深井曝气污水处理工艺在高寒地区的应用研究

倪 佳，高 琦，马海微，张春强

(哈尔滨市建源市政工程规划设计有限责任公司，哈尔滨 150090)



深井曝气污水处理工艺在高寒地区的应用研究

倪 佳，高 琦，马海微，张春强

(哈尔滨市建源市政工程规划设计有限责任公司，哈尔滨 150090)

在对深井曝气工艺原理进行介绍的基础上，结合哈尔滨市道外区团结镇污水处理厂的工程实例，对深井曝气工艺在东北高寒地区乡镇污水处理厂的应用情况及注意问题进行分析说明，为高寒地区其他类似的污水处理工程提供实践经验.

深井曝气；氧转移效率；防腐防渗

深井曝气工艺作为一种发展较早的强化活性污泥处理工艺，具有占地小、能耗低、耐冲击负荷能力强、管理方便、维护费用低、排泥量少等优点.此工艺受气温影响较小，不易产生污泥膨胀，运行情况稳定，尤其适合在东北高寒地区小型乡镇污水处理厂应用.

哈尔滨市道外区团结镇位于哈市东部阿什河沿岸.阿什河作为松花江一级支流，市区段水体水质为劣Ⅴ类.为实现水体消除黑臭、基本消灭劣Ⅴ类的目标，满足团结镇“发展改革试点小城镇”、“二十镇试点项目引领工程”和“六镇示范样板工程”的区域发展要求，解决镇区内无污水处理厂的问题，规划建设团结镇污水处理厂.由于污水厂规划厂区内可有效利用空间较小，如选用常规处理工艺用地较紧张，根据污水厂处理规模及进、出水水质，结合前期高寒地区污水处理理论研究及应用经验，选用以深井曝气工艺为核心的污水处理工艺.本文结合深井曝气工艺原理和实际应用效果进行分析.

1 深井曝气工艺原理

深井曝气工艺又名超水深曝气活性污泥法，于20世纪70年代英国发明并首建.其主要特点是井深比一般活性污泥法大很多，可达50～150 m.类型以同心圆型和隔板型居多，尤其是同心圆型应用最多.井内分成两个空间，通过曝气装置为水流提供循环动力.

根据双膜理论，曝气过程的氧转移速率公式为：

(1)

(2)

将试验水温下得到的KLa(T)转换成20 ℃条件下的KLa(20)得：

KLa(20)=KLa(T)×1.02420-T

(3)

曝气器充氧能力OC为：

OC=KLa(20)×Cs(20)×V

(4)

其中：V 为深井水容积；Cs(20)为101.32kPa，20 ℃时清水中的饱和溶解氧质量浓度，等于9.17mg/L.

曝气器的氧利用率为

(5)

其中：0.28为标准状态(101.32 kPa，20 ℃的清水)下1 m3空气所含氧的质量；q为标准状态下曝气器通气量.根据上述公式可知，曝气器的氧利用率主要取决于KLa(T)，KLa(T)与气泡和液体的交界面面积、水体积均有关.

冯俊生，万玉山[1]以相似理论为基础，结合控制主体扩散过程的Schmidt 数和控制扩散边界相似的herwood数，根据Eckenfelder建立的相关关系式及许保玖先生的推导[2]，即以下三个公式：

其中：μ为流体黏性系数；ρ为密度；D为气体扩散系数，在温度及压力恒定条件下为常数；H为试验水深；L为界面特征长度；β为经验常数；

推导得出不同深度下，

根据推导公式可知，充氧能力OC和氧利用率EA随着水深H的增加而增大.俞庭康[3]的“橡胶膜曝气器充氧性能与水深关系的研究”及李振安[4]的“一种新型鼓泡曝气装置的研究”也得出了相似结论.与常规工艺相比，深井曝气由于Cs提高，充氧能力和氧利用率较高，促进有机物降解，可承受较高污染负荷，进而减小池体容积(生化区仅占常规法的1/4～1/7)，又因为井深大，占地面积较普通活性污泥法进一步减少；较高的溶解氧利用率不仅能够有效抑制丝状菌，降低污泥膨胀的概率，还能够避免出现恶臭现象，尤其对区域污水成分复杂、负荷变化较大或特定工业废水时优势明显.

2 深井曝气工艺的应用情况

深井曝气工艺在英国取得成功以后，逐渐在日本、美国、加拿大等国推广，并不断进行改造革新.其中颇具代表性的是加拿大DeepShaft Technology lnc公司，从进、出水方式，排气装置，同轴回流管，曝气池分区(混合区、氧化区、深度氧化区)等方面进行了创新，有效地预防了出水短流，提高了溶解氧利用率及出水气浮效果，降低污水循环阻力并延长HRT，最终形成了VertreatTM(VT)污水处理工艺和VertadTM (VD)污泥处理工艺.

