庫爾勒市氧化塘工藝處理效果及相應改進措施

沈 志，安海燕，康 宏，徐 濤，鄭曉英，許 航

(1.新疆自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站，新疆烏魯木齊 830011;2.河海大學環(huán)境學院，江蘇南京 210098)

當城鎮(zhèn)無法從本區(qū)域找到合適水源，且又無法從別的區(qū)域調水時，城鎮(zhèn)生活污水的再生回用成為解決水資源短缺問題的有效途徑之一[1]。但傳統(tǒng)的污水處理回用技術投資成本大，運行費用高，即使在經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)也存在著“建得起，養(yǎng)不起”的問題，因此，需要尋求一種處理方法簡單、投資少、運行費用低的處理工藝[2-5]。采用氧化塘工藝處理城市和工業(yè)廢水，具有投資省、運轉費用低、性能穩(wěn)定、管理方便，能有效去除多種難降解有機物的優(yōu)點。氧化塘工藝比二級生物處理技術節(jié)省基礎設施建設投資1/5～1/3，運行維修費用僅為二級生物處理技術的1/20～1/10[6]。經(jīng)穩(wěn)定塘處理后的出水，一般能夠達到農(nóng)業(yè)灌溉用水的水質標準，并可充分利用污水的有機物和營養(yǎng)物資源來灌溉農(nóng)作物。但污水在穩(wěn)定塘停留的時間長，熱損耗大，故冬季污水處理效果下降的問題比其他生物處理工藝更為突出。國內外解決這個問題的通行辦法是采用“冬儲夏排”，即在整個冬季穩(wěn)定塘只起污水庫的作用，只進水不出水，待來年氣溫回升后再向外排放[7]。

新疆維吾爾自治區(qū)(以下簡稱新疆)城鎮(zhèn)污水處理廠共80座，其中二級污水處理廠20座，氧化塘60座(包括加強型氧化塘6座，坑塘型氧化塘54座)。氧化塘工藝在新疆地區(qū)污水處理中應用廣泛，污水經(jīng)過氧化塘處理后排入自然溝洼地，或自然滲漏，或蒸發(fā)，或進入灌區(qū)。本研究以新疆地區(qū)目前最大的一座氧化塘處理系統(tǒng)——庫爾勒市氧化塘處理系統(tǒng)為例，分析該塘2006—2010年近5 a的污水處理效果，并結合該塘相關問題，提出相應技術改進措施，以期為新疆地區(qū)氧化塘的設計和運行維護提供參考。

1 氧化塘工藝介紹

庫爾勒市新城區(qū)某氧化塘的設計規(guī)模為15萬m3/d，排水干管總長53.19 km，總有效容積為1 040萬m3，主要為庫爾勒新城區(qū)和高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)服務，是目前新疆最大的一座氧化塘。該氧化塘處理的污水主要來源于新疆博湖葦業(yè)有限責任公司、新疆泰昌公司漿粕廠、新疆富利達股份有限責任公司、新疆富倫化纖有限公司的工業(yè)廢水和庫爾勒新城區(qū)的生活污水，其中生活污水占20%，工業(yè)污水占80%。經(jīng)氧化塘處理后的污水主要用于下游3400 hm2的育林灌溉。

氧化塘工藝流程是:城市生活污水和氧化塘周邊的工業(yè)廢水自格柵間流入沉沙池，由污水泵抽入?yún)捬跆撂幚?，厭氧塘出水入Ⅲ級兼性塘進行處理，見圖1。

圖1 氧化塘工藝流程圖

1.1 格柵間

格柵間尺寸為 9.0 m ×6.0 m ×5.5 m，磚混結構。格柵間主要設置弧形格柵2套，間隙為20 mm，寬度為1 000 mm。為核算污水處理運行指標，設巴氏計量槽1套。

1.2 圓形沉沙池

設置2座圓形沉沙池，尺寸為直徑4.5 m，高3.5 m，鋼混結構。沉沙池又名比氏沉沙池或鐘式沉沙池，其除沙效率高，有機物帶出量少，污水停留時間為60 s，有效水深1.5 m。設置沉沙池、吸沙裝置及螺旋式沙水分離器2套。

1.3 塘區(qū)部分

1.3.1 厭氧塘(4座)

