高效沉淀池是生活污水深度處理中常見的構(gòu)筑物，主要通過混凝、循環(huán)、斜管分離及濃縮等多種方法，結(jié)合合理的水力、結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)，達(dá)到泥水分離與污泥濃縮的目的。高效沉淀池進(jìn)水為二沉池出水，仍含有一定的氮、磷等污染物，池面、出水堰及斜管等區(qū)域在陽光照射下易滋生大量藻類，降低沉淀效率，不僅需要定期進(jìn)行人工打撈、沖刷，而且殘存藻類會(huì)進(jìn)入后續(xù)處理工藝，影響出水水質(zhì)，同時(shí)也會(huì)造成混凝、消毒等藥劑使用成本的增加。為此，提出一套“光伏+反洗”的綜合解決方案，以有效減少高效沉淀池斜管上附著藻類的數(shù)量，并進(jìn)一步改善出水水質(zhì)。
1、工程概況
鄭州市某污水處理廠二期工程位于該市北部區(qū)域，設(shè)計(jì)處理水量為30×104m3/d，采用改良A2O+高效沉淀池+V型濾池+接觸消毒池處理工藝，出水水質(zhì)執(zhí)行河南省《賈魯河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB41/908—2014），優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。其中二期工程二沉池出水TN為8~11mg/L，TP為0.05~0.1mg/L，平均水溫15~20℃。鄭州地區(qū)日照充足，全年日照總時(shí)長約2400h，日平均光照時(shí)長為6.58h，為藻類的繁殖提供了適宜的環(huán)境條件。在無遮擋物的情況下，高效沉淀池池面極易滋生大量藻類，嚴(yán)重影響運(yùn)行效果和出水水質(zhì)，增加運(yùn)行成本。為響應(yīng)國家實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)，探索了“光伏+反洗”工藝在抑制高效沉淀池藻類繁殖速度及改善沉淀效果等方面的可行性。該污水處理廠二期工程深度處理流程見圖1。
2、異常現(xiàn)象及原因分析
自二期工程建成投運(yùn)以來，高效沉淀池水面、出水堰及斜管周圍均會(huì)滋生大量附著藻類，而這些藻類又會(huì)不斷吸附各種懸浮顆粒而聚集變大，堵塞斜管，進(jìn)而影響水流正常通過斜管，造成高效沉淀池的斜管沉淀效率持續(xù)下降。同時(shí)，為保證出水效果，需不斷提高混凝劑的投加量以穩(wěn)定沉淀效率，進(jìn)而導(dǎo)致混凝劑成本增加；此外，當(dāng)一部分藻類隨著高效沉淀池出水進(jìn)入后續(xù)處理工藝后，需要提高次氯酸鈉的投加比來應(yīng)對(duì)出水大腸桿菌指標(biāo)的波動(dòng)，使消毒成本上升。綜合分析環(huán)境條件和高效沉淀池結(jié)構(gòu)，造成以上現(xiàn)象的原因分析如下：
①進(jìn)入夏季后，鄭州地區(qū)每日平均光照時(shí)間變長且污水水溫升高，為高效沉淀池內(nèi)藻類的大量快速繁殖提供了適宜的條件。由于藻類的光合作用，水體pH升高、溶解氧增加、礬花密度降低，沉淀效率下降；
②在長期運(yùn)行過程中，藻類附著在高效沉淀池各個(gè)區(qū)域，造成混凝土池壁粗糙老化，又給藻類的寄生繁殖、青苔的附著生長提供了有利場所；③當(dāng)藻類快速繁殖堵塞斜管后，造成大量污泥集聚，不僅使沉淀周期縮短，減少了產(chǎn)水量，也導(dǎo)致水流阻力增大而易沖起斜管上污泥，嚴(yán)重影響后續(xù)處理工藝和出水水質(zhì)。
3、解決措施
高效沉淀池內(nèi)藻類去除工藝一般分為物理法、化學(xué)法和生物法。物理法主要通過強(qiáng)制截留、機(jī)械篩濾的手段將藻類物質(zhì)從水中去除，其中常見的工藝有氣浮法、膜分離法和微濾法。氣浮法除藻效率高，但設(shè)備運(yùn)行耗電量大，運(yùn)行成本較高；而膜分離法和微濾法難以去除斜管內(nèi)附著藻類，不滿足高效沉淀池除藻需求。化學(xué)法一般通過投加化學(xué)氧化劑和某些鹽類去除藻類。常用化學(xué)除藻劑有氯氣、臭氧、高錳酸鉀、銅鹽等，會(huì)對(duì)出水水質(zhì)有一定副作用，并且藥劑成本較高。生物濾池是生物除藻工藝中最常見的一種，其原理是利用生物膜上的微生物對(duì)藻類進(jìn)行吸附和絮凝，使其被原生動(dòng)物吞噬或被沉降，缺點(diǎn)是運(yùn)行周期過長，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量污泥，增加后續(xù)成本。
