兴平市污水处理厂VT深井曝气工艺的设计与运行
陕西省兴平市位于渭河流域以北，全市日均污水排放量约为10×104m3，其中城区排放量为5×104m3／d。该市工业比较发达，城区工业日均用水量占全市日均用水总量的84％，城市污水中工业废水的比例超过50％，污水水质复杂，处理难度较大。
针对该污水特性以及节能降耗的污水处理可持续发展思路，兴平市城市污水处理厂(5×104m3／d)引进了加拿大VERTREATTM(简称VT)深井曝气工艺。
1工程概况
1．1设计进、出水水质
经前期的调查取样及有关要求，确定了该市城区污水进水水质。出水水质需达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的二级标准。设计进、出水水质见表1。
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1．2工艺流程
污水处理整体工艺流程见图1。
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污水通过管道从污水渠引入厂内，经粗格栅去除粗大悬浮物后进入提升泵房，提升泵房中安装的在线pH计和COD检测仪实现对进水的水质监控。提升泵房出水通过潜水泵提升至细格栅，以进一步去除污水中粒径较小的悬浮物，然后自流进入旋流沉砂池进一步去除粒径＞0．2 mm的砂粒后，自流入分水槽，再进入VT反应器进行生化处理。
生化部分为两套独立的VT系统，并联运行，单套系统包括VT深井反应器1座，配套气浮澄清池8座，顶部池1座，进水混合池8座，污水处理能力为25 000 m3／d。
原水经分水槽均分后，自流入进水混合池中，污水和回流污泥进行充分混合后通过进水管自流入深井反应器中部进水点。深井反应器中曝气系统为超深水高压曝气，所曝空气既可满足微生物新陈代谢需氧，又对污水产生气提作用，使反应器内的环形空间(见图2中所示区域2)中产生约60倍于进水流量的上升水量，上升水流到达反应器顶部池进行废气的脱除，脱气后的污水又沿井内中心套筒下降到达反应器反应区进行生物降解。
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深井反应器出水经设在井底的出水管靠井内压力自流人后续气浮池进行泥水分离。分离出的浓缩污泥经过气浮池上的刮渣、刮泥机收集以25％进水流量的回流比进入进水混合池，剩余污泥通过螺杆泵输送至贮泥池，进行脱水外运。气浮池上清液为达标后的出水，气浮池分离的污泥含固率为4％，一部分回流至反应器，一部分进入后续脱水机房。
2主体设备及运行参数
2．1 主体设备
2．1．1预处理系统
①粗格栅井1座，尺寸为8．0 m×3．0 m×4．5 m，钢混结构。配置粗格栅除污机2台(1用1备)，成套钢结构设备。格栅间距为20 mm，额定流量为2 900 m3／h，单台功率为1．5 kW。配套污泥破碎传送机1台，功率为1．5 kW。
②进水潜水泵3台(2用1备)，流量为1 400m3／h，扬程为130 kPa，功率为75 kW。潜水泵对进厂污水进行一次提升，后续流程均为自流。
③细格栅井1座，尺寸为4．5 m×3．0 m×4．5 m，钢混结构。配置细格栅除污机2台，成套钢结构设备。格栅间距为5 mm，额定流量为1450m3／h，单台功率为2 kW。配套污泥破碎传送机1台，功率为1．5 kW。
④旋流沉砂池2座，钢混结构。主体尺寸为Ø3．2 m×7 m。
2．1．2生物处理部分(VT工艺)
①深井反应器系统
反应器系统主要包含生物氧化深井反应器和除气设备顶部池。
VT深井反应器2座。钢结构井筒，外包250～350 mm厚混凝土，单井尺寸为Ø3．2 m×92 m，有效容积为520 m3。内设氧化区、混合区和深度氧化区三个独立的功能区，包括中心套筒下降区，中心套筒与井筒之间形成的环形空间上升区，开口管式曝气装置以及进料管道和出水管道。反应器上部为一级氧化区，主要用于对污水进行“粗”处理以去除污水中大部分有机物；一级氧化区下部为混合区，泥水在此区域内充分混合，有效强化泥水传质；反应器底部为深度氧化区，此区域内的高溶解氧使污水得以深度处理，保证出水水质。
