交替式生物處理池工藝處理城市污水
摘 要：UNITANK又稱交替式生物處理池，其基本單元是由三個矩形池組成(A，B，C池)，相鄰通過公共墻開洞或池底渠連通。三個池中都安裝有曝氣系統(tǒng)，可以是微孔曝氣頭、表曝機或潛水曝氣機：外側兩個池(A和C池)設有固定式出水堰及剩余污泥排放裝置，他們交替作為曝氣池和沉淀池，中間的池子 (B池)只能作為曝氣反應池。另外，污水通過閘門控制可以進入任意一個池子，采用連續(xù)進水，周期交替運行。
交替式生物處理池工藝(UNITANK)是結合傳統(tǒng)活性污泥法和SBR法的優(yōu)點形成的一種新型的活性污泥處理工藝，由三個矩形池串聯(lián)組成(A，B，C池)，池內設曝氣設備。交替式生物處理池按周期進行，B池連續(xù)曝氣，兩側池內間斷曝氣，交替作為沉淀池和曝氣池，進水交替進入A、B、C池，出水相應地從C、A池引出。系統(tǒng)中省去傳統(tǒng)工藝中的初沉池和污泥回流設施。
石家莊高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)污水處理廠日處理污水10萬噸，采用UNITANKTMIM工藝，占地7.2公頃。這是此工藝在國內(除澳門外)的首次應用。該污水處理廠進水水質指標為：BOD5≤400mg/L，SS≤400mg/L，COD≤600mg/L；出水水質要求：DOD5≤30mg／L，SS≤30mg／L，COD≤120mg/L。
處理工藝過程為：原污水進入格柵間，在此攔截污水中飄浮物，由污水泵提升，經(jīng)細格柵進一步去除水中雜質，進入沉砂池去除砂粒，然后進入UNITANK池，去除BOD5等污染物，混合液經(jīng)沉淀分離，澄清液進入接觸池加氯消毒(季節(jié)性)后排入汪洋溝。剩余污泥經(jīng)污泥泵送至集泥池，由帶預濃縮功能的脫水機處理后，泥餅外運。
該污水處理廠UNITANK 池共為六個組，每個組由三個正方形反應池組成，單池凈尺寸為長×寬×高＝35×35×7m，有效水深6米。兩側池采用周邊堰出水。每組平均設計流量為 0.193m3／s，污泥濃度4000mg／l，泥齡為14天，污泥負荷0.113kgBOD／KgMLss／d，沉淀池最大表面負荷0.74m3／m2h。
該系統(tǒng)實際需氧量為60噸O2天。曝氣系統(tǒng)采用表曝機和潛水攪拌機結合的方式，表曝機運行充氧，水下攪拌機用于輔助攪拌。表曝機選用浮動式高速表曝機，可適應水面起落，安裝簡單，維護方便。
UNITANK工藝據(jù)有獨特的優(yōu)點：
第一，結構緊湊，節(jié)省工程用地和土建費用；
第二，設備種類較少，便于維護管理；
第三，采用時序控制，形成厭氧、缺氧和好氧狀態(tài)，實現(xiàn)除磷脫氮功能，運轉靈活；
第四，容積和設備利用率高。
UNITANK工藝雖有許多優(yōu)點，但也有一定的適用范圍。在選擇該工藝時應該考慮以下問題：
第一，進水BOD濃度較高時，建議考慮采用兩級UNITANK工藝。第一級生物池按高負荷厭氧或好氧方式運行，第二級按低負荷好氧方式運行。
第二，出水水質有除磷要求時，應慎重考慮，因為該工藝很難形成生物除磷的理想?yún)捬鯛顟B(tài)。
第三，處理水量過大時，該工藝的復雜程度將大大提高。
綜上所述，UNITANK工藝更適用于中小型污水處理廠，在一定的范圍內，可以替代其它活性污泥法，有獨特的優(yōu)點，并具有較強的競爭力。
自1987年，比利時SEGHERS公司提出一種新穎的活性污泥去——UNITANK工藝，它集中了傳統(tǒng)活性污泥法和SBR的優(yōu)點，處理單元一體化，經(jīng)濟、運轉靈活，在歐洲及亞洲已有近2百座此種工藝的污水處理廠建成。
石家莊高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)污水處理廠(以下簡稱石家莊高新區(qū)污水處理廠)日處理污水10邁萬噸，經(jīng)過工藝方案比較和論證，結合貸款國技術特點，決定采用UNITANK工藝。這是此工藝在國內 (除澳門外)的首次應用。
