污水廠跌水復氧會影響碳源？研究數據這樣說
選取太湖流域3座GB 18918-2002一級A排放標準的城鎮污水處理廠，開展預處理單元跌水復氧問題研究。監測結果表明，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續輸水管道、渠道或池體內消耗相應的有機物。預處理單元多次跌水復氧和耗氧將導致形成5~10 mg/L，甚至更高的碳源損失，對脫氮除磷造成不利影響。工程測試結果表明，跌水復氧主要發生于污水跌落瞬間，復氧量與跌水區封閉狀況、渠型結構和跌水口類型等因素有關，與跌水高度的相關性不顯著，跌水過程復氧量可忽略。結合跌水區域的特征，提出了跌水區域加蓋封閉抑制空氣流通的工程措施，并選擇太湖流域某污水處理廠進行了工程試驗，結果表明，加蓋封閉后，跌水區域水中溶解氧由3.5~4.5 mg/L穩步下降至1~1.5 mg/L，控制效果顯著。
更加嚴格的城鎮污水處理廠污染物排放標準已經成為全球水環境治理的重要手段，而充足的碳源則是實現城鎮污水處理廠氮磷穩定達標的根本保障。根據生物脫氮除磷理論，生物反硝化所需的BOD5/TN為6~7，如同期考慮污泥外排的影響，生物反硝化所需的BOD5/TN通常為5~6。
但是，我國大部分城鎮污水處理廠面臨著進水碳源嚴重不足的技術難題，很大程度上影響了氮磷的穩定達標。根據全國3 000多座城鎮污水處理廠的統計結果，BOD5/TN年均值達到5以上的不足20%，其中40%以上的污水處理廠BOD5/TN不足3，在不投加外部碳源的情況下，通常難以達到高排放標準對氮磷控制的要求，這個問題在冬季低溫地區尤為明顯。為進一步強化氮磷去除，滿足日趨嚴格的排放標準要求，投加外碳源成為許多污水處理廠的無奈之舉。近年來，城鎮污水處理廠碳源優化利用和內碳源開發已經引起了國內外專家學者的廣泛關注，但預處理單元復氧及碳源損耗問題并沒有引起足夠重視。
研究團隊在多年的污水處理工程績效跟蹤與評價過程中發現，多數城鎮污水處理廠在進水泵出口、沉砂池出口、初沉池出水堰等位置都設有跌水區域，跌水導致的復氧現象明顯；復氧后的污水在輸水渠、管道、沉砂池、初沉池等構筑物內出現了不同程度的有機物消耗，進一步加劇了碳源不足問題。
01 試驗材料與方法
1.1 案例及跌水點分布
根據國內外跌水曝氣及跌水區惡臭控制的相關研究經驗，本文選擇太湖流域3座GB 18918-2002一級A排放標準城鎮污水處理廠為研究對象，對其預處理單元主要跌水點的分布情況進行了分析，見表1。
1.2 檢測點的選擇
結合被調研城鎮污水處理廠預處理單元工藝的特點和潛在的溶解氧變化區域，分別在跌水前相對靜止區、跌水后紊流區，以及管道、渠道或構筑物的入口和出口設置檢測點，連續測定上述檢測點溶解氧的變化情況。
1.3 分析測試方法
本研究采用現場直接測試法，主要監測指標為DO值，采用HACH HQ30d單路輸入多參數數字化分析儀（標準型電極LD10103）進行測試。
02 工程測試結果分析與討論
2.1 預處理單元沿程DO變化
2014年秋季對3座城鎮污水處理廠預處理單元檢測點的DO值進行多次檢測并取平均值，繪制主要檢測點DO變化曲線，見圖1，不同跌水點封閉狀況、跌水高度和DO增量關系見表2。
2.2 跌水復氧的工程影響因素
（1）復氧量與跌水高度的關系。根據國內外跌水曝氣的相關研究結論，傳統跌水曝氣工藝跌水導致的DO增量與跌水高度有關，跌水高度越高，DO增量越大。為此對表2中不同跌水點的跌水高度與DO增量之間的關系進行了統計分析，結果見圖2所示。
根據圖2，實際工程中跌水點的DO增量與跌水高度并無直接相關關系。雖然A廠兩個跌水高度超過1 m的跌水點DO增量均達到3 mg/L以上，但B廠提升泵出口在跌水高度僅為0.4 m的情況下，DO增量同樣達到3 mg/L以上，而同樣是B廠，沉砂池0.5 m的跌水高度，DO增量不足0.5 mg/L。
