污水厂跌水复氧会影响碳源?研究数据这样说

选择3个太湖流域GB 城市污水处理厂18918-2002一级A排放标准，开展预处理单元跌水复氧问题研究。监测结果表明，每次下降后通常会形成3 mg/L上述溶解氧的增量引起的溶解氧在后续输水管道、渠道或池体中消耗相应的有机物。预处理单元多次跌水复氧耗氧，导致5~10 mg/L，碳源损失甚至更高，对脱氮除磷产生不利影响。工程试验结果表明，下降的复氧主要发生在污水下降的瞬间。复氧量与下降区域的封闭状态、渠道结构和出口类型有关，与下降高度的相关性不明显，下降过程中的复氧量可以忽略不计。结合降水区的特点，提出了降水区封闭、抑制空气循环的工程措施，并选择了太湖流域的一家污水处理厂进行工程试验。结果表明，封闭后，降水区水中的溶解氧为3.5~4.5 mg/L稳步下降到1~1.5 mg/L，控制效果显著。

城市污水处理厂更严格的污染物排放标准已成为水环境处理的重要手段，充足的碳源是实现城市污水处理厂氮磷稳定标准的根本保证。根据生物脱氮除磷理论，生物反硝化所需BOD5/TN为6~7，如果同期考虑污泥排放的影响，生物反硝化所需BOD5/TN通常为5~6。

但我国大部分城市污水处理厂都面临着进水碳源严重不足的技术问题，极大地影响了氮磷的稳定性。根据全国3 城市污水处理厂统计结果超过000家，BOD5/TN不到20%的污水处理厂年均值在5以上，其中40%以上BOD5/TN不到3，在没有外部碳源的情况下，通常很难满足高排放标准对氮磷控制的要求，尤其是在冬季低温地区。为了进一步加强氮磷去除，满足日益严格的排放标准，添加外碳源已成为许多污水处理厂的无奈之举。近年来，城市污水处理厂碳源的优化利用和内部碳源的开发引起了国内外专家学者的广泛关注，但预处理单元的复氧和碳源损失并没有引起足够的关注。

在多年的污水处理项目绩效跟踪和评价过程中，研究团队发现，大多数城市污水处理厂在进水泵出口、沉砂池出口、初沉池出口堰等位置都有下降区域，下降引起的复氧现象明显；输水渠、管道、沉砂池、初沉池等结构中复氧污水有不同程度的有机物消耗，进一步加剧了碳源不足。

01 测试材料和方法

1.1 案例及跌水点分布

根据国内外跌水曝气和跌水区恶臭控制的相关研究经验，选择太湖流域3座GB 18918-2002年一级A排放标准城市污水处理厂作为研究对象，分析了预处理单位主要点的分布情况，见表1。

1.2 检测点的选择

结合城市污水处理厂预处理单元工艺的特点和潜在的溶解氧变化区域，在相对静止区域、跌水后湍流区域、管道、渠道或结构的入口和出口设置试验点，连续测量上述试验点溶解氧的变化。

1.3 分析测试方法

本研究采用现场直接试验法，主要监测指标为DO值，采用HACH HQ30d多参数数字化分析仪单路输入(标准电极)LD10103)测试。

02 分析和讨论工程测试结果

2.1 沿途预处理单元DO变化

2014年秋季，3个城市污水处理厂预处理单元检测点DO多次检测值，取平均值，绘制主要检测点DO变化曲线，见图1，不同跌点关闭，跌幅高度和DO增量关系见表2。

2.2 工程影响因素

(1)复氧量与跌水高度的关系。根据国内外跌水曝气的相关研究结论，传统的跌水曝气工艺是由跌水引起的DO增量与下降高度有关，下降高度越高，DO增量越大。因此，表2中不同跌点的跌水高度和DO统计分析了增量关系，如图2所示。

根据图2，实际工程跌水点DO增量与下降高度无直接关系。虽然A厂的两个下降高度超过1 m的跌水点DO增量均达到3 mg/L但B厂提升泵出口跌水高度仅为0.4 m的情况下，DO增量也达到3 mg/L以上也是B厂，沉砂池0.5 m，DO增量不足0.5 mg/L。

