溶气气浮技术在市政污水深度处理工程设计与应用

沈怡，王佳音，陈冠辉

（郑州市污水净化有限公司，河南 郑州 450000）

水是人类维系生命的基本物质，是城市发展不可或缺的重要资源，同时也是城市发展的重要保障。目前，我国部分重点河流水域主要面临着水质型缺水和水量型缺水的“双缺”问题[1-2]，其中，水体的富营养化问题尤为严重。水体富营养化会使河流水质变得腥臭难闻、透明度降低、溶解氧减少，影响水中植物的光合作用，从而导致水生物种分布失衡[2]，而氮、磷等营养元素含量的偏高则是引起水体富营养化的主要因素[3-5]。

目前，我国对城市生活污水除磷技术种类多，但除磷效果好、应用范围较广的主要为生物除磷、化学除磷和生物化学除磷[6-8]。生物除磷技术在污水处理中应用比较普遍，通过工艺设置可实现有效除磷，但易受进水水质等条件影响，生物除磷效果有较大差异。多数城镇污水处理厂结合自身情况采用生物除磷和化学除磷结合，能够充分发挥各自优势实现除磷的目的。陈小军等研究表明，除磷药剂种类（FeCl3、AlCl3、氢氧化钙）及其投加量对除磷效果影响显著，投加AlCl3的除磷效果较优；在温度为25～35 ℃、水力负荷为3 m3·m-2·h-1、补充碳源后的COD/TN 为6、AlCl3投加量为3.0 mg·L-1时，系统出水PO43--P 质量浓度为0.19 mg·L-1，去除率达到81.68 %，可稳定满足地表水环境Ⅴ类水体标准[9]。

溶气气浮除磷技术在水处理领域中的应用属于化学除磷与固液分离技术的集合手段，与传统的深度处理除磷工艺相比较，具有占地面积小、除磷效果好等特点。因此，依托溶气气浮技术开展城镇污水厂尾水氮、磷等营养元素的超低排放研究具有重要意义。本文以北方某市政污水处理厂升级改造项目示范工程为研究对象，详细介绍溶气气浮工段的工程概况及运行成本等。

1 项目介绍

北方某市政污水处理厂处理规模6×105m3·d-1，分一期、二期。其中，一期规模3×105m3·d-1，采用改良A2O 活性污泥工艺，二期规模3×105m3·d-1，采用氧化沟+深度处理工艺，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A 排放标准。

文中提及的升级改造项目位于该市政污水处理厂区内，主要对污水厂一期、二期出水进行深度处理，设计规模6×105m3·d-1。由于污水厂一期主体工艺未设置深度处理单元，项目一期工艺采用“二沉池出水+气浮除磷+活性焦吸附+V 型过滤+消毒”，二期采用“深度处理出水+活性焦吸附+V 型过滤+消毒”。具体工艺路线如图1所示。

图1 工艺路线图

2 溶气气浮工程概况

2.1 流程介绍

溶气气浮工程（称为“气浮除磷池”）进水水源为污水厂一期二级出水，进入气浮池的污水经进水总渠流至配水渠，然后自流至混凝区，投加PAC溶液（质量分数为10%、以28% Al2O3有效成分计）和PAM（BASF 生产的阳离子型聚丙烯酰胺、相对分子质量1 200 万、现场配置质量分数0.10%）溶液后进入气浮接触区，同时溶气加压装置不断地向气浮接触区中释放微小气泡，最终汇总至出水总渠，经后续处理工序。气浮接触区表面形成的浮渣层收集后排至污水厂内配套的污泥处理单元进行处理。

2.2 工程设计

整座气浮除磷池采用平流式设计，处理规模3×105m3·d-1，可24 h 连续运转，池体结构采用半地上式混凝土浇筑而成。气浮除磷池整体分为8 个系列，各组间可单独运行，每系列又分为A、B 两格，共计16 格。每个系列由混凝系统、絮凝系统、加药系统、气浮系统、回流系统、溶气及溶气释放系统和化学浮渣收集及排放等模块组成。

