几种氧化沟工艺的比较分析
摘要：结合具体工程实例分析了影响氧化沟工艺的主要因素,通过效益分析得到了氧化沟工艺的排污费征收标准,并对几种氧化沟工程应用的优缺点进行了阐述。
关键词：氧化沟工艺,影响因素,效益分析
在污水处理工艺中,活性污泥法是当前污水生物处理最成熟的、最主要的污水处理方法。氧化沟工艺是一种污水在沟渠中做循环运动的、通过曝气转刷或转盘进行曝气的一种活性污泥工艺。除具有一般活性污泥法的优点外,还具有许多独特的特性:
11 流程简化,一般不需设初沉池。氧化沟水力停留时间和污泥龄较长,有机物去除较为彻底,剩余污泥高度稳定,污泥一般不需厌氧消化。
21 氧化沟具有推流特性,因此沿池长方向具有溶解氧梯度,分别形成好氧、缺氧和厌氧区。通过合理设计和控制可使N 和P 得到较好地去除。
31 操控灵活,如曝气强度可以通过调节转速或通过出水溢流堰来改变曝气机的淹没深度;交替式氧化沟各沟间交替运行的动态控制等。
氧化沟工艺作为一般生活污水处理流程中处理的关键环节或是特异性废水组合处理流程中的最后一级好氧处理,其处理效果的好坏直接影响着污水能否达标排放。因此,对影响氧化沟工艺的各种因素如环境因素、占地面积、曝气设备能耗、经济效益等进行分析,来了解各种氧化沟工艺的优缺点、局限性等,对工程应用具有重要意义。
经过几十年的发展和工艺改进,目前在我国工程应用中技术相对成熟、处理效果较好的氧化沟主要有卡鲁塞尔型、奥贝尔型、一体化氧化沟及T 型、DE 型氧化沟五种。本文依次选取了五个工程实例,对氧化沟系统运行主要影响因素进行了综合分析。
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1 环境因素
在生物处理过程中,温度和pH 值是影响其正常运转的关键因素,是常规污水处理中最重要的分析控制指标。因此,掌握温度和pH 值对微生物的
影响规律就变得非常重要。温度对氧化沟系统中的微生物生长有着较大的影响。一般情况下,温度对生物处理速率的影响可用下述公式[1 ]表示:
μmax ( T) = μmax (20 ℃) exp [ k ( T - 20) ] (1)
式中:
μmax (20 ℃) :20 ℃时的微生物最大比增长速率;
μmax ( T) :温度为T 时的微生物最大比增长速率;
k :温度系数。
温度对厌氧过程的影响与对好氧过程的影响类似,均可用式(1) 来描述。温度与反应速率的关系见图1 。
对好氧过程,该公式的适用温度为0 —32 ℃。当温度在32 —40 ℃时,μmax ( T) 的数值不受温度变化的影响; 当温度在45 ℃左右时,μmax ( T) 下降为零,好氧过程停止进行;但在50 —60 ℃时,好氧过程重新进行,且反应速率约比35 ℃时高50 %。主要原因是由于嗜热菌的作用。这也正是该过程随温度变化呈现多峰状变化的主要原因。
pH 值是生物处理中影响微生物活性最重要的影响因素之一。
pH 值对微生物最大比生长速率的影响可用下式[1 ]描述:
μmax ( pH) = μmax (最佳pH) [ KpH/ ( KpH + I) ] (2)
式中:
KpH是pH 值常数,一般通过试验测定;
I = 10[最佳pH- pH] - 1
微生物对pH 值的波动较为敏感,即使在其生长pH 值范围内的pH 值的突然改变也会引起细菌活力的明显下降。pH 值与反应速率的关系见图2 。
从图2 可以看出,当废水的pH 值保持在6. 0 —9. 0之间时,无论是好氧过程还是厌氧过程,其反应速率均处于最理想状态。当pH 超出6. 0 —9. 0 这个范围时,其生物活性、反应速率大为下降。同时由图可见,pH 对厌氧过程的影响对比好氧过程更敏感。
2 曝气设备能耗
曝气装置是氧化沟工艺的关键部件,是能源消耗的主要设备。目前在氧化沟工艺中应用的曝气设备主要有曝气转刷、曝气转盘和立式表曝机三种。其中,曝气转刷应用最广。曝气转盘主要应用于奥贝尔氧化沟;立式表曝机主要应用在卡鲁塞尔氧化沟中。
曝气设备的性能直接影响生物处理法的运行费用和处理效果。据统计,我国目前污水处理厂的数量虽然不多,但每年的耗电已经约占全国发电量的0. 3 %左右,电量超过10 亿kw·h[2 ] 。据北京、上海、青岛等几个污水处理厂的统计,运行费用中能耗约占45 % ,其中曝气设备能耗约占总能耗的95 %甚至更多,因此,曝气设备选择的恰当与否,对节约成本、降低能耗具有重要的意义。
表1 列出了几种典型氧化沟的曝气设备及能耗。从表中可以看出,实例1 (卡鲁塞尔氧化沟) 的能耗最低,主要原因是其采用了与其他氧化沟不同的曝气设备倒伞型立式表曝机。这种曝气设备单机功率大,搅拌能力强,传氧效率高,从而使设备数量大为减少,易于管理和维护;节能效果显著。其单位能耗约为奥贝尔氧化沟的1/ 3 —1/ 4 。从而大大降低了运行费用。这也是其在所有氧化沟工艺中应用最为广泛的一个重要原因。
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3 占地面积