(2)复氧量与跌水区关闭。试验结果表明，跌水区的封闭是影响跌水复氧量的重要因素。从表2数据不难看出，相对而言，大多数开放式或半开放式结构的下降区域在下降后DO增量明显大于封闭或半封闭结构。例如，同样是提升泵出口，B工厂为开放式结构，0.4 m跌水后，DO增量达到4.28 mg/L，虽然A厂为半封闭结构，但降水高度达1.4 m，但跌水后DO增量仅为3.49 mg/L，低于B厂。

（3）下降区域的湍流等。研究发现，下降点的湍流、下降过程中水流的影响以及其他工程因素可能会在一定程度上影响复氧水平，相关效果需要进一步验证。

2.3 跌水对污水处理厂碳源损失的影响

(1)预处理单元DO消耗。在后续的输水管道、渠道和结构中，复氧污水可能被城市下水道、污泥脱水区或其他方式的微生物利用DO降低值，在一定程度上消耗进水中的可生物降解有机物。因此，三个污水处理厂的潜在氧气消耗段DO统计变化，见表3。

表3数据显示，落水复氧后的污水在流经后续封闭管道、渠道或进入单元结构时会明显出现DO浓度降低。根据污水处理的基本理论，该地区DO减少意味着快速可生物降解有机物的消耗，模拟试验结果也验证了预处理单元各构筑物中微生物的存在。

表3中的数据和模拟试验结果也表明，输水管道中的数据DO消耗量与管道长度或污水在管道内的实际停留时间近似正相关。正常情况下，输水管道每10条 min停留时间可消耗0.5~1 mg/L的DO。

(2)复氧引起的预处理单元碳源总消耗。污水预处理单元的复氧会导致两种碳源损失：一是预处理单元中的微生物DO利用碳源完成电子受体的生物合成；其次，预处理单元末端保留DO厌氧缺氧工艺单元进入后续生物系统，也消耗污水中的碳源。表4是污水处理厂预处理单元跌水复氧造成的碳源总损失。

根据表4，被调查的城市污水处理厂预处理单元跌水复氧不低于5 mg/LB厂碳源损失量达到10 mg/L，脱氮除磷所需碳源不足或出水TN对于长期处于超标边缘的污水处理厂来说，预处理单元碳源的损失是相当可观的，需要通过添加碳源来保证稳定达标。

03 跌水复氧的原因分析

根据初步研究结果，预处理单元的反复下降和氧气消耗过程将消耗污水处理厂原水中的碳源，进一步加剧碳源的缺乏。因此，有必要分析下降和氧气的原理和原因，并提出相应的控制措施。

3.1 跌水过程DO变化情况

进一步研究跌水过程DO值的变化规律在图3所示的典型下降区域设置了5个检测点，包括下降前(1#)、下降过程(2#~4#)和下降后(5#)DO如图4所示。

根据图4曲线，两个深度下不同检测点的检测结果基本一致，1#~4#检测点极低，说明跌落过程中没有明显的表面复氧。污水来自4#检测点(图3)b水花上方5~10 cm）跌至5检测点(图3)b水花位置)瞬间溶解氧自不足0.2 mg/L增加至2.7 mg/L，DO增量达到2.5 mg/L，结果表明，下降的复氧作用主要发生在污水落入池底的瞬间。

3.2 水下复氧形成机制分析

下降过程中的复氧潜力分析。根据图3，当污水通过泵提升并从出口排出时，可以认为它有一定的水平流量，而垂直流量可以忽略不计。因此，整个下降过程可以根据自由落体理论近似计算。根据自由落体理论和计算公式，不同下降时间完成的下降高度见表5所示。

从表5数据不难看出，高度小于2 m污水在跌水区不超过1 s整个跌落过程在时间内完成，所以无论采用什么样的氧传递理论模型，都很难在这么短的时间内通过表面复氧实现工程测试DO特别是对于污水处理厂进水泵出口、沉砂池出口等过水截面较窄、水量较大的区域，气水接触面较小，进一步降低了界面理论复氧的可能性。

3.3 快速复氧理论

根据图4，跌水区DO增加几乎发生在下降的瞬间，下降过程中污水不明显DO增量。根据对跌水复氧工程影响因素的分析结果，污水处理厂的跌水复氧条件主要包括：开放式跌水区和跌落点的明显湍流，污水跌落时间是充氧的主要时间。支持这一推断的理论包括：