除此之外，高效沉淀池內(nèi)藻類去除最常見的方法是通過每月1~2次定期的人工清撈沖洗、搭蓋遮陽網(wǎng)等措施來抑制或消除藻類滋生問題，但沖洗過程繁瑣，極易損壞斜管，且頻繁沖洗需要拆裝遮陽網(wǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，耗費(fèi)大量人力。
二期工程結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)狀況和節(jié)能降耗的要求，采用“光伏+反洗”的復(fù)合工藝來解決高效沉淀池藻類滋生問題，以達(dá)到改善沉淀效果的目的。在架設(shè)分布式光伏板時(shí)要針對(duì)高效沉淀池藻類滋生問題進(jìn)行特殊考慮，通過優(yōu)化光伏板鋪設(shè)角度，在保證遮光效果的前提下，盡可能提升該區(qū)域光伏發(fā)電量。對(duì)于高效沉淀池反洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，從選擇反沖洗氣源、確定壓力控制范圍、優(yōu)化管路布局、編制自主自控程序等多方面進(jìn)行考慮，形成了一套控制簡便、效果可控的反洗方案，降低了反沖洗系統(tǒng)的投入成本。
3.1 高效沉淀池分布式光伏平鋪設(shè)計(jì)
分布式光伏在污水處理廠應(yīng)用過程中，具有可安裝面積較大、光伏電能可就地消納、維護(hù)成本低、提高工藝處理效果等優(yōu)勢。二期工程深入結(jié)合光伏鋪設(shè)的特點(diǎn)，不斷完善“污水處理+光伏發(fā)電”的結(jié)合理念，其中以高效沉淀池、V型濾池為主的構(gòu)筑物，池上均以平鋪無傾角的模式安裝分布式光伏板來抑制藻類繁殖，其他區(qū)域構(gòu)筑物上方以最優(yōu)角度18°的傾角進(jìn)行安裝。當(dāng)光伏組件平鋪時(shí)，傾角為0°，在一定程度上會(huì)影響該區(qū)域的光伏發(fā)電量。根據(jù)測算，相同容量和環(huán)境情況下，采用18°傾角安裝的光伏板發(fā)電量比平鋪無傾角的光伏發(fā)電量高約5%，但考慮到高效沉淀池的除藻需求，平鋪模式的遮陽效果更好，能夠更有效地抑制池內(nèi)藻類繁殖。高效沉淀池光伏板鋪設(shè)面積為3200m2，采用18°的傾角進(jìn)行安裝時(shí)需要光伏板1300塊，總?cè)萘繛?/span>357.5kWp。同等面積下，若采用平鋪無傾角的模式進(jìn)行安裝，需要光伏板1904塊，總?cè)萘繛?/span>523.6kWp，在不考慮前期安裝、后期維護(hù)等成本的前提下，按照每塊組件成本500元計(jì)算，直接成本增加約30萬元。鄭州市有效光照時(shí)間為1100~1150h/a，光伏電站平均有效光照時(shí)間為3h/d，則高效沉淀池光伏系統(tǒng)在不同安裝角度下的經(jīng)濟(jì)效益分析見表1。
在不考慮后期維護(hù)成本的情況下，相較于最佳傾角安裝模式，平鋪模式的前期投入較大，但穩(wěn)定運(yùn)行后經(jīng)濟(jì)效益較高，同時(shí)對(duì)高效沉淀池內(nèi)藻類繁殖的抑制效果更好，因此最終將原有光伏組件的18°的安裝傾角設(shè)計(jì)為0°的平鋪模式。實(shí)體工程設(shè)計(jì)上，使用專用密封膠條對(duì)相鄰兩組光伏板之間的縫隙、相鄰兩組高效池之間專用運(yùn)維通道進(jìn)行密封，以達(dá)到整個(gè)高效沉淀池及V型濾池上方全覆蓋，有效遮擋陽光照射池內(nèi)水體。
高效沉淀池光伏系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)與實(shí)際效果見圖2。
自高效沉淀池分布式光伏以0°的角度安裝完成之后，池面漂浮的藻類基本消失，水下藻類生長繁殖速度明顯降低。
3.2 高效沉淀池氣沖反沖洗系統(tǒng)布置
常用高效沉淀池反沖洗方法有兩種，一種是水沖洗法，就是使水在整個(gè)高效沉淀池內(nèi)自下而上穿過斜管，將斜管內(nèi)外附著的藻類和附著污泥沖開，進(jìn)而達(dá)到?jīng)_洗目的；另一種是氣水聯(lián)合反沖洗法，即同時(shí)用空氣和水進(jìn)行混合反沖洗。前者設(shè)備簡單、操作方便，但用水量大、反沖洗時(shí)間長、效果不理想；后者設(shè)備投資大、費(fèi)用高、操作復(fù)雜，且時(shí)間長、氣水消耗量較大。
