UNITANK工藝處理城市污水工程實踐

馮 凱 杭世珺
(北京市市政工程設(shè)計研究總院)

　　摘要：UNITANK工藝是比利時SEGHERS公司自1987年提出一種新穎的活性污泥法工藝，它集中了傳統(tǒng)活性污泥法和SBR的優(yōu)點，處理單元一體化，經(jīng)濟、運轉(zhuǎn)靈活，在歐洲及亞洲已有近二百座此種工藝的污水處理廠建成。

　　石家莊高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)污水處理廠（以下簡稱石家莊高新區(qū)污水處理廠）日處理污水10萬噸，采用比利時政府混合貸款。經(jīng)過工藝方案比較和論證，結(jié)合貸款國技術(shù)特點，決定采用UNITANK工藝。這是此工藝在國內(nèi)（除澳門外）的首次應(yīng)用。該處理廠預(yù)計2001年底建成，屆時它將成為已建的、全世界最大規(guī)模的UNITANK污水處理廠。

1.　UNITANK工藝介紹

1.1　基本構(gòu)造
　　 UNITANK又稱交替式生物處理池，其基本單元是由三個矩形池組成（A,B,C池），相鄰池通過公共墻開洞或池底渠連通。三個池中都安裝有曝氣系統(tǒng)，可以是微孔曝氣頭、表曝機或潛水曝氣機；外側(cè)兩個池（A和C池）設(shè)有固定式出水堰及剩余污泥排放裝置，他們交替作為曝氣池和沉淀池，中間的池子（B池）只能作為曝氣反應(yīng)池。另外，污水通過閘門控制可以進入任意一個池子，采用連續(xù)進水，周期交替運行。如圖1－1所示。

圖 1-1 交替式生物池示意圖

1.2　運行方式
　　UNITANK運行按周期運行，一個周期包括兩個主階段和兩個中間階段。
　　第一主階段，污水首先進入A池，該池處于曝氣狀態(tài),因上個階段進行沉淀操作，積累了大量活性污泥，且濃度較高。進水與活性污泥混合，有機物被吸附，部分被降解?；旌弦豪^續(xù)流入B池，該池通常連續(xù)曝氣，有機物得到進一步的降解，同時在推流過程中，A池的活性污泥進入中間池，再進入C池，實現(xiàn)污泥在各池的重新分配。最后，混合液進入處于沉淀狀態(tài)的C池，進行泥水分離，處理后的出水通過出水堰排放，剩余污泥由該池排出。
　　中間階段的作用是完成曝氣池到沉淀池的轉(zhuǎn)換。在中間階段，污水進入B池，原出水側(cè)池仍處于沉淀出水狀態(tài)，另一側(cè)池開始進入沉淀狀態(tài)，為出水作準(zhǔn)備。
　　因為側(cè)池在曝氣狀態(tài)時，出水槽內(nèi)進滿泥水混合液，所以側(cè)池進入沉淀狀態(tài)后，開始的出水不能作為處理后的出水直接排放，需先沖洗排入處理系統(tǒng)，待出水澄清后,方可外排。
　　第二主階段，污水先進入C池，污水及混合液的流動方向與第一階段相反。

2.　石家莊高新區(qū)污水處理廠簡介

2.1　處理規(guī)模及進出水水質(zhì)
　　 石家莊高新區(qū)污水廠處理城市污水，設(shè)計處理污水量10萬噸/天，占地7.2公頃，污水處理廠進水水質(zhì)的主要指標(biāo)為：COD≤600mg/L, BOD₅≤400 mg/L，SS≤400mg/L；出水水質(zhì)要求：BOD₅≤30mg/l，SS≤30mg/l，COD≤120mg/l。
2.2　處理工藝流程
　　 原污水進入格柵間，在此攔截污水中飄浮物，由污水泵提升，經(jīng)細格柵進一步去除水中雜質(zhì)，進入沉砂池去除砂粒，然后進入UNITANK池，去除BOD₅等污染物，混合液經(jīng)沉淀分離，澄清液進入接觸池加氯消毒（季節(jié)性）后排入汪洋溝。剩余污泥經(jīng)污泥泵送至集泥池，經(jīng)機械濃縮脫水處理后，泥餅外運。工藝流程如圖2－1所示：

