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势能增氧生物处理工艺的应用研究 邓 风 1 陈鸣钊 2 1.南京工业大学环境学院, 南京 210009; 2.河海大学环境科学与工程学院, 南京 210098 摘要 介绍势能增氧生态床的增氧机理及工程实例。 生态床为多层浅床结构, 每层装设填料, 采用虹吸管进出水, 利 用水流势能进行大气复氧, 水中 DO 逐层增加, 出水 DO 达到最高。 结构紧凑, 投资省, 高效节能, 可用于小区中水回用 处理, 经济效益优于传统工艺。 关键词 势能; 溶解氧; 虹吸; 中水回用 STUDY ON OXYGEN INCREASED BIOLOGICAL TREATMENT PROCESS THROUGH POTENTIAL ENERGY Deng Feng1 ChenMingzhao2 1. School of Environment, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China; 2. School of Environmental Science and Engineering, Hehai University, Nanjing 210098, China Abstract It was introduced the oxygen increasing mechanism and practical project of an ecological bed.It was composed of many shallow layers. Each layer is provided with fillers. Through siphon the water could flow into and out from the bed. It used potential energy to recover oxygen. Through each layer the dissolved oxygen in water could be increased gradually.This process had high efficiency. It was very compact and easy to operate.It only need less investment and could save energy.Contrast to traditional process, the ecological bed had notable economical benefit when applied to residentialwastewater reuse. Keywordspotential energy ; dissolved oxygen; siphon; wastewater reuse 0 引言 污水好氧生物处理的一个核心问题是向好氧微 生物供氧, 常规好氧工艺如鼓风曝气、生物转盘等能 耗较大。借鉴生物转盘盘片周期性露于大气和淹没 水下 ,以及滴滤池污水自上而下流经填料的复氧过程 而开发的势能增氧生态床是一种新型污水生物处理 工艺, 其利用水流势能进行大气复氧, 将水利学科和 环境学科的有关技术进行了有机结合, 达到高效低耗 的处理水平。 1 势能增氧机理 由双膜理论可知 ,为了加快氧气进入水中的传质 过程必须给予推动力 。由于重力作用, 水具有从高处 流向低处的特性 ,因此势能是水流特有的属性 。势能 增氧生态床结构如图 1 所示 ,是一种内装填料的多层 床,每层高度30 cm左右, 床内装设填料 , 污水流经填 料将形成生物膜 。两侧交错设置虹吸管 ,既是上层床 的排水管 ,也是下层床的进水管。 图 1 势能增氧生态床示意 每层床均铺设填料, 填料可以有多种选择, 如塑 料球 、 卵石和黄砂等 ,要求具有较大的比表面积,有利 于大气复氧 。填料按颗粒大小均匀铺砌 ,铺设高度为 每层床高的 80左右。大颗粒在下 , 小颗粒在上。 污水自下而上进水 ,虹吸管吸水口位于生态床底部。 当床内水位不断上升, 超过虹吸管顶部 , 管中空气被 出水水流带走出现真空, 进而形成连续虹吸 ,水位自 上而下快速下降 。虹吸管吸尽床内水后 ,出水虹吸断 开。虹吸管设计时必须排水流量大于进水流量,使每 层生态床内水被吸尽和再次充水之间有一段无水的 间歇期 ,保证该层填料完全暴露于大气之中 ,进行大 气复氧。然后上层床污水开始进入 ,床内水位再次上 23 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 升至虹吸管顶部 ,虹吸开始发生。 当生态床处于无水的间歇期时 ,空气由填料孔隙 进入 ,实现大气复氧。填料表面有一层薄水膜 ,如将 其展开,水膜面积较大, 氧传递效率高 。如每层生态 床内设有 n 层填料颗粒 , 从大到小的直径为 d1, d2, dn,每种颗粒的铺设厚度为 h1, h2, hn, 则每 层生态床填料表面上的水膜展开总面积可按公式 1 估算 A0 π h h1 d1 h 2 d2 h n dn 1 每层生态床经过大气复氧后, 填料外层水膜中的 DO 将有一个增值 。当上层污水进入, 由于浓度差作 用,该层填料水膜将与新进入污水进行 DO 对流扩散 混合,当它被虹吸管排向下一层生态床时, 水中 DO 已经增大 。 虹吸管实现了每层填料周期性暴露于大气及淹 没水下,水流每流经一层 ,即完成一次大气复氧过程, 周而复始。随着生态床层数增加 , 势能高度增加, 水 中DO 逐渐增加, 出水 DO 达到最高 。 势能增氧生态床不需要接种污泥, 由于“岛屿”效 应,污水连续流经填料时即可自动挂膜 。因为大气复 氧量逐渐递增, 给填料上的生物膜创造了好氧的生态 环境 。 填料分层装填 ,即自下而上颗粒直径由大变小。 进入生态床的污水向上通过填料层 ,其携带的污泥和 脱落的生物膜, 由大颗粒到小颗粒被层层拦截在孔隙 中。虹吸产生时 ,位于每层生态床底部的虹吸管进水 口,以很大的流速吸入污水排入下级生态床。