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，它集中了傳統活性污泥法和SBR的優點，處理單元一體化，經濟、運轉靈活，在歐洲及亞洲已有近二百座此種工藝的污水處理廠建成。

　　石家莊高新技術產業開發區污水處理廠（以下簡稱石家莊高新區污水處理廠）日處理污水10萬噸，采用比利時政府混合貸款。經過工藝方案比較和論證，結合貸款國技術特點，決定采用UNITANK工藝。這是此工藝在國內（除澳門外）的首次應用。該處理廠預計2001年底建成，屆時它將成為已建的、全世界最大規模的UNITANK污水處理廠。

1.　UNITANK工藝介紹

1.1　基本構造
　　 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，可以是微孔曝氣頭、表曝機或潛水曝氣機；外側兩個池（A和C池）設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,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。混合液繼續流入B池，該池通常連續曝氣，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，實現污泥在各池的重新分配。最后，混合液進入處于沉淀狀態的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換。在中間階段，污水進入B池，原出水側池仍處于沉淀出水狀態，另一側池開始進入沉淀狀態，為出水作準備。
　　因為側池在曝氣狀態時，出水槽內進滿泥水混合液，所以側池進入沉淀狀態后，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，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.　石家莊高新區污水處理廠簡介

2.1　處理規模及進出水水質
　　 石家莊高新區污水廠處理城市污水，設計處理污水量10萬噸/天，占地7.2公頃，污水處理廠進水水質的主要指標為：COD≤600mg/L, BOD₅≤400 mg/L，SS≤400mg/L；出水水質要求：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，經細格柵進一步去除水中雜質，進入沉砂池去除砂粒，然后進入UNITANK池，去除BOD₅等污染物，混合液經沉淀分離，澄清液進入接觸池加氯消毒（季節性）后排入汪洋溝。剩余污泥經污泥泵送至集泥池，經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
　　 每組平均設計流量: 0.193m³/s
　　 組數： 　　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工藝設計特點

3.1　池型的選擇及設計
　　UNITANK池通常設計成三個等尺寸的矩形池，根據兩側池出水堰的形式即單側堰或周邊堰出水，可決定池子是否為正方形。一般當池子邊長較小時（小于25米），兩側池采用單側堰出水，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)一側加導流板，見圖3－1，目的是使進水沿池底流動，流態接近平流式沉淀池，導流板同時可防止中間池的曝氣干擾側池的沉淀。當池子尺寸較大時，兩側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在側墻池底邊，兩側池的池間連通管出口設在池中心，外加穩流筒，見圖1－1，出水沿池底流動，流態接近中心進水、周邊出水的輻流式沉淀池。

圖 3-1 側墻連通交替式生物池示意圖

　　石家莊高新區污水處理廠規模大，UNITANK池共為六個組，分三個系列，每個組由三個正方形反應池組成，單池凈尺寸為長´寬´高=35´35´7m，有效水深6米。兩側池采用周邊堰出水。每組內三個反應池由池底渠道連通，兩側池的連通渠出水口位于池中心，設有穩流筒，防止進水對沉淀污泥的擾動。
　　 此外，根據實際工程情況，中間池的尺寸可與兩側池的尺寸不同。當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　沖洗水系統的選擇和設計
　　 由于在曝氣階段，兩側池的出水堰內進入了混合液，沉淀初期被污染的出水不能直接排放，需經沖洗水系統外排。沖洗水排放系統一般有兩種形式。第一種，由電動閘門控制，沖洗出水經管渠，排入處理廠進水泵房。該方法運行管理較簡單，不用添加設備，但對進水泵房會產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，池內設潛水泵，將沖洗水送至中間池。該方法不會對進水泵房產生影響，但需加設沖洗水池和沖洗水泵，運行管理較復雜，如果UNITANK運行系列較少，該種方法較適合。
　　 石家莊高新區污水處理廠因規模大、系列多，因此沖洗水系統采用第一種形式，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閉，沖洗水閘打開，沖洗水經沖洗水管入廠區污水管，然后排入處理廠進水泵房。進水泵房的平均流量短時內增加1/6。當出水水質正常時，打開出水閘門，關閉沖洗水閘，出水進入總出水管道排出處理廠。
3.3　曝氣系統的選擇和設計
　　 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，不穩定 曝氣系統工程造價 低10％～20％ 高 曝氣器充氧效率 低,穩定 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 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/關曝氣機，易操作 開/關單池曝氣管，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。
　　 石家莊高新區污水處理廠曝氣系統采用表曝機和潛水攪拌機相結合的方式。表曝機選用比利時AQUA公司生產的浮動式高速表曝機，它可以適應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　污泥排放系統的選擇和設計
　　 UNITANK工藝通常有兩種排放剩余污泥的方式，即連續排泥和間歇排泥。連續排泥是指在運行期間連續排放混合液，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，后續污泥濃縮脫水的負荷較低。
　　 石家莊高新區污水處理廠規模較大，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，排泥時間設在沉淀后期。全廠共設兩座剩余污泥泵房，在污泥泵房內共安裝污泥泵6臺，分別負責6組交替式生物處理池的排泥。每個污泥泵經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，排泥時間設在沉淀后期。排泥管道按兩臺污泥泵同時工作設計。

4.　結語

　　UNITANK工藝據有獨特的優點:
　　 第一，與傳統活性污泥法相比，可不設回流污泥系統及沉淀池刮泥機，投資低，同時由于設備種類較少，便于維護管理，降低了日常檢修費用；
　　 第二，根據進水水質和出水水質要求調整運行周期和時序，在曝氣期內設置非曝氣階段，可形成厭氧、缺氧和好氧交替狀態，實現除磷脫氮功能，運轉靈活；
　　 第三，采用矩形池結構，生物池共用隔墻布置，可節省土建費用和工程建設用地；
　　 第四，系統為連續運行，出水采用固定堰，不設浮動式潷水器，水面基本恒定，另外池中約有三分之二的設備同時運行，與SBR工藝相比，其容積和設備利用率高。
　　 UNITANK工藝雖有許多優點，但也有一定的適用范圍。在選擇該工藝時應該考慮以下問題：
　　 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，即進水只經過一級生物池處理，當進水水質較高時，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工藝的工程業績。
　　 第二，出水水質有除磷要求時，應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，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。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，但無生物除磷記錄。所以，選擇該工藝生物除磷時應慎重考慮。
　　 第三，處理水量過大時，應充分考慮該工藝的復雜性。由于工藝運行、結構設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。當處理水量增加時，處理單元數也會增加，致使配水、出水、沖洗水和剩余污泥排放等設備隨著單元數而增加，大大提高了實際運行的復雜程度。從自動控制方面看，10萬噸/天處理規模的污水廠，氧化溝工藝的I/O數量只需1200點，而該工藝為3000點以上，隨著處理單元數量增加，其控制量也將成倍增加。所以，該工藝在規模較大處理廠應用時，應進行全面考慮。
　　 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，可以替代其它活性污泥法，有獨特的優點，并具有較強的競爭力。