圖 2-1 工藝流程圖

2.3　主要工藝參數(shù)
　　 每組平均設(shè)計流量: 0.193m³/s
　　 組數(shù)： 　　6 組
　　 單組尺寸： 3－35×35×7
　　 有效水深： 6 米
　　 水力停留時間: 　　31.8hr(含沉淀時間)
　　 容積負荷： 0.45kgBOD/m³/d
　　 平均污泥濃度: 　　4000mg/l
　　 平均污泥負荷： 0.113kgBOD/kgMLSS/d
　　 沉淀池最大表面負荷： 0.74m³/m^2.h

3.　UNITANK工藝設(shè)計特點

3.1　池型的選擇及設(shè)計
　　UNITANK池通常設(shè)計成三個等尺寸的矩形池，根據(jù)兩側(cè)池出水堰的形式即單側(cè)堰或周邊堰出水，可決定池子是否為正方形。一般當(dāng)池子邊長較小時（小于25米），兩側(cè)池采用單側(cè)堰出水，池型可為長方形，池間連通采用池壁開洞方式，洞口在邊池(A和C池)一側(cè)加導(dǎo)流板，見圖3－1，目的是使進水沿池底流動，流態(tài)接近平流式沉淀池，導(dǎo)流板同時可防止中間池的曝氣干擾側(cè)池的沉淀。當(dāng)池子尺寸較大時，兩側(cè)池可采用周邊出水堰，池型為正方形，中間池的池間連通管出口設(shè)在側(cè)墻池底邊，兩側(cè)池的池間連通管出口設(shè)在池中心，外加穩(wěn)流筒，見圖1－1，出水沿池底流動，流態(tài)接近中心進水、周邊出水的輻流式沉淀池。

圖 3-1 側(cè)墻連通交替式生物池示意圖

　　石家莊高新區(qū)污水處理廠規(guī)模大，UNITANK池共為六個組，分三個系列，每個組由三個正方形反應(yīng)池組成，單池凈尺寸為長´寬´高=35´35´7m，有效水深6米。兩側(cè)池采用周邊堰出水。每組內(nèi)三個反應(yīng)池由池底渠道連通，兩側(cè)池的連通渠出水口位于池中心，設(shè)有穩(wěn)流筒，防止進水對沉淀污泥的擾動。
　　 此外，根據(jù)實際工程情況，中間池的尺寸可與兩側(cè)池的尺寸不同。當(dāng)進水污染物濃度較高時，整個池容較大，邊池（A和C池）的表面負荷可能過低，這樣會造成一定程度的浪費，因此可考慮適當(dāng)減小邊池（A和C池）的尺寸，加大中間池的容積，在保證處理效果的前提下，縮減部分投資。當(dāng)進水污染物濃度較低時，整個池容較小，邊池（A和C池）的表面負荷可能過高，可考慮采用適當(dāng)加大邊池（A和C池）的尺寸、減少中間池容積的辦法，降低邊池（A和C池）的表面負荷。
3.2　沖洗水系統(tǒng)的選擇和設(shè)計
　　 由于在曝氣階段，兩側(cè)池的出水堰內(nèi)進入了混合液，沉淀初期被污染的出水不能直接排放，需經(jīng)沖洗水系統(tǒng)外排。沖洗水排放系統(tǒng)一般有兩種形式。第一種，由電動閘門控制，沖洗出水經(jīng)管渠，排入處理廠進水泵房。該方法運行管理較簡單，不用添加設(shè)備，但對進水泵房會產(chǎn)生一定的水力沖擊負荷，如果UNITANK運行系列較多，運行時序岔開，那么沖擊負荷相對較低，對進水影響較小。第二種，由電動閘門控制，沖洗出水直接進入沖洗水池，池內(nèi)設(shè)潛水泵，將沖洗水送至中間池。該方法不會對進水泵房產(chǎn)生影響，但需加設(shè)沖洗水池和沖洗水泵，運行管理較復(fù)雜，如果UNITANK運行系列較少，該種方法較適合。
　　 石家莊高新區(qū)污水處理廠因規(guī)模大、系列多，因此沖洗水系統(tǒng)采用第一種形式，即沖洗水直接排至進水泵房。每組生物池中兩側(cè)池的出水均進入到中間池邊的一條公共出水渠道，該渠道上安裝兩臺電動閘門，具有兩種功能，分別作為出水渠道和沖洗水渠道使用。在沉淀出水的初期，公共渠道上的出水閘門關(guān)閉，沖洗水閘打開，沖洗水經(jīng)沖洗水管入廠區(qū)污水管，然后排入處理廠進水泵房。進水泵房的平均流量短時內(nèi)增加1/6。當(dāng)出水水質(zhì)正常時，打開出水閘門，關(guān)閉沖洗水閘，出水進入總出水管道排出處理廠。
3.3　曝氣系統(tǒng)的選擇和設(shè)計
　　 UNITANK工藝可以采用表面機曝氣和微孔器曝氣兩種形式。針對這兩種形式在UNITANK工藝中的特點作如下對比。

