简介： 本文就重庆市忠县新生镇污水工程BT项目设计实例展开分析，探讨在目前国情下，引入跌水曝气系统的可行性及介绍跌水曝气方式特点，以及在氧化沟和其他污水处理工艺上的应用等。
关键字：跌水曝气 成本 氧化沟 技术改造 生态环境保护
1 背景
水污染问题的日益严重，已经开始威胁中国的国民经济的可持续发展，今后除了还需要大规模的建设城市污水排放和处理设施外，对河流湖泊的治理也必须要同时跟上。因此可以推断，未来10年间将是中国污水治理的高峰期。要实现这一目标，需要增加约3000亿元投资，而中小城市的城市污水治理将占有绝对的数量。目前中国中小城市的城市污水处理厂发展十分缓慢，主要是无法承担过高的修建成本和运行处理费用[5][6]。而且,据调查，在已建成的污水处理厂中，也由于运行费用的问题，能够满负荷运行的还不到1/3，根本无法达到国内的水污染控制的要求。
因此，探索和发展简易、高效低耗、能有效降低污水中氮、磷含量而且适合中国国情的中小城市污水处理工艺已成为中国水处理行业普遍关注的课题。随着污水处理设施在中小型城市的推广，中国需要寻找更多运行成本低，管理、操作简单，符合中国国情的污水处理技术。从国内外的情况来看，最大限度地削减处理厂运行费，其中跌水曝气技术是一项可以探讨应用的好技术。
2 工程设计实例分析
2004年11月份，笔者曾在重庆市三峡库区中小城镇污水处理工程项目（BT项目）的方案设计中，针对忠县新生镇污水处理厂项目的地形特点，探讨试用跌水曝气一体化氧化沟工艺方案，受到多方面关注。所采用的工艺流程如图1：
图1 跌水曝气一体化氧化沟工艺流程
在工艺上，以一体化氧化沟工艺为基础，结合当地的地形特点，将氧化沟的传统曝气系统改为跌水曝气系统（如图2）。在该设计方案中，充分利用当地的地形特点（落差达18米），使污水在进入氧化沟之前就采用跌水进行曝气，然后进入氧化沟上的跌水曝气装置，使得未处理污水与沟内混合液进行充分的混合，再通过氧化沟上的跌水曝气装置对混合液进行跌水曝气，以满足污水处理所需要的氧量，由此循环，去除污水中COD，BOD，N，P等。采用此设计的依据是：一，利用进水与氧化沟落差大（4米），对污水进行曝气；二，不用对地形进行过多的平整，减少土石方开挖，节约基建成本；三，有国外成功的经验。
图2 跌水曝气一体化氧化沟
从工程设计方案本身看，跌水曝气一体化氧化沟采用了灵活的设计思路，充分的利用了当地的地形特点，进行因地制宜的设计；为了进一步增加曝气的效果，在进水的跌水和氧化沟上的跌水曝气都采用了多级跌水方式，且在跌落的过程中安装溅水装置。为了保持对跌水流态的控制，在堰上还装有调节用的堰板，如图4。在设计中，由于采用了跌水曝气系统，使用了一台潜水轴流泵来提升沟内污水，使用时可以带动沟内污水的流动，因此可以不在沟内使用水下推进器，可以进一步节约投资和运行成本，并简化运行管理。
从以上的设计方案中可以看出，采用跌水曝气改造氧化沟，简便易行，适合在中小型山地城镇推广使用的污水处理技术。
3 跌水曝气系统对用于现有污水处理工艺的改造可行性探讨
常用的城市污水处理方法主要可以分为以下两类：一、活性污泥生物处理法；二、生物膜生物处理法。现在就这两大类的典型处理技术进行探讨。
氧化沟：
在上面的工程设计方案中，已经对跌水曝气系统在氧化沟上的应用进行了分析。在实际的工程应用上，早在90年代，日本的Hideo Nakasone和Masuo Ozaki就对跌水曝气氧化沟进行了研究，研究结果表明，跌水曝气氧化沟的处理效果很好，出水水质指标很低（见
表1）。
表1 日本跌水曝气氧化沟进出水的水质[1]
注：1、以上数据是在跌水高度h=53cm，流量为0.2m3/s的时候测得
2、所有数据都是1990年Hideo Nakasone和Masuo Ozak所测得
由图3可以看出，日本方面对跌水曝气氧化沟的改造，并没有改变氧化沟的工艺特点，
只是在传统曝气系统的位置进行了改造。经过改造后，不但设备和构筑物改造设计都非常
简单，管理也是非常的方便；而且极大的减少了工程的造价和运行费用，同时出水效果也
达到了一个非常高的水平。
图3 跌水曝气氧化沟 图4 跌水堰示意
SBR：
SBR法也是最常用的污水处理技术之一，一般都采用传统的鼓风曝气系统和表面曝气系统充氧。与氧化沟技术相比，进行跌水曝气改造更有难度。在SBR工艺上进行跌水曝气改造，必须将SBR池中的混合液用水泵进行提升，这样SBR池中的混合液就将做如下循环：提升——曝气——混合反应——提升，操作比表面曝气系统复杂，应用价值不高。但对于采用鼓风曝气系统的SBR工艺来说，改用跌水曝气系统还是有足够的优势的。首先，跌水曝气系统设备数量少。在跌水曝气系统中只有水泵、控制系统等设备和一些必须的构筑物改造，而鼓风曝气系统不仅需要鼓风机，而且还要风管和控制设备，水下的曝气管网、曝气头，系统更复杂。第二，跌水曝气系统比鼓风曝气系统操作更加简单，设备数量少，系统简单。第三、跌水曝气系统比鼓风曝气系统维修更加简单方便。
