黑臭水體治理智能水質凈化設備設計及運行分析*

林佩斌，尹 娟，郜銀梁，王 瀾，許 洋，張 揚

(深圳市廣匯源環境水務有限公司，廣東 深圳 518011)

2015年國務院發布的《水污染防治行動計劃》對黑臭水體問題提出明確要求，到2020年，我國地級及以上城市建成區黑臭水體均控制在10%以內；到2030年，城市建成區黑臭水體總體得到消除。治理城市黑臭水體、恢復水體生態環境已迫在眉睫。深圳市強力推進治水提質攻堅戰，要求2019年底前，全面消除全市所有黑臭水體；2020年，全市所有水體實現長治久清。

20世紀90年代，日本小島昭教授將碳纖維置于活性污泥中，發現其能吸附大量的微生物[1]，碳纖維由此開始應用于污水處理領域。目前國內對碳纖維技術的研究主要集中在掛膜速度及生物量[2]、組合工藝[3-4]、優化工藝參數[5]、不同填料類型對污染物的處理效果[6]等方面。此外，碳纖維也應用于河道、湖庫等自然水體中。姚理為等[7]利用碳纖維處理北京朝陽區清河河水，結果表明碳纖維生物膜對富營養化水體藻類的增殖有明顯的抑制作用。李蘭等[8]利用改性后的碳纖維處理武漢東湖水體，結果顯示經過4 d的凈水處理，水質從劣Ⅴ類上升為Ⅳ類。成豪[9]利用碳素纖維生態草對小型封閉地表水進行凈化處理，結果表明碳素纖維生態草對水質有一定的改善和保持作用，COD去除率達71%。近幾年，碳纖維的應用領域已從市政生活污水推廣至河道、湖泊和小微水體，但碳纖維作為模塊化應用于黑臭水體治理的研究還鮮有報道。

本文采用模塊化碳纖維與曝氣技術聯用設計黑臭水體治理智能水質凈化設備。該設備具有投資成本少、運行費用低、無二次污染、處理效果好、操作簡單等優點，能夠為黑臭水體治理工作提供技術支持。

1 設計工藝流程及特點

1.1 工藝流程

黑臭水體治理智能水質凈化設備由進水系統、處理系統、遠程管理系統、曝氣系統、排泥系統等構成。首先黑臭水體經過進水系統后流入處理系統，經處理后從出水系統排出，同時采用在線監測設備對進水、出水和處理系統中的水質指標進行監測，并利用遠程管理系統對水質進行遠程監控以及數據采集分析和預警。在黑臭水體治理智能水質凈化設備啟動時，通過曝氣系統向處理系統中鼓入空氣，增加水體中的溶解氧濃度；當處理系統中污泥濃度較高時，啟動排泥系統將多余的污泥排出，具體工藝流程見圖1。

圖1 黑臭水體治理智能凈化設備處理工藝流程

1.2 主要處理單元

1.2.1 進、出水系統

進水系統由潛污泵、電磁流量計、PVC管組成。通過泵將黑臭水體提升至處理系統中，通過PLC控制系統調節電磁流量計來控制進水流量。潛污泵的流量為30 m3/h，揚程為10 m，功率為2.2 kw；PVC管管徑為DN65。出水系統由PVC管組成，管徑為DN150，設備運行過程中通過處理系統的出水口自流排出。

1.2.2 處理系統

處理系統由處理池、設備間、曝氣管、風機、PLC控制系統等組成。主體設備材質為防腐處理后的碳鋼，利用加強筋強化承力，內設5格，編號分別為1#、2#、3#、4#和5#，其中1#為設備間，尺寸長×寬×高為1 m×2.7 m×3 m，主要用于放置風機、PLC等設備；剩余4格為處理池，每格大小長×寬×高均為2 m×2.7 m×3 m，用于處理黑臭水體。

每格處理池之間過水采用對角流方式避免短流，頂部進水頂部出水，過水口尺寸為300 mm×150 mm；4格處理池底部均設有排泥口并安裝曝氣盤。每格處理池內均放置1個碳纖維模塊，其中碳纖維密度為2.5根/m2，每根長為2 m。

1.2.3 遠程管理系統

遠程管理系統主要由在線監測儀器、數據采集傳輸設備和遠程管理軟件等組成。首先通過在線監測設備檢測設備的水質，然后將水質數據通過傳輸設備上傳至遠程管理軟件中，最后利用遠程管理軟件實施數據和設備的管理。遠程管理系統具有數據傳輸、數據存儲、數據分析、報警提示等功能。