顶部池2座。钢混结构，单池尺寸为21 m×7m×7 m。内设脱气板，环形空间出水管。环形空间的提升水通过顶部池进人中心套筒，然后进入反应器内部进行生物降解，并且生化过程产生的废气在此池内收集。
②气浮池泥水分离部分
气浮澄清池16座。尺寸为24 m×6 m×4 m，钢混结构。内设混凝反应区及刮渣、刮泥机。刮渣、刮泥机设置变频驱动设备，根据污泥浓度控制刮板转速，达到维持污泥浓度的目的(设计正常刮板速率为0．4 m／min)，刮渣、刮泥机驱动电机功率各为0．75 kW。深井反应器出水自流进入气浮池，在气浮池内实现泥水分离及污泥浓缩，气浮池主要去除污水中的SS。
③进水混合池污泥回流部分
进水混合池16座，钢混结构，与气浮澄清池共壁合建。池体尺寸为2．18 m×6 m×3．1 m。进水混合池既是VT反应器的进水池又是回流污泥的进泥池。污水与污泥充分混合后的泥水混合液自流进入VT反应器中的设计，缩短了工艺流程，强化了泥、水传质作用。
④空压机房
空压机房装配螺杆式空压机5台(4用1备)。4台运行空压机中，每2台为一组，分别对单个深井反应器曝气。每组空压机中1台连续供气，另1台装配截流阀可根据反应器出水中DO浓度实现对截流阀的PLC自控，进而控制空气流量，节省电力消耗。生化系统(2口井)总平均功率为254 kW，总需气量为1 700 m3／h。
2．2运行参数
工艺主体运行参数见表2。
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3 VT系统特点
反应器部分：在高水压条件下氧气传导率高达86％以上；反应器内污水整体呈环形循环流态，在反应区和提升区又分别呈紊流和推流流态；反应器内部存在高压、高溶氧的环境，能对难降解有机物进行深度降解；反应器潜置于地下100 m左右处，不会因北方冬季气候寒冷而影响出水水质或导致污泥膨胀等；用于深井曝气的空气在反应器内起到供氧、搅拌、气提、加压溶气等作用，做到“一气多用”，从而大大减少能量消耗；反应器20年不打开、不维修。
污泥浓缩及重力回流部分：VT反应器出水包括脱除废气的顶部出水与含过饱和气体的底部出水两部分，混合出水进入气浮池后，污水中所含的过饱和气体以细小的气泡形态释放并粘附于SS上，对其产生气浮浓缩作用，浓缩后污泥含固率达到4％，SS去除率＞99％；分离出来的污泥通过收集实现重力回流进入混合池，与原水混合后自流返回至反应器内。
整体系统特点：处理5×104m3／d废水的VT系统占地面积为4400 m2；系统在较短的流程内实现对污水COD、BOD、NH3一N、P及SS的同步去除；系统的空气需求量小而使泡沫的产生大为减少，同时，由于没有开放的曝气池及污水处理过程基本发生在地下，系统向大气中排放的VOCs很少，环境影响小；VT系统实现了高自动化，并减少了操作、值守人员，降低了成本。VT系统平面布置图见图3。
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4实际运行效果
根据连续一周的实际检测，进、出水水质情况见表3。
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由表3可见，该工艺对COD、BOD5、TSS、油类、粪大肠菌群数、色度的去除率分别为82．3％、85．2％、82．4％、80．2％、69．6％、50％。各项出水数据均优于设计标准，达到一级B标准。
运行费用包括电费以及人工费用。
①电费：该工艺VT部分电耗为0．79 kW&S226;h／kgBOD5，处理吨水电耗为0．12 kW&S226;h。整体厂区总平均功率为404 kW，折合处理吨水电耗为0．19kW&S226;h。以当地电价为0．38元／(kW&S226;h)计，则处理吨水电费为0．072元。
②人工费：全厂配员16人，以人均工资为1 500元／月计，折合吨水处理成本为0．016元。
单位污水处理运行费用总计为0．088元／m3。
5技术探讨