（2）復氧量與跌水區域封閉狀況。檢測結果表明，跌水區域封閉狀況是影響跌水復氧量的重要因素。從表2數據不難看出，相對而言，大部分敞開式或半敞開式結構的跌水區域，跌水后的DO增量明顯大于封閉或半封閉結構。例如同樣是提升泵出口，B廠為敞開式結構，經0.4 m跌水后，DO增量達到4.28 mg/L，而A廠為半封閉式結構，雖然跌水高度達到1.4 m，但跌水后DO增量僅為3.49 mg/L，低于B廠水平。
（3）跌水區紊流狀況及其他。調研發現，跌水點的紊流狀況、跌水過程中水流受到的沖擊情況，以及其他一些工程因素都可能在一定程度上影響復氧量水平，相關效果有待進一步驗證。
2.3 跌水對污水處理廠碳源損耗的影響
（1）預處理單元DO消耗情況。復氧后的污水在后續的輸水管道、渠道和構筑物中，可能被來自于城市下水道、污泥脫水區或其他途徑的微生物所利用，從而使DO值降低，一定程度上消耗進水中的可生物降解有機物。為此對3座污水處理廠潛在耗氧段的DO變化情況進行了統計，見表3。
表3數據表明，經跌水復氧后的污水，在流經后續密閉管道、渠道或進入單元構筑物時，會出現明顯的DO濃度降低的情況。而根據污水處理的基本理論，在該區域內的DO降低意味著快速可生物降解有機物的消耗，模擬試驗結果也驗證了預處理單元各構筑物內微生物的存在。
表3中的數據以及模擬試驗結果也表明，輸水管道內DO消耗量與管道長度或污水在管道內的實際停留時間近似正相關，正常情況下，輸水管道內每10 min停留時間可消耗0.5~1 mg/L的DO。
（2）復氧導致的預處理單元碳源總消耗量。污水預處理單元的復氧將導致兩種類型的碳源損失：首先，預處理單元內的微生物以DO為電子受體，利用碳源完成生物合成；其次，預處理單元末端存留的DO進入后續生物系統的厭氧、缺氧工藝單元，同樣消耗污水中的碳源。表4為案例污水處理廠預處理單元跌水復氧導致的碳源損失總量情況。
根據表4，被調查城鎮污水處理廠預處理單元跌水復氧均造成不低于5 mg/L的優質碳源損失量，其中B廠的碳源損失量達到10 mg/L，對于脫氮除磷所需碳源不足，或出水TN長期處于超標邊緣，需通過投加碳源確保穩定達標的污水處理廠而言，預處理單元碳源損失量相當可觀。
03 跌水復氧的成因分析
根據前期研究結果，預處理單元反復的跌水復氧、耗氧過程必將消耗污水處理廠原水中的碳源，進一步加劇碳源不足問題，為此有必要對跌水復氧的原理和成因進行分析，以提出相應的控制措施。
3.1 跌水過程DO變化情況
為進一步研究跌水過程中DO值的變化規律，在圖3所示的典型跌水區域設置了5個檢測點，進行跌水前（1#）、跌落過程（2#~4#）和跌落后（5#）DO的變化規律測試，見圖4所示。
根據圖4曲線，不同檢測點兩個深度下的檢測結果基本吻合，且1#~4#檢測點均處于極低值，說明跌落過程中沒有形成明顯的表面復氧現象。而污水自4#檢測點（圖3b水花上方5~10 cm）跌落至5檢測點（圖3b水花位置）的瞬間，溶解氧自不足0.2 mg/L增加至2.7 mg/L，DO增量達到2.5 mg/L，結果表明跌水復氧作用主要發生于污水跌落至池體底部的瞬間。
3.2 跌水復氧形成機制分析
跌落過程復氧潛能分析。根據圖3，污水經泵提升并從出口排出的瞬間，可認為具有一定的水平流速，而垂直流速可忽略不計。因此整個跌落過程可近似按自由落體理論計算。根據自由落體理論和計算公式，不同跌落時間下所完成的跌落高度見表5所示。
從表5數據不難看出，對于高度小于2 m的跌水區域，污水將在不超過1 s的時間內完成整個跌落過程，因此無論是采用哪種氧傳遞理論模型，在如此短的時間內通過表層復氧，都難以達到工程測試的DO增量，尤其是對于污水處理廠進水泵出口、沉砂池出口等過水斷面相對較窄、水量相對較大的區域，氣水接觸面更小，通過界面理論復氧的可能性進一步降低。
3.3 跌水瞬間快速復氧理論
根據圖4，跌水區域內DO的增加幾乎發生于跌落瞬間，跌落過程中污水并沒有明顯的DO增量。結合跌水復氧工程影響因素分析結果，污水處理廠跌水復氧的條件主要包括：敞開式跌水區域和跌落點明顯的紊流，而污水跌落的瞬間是充氧發生的主要時段。支持該推斷的理論包括：
