摘要：我国很多地区的地表水以及浅层地下水都遭到工业污染，加强我国污水处理事业建设，提高污水处理技术是缓解我国水资源困境的必由之路。本文对某污水处理厂的处理工艺进行了分析，并阐述了污水处理的相关新技术。
关键词：污水处理；一体化；低溶氧；同时硝化/反硝化；推流
中图分类号：U664.9+2文献标识码：A 文章编号：
前言
污水是工业发展以及人类滥用水资源的产物，随着水资源的日益枯竭以及污水排放量的日益增多，水质污染超越了水体的自净能力。如果不及时处理污水，不但会造成巨大的经济损失，污水还会进入土壤，通过食物链来影响我们的身体健康。同时在污水处理过程中如何应用多项低能耗污水处理技术，大大减少污水处理厂的运行费用，并保证良好的出水水质，使投资省、占地面积小、运行费用低、维护管理方便，也是我国目前污水处理要研究的问题。
1污水处理厂项目概况
某污水处理厂，配套管网40.93 km，以及中途提升泵站1座。污水处理厂尾水排放执行《城镇污水厂污染物排放标准》（GB19918-2002）一级标准的B标准，设计进、出水水质及要求处理程度见表1。
表1污水处理厂进、出水水质及处理程度
水质 COD BOD5 SS NH3-N TN TP
设计进水水质/(mg•L-1) 400 200 250 30 40 4.0
设计出水水质/(mg•L-1) 60 20 20 8(15) 20 1.5
处理程度/% 85 90 92 73(50) 50 62.5
污水处理工艺采用改良型一体化氧化沟工艺，工艺流程见图1。
图1污水处理工艺流程图
2低能耗污水处理技术的应用
为贯彻节能理念并保证出水水质，工程中主要应用了一体化技术、低溶氧技术、同时硝化/反硝化技术、微孔软管曝气技术、新型推流技术等低能耗污水处理技术。
2.1一体化技术
一体化氧化沟技术源于上世纪50年代的荷兰（沃绍登Voorschoten），其特点是用合建的生物反应池取代传统氧化沟工艺中的氧化沟、二沉池、污泥回流泵房等处理构筑物，将初沉池、水解酸化池、厌氧池、曝气池以及二沉池的功能集于一身，使传统工艺的多个池体简化为一个综合池体，在其中高效完成碳源氧化、硝化、反硝化、磷的去除以及处理水的固液分离，前段的预处理及后段的消毒和污泥处置与传统工艺基本一致。国内于上世纪90年代初引进该技术，目前运行厂已超过10余座。
一体化技术最显著的特征是不设独立的污泥回流系统。按功能需要，该项目的一体化生物反应池共划分为4个分区（如图1所示），按水的流向分别为厌氧区、空气提升区、主反应（曝气区、沉淀区。在沉淀区，用快速澄清装置（斜管）取代了传统的二沉池，斜管沉淀具有高效分离的特点，表面负荷一般为50～65 m3/(m2•d)，该值是传统二沉池设计的1.5～4倍。沉淀污泥直接落于斜管下方，通过混合液回流，将斜管下方污泥带回氧化沟进水端，实现了污泥无泵自动回流，省去机械回流，从而降低运行能耗，比设独立污泥回流系统的传统氧化沟法可节能15%左右。该厂项目规模2.5×104 m3/d，如采用泵回流系统，需设置回流泵台，运行功率30 kW，电耗增加约0.05 kWh/m3。混合液在斜管下方的通道通过时，流速控制
在0.3～0.4 m/s，可以形成抽吸作用，保证了分离沉淀的污泥不会在通道底部积累，另一方面也加速了污泥的沉降，同时，由于抽吸作用形成独特的水力条件，在斜管下部的水处于旋流状态，这样可以有效避免斜管内部积泥。而斜管上部处于异向流状态，水流较为平缓，比重大的污泥颗粒先行分离，随着上升过程中的阻力影响，水流趋于平稳缓缓上升，比重小的污泥颗粒也能够重力沉降，在此过程中水质不断改善，最终通过斜管，保证出水水质。事实上，在改良型一体化氧化沟工艺中，形成的活性污泥絮体主要是微量好氧的微生物和兼性厌氧微生物，这些微生物菌种生长速度较慢，不会在菌群团表面形成水膜，这样的污泥易于分离SVI仅在60～100之间；此外，由工艺本身控制的短程同时硝化/反硝化，决定了在水体进入沉淀区之前，NO2-或NO3-及可溶性BOD几乎为零，沉淀区即使是缺氧条件下也几乎不会发生反硝化和产生氮气，也不会出现传统活性污泥法中的二沉池翻泥现象。