在線監測儀器包括pH、溶解氧、COD、NH3-N、TN和TP，用于監測黑臭水體治理智能凈化設備的水質。遠程管理軟件對上傳的實時數據進行分析，同時針對異常情況發送報警提示。

1.2.4 曝氣系統

曝氣系統由風機、曝氣管道、變頻器、閥門等組成。每格處理池底部安裝有等量的曝氣盤，曝氣盤通過曝氣管道和閥門等連接至風機。風機風量為3.76 m3/min，功率為7.5 kW，采用一用一備放置于1#設備間內；變頻器用于調節風機頻率，控制處理池中溶解氧濃度。

1.2.5 排泥系統

排泥系統由處理池底部排泥口、排泥管、閥門組成。每格處理池底部均設有一個排泥口，直徑為DN50。定期開啟閥門將設備中污泥排出處理系統。

2 結果與討論

本設備于2019年11月啟動，進水為某河道應急水質處理站細格柵出水，進水水質如表1所示。采用好氧池活性污泥進行掛膜，掛膜期間設備運行參數如表2所示。掛膜期間設備對COD、氨氮、總氮和總磷的去除效果如圖2所示。

表1 進水水質

表2 設備運行參數

從圖2可以看出，投加活性污泥7 d后，出水COD濃度降至50 mg/L以下，去除率為50%～80%；9 d后氨氮濃度降至1.5 mg/L以下，去除率為95%以上；總氮濃度為25～35 mg/L，去除率為10%左右；總磷濃度降低至2 mg/L以下，去除率為60%～90%。這可能是由于在第7 d之前，異氧好氧菌生長處于適應期和對數增長期階段；第9 d之前自養硝化菌生長處于適應期和對數增長期階段，之后兩種微生物生長量均達到最大，處于穩定期。四種污染物去除效果均趨于穩定，說明掛膜基本完成，異氧好氧菌和自養硝化菌生長良好，由于設備內未設置缺氧區，溶解氧濃度較高使反硝化菌受到抑制，導致出水總氮濃度較高；同時在好氧條件下，聚磷菌大量吸收水中磷，通過排泥系統排出，使得出水總磷濃度低于進水濃度，達到去除水體中磷的目的。

目前，關于碳纖維與曝氣組合工藝，國內大部分學者主要集中于處理富營養化水體[7-8]、微污染水體[10]等營養物質濃度較低水體的研究，應用于河道應急水質處理站廢水處理的研究還鮮有報道。余恒等[11]采用碳纖維與曝氣組合工藝處理黑臭河水，結果表明在設備容積為500 L，處理水量為30 L/d的條件下，當進水COD濃度為93.88 mg/L、氨氮濃度為20.7 mg/L，總磷為2.24 mg/L左右時，出水COD濃度為21 mg/L、氨氮濃度為0.2 mg/L，總磷為0.214 mg/L，經計算，該工藝對COD、氨氮和總磷的去除負荷分別為4.37 mg/(L·d)、1.23 mg/(L·d)和0.12 mg/(L·d)。本文設計的黑臭水體治理智能水質凈化設備處理黑臭水體，經計算，對COD、氨氮、總氮和總磷的去除負荷分別為50～200 mg/(L·d)、22.5～36.5 mg/(L·d)、2.5～3.5 mg/(L·d)和3～9.5 mg/(L·d)，處理效果高于余恒等人的研究結果，這可能是由于兩者使用的碳纖維種類和密度不同導致的。

圖2 對污染物的去除效果

3 結 論

黑臭水體治理智能水質凈化設備由進水系統、處理系統、遠程管理系統、曝氣系統、排泥系統等構成，采用模塊化碳纖維與曝氣技術組合工藝處理黑臭水體。在進水水質波動較大的情況，進水COD、氨氮、總氮和總磷濃度分別為100～250 mg/L、24～38 mg/L、28～42 mg/L和5～11.5 mg/L，出水水質基本穩定，COD、氨氮和總磷濃度分別低于50 mg/L、1.5 mg/L、和2 mg/L，具有良好的抗沖擊負荷能力。由于設備內未設置缺氧區，對總氮的去除效果較差，出水總氮濃度為20～35 mg/L。該設備對COD、氨氮、總氮和總磷四種污染物的去除負荷分別為50～200 mg/(L·d)、22.5～36.5 mg/(L·d)、2.5～3.5 mg/(L·d)和3～9.5 mg/(L·d)。該設備具有投資成本少、運行費用低、無二次污染、處理效果好、遠程管理簡便等優點，可應用于對總氮去除要求不高的河道、湖泊和小微水體等水體的治理。