厭氧塘是以厭氧微生物為主的污水處理構筑物，主要設計參數(shù):有效水深3.5 m，污水停留時間7 d，單位面積 BOD5負荷為 2.8 g/(m2·d)，有機物去除率為40%，每組厭氧塘平面尺寸為220m×120m，每組池底設置污泥分隔墻，分段進出水。

1.3.2 兼性塘(4座)

兼性塘是以兼性微生物為主的污水處理構筑物，運行方式按結冰期與非結冰期兩種方式進行。主要設計參數(shù):有效水深2.0～2.5m，污水停留時間20 d，單位面積 BOD5負荷 9.3 kg/(m2·d)，有機物去除率為70%，每組兼性塘平面尺寸為:Ⅰ級兼性塘214 m×204 m，Ⅱ級和Ⅲ級兼性塘211 m×171 m。每組兼性塘池底設置污泥分隔墻，分段進出水。

2 氧化塘處理效果

2.1 對COD和BOD5的去除

由圖2(a)可知，從2006年開始，氧化塘進水中COD的質量濃度逐年升高:2006年進水COD的平均質量濃度為 357.9 mg/L，到 2010年達到 623.7 mg/L，超出設計范圍。出水中的COD質量濃度也隨之升高，2010年為234.5 mg/L，超出排放標準。從2006—2010年BOD5質量濃度的變化情況(圖2(b))可發(fā)現(xiàn)，進水中BOD5的質量濃度并未出現(xiàn)升高的趨勢，一直在145.9～202.6mg/L之間。由此可見，進水中有機物質量濃度升高，但水中可生物降解的有機物部分并沒有升高。根據(jù)巴州環(huán)境監(jiān)測站2009年的監(jiān)測結果，隨著庫爾勒經(jīng)濟的迅速發(fā)展，進入該氧化塘的廢水中的COD質量濃度為586mg/L。該氧化塘年處理廢水量為2678萬 t，其中生活污水僅有535.60萬t，約占處理水量的20%;而工業(yè)廢水年處理量為2142.40萬t，約占處理水量的80%，遠遠超出氧化塘起始設計的承受范圍。

圖2 2006—2010年氧化塘對COD和BOD5的處理效果

圖3(a)為該氧化塘2009年COD質量濃度和去除率的變化數(shù)據(jù)，進水中COD的質量濃度在1月份最高，為767 mg/L;在9月份最低，為478 mg/L;9月份COD的去除率最高，為72.2%，3月份COD的去除率最低，為55.1%。圖3(b)為2009年 BOD5質量濃度和去除率的變化數(shù)據(jù)，進水中BOD5的質量濃度在1月份最高，為239mg/L;在11月份最低，為159 mg/L;9月份 BOD5的去除率最高，為67.1%;1月份BOD5的去除率最低，為33.9%。從COD和BOD5的去除率來看，夏季5—9月最高，冬季低溫期去除率不高，廢水處理效果不好。BOD5的去除通常由有機顆粒沉降、表面吸附、微生物降解等多種過程的共同作用完成，因此BOD5的去除率受季節(jié)變化的影響較為明顯[8-9]。

圖3 2009年氧化塘對COD和BOD5的處理效果

2.2 對NH3-N和TN的去除

2.2.1 對NH3-N的去除

從圖4可以看出，2006—2010年該氧化塘進水中的NH3-N質量濃度波動不大，在49.6～61.7 mg/L之間，出水中的NH3-N質量濃度在44～56.6 mg/L之間，去除率整體上呈下降趨勢，2010年平均NH3-N去除率僅有4.3%。從圖5可知，2009年NH3-N的質量濃度在9月份最高，為68.7 mg/L;在3月份最低，為51.2 mg/L;9月份 NH3-N的去除率最高，為12.1%，3—7月出現(xiàn)出水中NH3-N質量濃度比進水高的現(xiàn)象，其中7月份出水中的NH3-N質量濃度比進水中的NH3-N質量濃度上升了5.5%。