2.2低溶氧技术
低溶氧技术是降低污水厂运行能耗的一项重要措施，低溶氧不代表有机物氧化、氨氮硝化供氧量不足，而是通过曝气系统的改进，使供氧量和需氧量之间的富余值控制在科学经济的范围内，从而避免能耗的浪费。实践证明，改良型一体化氧化沟工艺中溶解氧仅需0.1～0.3 mg/L就够了，这与奥贝尔氧化沟外沟的运行十分相似，因此氧的传递作用是在氧亏条件下进行的，传递效率大大提高，鼓风系统的供氧量随之降低。
低溶氧环境也决定了微生物种类和所发生的生化反应类型，经过驯化形成的活性污泥絮体中，主要保留的是微量好氧的微生物和兼性厌氧微生物，这些微生物菌种生长速度较慢，在吸附COD后不会在菌群团表面形成水膜，活性污泥絮体则通过接触微小气泡而直接摄取氧气进行代谢，即使在溶解氧浓度较低的情况下也可以正常地摄取有机物进行代谢，从而使得微生物获得氧的效率大大提高。只要反应池中有溶解氧富余出来（控制出水端的溶解氧浓度在0.1～0.3 mg/L），就说明池中微生物已经不再需要更多的溶解氧，这比传统好氧工艺专性好氧菌种对氧浓度的需求要低得多。
传统好氧工艺中，活性污泥絮体以专性好氧菌种为主，污泥絮体较大且外表有水膜，绝大多数细菌是被“包埋”在污泥絮体内，水体中的溶解氧必须克服絮体表面水膜阻力后才能被微生物摄取和利用，因此扩散进去的溶氧极为有限，即使水体中溶氧较高（2 mg/L或以上），但真正被微生物利用的也只有0.1～0.3 mg/L。
工程中设有高精度的溶解氧检测仪，如果氧浓度超过0.3 mg/L，通过变频装置，降低鼓风机的输出功率；相反，如果氧含量低于0.1 mg/L，则增加鼓风机的鼓风量。这种控制可轻易实现自动化调节，操作简便、运行可靠又可节省运营成本。
2.3同时硝化/反硝化技术
上节提到的低溶氧环境，决定了该厂项目的另一项低能耗污水处理技术―――短程同时硝化/反硝化。目前研究表明，在奥贝尔氧化沟、卡鲁塞尔氧化沟、SBR、曝气生物滤池等工艺中都不同程度地存在短程同时硝化/反硝化现象，而在该厂项目中短程同时硝化/反硝化的特征十分明显，由于生物池中溶解氧较低，氨氮在硝化过程中大部分生成亚硝酸盐，而不是硝酸盐，反硝化菌群利用NO2－-N作电子受体进行反硝化脱氮，在NH4+-N被降解的同时，没有NO2－-N的积累及NO3－-N的产生，整个生物脱氮过程比一般的全程好氧硝化/厌氧反硝化历时要短得多，为好氧短程同时硝化/反硝化过程，即在好氧条件下亚硝化微生物将NH4+-N转化为NO2－-N，随即由反硝化微生物直接进行反硝化反应，将NO2－-N还原为N2释放。
全程反硝化主要反应为：
NH4++2O2=NO3－+2H++H2O
2NO3－+OH(电子供给体COD)=N2＋4H2O＋2OH－
短程同时硝化/反硝化主要反应为：
NH4++1.5O2=NO2－+2H++H2O
2NO2－+3H(电子供给体COD)=N2+H2O+OH－
由公式可看出，去除一个分子的氨氮，短程硝化/反硝化要比全程硝化/反硝化少消耗0.5个氧分子，可减少25%左右的需氧量，大大降低因充氧所需的能耗。
此外，由于短程硝化/反硝化可直接利用NO2－-N还原为N2，因此具备较高的反硝化速率，通常比全程硝化/反硝化高63%左右。
2.4微孔软管曝气技术
改良型一体化氧化沟运行的一个重要特征是低溶氧，仅0.1～0.3 mg/L，要保证这一参数，除了设置高精度的溶解氧检测仪外，运用先进的曝气技术也是关键。该厂项目采用的是新型节能微孔软管曝气技术，在曝气区下方，沿长向密集地布置多道细长曝气软管，间隔只有20~30cm，每米软管上开有数千个微气孔，曝气时能产生均匀的细小气泡。由于曝气软管沿曝气区通长布置，这样在整个曝气区池底面积上，可以进行大表面面积的细小气泡曝气作业，保证区域内水体100%得以有效曝气。这种曝气方式主要有3方面优点：
