污水厂跌水复氧会影响碳源？研究数据这样说
选取太湖流域3座GB 18918-2002一级A排放标准的城镇污水处理厂，开展预处理单元跌水复氧问题研究。监测结果表明，每次跌水后通常形成3 mg/L以上的溶解氧增量，跌水所形成的溶解氧在后续输水管道、渠道或池体内消耗相应的有机物。预处理单元多次跌水复氧和耗氧将导致形成5~10 mg/L，甚至更高的碳源损失，对脱氮除磷造成不利影响。工程测试结果表明，跌水复氧主要发生于污水跌落瞬间，复氧量与跌水区封闭状况、渠型结构和跌水口类型等因素有关，与跌水高度的相关性不显著，跌水过程复氧量可忽略。结合跌水区域的特征，提出了跌水区域加盖封闭抑制空气流通的工程措施，并选择太湖流域某污水处理厂进行了工程试验，结果表明，加盖封闭后，跌水区域水中溶解氧由3.5~4.5 mg/L稳步下降至1~1.5 mg/L，控制效果显著。
更加严格的城镇污水处理厂污染物排放标准已经成为全球水环境治理的重要手段，而充足的碳源则是实现城镇污水处理厂氮磷稳定达标的根本保障。根据生物脱氮除磷理论，生物反硝化所需的BOD5/TN为6~7，如同期考虑污泥外排的影响，生物反硝化所需的BOD5/TN通常为5~6。
但是，我国大部分城镇污水处理厂面临着进水碳源严重不足的技术难题，很大程度上影响了氮磷的稳定达标。根据全国3 000多座城镇污水处理厂的统计结果，BOD5/TN年均值达到5以上的不足20%，其中40%以上的污水处理厂BOD5/TN不足3，在不投加外部碳源的情况下，通常难以达到高排放标准对氮磷控制的要求，这个问题在冬季低温地区尤为明显。为进一步强化氮磷去除，满足日趋严格的排放标准要求，投加外碳源成为许多污水处理厂的无奈之举。近年来，城镇污水处理厂碳源优化利用和内碳源开发已经引起了国内外专家学者的广泛关注，但预处理单元复氧及碳源损耗问题并没有引起足够重视。
研究团队在多年的污水处理工程绩效跟踪与评价过程中发现，多数城镇污水处理厂在进水泵出口、沉砂池出口、初沉池出水堰等位置都设有跌水区域，跌水导致的复氧现象明显；复氧后的污水在输水渠、管道、沉砂池、初沉池等构筑物内出现了不同程度的有机物消耗，进一步加剧了碳源不足问题。
01 试验材料与方法
1.1 案例及跌水点分布
根据国内外跌水曝气及跌水区恶臭控制的相关研究经验，本文选择太湖流域3座GB 18918-2002一级A排放标准城镇污水处理厂为研究对象，对其预处理单元主要跌水点的分布情况进行了分析，见表1。
1.2 检测点的选择
结合被调研城镇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，分别在跌水前相对静止区、跌水后紊流区，以及管道、渠道或构筑物的入口和出口设置检测点，连续测定上述检测点溶解氧的变化情况。
1.3 分析测试方法
本研究采用现场直接测试法，主要监测指标为DO值，采用HACH HQ30d单路输入多参数数字化分析仪（标准型电极LD10103）进行测试。
02 工程测试结果分析与讨论
2.1 预处理单元沿程DO变化
2014年秋季对3座城镇污水处理厂预处理单元检测点的DO值进行多次检测并取平均值，绘制主要检测点DO变化曲线，见图1，不同跌水点封闭状况、跌水高度和DO增量关系见表2。
2.2 跌水复氧的工程影响因素
（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，传统跌水曝气工艺跌水导致的DO增量与跌水高度有关，跌水高度越高，DO增量越大。为此对表2中不同跌水点的跌水高度与DO增量之间的关系进行了统计分析，结果见图2所示。
根据图2，实际工程中跌水点的DO增量与跌水高度并无直接相关关系。虽然A厂两个跌水高度超过1 m的跌水点DO增量均达到3 mg/L以上，但B厂提升泵出口在跌水高度仅为0.4 m的情况下，DO增量同样达到3 mg/L以上，而同样是B厂，沉砂池0.5 m的跌水高度，DO增量不足0.5 mg/L。