1.UNITANK工藝簡介
1.1 基本構造
UNITANK又稱交替式生物處理池，其基本單元是由三個矩形池組成(A，B，C池)，相鄰通過公共墻開洞或池底渠連通。三個池中都安裝有曝氣系統(tǒng)，可以是微孔曝氣頭、表曝機或潛水曝氣機：外側兩個池(A和C池)設有固定式出水堰及剩余污泥排放裝置，他們交替作為曝氣池和沉淀池，中間的池子 (B池)只能作為曝氣反應池。另外，污水通過閘門控制可以進入任意一個池子，采用連續(xù)進水，周期交替運行。如圖1所示。
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1.2 運行方式
UNITANK運行按周期運行，一個周期包括兩個主階段和兩個中間階段，一般單個周期時間為7小時，主階段2×3小時，中間階段2×30分鐘。
1.2.1 主階段
第一主階段，污水首先進入A池，該池處于曝氣狀態(tài)，因上個階段進行沉淀操作，積累了大量活性污泥，且濃度較高。進水與活性污泥混合，有機物被吸附，部分被降解。混合液繼續(xù)流入B池，該池通 常連續(xù)曝氣，有機物得到進一步的降解，同時在推流過程中，A池的活性污泥進入中間池，再進入C池，實現(xiàn)污泥在各池的重新分配。最后，混合液進入處于沉淀狀態(tài)的C池，進行泥水分離，處理后的出水通過溢流堰排放，剩余污泥由該池排出。為了防止A、B池的污泥被沖至C池，過量積累，每120—180分 鐘改變水流方向，即進入到下一個主階段。
第二主階段，污水先進入C池，污水及混合液的流動方向與第一階段相反。
1.2.2 中間階段
中間階段的作用是完成曝氣池到沉淀池的轉換。在第一主階段的中間階段，污水進入B池，C池仍處于沉淀出水狀態(tài)，同時A池開始進入沉淀狀態(tài)，為出水作準備。在第二主階段的中間階段，污水進入B池，A池仍處于沉淀出水狀態(tài)，同時C池開始進入沉淀狀態(tài)，為出水作準備。
因為邊池在曝氣狀態(tài)時，出水槽內進滿混合液，所以邊池進入沉淀狀態(tài)后，開始的出水不能作為處理后的出水直接排放，需用沖洗排人處理系統(tǒng)。待出水澄清后，方可外排。
2.工程設計
2.1 處理規(guī)模及進出水水質
石家莊高新區(qū)污水廠處理城市污水，設計處理污水量10萬噸/天，占地7.2公頃，污水處理廠進水 水質的主要指標為：COD≤600mg/L；BOD5≤400mg/L，SS≤400mg/L，出水水質要求：DOD5≤30mg／L，SS≤30mg／L，COD≤120mg/L。
2.2 處理工藝
原污水進入格柵間，在此攔截污水中飄浮物，由污水泵提升，經(jīng)細格柵進一步去除水中雜質，進入沉砂池去除砂粒，然后進入UNITANK池，去除BOD5等污染物，混合液經(jīng)沉淀分離，澄清液進入接觸 池加氯消毒(季節(jié)性)后排入汪洋溝。剩余污泥經(jīng)污泥泵送至集泥池，由帶預濃縮功能的脫水機處理 后，泥餅外運。工藝流程如圖2所示：
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2.3 池型的選擇及進出水渠道設計
UNITANK池通常設計成三個等尺寸的矩形池，根據(jù)兩側池出水堰的形式即單側堰或周邊堰出水，可決定池子是否為正方形。一般當池子邊長較小時(小于25米)兩側池采用單側堰出水，池型可為長方形，池間連通采用池壁開洞方式，洞口在邊池一側加導流板，見圖3，目的是使進水沿池底流動，流 態(tài)接近平流式沉淀池，導流板同時可防止中間池的曝氣擾動側池的沉淀。當池子盡寸較大時，兩側池可采用周邊出水堰，池型為正方形，中間他的池問連通管出口設在側墻池底邊，兩側池的池間連通管出 口設在池中心，外加穩(wěn)流筒，見圖1，出水沿池底流動，流態(tài)接近中心進水，周邊出水的輻流式沉淀池。