（1）避免传统曝气的曝气不均匀。传统盘式、管式曝气的曝气装置在池底是分散布置的，其直接曝气区域极为有限，仅在5%左右或稍高，其它区域氧的供应则依靠气体或水体流动形成的扩散来完成，这种曝气方式在分布上是不均匀的，也就难以保证微生物体对氧气需求的均匀。
（2）提高充氧效率。传统曝气方式是局部曝气，曝气相对集中，局部强度过大，会导致垂直水波，以非常高的速度传播气泡，加之气泡粒径较大，气泡上升速度相对较大，气泡与水的接触时间短，充氧效率低，仅能达到2.5 kg O2/kWh左右。
而工程中采用的大表面面积曝气，在池底表面产生的气泡是均匀的，这样可以降低单位面积的池中曝气量，同时由于产生的气泡细小且密集，气泡上升速度减小，延长了与水接触的时间（约是传统曝气的3～4倍），另一方面，气泡粒径减小，增大了气泡与水的接触面积，有利于增加氧的传递效率。因此，采用大表面面积的软管微孔曝气，动力效率大大提高，可达到4 kg O2/kWh或更高，氧的利用率（EA）高达35%～60%。
（3）加速氧的直接利用。采用曝气软管曝气时产生的气泡极其细小，气泡直径仅为10～30μm，这些气泡绝大多数直接附着在活性污泥上，实现了泥、水之间良好有效的微混合，加速了微生物体对气泡中氧气的直接利用。
曝气软管的安装也非常简单，通过活结头与主空气管连接，在池底的敷设则通过特殊设计的拉环和牵引绳来完成，这种安装方式可以在不停车的情况下对运行中出现问题的曝气管进行更换。
2.5新型推流技术
该厂项目采用的推流技术也具有高效节能的特点，在一体化氧化沟空气提升区的底部设有空气提升装置，通过鼓入空气形成提升区内外液体密度差和液位差，导致空气提升区液位的抬高，从而实现氧化沟的推流。
采用空气提升形成氧化沟推流的动能消耗较小，通常不到氧化沟动能消耗的5%，以该厂项目为例，规模2.5×104 m3/d，如回流比为20，每秒的推流水量约6 m3，采用空气提升形成推流的能消耗不到7.5 kW，而传统氧化沟工艺要形成推流，动能消耗至少在45 kW以上。主要原因在于改良型一体化氧化沟和传统氧化沟工艺的工况不同，在传统氧化沟工艺中，推流的动能消耗主要用于保持沟内活性污泥的悬浮，避免污泥在沟底沉积，而改良型一体化氧化沟，由于其独特的曝气方式，活性污泥始终能保持悬浮状态，除澄清装置下方要求一定的流速外，其它地方对流速并无要求，其推流的作用是保证混合液回流，通过调节回流
比对进水进行稀释，使曝气池进水端的负荷降低，整个曝气池的有机物浓度梯度差保持在较小范围，COD负荷也几乎平均一致，使得微生物生长的环境稳定，有利于微生物的生长及有机物的降解。
3结语
从各方面的分析比较可以得知该厂项目的节能特点：
（1）工程采用新型微孔软管曝气技术，为大表面面积微孔曝气，可以保证气泡在池体的均匀分布，产生的气泡细小且密集，大大增加氧的传递效率，动力效率（Ep）高达4 kg O2/kWh以上，氧的利用率（EA）高达35%～60%，有效减少鼓风量和运行能耗；
（2）微孔软管曝气技术的使用，使低溶氧技术、同时硝化/反硝化技术得以实施，低溶氧环境下驯化的活性污泥絮体可以直接摄取细小气泡中的氧气进行代谢，对氧浓度的需求较其它活性污泥法要低得多，可以降低单位面积的池中曝气量，另一方面，氧传递作用是在氧亏条件下进行的，可以提高氧的传递效率。同时，由于生物池中溶解氧较低，氨氮在硝化过程中大部分生成亚硝酸盐，可以被反硝化菌群直接利用进行反硝化脱氮，提高反硝化速率和脱氮效率；
（3）工程中应用一体化技术，在沉淀区用快速澄清装置（斜管）取代二沉池，实现了污泥无泵自动回流，省去机械回流，从而降低运行能耗。此外，工程利用空气提升装置来实现沟内大比例混合液回流，大大降低用于推流的动力消耗。
参考文献:
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［2］林清秀.海沧污水处理厂升级改造的思路及工程实施.中国给水排水,2008.
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