2.2.1 混凝系统

每个系列的混凝系统共设计2 座混凝池、2 座混凝廊道和配套的PAC 溶液加药撬装等，力停留时间为2.88 min。

2.2.2 絮凝系统

每个系列的絮凝系统包括2 座絮凝池、2 座絮凝廊道和配套的PAM 溶液加药撬装，水力停留时间6.44 min。

2.2.3 气浮系统

单格的气浮接触区主要包括缓冲区、布水区、集泥区、斜板分离区、集水区及清水室等6 个功能区。其中，斜板分离区是整个气浮接触区的核心装置，选用波纹面的PVC 斜板，安装角度为60°，并以20 cm 的板间距按出水方向等距排列。

2.2.4 溶气系统

溶气系统部分主要由回流水单元、空气加压单元以及溶气水释放单元等组成。

1）回流水单元：选用单级单吸卧式离心泵作为回流泵，可为溶气罐持续供水，水源来自气浮池出水渠出水。

2）溶气水释放单元：本工程所使用的溶气罐采用空压机供气的卧式喷淋式填料罐，罐体由普通钢板卷焊而成，溶气效率高达90%以上。溶气释放器选用T-J 系列八爪型释放器，不锈钢材质，释气率可达到99%以上。

2.2.5 泥渣排放系统

整套刮渣机置于气浮池上方，入渣深度约2 cm，通过往复运动将表面形成的渣层定时清除。整座气浮池平均产渣能力约8 t·d-1（含水率95%），配套有4 座污泥室用于收集和排放浮渣，每两个处理系列共用1 座污泥室。

3 主要设备及参数

气浮除磷工艺主要配套核心设备及相应技术参数如表1所示。

表1 核心设备及参数

4 运行状况

4.1 运行效果分析

截取近阶段该气浮除磷池实际连续运行330 天的进出水水质检测数据并进行说明，进出水检测数据统计如表2、图2至图5所示。

表2 气浮除磷池实际进出水水质（均值）状况

由以上图表可知，气浮除磷技术对城镇污水厂尾水中的COD、TP、SS 及NH3-N 等有一定的去除效果。由图2可知，进出水TP 质量浓度处理效果最为明显，由0.12 mg·L-1降至0.02 mg·L-1，去除率83.33%，在运行过程中，仍可通过工艺调控进行强化除磷甚至降至0.02 mg·L-1以下，基本实现极限除磷。

图2 气浮池进出水TP 浓度处理效果

由图3可知，溶气气浮技术对悬浮物也有一定程度的去除作用，进水为11.7 mg·L-1时，出水质量浓度为5.3 mg·L-1，去除率54.7%。由图4可知，经过处理后的出水氨氮为0.12 mg·L-1，去除率60%，而对于TN 的去除效果不明显。由图5可知，本工程对出水CODCr要求较高（CODCr≤20 mg·L-1），是提标改造过程中的重点，而溶气气浮对CODCr的去除能力有限，可降至14.5 mg·L-1，去除率仅为35.4%，因此，拟通过后续新增的活性焦吸附深度处理单元高效去除CODCr。

图3 气浮池进出水SS 浓度处理效果

图4 气浮池进出水NH3-N 浓度处理效果

图5 气浮池进出水CODCr浓度处理效果

4.2 药剂及直接运行成本

1）药剂成本。实际药剂投加量为：混凝剂50 mg·L-1、絮凝剂（干粉）0.05 mg·L-1。其中，PAC溶液价格500 元·t-1，PAM 干粉价格22 500 元·t-1，核算药剂单位成本为0.026 元·m-3。

2）直接运行成本。该成本直主要包括电费、药剂费及维修保养费等。设备电耗为0.045 kW∙h∙m-3，若电价按照0.65 元∙(kW∙h)-1，电费成本0.029 元∙m-3；设备维修保养费按每月10 万元计，则维修保养成本为0.011 元∙m-3。综上所述，核算气浮除磷系统直接运行成本为0.066 元·m-3。

5 结 论

1）运行结果表明，溶气气浮技术在市政污水强化除磷中表现出了较好的去除效果，系统稳定，出水质量浓度为 0.02 mg·L-1，最大去除率可达到83.33 %，基本实现TP 质量浓度的超低排放。同时，该技术对污水中的CODCr、SS 及NH3-N 等也具有一定去除效果。

2）经过成本核算，该工程直接运行成本为0.066 元·m-3，其中，电耗单位成本为0.029 元∙m-3，药剂单位成本为0.026 元·m-3，设备维修保养单位成本为0.011 元·m-3。