（1）跌水的過程中雖然無明顯的復氧現象，但水柱周邊的空氣在摩擦力作用下沿水流方向運動，在這種旋流的作用下，水柱與圍墻之間形成明顯的空氣旋流，如圖5所示。
（2）在空氣旋流作用下，區域內的空氣快速交換，同時將污水厭氧過程中產生并在跌水過程中釋放出的各種小分子有機物和氣態物質排放到區域內，這也是預處理單元跌水區惡臭產生的主要原因。
（3）在池頂不封閉的情況下，所形成的空氣旋流可加速渠道內氣體與渠道周邊空氣的流通，使新鮮空氣不斷注入到跌水渠道內；池頂封閉或半封閉狀態時，內外空氣對流減小，區域內DO值逐漸降低。
（4）污水跌落至匯水渠的同時，也帶動周邊的富氧空氣進入渠內，并與污水快速混合。
（5）水柱跌落至渠道內的瞬間，在沖擊力作用下，界面的表面張力被破壞，氧傳遞阻力降低，加速氣水混合。
（6）跌落瞬間，形成明顯的波浪和水花，氣水接觸面增大，加速復氧過程。
04 基于跌水復氧的加蓋控制技術研究
根據上述研究結論，跌水復氧主要發生于跌落至底部水渠的瞬間，跌水區域內空氣旋流是復氧形成的主要原因，而跌水區域內空氣與外界空氣流通是復氧的前提。在實際工程中，跌水點的紊流狀況和跌水區域內的空氣旋流通常是難以控制的，因此本文提出通過跌水區域頂部加蓋密封抑制空氣交換的方式進行復氧控制，并選擇太湖流域某污水處理廠進行了工程性研究。
4.1 加蓋密封技術原理
加蓋密封跌水復氧控制的技術原理如圖5b所示，采用具有一定強度和密封性能的工程材料，在跌水區域頂部適當位置進行密閉處理，有效阻斷跌水區域內空氣與外界環境空氣交換的渠道。在這種情況下，隨著跌水過程中氣水之間的物質交換，跌水區域空氣中的氧濃度逐漸降低，最終達到穩定的低氧水平。
4.2 工程實施及效果
太湖流域某城鎮污水處理廠進水泵出口原為半敞開式結構（見圖6a），頂部鋪設有鋼制走道板結構，渠底液位到池頂的間距約為2.5 m。采取工程密封措施前，對跌水區域內空氣和水的溶解氧進行了測試，其中空氣溶解氧基本保持在8.0~9.0 mg/L波動，與外界空氣溶解氧濃度等因素有關；水中溶解氧保持在3.5~4.5 mg/L，波動性相對較小。
采用在走道板頂部加裝柔性材料的形式對該跌水區域頂部進行了密封處理，工程的整體密封性相對較好，施工過程照片見圖6b。工程實施后對跌水區域內空氣和水的溶解氧濃度進行連續監測，結果見圖7所示。
根據圖7，加蓋封閉的前20多個小時內，跌水區域空氣和水中的溶解氧濃度快速降低，表明跌水過程中空氣中的溶解氧向水中逐漸轉移，導致封閉空間內溶解氧濃度降低。至24 h后跌水區域空氣中的溶解氧濃度降低到3~4 mg/L水平，水中溶解氧下降至1~1.5 mg/L，且基本保持平穩。多次破壞性試驗出現基本相同的結論，且跌水區域的密封性進一步加強（出于安全考慮，預留了部分通氣孔）后，空氣中DO濃度可進一步降低至1~2 mg/L水平，此時水渠中的DO濃度可達到0.5 mg/L左右水平，有效抑制了跌水復氧。
05 結論與建議
（1）對3座典型一級A排放標準城鎮污水處理廠進行了調研，結果表明預處理單元跌水區域普遍存在復氧現象，每次跌水后通常形成3 mg/L以上的DO增量；復氧作用主要發生于污水跌落瞬間，跌水過程中的復氧作用可忽略；復氧量與跌水區域的封閉情況、池型結構以及匯水渠的紊流狀況直接相關，與跌水高度的關系不顯著。
（2）預處理單元的管道、渠道或構筑物內微生物具有明顯的耗氧能力，平均每10 min停留時間可消耗0.5~1 mg/L的DO，意味著同等量的碳源損失；預處理單元末端的DO進入后續生物系統，同樣損耗碳源。被調查3座城鎮污水處理廠預處理單元跌水復氧均造成5 mg/L以上的優質碳源損失，部分工程甚至達到或超過10 mg/L，進一步加劇了碳源不足問題。
（3）采用加蓋密封的方式進行進水泵出口跌水復氧控制，結果表明加蓋密封后，跌水區域空氣的溶解氧由8.0~9.0 mg/L穩步下降至3~4 mg/L；水中溶解氧由3.5~4.5 mg/L穩步下降至1~1.5 mg/L。
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