该工艺进入我国后，先后在东北制药总厂和上海啤酒厂进行了试验并取得成功，1984年上海环保科研所研究的气体循环深井曝气工艺取得了国家专利[5].1989年在成都市建设的全兴酒厂的啤酒废水处理采用的深井曝气工艺是我国第一次对深井曝气工艺的实践应用[6]，运行后废水处理效果较好，这标志着深井曝气工艺在我国的首次应用成功.随着处理规模的增大，凿井技术的落后一度限制了工艺应用.近年来随着施工技术的整体提高，深井建设中遇到的问题得以解决，内部构件的材质改善，防腐技术的进步和适宜的围田方法更加强了深井的质量，技术应用安全性大大提高，使得该工艺又重新得到了推广.目前国内建成时间较早、仍在运行(10 a以上)的深井项目有上海益明食品厂(1983年)、浙江温州啤酒厂(1992年)、山东滨州化工厂(2001年)、常州黑牡丹集团印染厂(2003年)、还有陕西的兴平及青岛等50余个工程实例.

3 团结镇污水厂深井曝气工艺应用工程概况

3.1 工艺设计处理效果预测

哈尔滨市道外区团结镇污水处理厂一座，近期设计规模4×104万m3/d，排放标准为一级A类，规划用地面积3.516 8×104m2.

3.2 进、出水水质

见表1.

表1 哈尔滨市道外区团结镇污水处理厂进水出水水质表

项目COD/(mg·L-1)BOD5/(mg·L-1)SS/(mg·L-1)NH3—N/(mg·L-1)TN/(mg·L-1)TP/(mg·L-1)进水水质50035035040508．0出水水质5010105(8)150．5

注：水温>12℃，NH3—N执行≤5 mg/L标准；水温≤12 ℃，NH3—N执行≤8 mg/L标准.

3.3 生化段工艺选择

根据设计出水水质和排放标准，本工程最适合的处理工艺是生物脱氮除磷工艺，目前中小型城市常用的有CAST、氧化沟、改良A2O.随着土地使用越来越紧张，更多新工艺应运而生，这些工艺的共同特点是高效、稳定、节能的同时大幅度节约土地，其中较为典型的是深井曝气法.因此，工程拟对A2O工艺、CAST工艺和深井曝气技术工艺进行方案论证.其中选择A2O工艺和CAST工艺主要是考虑到哈尔滨已投入运行的文昌、太平、信义沟污水处理厂采用了A/O或改良A2O工艺，群力、平房、松浦、利民及呼兰老城区污水处理厂均采用了CAST工艺，积累了较多的建设及运营管理经验.但由于本项目选址用地较小，所以考虑将占地面积较小的深井曝气技术工艺一并纳入比选.见表2.

表2 污水厂工艺方案技术经济比较

项目单位方案1：CAST方案2：深井曝气方案3：改良A2O污水处理规模万m3/d444投资土建工程万元4968．08(另需约2000万征地)5239．175038．68(另需约2000万征地)设备购置万元3728．076521．253469．92安装工程万元1446．471559．111312．17用电情况装机容量kW140414651582计算有功功率kW688731．2840污水处理电耗kW/m30．410．350．40费用万元/a471．6452525用药及自来水情况PACkg/d200200200PAMkg/d190190190自来水m3/d100100100费用万元/a362．45362．45362．45经营成本元/m3水0．950．9150．98

根据上述方案的技术、经济比较可以看出，深井曝气工艺较CAST的工艺和改良A2O工艺初期基建投机较高，但占地面积最省，不需要额外征地，其次后期运行成本最省.

深井曝气工艺运行阶段还具有以下优点：该工艺污泥在高质量浓度状态下运行所以污泥产量很低，节省了污泥脱水电耗，减少了污泥处理及外运的费用；该工艺由于采用了地下深井技术，保温效果好，在寒冷地区运行效果较好，在低温环境下能保持污水处理的温度，有效的提高了细菌生化处理的效果；该工艺溶解氧质量浓度高，恶臭少，有效避免污泥膨胀，降低了除臭成本，保障了污水处理厂周边的空气环境；该工艺抗冲击负荷能力强，比较适合团结镇中小企业较多导致污水水质污染严重和瞬时水质超标的情况.

另外，在本工程建设前，哈尔滨市朝阳水质净化厂(5万t/d，深井曝气工艺)可行性研究报告已得到了省环保厅和省发改委的批复，深井曝气工艺在哈市应用已具有可行性.