不同曝氣裝置用于UNITANK工藝的對比　表 3-1

項 目 表面曝氣機 微孔曝氣器 電 耗 高 低，不穩(wěn)定 曝氣系統(tǒng)工程造價 低10％～20％ 高 曝氣器充氧效率 低,穩(wěn)定 高,隨使用時間增長，效率逐漸降低 維修管理 電機維修在水面，不影響正常運轉(zhuǎn) 維修時需將全池放空,且隨運行時間加長,維修頻率提高 池底沉泥 極少 有，且不均勻 沉淀池表面負荷 一般較低 一般較高，需加設(shè)斜板沉淀，降低表面負荷。運行時斜板上容易孳生生物膜；維修曝氣頭時，需拆掉斜板。 缺氧/厭氧/好氧運行模式 開/關(guān)曝氣機，易操作 開/關(guān)單池曝氣管，會給其它池中曝氣頭帶來氣量沖擊，不易操作。

　　由表3－1可以看出，表面曝氣機更適合UNITANK工藝，如果工程占地允許，建議盡量采用表面曝氣機曝氣。
　　 石家莊高新區(qū)污水處理廠曝氣系統(tǒng)采用表曝機和潛水?dāng)嚢铏C相結(jié)合的方式。表曝機選用比利時AQUA公司生產(chǎn)的浮動式高速表曝機，它可以適應(yīng)因水流方向改變而造成的水面起落，運行可靠；另外其安裝簡單，只需纜繩固定。由于高速表曝機的電機直接驅(qū)動螺旋葉輪，不需要減速裝置，因此檢修量少，維護方便。
3.4　污泥排放系統(tǒng)的選擇和設(shè)計
　　 UNITANK工藝通常有兩種排放剩余污泥的方式，即連續(xù)排泥和間歇排泥。連續(xù)排泥是指在運行期間連續(xù)排放混合液，剩余污泥泵容量較低，基本不需要控制，但是由于剩余污泥濃度低，后續(xù)污泥濃縮脫水的負荷將會加大。間歇排泥是指在特定時段集中排泥，如在沉淀末期排泥，該方式剩余污泥泵容量較高，需要控制排泥時間及排泥閘，但該方式剩余污泥濃度較高，后續(xù)污泥濃縮脫水的負荷較低。
　　 石家莊高新區(qū)污水處理廠規(guī)模較大，泥量大，為了減少污泥處理部分的投資，剩余污泥采用間歇排泥方式，排泥時間設(shè)在沉淀后期。全廠共設(shè)兩座剩余污泥泵房，在污泥泵房內(nèi)共安裝污泥泵6臺，分別負責(zé)6組交替式生物處理池的排泥。每個污泥泵經(jīng)管道由電動閥門控制分別從處理單元中的2個沉淀池中抽泥，排泥時間設(shè)在沉淀后期。排泥管道按兩臺污泥泵同時工作設(shè)計。