氧化沟实际上是一种循环延时曝气法,和普通的活性污泥法相比,污水在沟中停留时间长、污泥的有机负荷和容积负荷低、循环水量大(见表2) 。因此,沟渠容积较大、占地面积大是氧化沟工艺的一个主要缺点。特别是近年来氧化沟工艺不断改进、处理量不断增大。而且,由于环境法规对污染物的排放要求越来越严格以及污水水质的变化,较早建立的处理厂已难满足环保要求,需要对传统处理工艺进行技术改造。在改造过程中,由于场地面积和布局的限制使氧化沟占地面积大的问题也越来越突出。因此如何在保证其他技术指标的同时加大氧化沟渠的深度、减少占地面积一直是工程设计者不断追求的目标。
表3 对普通活性污泥法和氧化沟的占地面积进行了对比。从数据中可以看出,即使按照等量增加(不考虑规模效应) 的原则,将山东安丘造纸厂废水工程的处理量增加2 倍,达到40000m3/ d。其生化反应区的面积也仅占采用氧化沟处理工艺的1/ 2 。如果能将氧化沟的有效水深从315m 增加到417m ,那么其生化反应区的面积相应地从14300m2下降到10600m2 。占地面积下降了1/ 4 ,节约土地效果显著。实际上,氧化沟渠的深度自问世之初的不到2m增加到现在的4m 左右,有的工艺流程甚至可以达到7 —8m ,是和曝气设备或曝气方法的不断发展紧密相连的。基本上每出现一种新的曝气设备都会相应地诞生一种新的氧化沟。因此,通过曝气设备或工艺的改进来增加沟渠深度来减少占地面积是氧化沟工艺发展的一个方向。
4 效益分析
长期以来,我国绝大部分的污水处理厂的建设和运营均由国家和地方财政负担,作为城市基础设施的一部分来经营,污水处理厂相当于政府的一个下属部门。随着污水处理厂的大量兴建,政府的财政负担越来越重,存在建得起养不起的现象。因此,各级政府均在尝试各种方法使污水处理厂能够实现良性运行。但由于城市污水处理的特殊性以及一些历史原因,如污水处理的外部不经济性、创造的环境效益无法补偿、排污费定价过低等,目前实施起来还有些困难。下文对影响污水处理厂效益的各种因素进行了分析。
411 环境效益
以COD 为计算指标,以2000 年为计算年限。2000 年全国排放COD 约15000kt ,总经济损失按国民经济的5 %计算,因COD 的排放引起的损失按占总损失的20 %计算[8 ] ,因此可计算出COD 造成的损失约为6600 元/ t 。COD 的消减量为COD 进口浓度与处理效率的乘积。所以,环境效益= COD 的消减量×每吨COD造成的环境损失。运用此式可计算出五个实例的环境效益值,见表4 。
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412 经济效益
经济效益的计算公式为:经济效益= 排污费收入—运行费用—设备折旧—贷款利息。
其中: 排污费按0. 3 元/ m3 收取; 设备折旧按5 %折算;贷款为总投资的30 % ,年利率按4 %计算。经济效益分析见表5 。
从表中可以看出,几个实例都具有较好的环境效益,对改善环境水质具有重要作用。但经济效益均为负值,即均处于亏损状态。污水处理厂所创造的效益没有完全以货币化的形式返还到污水厂,即污水处理厂具有外部不经济性的特征。为了维持污水处理厂的正常运转,亏损部分只能由国家财政拨款或提高排污费征收标准。随着污水处理厂的增加,目前国家和地方政府财政已不堪重负。因此,提高排污费征收标准是一个必然的选择,使污水厂处于盈亏平衡或微利状态,有助于促进污水产业的良性发展。图4 列出了五个实例实现保本(盈亏平衡)时的排污费征收标准。
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5结论
通过以上分析并结合各种氧化沟工艺的特点,可以得出以下结论:
卡鲁塞尔氧化沟处理效果好,由于采用了倒伞型立式表曝机。搅拌能力强,传氧效率高,减少了设备数量,易于管理和维护;节能效果显著。因此在所有氧化沟处理工艺中应用最为广泛。奥贝尔氧化沟也是城市污水处理常见的一种工艺。在不增加水下推进器的情况下有效水深可达4. 2 米左右。主要原因在于奥贝尔氧化沟沟渠的椭圆形结构,能够更有效地利用水流惯性,同时该氧化沟具有推流反应器的特性。去除有机物和氨氮效果更好。其主要缺点是能耗、投资成本、处理成本相对较高,不适于在经济落后的地区推广。
一体化氧化沟处理效果不是很好。主要原因有二:一是由于固液分离器和氧化沟渠的一体化设计,使出水易受水质、水量波动的影响,影响处理效果。二是对固液分离器的设计和安装要求较高,但工程上往往达不到要求。但一体化氧化沟也有显著的优点:由于省去了二沉池,占地面积小,污泥自动回流,管理更方便,能耗少,投资成本和运行费用较低。特别是在小城市和小城镇的污水处理、旅游景点的生活污水处理及类似情况下适合推广。
T 型氧化沟和DE 型氧化沟属于交替运行式氧化沟。容积利用率都比较低,因此使占地面积远远大于其它氧化沟工艺。如西安市北石桥污水处理厂采用的DE型氧化沟工艺,占地面积达到了285 亩,单位占地面积1. 26m2/ m3 。但正是由于这种交替式运行工艺的特点,提高了处理效率,同时脱氮除磷效果显著。如氨氮去除率> 90 %;总磷去除率> 70 %。因此在选择工艺时,应慎重考虑,权衡利弊。
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