综合考虑以上因素，深井曝气工艺的占地面积更小，运行费用、工艺可靠性和能耗较优，较多应用在世界发达国家和国内技术先进地区，具备较充分的设计依据，推荐采用深井曝气工艺.

4 团结镇污水处理厂工艺流程及主要构筑物参数

4.1 污水及污泥处理工艺流程

见图1.

图1 团结镇污水处理厂工艺流程

4.2 主要构筑物参数

见表3.

表3 团结镇污水处理厂主要构筑物工艺参数

项目规格主要设计参数预处理部分1)粗格栅1座，双廊道2)潜污泵房1座3)细格栅1座，双廊道4)旋流沉砂池2座，直径3．2m1)设计流量Qmax=2345m3/h；设备宽度D=900mm，过栅流速v=0．96m/s；栅前水深H=0．70m；栅缝b=20mm．2)设计流量Qmax=2345m3/h；泵4套，3用1备，单泵流量Q=785m3/h，扬程H=12m．3)设计流量Qmax=2345m3/h；设备宽度D=900mm，过栅流速v=0．97m/s；栅前水深H=1．0m；栅缝b=3mm．4)设计流量Qmax=2345m3/h；停留时间HRT=37s；水力表面负荷150m3/m2·h；初沉池2座；单座沉淀区尺寸：48m×12m设计流量Qmax=2345m3/h；表面负荷2．036m3/(m2·h)缺氧池6座；单座尺寸：15m×4．3m×5．5m．有效水深4米．设计流量40000m3/d；停留时间1．08h；曝气深井(VT)3座；单座尺寸：D=3．2m，H=92m，共3座．好氧段BOD容积负荷5．33kgBOD/m3·d；好氧段BOD污泥负荷0．59kgBOD/kgMLSS·d；设计流量13333m3/d·座；压力罐停留时间1．70h；深井停留时间1．33h；总停留时间3．03h；压力罐有效水深7．0m；深井有效水深92m；总有效容积1684．5m3/座；需氧量4．44m3/min·座；MLSS7000mg/L．悬浮澄清池12座；单座平面尺寸24m×6m；有效水深4．0m水力表面负荷qave=0．96m3/(m2·h)最大水力表面负荷qmax=1．32m3/(m2·h)絮凝反应沉淀池1)混凝反应池2座；单座平面尺寸10．0m×5．0m；有效水深5．0m；2)斜板沉淀池2座，单座沉淀区平面尺寸20m×10m1)设计流量Qmax=2345m3/h；反应时间12．8min2)设计流量Qmax=2345m3/h；表面负荷5．86m3/(m2·h)过滤池3座6格；单座过滤面积80m2平均过滤速度6．5m/h，滤料粒径1．35mm，不均匀系数1．3，厚度1．3m紫外消毒间2条，有效水深0．8m设计流量Qmax=2345m3/h；单渠宽B=0．8m，内设26组紫外线消毒模块，共208根紫外灯管；

经估算，团结镇污水处理厂投资为18 433.25万元，年经营成本为1 325.29万元.虽然项目尚未正式运行，无运行相关数据，但根据哈尔滨工业大学赵聪等[7]针对哈市马家沟中上游水质进行的基于深井曝气的强化脱氮除磷工艺试验研究，并对未来工程应用进行了技术经济分析，结果表明可在出水达标的基础上，缓解用地紧张的现状，占地约是普通工艺的 50%，二级处理工艺相比于其他工艺可节省占地约 80%；运行成本也大大降低，实现节能降耗，解决了东北地区冬季污水处理厂占地大、效率低的难题，具有良好的社会效益、经济效益和环境效益.

5 深井曝气工艺设计及运行中存在问题的探讨

深井曝气工艺的防腐防渗问题曾经是限制其应用发展的重要瓶颈之一，由于井深较深，一旦发生渗漏，排查维修难度较常规工艺复杂，不仅影响正常生物反应的进行，还会对区域地下水造成污染.本文对深井运行中的防腐防渗问题进行分析.

深井由机械钻成，井筒由按压力容器标准要求制作的封闭式(底部为密封端)20 mm厚钢井筒作为井壁，钢筒放入挖好的深井后周边采用高压注射的方法，在四周浇筑最小厚度不小于400 mm的防渗高强混凝土(标号C25，抗渗等级S6)壁.深井内部由两个同心圆的外筒(井壁)和内筒组成，其中外筒直径3.2 m，内筒直径1.5 m，内筒底部深度在-60 ～-80 m之间，内筒底口完全敞开.内筒的下端外壁四周设支撑腿，外筒的内壁设置圆周性支撑环，支撑腿蹬在支撑架上，上端通过管道支架固定在井口的混凝土池体上，从而实现内筒的固定.内外筒之间间隔大约0.85 m，内筒主要是导流作用.本工艺技术中的碳钢构件可不采取防腐处理，但为安全起见，在钢板的厚度上考虑了3 mm的腐蚀裕度.所有焊缝均采用紫外探伤检查，另采用超声波探伤抽查10%以上的焊缝，按压力容器制作，在装满水的情况下可额外承受0.3 MPa(30 m水柱)压力，在井筒安装前进行测试.