2.2.2 對TN的去除

圖4 2006—2010年氧化塘對NH3-N的處理情況

圖5 2009年氧化塘對NH3-N的處理情況

2006—2010年，氧化塘進水中TN的質量濃度在61.3～69.1 mg/L之間，出水中TN的質量濃度在58.2～61.8 mg/L 之間，去除率在6%左右(圖6)。圖7為2009年該氧化塘對TN的處理情況，11月份進水中的TN質量濃度最高，為79.6mg/L;3月份最低，為 58.6 mg/L;9月份 TN的去除率最高，為14.5%;7月份出水中TN的質量濃度比進水中TN的質量濃度高2.9%。

圖6 2006—2010年氧化塘對TN的處理情況

圖7 2009年氧化塘對TN的處理情況

該氧化塘整體上對NH3-N和TN的去除率不高，甚至出現(xiàn)出水中NH3-N和TN的質量濃度會升高的現(xiàn)象。分析認為，主要是該氧化塘底部沉積了大量污泥，特別是水生植物在秋、冬腐爛時向氧化塘內釋放營養(yǎng)物[10-11]，而且由于冬季污染物的累積，氧化塘內水體顏色較深，影響植物的光合作用，導致池內供氧不足，硝化反應不充分(即使在碳源充足的情況下，也很難完成反硝化反應)，導致氧化塘對TN 的去除也不理想[12]。

2.3 對TP的去除

2006—2010年，該氧化塘進水中TP的質量濃度在6.5～7.9 mg/L之間，出水中TP的質量濃度在5.9～7.1 mg/L 之間，對 TP 的去除率在 10% 左右(圖8)。2009年進水中TP的質量濃度在9月份最高，為8.61 mg/L;在7 月份最低，為6.03 mg/L;9 月份TP的去除率最高，為39.3%;7月份出水中TP的質量濃度比進水中TP的質量濃度上升了18.6%(圖9)。

圖8 2006—2010年氧化塘對TP的處理情況

氧化塘運行過程中，水中的懸浮固體將產(chǎn)生污泥蓄積，這個問題若不能很好解決，會導致氧化塘容積減少，凈化效率降低，甚至不能正常運行的后果。我國大多數(shù)城市污水中揮發(fā)性懸浮固體成分所占比例較少(約為55% 左右，中小城鎮(zhèn)一般低于50%，而國外可達75%以上)，其原因是城市的植被覆蓋率低，地面的塵土、垃圾等在風力和降雨的沖刷作用下，大量進入排水管道及溝渠中，最終流入氧化塘系統(tǒng)，致使氧化塘普遍存在污泥蓄積速度較快、塘齡較短的問題。

圖9 2009年氧化塘對TP的處理情況

從對庫爾勒市新城區(qū)某氧化塘的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，部分時期出水中氮、磷的質量濃度比進水中氮、磷的質量濃度高，反映出塘內積累了大量污泥，內源釋放的問題較突出。氧化塘池底有機物含量遠遠高于水中溶解性有機物含量，導致氧化塘底質經(jīng)常發(fā)生惡化的現(xiàn)象，尤其多年未清塘的氧化塘，由于淤泥過多，氧化分解消耗掉氧化塘底層本來并不多的氧氣，造成氧化塘底部呈缺氧/厭氧狀態(tài)。在此情況下，厭氧性細菌大量繁殖，有機質厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生很多還原性中間產(chǎn)物，導致特別是夏季兼性塘附近有難聞的異味[13]。加上新疆風沙較多，長期積累的風沙使氧化塘有效容積減少。設計的厭氧塘污水停留時間為7 d，兼性塘設計的污水停留時間為20 d，而厭氧塘滿負荷運行時污水停留時間為4 d左右，兼性塘污水停留時間為14 d左右，這也是影響該氧化塘污水處理效果的主要因素[14]。

3 改進措施

由于進入該氧化塘的廢水80%以上是工業(yè)廢水(主要是新疆博湖葦業(yè)和新疆泰昌公司漿粕廠污水)，進水中污染物質量濃度嚴重超標，超過《污水進入城市下水管道水質標準》近10倍，使氧化塘長期超負荷運行，氧化塘處理后的出水水質嚴重超標，無法綜合利用，并已對該區(qū)域地表水和地下水造成一定程度的污染。因此，首先應該加強環(huán)境監(jiān)督與管理，要求各企業(yè)增設污水預處理設施，使其出水水質滿足污水進網(wǎng)要求。同時，針對該氧化塘存在工業(yè)廢水過多、積泥嚴重和散發(fā)臭味等問題，可結合排水現(xiàn)狀，通過增加污水預處理設施、改進現(xiàn)行氧化塘工藝、冬季增加保溫措施等手段，提高出水水質。