从以上理论分析可知，在使用跌水曝气系统对SBR的改造上，并不具有特别多的优势，也不能够有效的利用污水处理厂的地形。
由于生物滤池的多样性以及其自身固有的特性，将跌水曝气系统整合到生物滤池相对其他工艺要更困难一些，但对某些工程项目还是可以改造的。例如姜湘山等人采用跌水曝气来改进填料排水系统来处理屠宰废水，也取得了很好的出水效果（如表2）。
表2 屠宰废水处理前后的水质[2]
生物流化床也是生物膜生物处理法的一种，从生物流化床工艺流程（图5）可以看出，它的充氧阶段是独立于整个系统的，因此使得改进比较容易。只需直接将充氧曝气部分改造为跌水曝气系统即可。这个是可以很好的利用地形的。特别适合在山地和丘陵地带采用。
图5 生物流化床工艺流程
如上分析，跌水曝气系统有着自己独特的优势，工艺相对简单，适应性强，特别适合应用山区和丘陵地带，可以减少基础建设成本和运行成本；但目前跌水曝气相关理论、设计计算方法和实际运用还不多见。
4 跌水曝气系统的特点分析
4.1 生态环境保护
就中国目前的环境保护发展情况看，对水环境的保护已经到了一个比较关键的时候。要有效的控制水环境的污染，发展适应中小型城镇的污水处理技术是非常有必要的。从生态环境保护的角度来说，跌水曝气系统作为一种优秀的曝气系统值得推广。中国是一个以山区和丘陵地带为主的一个国家，但目前的大多数的污水处理厂的设计，要求有比较平坦的场地，这必然加大基础建设的费用，而且还破坏了原有地形地貌和生态平衡，不适宜山区和丘陵地带。对于跌水曝气来说，可以因地制宜的设计，将山地丘陵的劣势化为优势，利用高差跌水充氧，从而减少土石方的开挖和混合液曝气所需电能的消耗。而这样的设计仅仅只需要改变曝气系统就可以实现，非常方便，而且不影响现有的污水处理技术的运用，可以集中发挥两者之间的优点。当然跌水曝气也有它的劣势，特别是对空气环境要求来说。由于跌水曝气系统会将污水提升到一定高度，然后在露天的情况下进行跌落以达到给污水充氧的目的，这必然会把污水难闻的气味带入空气中，不利于空气环境的保护，会造成二次污染；但这也不是绝对的，在偏远人少和开阔的郊区影响也就小得多。
4.2 经济性
就跌水曝气系统的经济性而言，可以从污水处理设施的投资来分析，它的主要投资有以下几点：技术研发，土建，设备和运行维护费用。首先，跌水曝气系统可以利用现有的污水处理技术。这一项就可以大幅度减少开发新的污水处理工艺所需要的研究费用。其次，在土建方面，跌水曝气系统可以有效的利用中国以山区和丘陵地带为主这一地形地貌特点，在既不破坏原有的生态环境，又可以有效的减少土石方的开挖的前提下，达到生态环境保护和节省投资的双重目的。这在姜湘山等人采用跌水曝气来改进填料排水系统来处理屠宰废水中得到了很好的体现，其比常规方法节省工程造价达60%[2]。第三，机械设备简单，运行管理、检修方便。对于一般的曝气方式来说，机械设备都比较复杂，操作不方便、简单，需要对操作人员进行很好的专门培训。而对跌水曝气系统来说，由于总共就一台提升水泵加上控制柜等即可，并没有其他设备，使得设备安装操作都比较简单，检修也很简单，这也是进一步节省成本和运行费用的新“渠道”。例如在氧化沟中，由于提升水泵的存在，可以减少沟内的水下推进器的安装数量。这既减少了机械设备的投资，也减少了运行的费用和设备维护费用，简化了操作，提高了运行的可靠性。
而最重要的一点，可以有效的节省运行费用。由于设备的减少，管理的简单，不仅可以减少操作人员的数量和培训费用，而且可以减少更多的电量消耗和设备维护费用。如姜湘山等人采用跌水曝气来改进填料排水系统来处理屠宰废水可以节省70%的运行成本[2]。根据一般的污水处理厂的运行费用构成比例，可以初步估算如下：一般活性污泥法污水处理厂的耗电平均为0.5kw·h/m3，按2010年达到8000万立方米／日[5]的污水处理量来算，日耗电量为4000万千瓦，而其中用于曝气部分的电耗占总能耗的70%左右。据笔者在重庆市三峡库区中小城镇污水处理工程项目（BT项目）的方案设计中的运行成本核算，耗电约为0.37kw·h/m3，比一般活性污泥法污水处理厂的耗电节省达26%。按此计算，若在2005年到2010年新建的所有污水处理厂中采用跌水曝气系统的达到10%，一年就可为国家节省电能1.4亿度左右，由此可以看出，跌水曝气节约电能的潜力是非常巨大的。
总结以上的分析，使用跌水曝气技术，不仅能够很好的控制水污染，保护生态环境，而且可以有效的降低污水处理的成本，具有很好的发展前景。
5 结论
1）采用跌水曝气后，可以使污水处理厂的运行费用得到降低，减少运行成本。
2）采用跌水曝气的方式，可以很好的适应丘陵、山区的地形特点，进行因地制宜的设计，减少工程造价，不人为破坏生态环境。
3）国内外实践表明跌水曝气系统是可行的，可以作为一种独立的曝气方式设计使用，适合中国国情的中小型城镇水环境控制的污水处理改进技术。
4）从国内外和实际工程证实，跌水曝气系统可以用来改进现有的污水处理工艺，而且
可以使得工艺设计，施工，管理和维修更加简单方便。