（2）复氧量与跌水区域封闭状况。检测结果表明，跌水区域封闭状况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，大部分敞开式或半敞开式结构的跌水区域，跌水后的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厂为敞开式结构，经0.4 m跌水后，DO增量达到4.28 mg/L，而A厂为半封闭式结构，虽然跌水高度达到1.4 m，但跌水后DO增量仅为3.49 mg/L，低于B厂水平。
（3）跌水区紊流状况及其他。调研发现，跌水点的紊流状况、跌水过程中水流受到的冲击情况，以及其他一些工程因素都可能在一定程度上影响复氧量水平，相关效果有待进一步验证。
2.3 跌水对污水处理厂碳源损耗的影响
（1）预处理单元DO消耗情况。复氧后的污水在后续的输水管道、渠道和构筑物中，可能被来自于城市下水道、污泥脱水区或其他途径的微生物所利用，从而使DO值降低，一定程度上消耗进水中的可生物降解有机物。为此对3座污水处理厂潜在耗氧段的DO变化情况进行了统计，见表3。
表3数据表明，经跌水复氧后的污水，在流经后续密闭管道、渠道或进入单元构筑物时，会出现明显的DO浓度降低的情况。而根据污水处理的基本理论，在该区域内的DO降低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内微生物的存在。
表3中的数据以及模拟试验结果也表明，输水管道内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，输水管道内每10 min停留时间可消耗0.5~1 mg/L的DO。
（2）复氧导致的预处理单元碳源总消耗量。污水预处理单元的复氧将导致两种类型的碳源损失：首先，预处理单元内的微生物以DO为电子受体，利用碳源完成生物合成；其次，预处理单元末端存留的DO进入后续生物系统的厌氧、缺氧工艺单元，同样消耗污水中的碳源。表4为案例污水处理厂预处理单元跌水复氧导致的碳源损失总量情况。
根据表4，被调查城镇污水处理厂预处理单元跌水复氧均造成不低于5 mg/L的优质碳源损失量，其中B厂的碳源损失量达到10 mg/L，对于脱氮除磷所需碳源不足，或出水TN长期处于超标边缘，需通过投加碳源确保稳定达标的污水处理厂而言，预处理单元碳源损失量相当可观。
03 跌水复氧的成因分析
根据前期研究结果，预处理单元反复的跌水复氧、耗氧过程必将消耗污水处理厂原水中的碳源，进一步加剧碳源不足问题，为此有必要对跌水复氧的原理和成因进行分析，以提出相应的控制措施。
3.1 跌水过程DO变化情况
为进一步研究跌水过程中DO值的变化规律，在图3所示的典型跌水区域设置了5个检测点，进行跌水前（1#）、跌落过程（2#~4#）和跌落后（5#）DO的变化规律测试，见图4所示。
根据图4曲线，不同检测点两个深度下的检测结果基本吻合，且1#~4#检测点均处于极低值，说明跌落过程中没有形成明显的表面复氧现象。而污水自4#检测点（图3b水花上方5~10 cm）跌落至5检测点（图3b水花位置）的瞬间，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，结果表明跌水复氧作用主要发生于污水跌落至池体底部的瞬间。
3.2 跌水复氧形成机制分析
跌落过程复氧潜能分析。根据图3，污水经泵提升并从出口排出的瞬间，可认为具有一定的水平流速，而垂直流速可忽略不计。因此整个跌落过程可近似按自由落体理论计算。根据自由落体理论和计算公式，不同跌落时间下所完成的跌落高度见表5所示。
从表5数据不难看出，对于高度小于2 m的跌水区域，污水将在不超过1 s的时间内完成整个跌落过程，因此无论是采用哪种氧传递理论模型，在如此短的时间内通过表层复氧，都难以达到工程测试的DO增量，尤其是对于污水处理厂进水泵出口、沉砂池出口等过水断面相对较窄、水量相对较大的区域，气水接触面更小，通过界面理论复氧的可能性进一步降低。
3.3 跌水瞬间快速复氧理论
根据图4，跌水区域内DO的增加几乎发生于跌落瞬间，跌落过程中污水并没有明显的DO增量。结合跌水复氧工程影响因素分析结果，污水处理厂跌水复氧的条件主要包括：敞开式跌水区域和跌落点明显的紊流，而污水跌落的瞬间是充氧发生的主要时段。支持该推断的理论包括：