危险预警措施：1)污水处理系统的预处理阶段设有在线pH计，当进水酸碱度超出设定值时会进行报警，严重时停止进水，这一点也是所有污水处理工艺生化处理系统本身要求的保护措施.2)顶部压力池上设有压力计，一旦出现异常也会报警.3)深井出水管装有流量计，一旦与进水存在超限偏差，则比对后报警.4)将钻井施工时的取水井，在施工完毕后作为地下水监测井，定期取水监测地下水情况.5)所有进出深井的管道均设有阀门，一旦出现泄漏可迅速关掉所有进出阀门.

应急预案：共设置3套并联的曝气深井，各深井系统均可独立运行.虽然深井设计余量有限，但其较大的回流量可实现较大的抗冲击性，短时间完全可以停止一口井的运行，通过超越管将污水超越，为故障排除争取时间.一旦监测到有渗漏发生的疑似现象，可通过以下步骤给予确认：1)流量比对；2)压力校核；3)通过监测井取样分析；4)关闭疑似单井所有进出深井的阀门，静止观测.确认泄漏情况存在后，迅速拉响厂区警报，集合场内所有具有操作人员，关闭所有进出深井的阀门，切断所有污水来源，打开深井放空阀门与池壁、管道上的取样阀，同时将两台高压水泵放入深井底部进行排空，以降低泄漏量；5)待井内污水排空后，井内压力小于井外压力，此时井外地下水会向内反渗，从而确定渗漏位置，待渗漏位置确定后，可以通过将渗漏处钢板切孔，通过此孔将堵漏剂注入外侧混凝土中，修复外层混凝土后，对钢板进行补焊修复.

因深井仅有740 m3，相对其他工艺生化池可很快排空，经核算，排空时间不会大于5 h.

排空后，可根据监测地下水的污染情况，可采取以下措施降低污染：1)倒灌清水；2)投加相关药剂以减轻污染.

6 结 论

1)充氧能力OC和氧利用率EA随着水深H的增加而增大，因此深井曝气工艺氧转移效率较高，曝气效果较好.

2)通过本文实例可知，深井曝气工艺能够再用地较为紧张的情况下，达到较好的脱氮除磷效果.

3)随着施工技术的整体提高，深井曝气工艺在施工深度及防腐防渗方面遇到的问题得以解决，应用性大大增强.

[1] 冯俊生, 万玉山. 鼓风曝气充氧性能与曝气器水深关系[J]. 环境工程, 2007, 25(1): 19-21.

[2] 许保久. 当代给水与废水处理原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 1990. 122-159.

[3] 俞庭康, 曹瑞钰. 橡胶膜曝气器充氧性能与水深研究关系的研究[J]. 给水排水, 2001, 27(2): 17-20.

[4] 李振安. 一种新型鼓泡曝气装置的研究[J]. 农业工程学报, 1997, 13(1): 97-100.

[5] 姚建杰, 陈 伟. 气提式深井曝气技术在印染废水处理中的应用[J]. 中国科技信息, 2009(19): 154-155.

[6] 李君嘉. 气提循环式深井曝气处理医药废水[J]. 上海环境科学, 1989(09): 45.

[7] 赵 聪. 基于深井曝气的强化脱氮除磷工艺处理城镇污水试验研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015. 1-74.

Research on application of deep well aeration process in cold area

NI Jia, GAO Qi, MA Hai-wei, ZHANG Chun-qiang

(Harbin JianYuan Municipal Engineering Planning and Design Co.,Ltd, Harbin 150090)

On the basis of the introduction about the principle of deep well aeration, combining with the wastewater treatment plant project of Harbin TuanJie town, this paper aimed to guide other engineering practice by deep analyzing the application of well aeration process in the northeast alpine region township wastewater treatment plant and illustrating attention problems.

deep well aeration; oxygen transfer efficiency; antisepsis and impervious

2016-09-19.

倪 佳(1986-)，女，硕士，工程师，研究方向：污水处理与市政排水规化设计.

TU992.3

A

1672-0946(2017)03-0296-05