最初国内深井曝气工艺由于其对难降解有机物的高效降解能力而用于工业废水的处理，但由于早期的深井曝气工艺设计粗糙，未能充分挖掘其潜力，同时又受限于当时的钻井技术等而没有被广泛使用。加拿大公司针对深井反应器的特点对深井曝气工艺进行了技术革新和工艺改造，经过二十多年的商业化运作至今将其发展成为具有占地省、处理能力强、能耗低、环境效益好、工艺精简、管理操作方便、不需维护等优势的成熟工艺[1、2]。而深圳市蓝凤凰环保科技有限公司在引进这一技术的过程中已逐步将工艺的主要设备国产化，从而大大降低了技术成本。目前该工艺的总投资比有些传统工艺低，结合能耗及维护等综合考虑，该工艺应用前景广阔。
①占地省
根据城市污水处理工程项目建设标准，处理量为(5～10)×104m3／d的污水处理厂占地标准应为0．85～0．70 m2／(m3&S226;d)，即5×104m3／d的污水处理厂占地约3．5 hm2，而兴平污水处理厂占地仅为2．3 hm2，其中还包括了大面积的绿化地带(绿化率为35％)，构筑物和设施的占地仅1．3 hm2，远远低于国家建设标准。
②运行费用低
根据城市污水处理工程项目建设标准，二级污水处理厂处理电耗应为0．15～0．28 kW&S226;h／m3，BOD5电耗应为1．5～2．0 kW&S226;h／kgBOD5。而兴平污水处理厂的电耗为0．12 kW&S226;h／m3，BOD5电耗为0．79 kW&S226;h／kgBOD5。
③节能分析
a．空压机功率小
VT系统的气水比为0．8︰1(需气量为1 700m3／h)，而常规工艺的气水比为10︰1。在其他处理条件相同的情况下，常规工艺所需气量为VT工艺的12．5倍，而VT工艺采用空压机将气体通入水下约90 m深处，出气压力为1．05 MPa，传统工艺一般约为0．1 7 MPa。根据可压缩流体动力学方程[3]计算得知，在曝气量及其他环境条件相同的情况下，水下90 m深处曝气所需电量是水下7 m处曝气所需电量的5．6倍。而由于常规工艺的曝气量约为VT工艺的12．5倍，故VT工艺比常规工艺省电近一半。
b．提升泵房电耗
低兴平污水处理厂沉砂池流人VT反应器进水口水位为3．4 m；气浮澄清池的出水水位为3．6 m。即VT工艺污水处理厂的沉砂池水位与出水水位基本持平，这是目前任何其他工艺都无法做到的，即使目前较为先进的BAF工艺其沉砂池与出水水位之差也需2～3 m。根据水泵的功率公式N=Q&S226;H／102η，兴平污水处理厂VT工艺至少可节省水泵提升电耗(12～18)×104kW&S226;h／a。
c．污泥回流电耗低
VT系统污泥从气浮澄清池回流到反应器内是靠自流，不用污泥回流泵。其他工艺的污泥回流比为0．25～0．5，若扬程以10 kPa计，则VT工艺污泥回流可省电(1．5～3)×104kW&S226;h／a。
④主体反应器20年不需维修
VT深井反应器内无活动零部件，仅为管道布置。反应器20年内不必开井维修，大大节省了人力、物力及财力，同时也不会因反应器的故障而影响生产。
⑤环境效益好
按国家相关职业法规规定，在污水处理厂工作的员工都有相应的健康补助，这主要是由于在一般污水处理厂内空气中都存在大量危害人们身体健康的病菌和VOCs。首先是由于传统的曝气池面积较大，污水与空气接触面积也非常大，加之传统工艺所需曝气量又非常大，因而污水中有大量的病菌和VOCs进入空气中。而VT工艺污水处理厂则很好地解决了这一问题：深井反应器取代传统大面积的曝气池，且反应器上方有构筑物将其封闭起来，将井内的废气收集起来统一进行排放或处理后排放；另外VT工艺所需曝气量为传统工艺的1／6，大大减少了废气的排放。这也是VT工艺在日本等发达国家非常受欢迎的重要原因之一。
⑥降解能力强
VT工艺的曝气口位于反应器内底部，在这种高压的条件下，氧在污水中的溶解度和穿透能力都大幅增加，同时增强了微生物的活性，强化了对污水中COD的降解能力。根据有关环保部门对该污水处理厂的监测数据，平均出水COD为43 mg/L。
参考文献：
[1] 郑道才，冯生华，蒋惠敏．VERTREAT污水处理工艺几点优势[J]．中国市政工程，2002，(4)：33–34．
[2] 冯生华，黄晓东，蒋惠敏．一种占地小耗电少的污水处理污泥处理新工艺[J]．给水排水，2001，27(12)：14–16．
[3] Metcalf ＆ Eddy，Inc．废水工程：处理与回用I (第4版)[M]．北京：清华大学出版社，2003．
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