4.　結(jié)語

　　UNITANK工藝據(jù)有獨特的優(yōu)點:
　　 第一，與傳統(tǒng)活性污泥法相比，可不設(shè)回流污泥系統(tǒng)及沉淀池刮泥機，投資低，同時由于設(shè)備種類較少，便于維護管理，降低了日常檢修費用；
　　 第二，根據(jù)進水水質(zhì)和出水水質(zhì)要求調(diào)整運行周期和時序，在曝氣期內(nèi)設(shè)置非曝氣階段，可形成厭氧、缺氧和好氧交替狀態(tài)，實現(xiàn)除磷脫氮功能，運轉(zhuǎn)靈活；
　　 第三，采用矩形池結(jié)構(gòu)，生物池共用隔墻布置，可節(jié)省土建費用和工程建設(shè)用地；
　　 第四，系統(tǒng)為連續(xù)運行，出水采用固定堰，不設(shè)浮動式潷水器，水面基本恒定，另外池中約有三分之二的設(shè)備同時運行，與SBR工藝相比，其容積和設(shè)備利用率高。
　　 UNITANK工藝雖有許多優(yōu)點，但也有一定的適用范圍。在選擇該工藝時應(yīng)該考慮以下問題：
　　 第一，進水BOD濃度較高時，建議考慮采用兩級UNITANK工藝。本文介紹的是單級UNITANK工藝，即進水只經(jīng)過一級生物池處理，當(dāng)進水水質(zhì)較高時，如BOD高于500mg/L時，可采用兩級UNITANK工藝，即用兩級生物池處理，第一級生物池按高負荷厭氧或好氧方式運行，第二級按低負荷好氧方式運行。目前，西格司公司已有兩級UNITANK工藝的工程業(yè)績。
　　 第二，出水水質(zhì)有除磷要求時，應(yīng)慎重考慮是否選用該工藝。該工藝除磷脫氮過程的原理是：通過在沉淀末期和曝氣期中間加入非曝氣攪拌期，形成缺氧和厭氧狀態(tài)，完成脫氮和生物除磷功能。但是，從實際運行看，很難形成生物除磷的理想狀態(tài)。因為，在非曝氣攪拌期，水中大量的硝酸鹽會消耗溶解性BOD，降低有效BOD/P比值；進水中溶解性BOD在生物池內(nèi)被大量稀釋，除磷菌可攝取的BOD量減少，在厭氧階段磷釋放不徹底，因此生物除磷功能很難保證。從工程業(yè)績看，西格斯公司自1987年至1997年已有187座該工藝處理廠投產(chǎn)，但無生物除磷記錄。所以，選擇該工藝生物除磷時應(yīng)慎重考慮。
　　 第三，處理水量過大時，應(yīng)充分考慮該工藝的復(fù)雜性。由于工藝運行、結(jié)構(gòu)設(shè)沉降縫和抗浮等原因的限制，處理池每格的尺寸宜控制在40×40米范圍內(nèi)。當(dāng)處理水量增加時，處理單元數(shù)也會增加，致使配水、出水、沖洗水和剩余污泥排放等設(shè)備隨著單元數(shù)而增加，大大提高了實際運行的復(fù)雜程度。從自動控制方面看，10萬噸/天處理規(guī)模的污水廠，氧化溝工藝的I/O數(shù)量只需1200點，而該工藝為3000點以上，隨著處理單元數(shù)量增加，其控制量也將成倍增加。所以，該工藝在規(guī)模較大處理廠應(yīng)用時，應(yīng)進行全面考慮。
　　 綜上所述，UNITANK工藝更適用于中小型污水處理廠，在一定的范圍內(nèi)，可以替代其它活性污泥法，有獨特的優(yōu)點，并具有較強的競爭力。