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此外，還可根據(jù)實際工程情況，中間池的尺寸可與兩側池的尺寸不同。
石家莊高新區(qū)污水處理廠工程UNITANK池共為六個組，分三個系列，每個組由三個正方形反應池組成，單池凈尺寸為長×寬×高＝35×35×7m，有效水深6米。兩側池采用周邊堰出水。 每組內三個反應池由池底渠道連通，兩側池的連通渠出水口位于池中心，設有穩(wěn)流筒，防止進水對沉淀污泥的擾動。
污水由配水井均勻分給三條位于池頂?shù)呐渌，一條配水渠負責一個系列兩組池的配水，見圖4交替式生物池配水渠示意圖。因此，同一系列中的兩組池按同步運行，不同系列的運行時序可不同步進行。每組池的出水匯入池底的出水總干管，直接排出處理廠。
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2.4 石家莊高新區(qū)污水處理廠主要工藝參數(shù)
每單元平均設計流量： 0.193m3/s
水力停留時間： 31.8hr(含沉淀時間)
容積負荷： 0.45kgBOD／m3／d
污泥濃度： 4000mg/l
污泥負荷： 0.113kgBOD/kgMLSS／d
沉淀池最大表面負荷： 0.74m3／m3／2h
2.5 沖洗水系統(tǒng)的選擇和設計
由于在曝氣階段，兩側池的出水堰內進入了混合液，沉淀初期被污染的出水不能直接排放，需經(jīng)沖洗水系統(tǒng)外排。沖洗水排放系統(tǒng)一般有兩種形式。第一種，由電動閘門控制，沖洗出水經(jīng)管渠，排人處理廠進水泵房。該方法運行管理較簡單，不用添加設備，但對進水泵房會產(chǎn)生一定的水力沖擊負荷，如果UNlTANK運行系列較多，運行時序岔開，那么沖擊負荷相對較低，對進水影響較小。第二種，由電動閘門控制，沖洗出水直接進入沖洗水池，池內設潛水泵，將沖洗水送至中間池。該方法不會對進水泵 房產(chǎn)生影響，但需加設沖洗水池和沖洗水泵，運行管理較復雜，如果UNITANK運行系列較少，該種方法較適合。
石家莊高新區(qū)污水處理廠的沖洗水系統(tǒng)采用第一種形式，即沖洗水直接排至進水泵房。每組生物池中兩側池的出水均進入到中間池邊的一條公共出水渠道，該渠道上安裝兩臺電動閘門，具有兩種功能，分別作為出水渠道和沖洗水渠道使用。在沉淀出水的初期，公共渠道上的出水閘門關閉，沖洗水閘打開，沖洗水經(jīng)沖洗水管人廠區(qū)污水管，然后排入處理廠進水泵房。進水泵房的平均流量短時增加1／6。當出水水質正常時，打開出水閘門，關閉沖洗水閘，出水進入總出水管道排出處理廠。
2.6 曝氣系統(tǒng)的選擇和設計
UNITANK工藝可以采用表面機曝氣和微孔器曝氣兩種形式。針對這兩種形式在UNITANK工藝中的特點作如下對比：
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由以上對比可以看出，表面曝氣機更適合UNITANK工藝，如果工程占地允許，建議盡量采用表面曝氣機曝氣。
石家莊高新區(qū)污水處理廠曝氣系統(tǒng)采用表曝機和潛水攪拌機相結合的方式，每個池中安裝2臺表曝機、2臺水下攪拌機，表曝機運行充氧，當水中溶解氧到達高限設定值時，表曝機停止工作，水下攪拌 機運行，當水中溶解氧低于低限設定值時，水下攪拌機停止工作，表曝機開始運行。本工程的實際需氧量為60噸O2天。
表曝機選用比利時AQUA公司生產(chǎn)浮動式高速表曝機，它可以適應因水流方向改變而造成的水面起落，另外安裝簡單，只需纜繩固定。由于高速表曝機的電機直接驅動螺旋葉輪，不需要減速裝置，因此檢修量少，維護方便。
表曝機功率為75KW，潛水攪拌機功率為12.5KW。
2.7 污泥排放系統(tǒng)的選擇和設計