3.1 改進厭氧塘污水處理技術

厭氧塘底部污泥中存在大量厭氧菌、兼氧菌及產(chǎn)甲烷菌的菌膠團和真菌、原生動物，使污泥易厭氧分解?？稍谔羶人型斗爬w維填料床，以擴大微生物棲息場所，增加微生物與污水的接觸機會，強化生物絮凝、吸附和分解等過程，進一步去除水中溶解性和膠態(tài)有機物。

3.2 改進兼性塘污水處理技術

可在兼性塘中增設曝氣裝置和回流設施。在兼性塘中增設曝氣裝置，可提高水中的溶解氧。氧化塘中溶解氧的主要來源包括光合作用下水中藻類放氧和大氣通過氣水界面向塘中復氧。白天日照時，水體上層的藻類通過光合作用產(chǎn)氧，而夜晚時藻類光合作用停止，溶解氧達到最低點。另外，當氣溫低時，水生植物生長緩慢，光合作用速率降低，其相應的產(chǎn)氧速率下降，嚴重影響塘中溶解氧濃度的升高。所以兼性塘溶解氧有隨水深變化、晝夜變化、季節(jié)變化而變化的特點，且變化幅度較大。兼性塘在冬季和夜晚由于溶解氧低，廢水處理效果明顯下降。增設曝氣裝置后，可以保證水中有較為穩(wěn)定的溶解氧濃度，從而能使兼性塘保持較好的廢水處理效果。同時，將曝氣設備置于串聯(lián)兼性塘的第Ⅰ、Ⅱ級塘內，創(chuàng)造良好的好氧環(huán)境，以有利于微生物快速降解有機物。增氧后的混合液進入后續(xù)兼性塘，有利于兼性塘中水生植物及藻類的繁殖，發(fā)揮菌藻共生系統(tǒng)的降解功能。通過增設回流污水管道，可稀釋進水中污染物濃度，而增設曝氣裝置可使水中保持較高的溶解氧，這些措施能較好解決氧化塘越冬的問題。

在兼性塘分層種植水生植物，可增強兼性塘的生態(tài)凈化能力。許多水生植物具有良好的攝取氮、磷營養(yǎng)成分的能力，可較好處理城市的高濃度氮磷污(廢)水。在兼性塘的水層內部種植沉水植物金魚藻，表層種植鳳眼蓮，深水種植水葫蘆，可充分發(fā)揮水生植物的協(xié)同代謝作用，達到去除污染物的目的。據(jù)文獻[15]報道，水生植物鳳眼蓮對污水的凈化效率很高，水葫蘆根系特別發(fā)達，懸浮水中達20～30 cm，是很好的吸附和固定微生物的生物載體。在兼性塘內分層種植水生植物，可形成空間凈化群體，增強生物吸附、富集和凈化能力。定期撈取水生植物，還可以將其作為肥料或飼料。

3.3 增加冬季保溫措施

溫度對氧化塘的污水處理效果影響很大。為了保證寒冷地區(qū)氧化塘正常運行，可將農(nóng)用塑料大棚作為氧化塘保溫設施，在塑料大棚內可利用污水的余熱保溫。

4 結語

2006—2010年，庫爾勒城區(qū)氧化塘系統(tǒng)進水中主要污染物質量濃度逐年上升，出水中主要污染物質量濃度也隨之上升，且出水水質隨季節(jié)波動較大，冬季出水的部分水質指標不能確保達標。2009年該氧化塘對COD、BOD5、NH3-N、TN和TP的最高去除率分別為 72.2%、67.1%、12.1%、14.5% 和 39.3%。針對氧化塘內積累大量污泥，經(jīng)常發(fā)生底質惡化現(xiàn)象，建議通過增加污水預處理設施、改進現(xiàn)行氧化塘處理工藝、冬季增加氧化塘保溫措施等手段，以提高氧化塘污水處理效果，改善氧化塘出水水質。

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