由于孔 隙自上而下由小变大 ,污水中污泥和脱落的生物膜转 为向下运动 ,由虹吸管吸出排入下级生态床 ,最后排 入沉淀池去除。填料上生物膜在水流作用下可自动 更新 ,其食物链较长 ,污泥量相对较少, 克服了污泥堵 塞的问题 。微生物在生态床的各层中分级分相,每层 生长与该层水质状况相适应的微生物, 处理效率高 。 在Streeter-Phelps 模型基础上 [ 1] , 结合势能增氧 生态床的实测资料数据, 可得到模型的解析解 ,从而 推导出任何时刻水中 DO 和有机物含量。 dL dt -K1L dC dt -K1L K2 CS-C dD dt K1L -K2D 2 其解析解为 C CS- Cs-C e - K2t - K1L0 K2-K1 e - K1t -e - K2t 式中 dL dt 为有机物降解速率 ; K1为耗氧速率常数; L 为水中残存的有机物量; dC dt 为溶解氧浓度变化速度; K2为复氧速率常数; CS为水面溶解氧饱和浓度; C 为水中溶解氧实际浓度; dD dt 为亏氧量变化速率; D 为 亏氧量 ; t 为污水通过填料的时间; L0为水中有机物 总量 。 2 工程实例 2. 1 食品厂污水处理 南京某食品厂污水, 水量 Q 为60 m 3 d 。 污水先经 厌氧池处理后, 生态床进水 COD 大约250 mg L, 要求 出水达到二级排放标准。 工艺设计参数 1 生态床尺寸 。采用 12 层生态床, 污水由水泵 提升 ,每层平面尺寸1. 6 m 1. 2 m0. 3 m, 每层生态 床有效容积 V 为0. 4224 m 3 。 2 填料。采用卵石和黄砂填料分层铺砌 见 表1 ,填料深度0. 22 m , 填料总有效体积5. 07 m 3 。 按 式 1 计算填料比表面积大约为784 m 2 m3 ,能进行大 气复氧的水膜总表面积约4 000 m 2 。 表 1 填料铺砌情况mm 填料直径铺砌厚度 大卵石50～ 7050 中卵石20～ 5040 小卵石10～ 2020 小卵石5～ 1015 粗砂2～ 515 中砂1～ 230 粗砂2～ 515 小卵石5～ 1015 中卵石10～ 2040 小卵石5～ 1020 粗砂2～ 520 3 虹吸管 。通过试验确定虹吸管管径 20 mm, 设计虹吸流量 q 为5. 904 m 3 h。 4 停留时间。每层生态床污水实际排空时间 t V q -Q 7. 45 min ,每层生态床虹吸断开至上层 24 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 流量进入本层之前时间间隔 Δt V q -V Q 5. 85 min, 故每层填料均有足够的时间暴露大气之中,进行大气 复氧。污水总停留时间 T 99. 5 min 。 出水ρ COD 100 mg L ,达到二级排放标准。 2. 2 小区中水回用 南京某住宅小区有 10 栋 7 层住宅, 每栋 2 个单 元,每单元 2 户, 每户按 4 口人计算 ,内设坐便器、洗 脸盆 、 厨房洗涤盆、 洗衣机各 1套 ,采用中水冲厕及小 区绿化、 洗车用水。 2. 2. 1 水量计算 1 小区日用水量 Qd 用水定额选用250 L 人 d ,则 Qd 280 m 3 d。 2 小区中水用水量 Qz 包括冲厕、绿化 、 浇洒路 面、 洗车用水,其中冲厕、绿化及浇洒路面用水量占小 区日用水量的 40, 即280 40 112 m 3 d; 洗车用水量 居住区住宅 280 套 ,按 80 配备车 位, 300L 辆冲洗水量标准 ,每天洗车量按 60计算 280 80 300 60 40. 32 m 3 d。 中水总量 Qz 112 40. 32 152. 32 m 3 d,中水设 计水量应为 1. 15Qz175. 17 m 3 d。 3 小区日 排水量 Qp, 按 80Qd考虑 Qp 280 80 224 m 3 d,能够满足中水水量的要求 。设 中水处理规模为180 m 3 d 。 2. 2. 2 方案比较 方案 1 采用常规生化处理工艺 生活污水 ※集 水池 ※ 格栅※ 沉砂 ※混凝沉淀 ※接触氧化※过滤 ※ 消毒 ※ 出水。 经计算,中水处理成本 基建费 、 电费、 药剂费 、 材 料消耗费 、 人工费等 约为 1. 83 元 m 3 。 方案 2 采用势能增氧生态床工艺 生活污水 ※ 集水池 ※多级势能增氧生态床 ※沉淀池 ※消毒 ※ 出水 。 采用30 层生态床, 每层层高0. 3 m , 处理装置总 高度9 m左右。分成两级 ,每级 15 层 , 高4. 5 m , 原水 经水泵提升 ,两级生态床之间再用水泵提升 ,出水经 沉淀池,消毒后回用 。 中水处理成本为 0. 48 元 m 3 , 远远低于常规生化 处理工艺。 节约自来水费用 以南京目前水价 2. 50 元 m 3 计 算,每年可节约自来水费 180 2. 50 - 0. 48 365 13. 27万元。随着水价的不断上涨, 其经济效益将更 加显著。 3 结论 势能增氧生态床利用水流势能进行大气复氧 ,生 物膜自动更新, 不堵塞。不需要复杂的机械设备, 运 行维护简单 ,可全部自控, 无需专人管理与操作。其 运行费用仅包括基建投资的折旧费及水泵提升所耗 电费 ,处理成本低 。用于小区污水回用 , 不仅具有可 观的经济效益, 还可减轻城市排水管网负担 ,减轻受 纳水体污染 ,同时具有一定的环境效益。 参考文献 [ 1] 张自杰, 林荣忱, 金儒霖. 排水工程[ M] . 4 版. 北京 中国建筑 工业出版社, 2000. 作者通信处 邓风 210009 南京市中山北路 200 号南京工业大学环 境学院 电话 025 83587942 O E -mail dengf70163. com 2008- 01-02 收稿 上接第 4页 [ 2] 葛文准. 焦化废水生物处理技术研究[ J] . 上海环境科学, 1992, 11 4 7 -10. 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