UNITANK工藝通常有兩種排放剩余污泥的方式，即連續(xù)排泥和間歇排泥。連續(xù)排泥是指在運行期間連續(xù)排放混合液，剩余污泥泵容量較低，基本不需要控制，但是由于剩余污泥濃度低，后續(xù)污泥濃縮脫水的負荷將會加大。間歇排泥是指在特定時段集中排泥，如在沉淀末期排泥，該方式剩余污泥泵容量較高，需要控制排泥時間及排泥閘，但該方式剩余污泥濃度較高，后續(xù)污泥濃縮脫水的負荷較低。
石家莊新區(qū)污水處理廠剩余污泥采用間歇排泥方式，排泥時間設在沉淀后期。全廠共設兩座剩余污泥泵房，在污泥泵房內共安裝污泥泵6臺，分別負責6組交替式生物處理池的排泥。每個污泥泵經(jīng) 管道由電動閥門控制分別從處理單元中的2個沉淀池中抽泥，排泥時間設在沉淀后期。排泥管道按兩 臺污泥泵同時工作設計。
經(jīng)計算污泥產(chǎn)量為32噸干泥/天，泥齡為14天。污泥含水率按99.2％計，污泥產(chǎn)量4000噸/天，每組生物池每天排泥667m3。按每個周期排泥2次，每次15—20分鐘計，選污泥泵流量為0.1m3／s，揚程7.5米。
3、結語
UNITANK工藝據(jù)有獨特的優(yōu)點：第一，與傳統(tǒng)活性污泥法相比，可不設回流污泥系統(tǒng)及沉淀池刮泥機，投資低，同時由于設備種類較少，便于維護管理，降低了日常檢修費用；第二，運行周期和時序可根據(jù)進水水質和出水水質要求進行調整，形成厭氧、缺氧和好氧交替狀態(tài)，實現(xiàn)除磷脫氮功能，運轉靈活；第三，采用矩形池結構，生物池共同隔墻布置，可節(jié)省土建費用和工程建設用地；第四，系統(tǒng)為連續(xù)運行，出水采用固定堰，不設浮動式潷水器，水面基本桓定，另外池中約有三分之二的設備同時運行，與SBR工藝相比，其容積和設備利用率高。
UNITANK工藝雖有許多優(yōu)點，但也有一定的適用范圍。在選擇該工藝時應該考慮以下問題：
第一，進水BOD濃度較高時，建議考慮采用兩級UNITANK工藝。本文介紹的是單級UNITANK工藝，即進水只經(jīng)過一級生物池處理，當進水水質較高時，如BOD高于500mg/L時，可采用兩級UNI-TANK工藝，即用兩級生物池處理，第一級生物池按高負荷厭氧或好氧方式運行，第二級按低負荷好氧方式運行。目前，西格司公司已有兩級UNITANK工藝的工程業(yè)績。
第二，出水水質有除磷要求時，應慎重考慮是否選用該工藝。該工藝除磷脫氮過程的原理是：通過在沉淀末期和曝氣期中間加入非曝氣攪拌期，形成缺氧和厭氧狀態(tài)，完成脫氮和生物除磷功能。但是，從實際運行看，很難形成生物除磷的理想狀態(tài)。因為，在非曝氣攪拌期，水中大量的硝酸鹽會消耗溶解 性BOD，降低有效BOD／P比值；進水中溶解性BOD在生物池內被大量稀釋，除磷菌可攝取的BOD量減少，在厭氧階段磷釋放不徹底。因此生物除磷功能很難保證。從工程業(yè)績看，西格斯公司自1987年至1997年已有187座該工藝處理廠投產(chǎn)，但無生物除磷記錄。所以，選擇該工藝生物除磷時應慎重考慮。
第三，處理水量過大時，應充分考慮該工藝的復雜性，由于工藝運行、結構設沉降縫和抗浮等原因的限制，處理池每格的尺寸宜控制在40×40米范圍內。當處理水量增加時，處理單元數(shù)也會增加，致使配水、出水、沖洗水和剩余污泥排放等設備隨著單元數(shù)而增加，大大提高了實際運行的復雜程度。從自動控制方面看，10萬噸/天處理規(guī)模的污水廠，氧化溝工藝的I／O數(shù)量只需1200點，而該工藝為3000點以上，隨著處理單元數(shù)量增加，其控制量也將成倍增加。所以，該工藝在規(guī)模較大處理廠應用時，應進行全面考慮。
綜上所述，UNITANK工藝更適用于中小型污水處理廠，在一定的范圍內，可以替代其它活性污泥法，有獨特的優(yōu)點，并具有較強的競爭力。
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