（1）跌水的过程中虽然无明显的复氧现象，但水柱周边的空气在摩擦力作用下沿水流方向运动，在这种旋流的作用下，水柱与围墙之间形成明显的空气旋流，如图5所示。
（2）在空气旋流作用下，区域内的空气快速交换，同时将污水厌氧过程中产生并在跌水过程中释放出的各种小分子有机物和气态物质排放到区域内，这也是预处理单元跌水区恶臭产生的主要原因。
（3）在池顶不封闭的情况下，所形成的空气旋流可加速渠道内气体与渠道周边空气的流通，使新鲜空气不断注入到跌水渠道内；池顶封闭或半封闭状态时，内外空气对流减小，区域内DO值逐渐降低。
（4）污水跌落至汇水渠的同时，也带动周边的富氧空气进入渠内，并与污水快速混合。
（5）水柱跌落至渠道内的瞬间，在冲击力作用下，界面的表面张力被破坏，氧传递阻力降低，加速气水混合。
（6）跌落瞬间，形成明显的波浪和水花，气水接触面增大，加速复氧过程。
04 基于跌水复氧的加盖控制技术研究
根据上述研究结论，跌水复氧主要发生于跌落至底部水渠的瞬间，跌水区域内空气旋流是复氧形成的主要原因，而跌水区域内空气与外界空气流通是复氧的前提。在实际工程中，跌水点的紊流状况和跌水区域内的空气旋流通常是难以控制的，因此本文提出通过跌水区域顶部加盖密封抑制空气交换的方式进行复氧控制，并选择太湖流域某污水处理厂进行了工程性研究。
4.1 加盖密封技术原理
加盖密封跌水复氧控制的技术原理如图5b所示，采用具有一定强度和密封性能的工程材料，在跌水区域顶部适当位置进行密闭处理，有效阻断跌水区域内空气与外界环境空气交换的渠道。在这种情况下，随着跌水过程中气水之间的物质交换，跌水区域空气中的氧浓度逐渐降低，最终达到稳定的低氧水平。
4.2 工程实施及效果
太湖流域某城镇污水处理厂进水泵出口原为半敞开式结构（见图6a），顶部铺设有钢制走道板结构，渠底液位到池顶的间距约为2.5 m。采取工程密封措施前，对跌水区域内空气和水的溶解氧进行了测试，其中空气溶解氧基本保持在8.0~9.0 mg/L波动，与外界空气溶解氧浓度等因素有关；水中溶解氧保持在3.5~4.5 mg/L，波动性相对较小。
采用在走道板顶部加装柔性材料的形式对该跌水区域顶部进行了密封处理，工程的整体密封性相对较好，施工过程照片见图6b。工程实施后对跌水区域内空气和水的溶解氧浓度进行连续监测，结果见图7所示。
根据图7，加盖封闭的前20多个小时内，跌水区域空气和水中的溶解氧浓度快速降低，表明跌水过程中空气中的溶解氧向水中逐渐转移，导致封闭空间内溶解氧浓度降低。至24 h后跌水区域空气中的溶解氧浓度降低到3~4 mg/L水平，水中溶解氧下降至1~1.5 mg/L，且基本保持平稳。多次破坏性试验出现基本相同的结论，且跌水区域的密封性进一步加强（出于安全考虑，预留了部分通气孔）后，空气中DO浓度可进一步降低至1~2 mg/L水平，此时水渠中的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座典型一级A排放标准城镇污水处理厂进行了调研，结果表明预处理单元跌水区域普遍存在复氧现象，每次跌水后通常形成3 mg/L以上的DO增量；复氧作用主要发生于污水跌落瞬间，跌水过程中的复氧作用可忽略；复氧量与跌水区域的封闭情况、池型结构以及汇水渠的紊流状况直接相关，与跌水高度的关系不显著。
（2）预处理单元的管道、渠道或构筑物内微生物具有明显的耗氧能力，平均每10 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；预处理单元末端的DO进入后续生物系统，同样损耗碳源。被调查3座城镇污水处理厂预处理单元跌水复氧均造成5 mg/L以上的优质碳源损失，部分工程甚至达到或超过10 mg/L，进一步加剧了碳源不足问题。
（3）采用加盖密封的方式进行进水泵出口跌水复氧控制，结果表明加盖密封后，跌水区域空气的溶解氧由8.0~9.0 mg/L稳步下降至3~4 mg/L；水中溶解氧由3.5~4.5 mg/L稳步下降至1~1.5 mg/L。
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