本研究為克服上述現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)，提出了一種高效沉淀池的氣體反沖洗方法，可減少設(shè)備投入、縮短沖洗時(shí)間、節(jié)能降耗且提高沖洗效果。具體思路為采用壓縮氣體從池底往上噴射時(shí)形成的沖擊氣流對(duì)高效沉淀池的斜管和池壁進(jìn)行沖洗，進(jìn)而將附著的藻類和污泥沖出，以恢復(fù)高效沉淀池斜管的過水能力。高效沉淀池單池尺寸為33.8m×31.75m×7.5m，該系統(tǒng)沖洗氣量為54m3/min。為保證反沖洗效果，目前系統(tǒng)設(shè)置為單次僅沖洗1/2池體，沖洗強(qiáng)度可達(dá)1.67L/（s·m2），沖洗時(shí)間為2~4min。當(dāng)藻類附著較多時(shí)可考慮重復(fù)沖洗，能極大改善沉淀效果。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程中，一般選擇合適氣源及氣源敷設(shè)施工最短線路進(jìn)行改造。二期工程使用V型濾池反沖洗風(fēng)機(jī)作為氣源，設(shè)置氣量調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門，減少管路開挖鋪設(shè)距離，自主編制自控程序和上位機(jī)畫面。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，整個(gè)氣體反沖洗由主管、支管、穿孔氣管組成，其中主管上設(shè)置電動(dòng)閥，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率控制沖洗氣體的輸出量，氣體經(jīng)過主管引至各支管中，再由固定在支管上的穿孔氣管平均布置到池中。配套設(shè)計(jì)1套自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過在上位機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)定沖洗時(shí)間、風(fēng)機(jī)參數(shù)，點(diǎn)擊一鍵啟動(dòng)便可實(shí)現(xiàn)高效沉淀池自動(dòng)反沖洗。
高效沉淀池單體設(shè)計(jì)的氣沖管路布置和實(shí)際氣管布置效果見圖3。
整個(gè)穿孔氣管布置遵循斜向下八字型開孔方式，可減少對(duì)斜管的沖擊以保護(hù)斜管結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)高壓氣體緩沖減壓可形成更大氣泡以提高反沖效果。
在實(shí)際沖洗過程中，可關(guān)閉進(jìn)水閥門，同時(shí)通過放空或者排泥的方式將水位降至集水槽底部，防止氣體反沖的泥水由氣泡帶至下一工藝構(gòu)筑物，影響出水水質(zhì)。
整個(gè)高效沉淀池反沖洗系統(tǒng)控制見圖4。在實(shí)際自動(dòng)反沖洗過程中，通過控制空氣閥門對(duì)高效沉淀池斜管進(jìn)行分步?jīng)_洗，并根據(jù)生產(chǎn)工藝實(shí)際情況在觸摸屏或上位機(jī)上對(duì)沖洗時(shí)間、停止時(shí)間及沖洗周期等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后即可自動(dòng)運(yùn)行。
4、結(jié)論
污水處理廠一般采用斜管沉淀池作為深度處理單元，普遍會(huì)遇到斜管上沉積的化學(xué)污泥或藻類難以清理的問題。從“光伏+反洗”復(fù)合工藝對(duì)高效沉淀池的除藻效果來看，總體運(yùn)行效果比較理想，其中光伏板遮陽有效避免了陽光直射，氣體反沖洗則對(duì)斜管附著藻類有較好的清除效果，最終兩種控制措施的相互結(jié)合極大提高了處理效率，具有較高的推廣價(jià)值。
①除藻作用。高效沉淀池“光伏+反洗”復(fù)合工藝運(yùn)行以來，池內(nèi)藻類滋生情況基本消失，在抑制藻類繁殖、保證斜管不積泥、無藻類附著、保持斜管沉淀效果等方面作用明顯。
②經(jīng)濟(jì)效益。高效沉淀池“光伏+反洗”復(fù)合工藝帶來的經(jīng)濟(jì)效益主要有三個(gè)方面：一是減少了因頻繁放空高效沉淀池而耗費(fèi)的人力物力。二是降低了各種藥劑的投加量，其中混凝劑鐵鹽投加量由20mg/L降為18mg/L，年消耗量降低約424t；次氯酸鈉消毒劑投加量由20mg/L降為19mg/L，年消耗量降低約212t；藥劑使用成本共降低約34.8萬元/a。三是光伏電站長達(dá)25年的運(yùn)行周期也為廠區(qū)提供了部分穩(wěn)定的電力供應(yīng)，可節(jié)省電費(fèi)成本約38.0萬元/a。（來源：中原環(huán)保股份有限公司）
