǎn),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(jī)。攪拌能力強(qiáng),傳氧效率高,減少了設(shè)備數(shù)量,易于管理和維護(hù);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(jìn)器的情況下有效水深可達(dá)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(shí)該氧化溝具有推流反應(yīng)器的特性。去除有機(jī)物和氨氮效果更好。其主要缺點(diǎn)是能耗、投資成本、處理成本相對(duì)較高,不適于在經(jīng)濟(jì)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(jì),使出水易受水質(zhì)、水量波動(dòng)的影響,影響處理效果。二是對(duì)固液分離器的設(shè)計(jì)和安裝要求較高,但工程上往往達(dá)不到要求。但一體化氧化溝也有顯著的優(yōu)點(diǎn):由于省去了二沉池,占地面積小,污泥自動(dòng)回流,管理更方便,能耗少,投資成本和運(yùn)行費(fèi)用較低。特別是在小城市和小城鎮(zhèn)的污水處理、旅游景點(diǎn)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(yùn)行式氧化溝。容積利用率都比較低,因此使占地面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)到了285 畝,單位占地面積1. 26m2/ m3 。但正是由于這種交替式運(yùn)行工藝的特點(diǎn),提高了處理效率,同時(shí)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(shí),應(yīng)慎重考慮,權(quán)衡利弊。
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