（1）虽然在下降过程中没有明显的复氧现象，但水柱周围的空气在摩擦作用下沿水流方向移动。在这种旋转的作用下，水柱墙之间形成明显的空气旋转，如图5所示。

(2)在空气旋流的作用下，区域内的空气交换迅速，污水厌氧过程中产生的各种小分子有机物和气体物质在跌水过程中释放到区域内，这也是预处理单元跌水区恶臭的主要原因。

（3）当池顶不关闭时，形成的空气旋转流可以加速通道内气体和通道周围空气的循环，使新鲜空气不断注入下降通道；当池顶关闭或半关闭时，内外空气对流减少，区域内DO值逐渐下降。

(4)污水落入汇水渠时，也带动周围富氧空气进入渠道，与污水快速混合。

(5)当水柱落入通道时，界面表面张力受到破坏，氧传递阻力降低，气水混合加速。

(6)跌落瞬间，形成明显的波浪和水花，增加气水接触面，加速复氧过程。

04 加盖控制技术研究基于跌水复氧

根据上述研究结论，下降的复氧主要发生在下降到底部通道的那一刻。下降区域的空气旋转是复氧形成的主要原因，下降区域的空气和外部空气循环是复氧的前提。在实际工程中，下降点的湍流和下降区域的空气旋转通常难以控制。因此，本文提出通过在下降区域顶部加盖密封来控制空气交换，并选择太湖流域的一家污水处理厂进行工程研究。

4.1 加盖密封技术原理

如图5所示b如图所示，采用具有一定强度和密封性能的工程材料，在跌水区顶部适当位置进行密封处理，有效阻断跌水区空气与外部环境空气交换的渠道。在这种情况下，随着气水之间的物质交换，降水区空气中的氧浓度逐渐降低，终达到稳定的低氧水平。

4.2 工程实施及效果

太湖流域某城市污水处理厂进水泵出口原为半开放式结构，见图6a），钢制走道板结构铺设在顶部，从渠底液位到池顶的间距约为2.5 m。在采取工程密封措施之前，测试了降水区空气和水的溶解氧，其中空气溶解氧基本保持在8.0~9.0 mg/L波动与外部空气溶解氧浓度有关；水中溶解氧保持在3.5~4.5 mg/L，波动性相对较小。

以在走道板顶部安装柔性材料的形式密封掉水区顶部，工程整体密封性较好。施工过程照片见图6b。工程实施后，对空气和水的溶解氧浓度进行连续监测，如图7所示。

根据图7，空气和水中的溶解氧浓度在封闭前20多小时内迅速降低，表明空气中的溶解氧逐渐转移到水中，导致封闭空间中溶解氧浓度降低。至24 h空气中的溶解氧浓度降低到3~4 mg/L水平上，水中溶解氧降至1~1.5 mg/L，基本保持稳定。多次破坏性试验的结论基本相同，降水区的密封性进一步增强（出于安全考虑，预留了一些通风孔），空气中DO浓度可进一步降低到1~2 mg/L此时水渠中的水平DO浓度可达到0.5 mg/L左右水平有效抑制了跌水复氧。

05 结论与建议

（1）对3个典型的一级A排放标准城市污水处理厂进行了研究，结果表明，预处理单元的下降区域通常存在复氧现象，每次下降后通常形成3个 mg/L以上的DO增量；复氧作用主要发生在污水下降的瞬间，下降过程中的复氧作用可以忽略不计；复氧量直接关系到下降区域的封闭、池型结构和汇水渠的湍流，与下降高度关系不明显。

(2)预处理单元内的管道、渠道或微生物具有明显的耗氧能力，平均每10个 min停留时间可消耗0.5~1 mg/L的DO，意味着同等量的碳源损失；预处理单元末端DO进入后续生物系统也会损失碳源。被调查的3个城市污水处理厂的预处理单位下降了5个 mg/L部分项目甚至达到或超过10个以上优质碳源损失 mg/L，碳源不足问题进一步加剧。

(3)进水泵出口通过加盖密封进行下水复氧控制。结果表明，加盖密封后，下水区空气的溶解氧由8.0~9.0 mg/L稳步下降到3~4 mg/L；3.水中溶解氧.5~4.5 mg/L稳步下降到1~1.5 mg/L。

来源：给水排水

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