UNITANK工艺处理城市污水工程实践

UNITANK工艺处理城市污水工程实践

冯 凯 杭世珺
(北京市市政工程设计研究总院)

　　摘要：UNITANK工艺是比利时SEGHERS公司自1987年提出一种新颖的活性污泥法工艺，它集中了传统活性污泥法和SBR的优点，处理单元一体化，经济、运转灵活，在欧洲及亚洲已有近二百座此种工艺的污水处理厂建成。

　　石家庄高新技术产业开发区污水处理厂（以下简称石家庄高新区污水处理厂）日处理污水10万吨，采用比利时政府混合贷款。经过工艺方案比较和论证，结合贷款国技术特点，决定采用UNITANK工艺。这是此工艺在国内（除澳门外）的首次应用。该处理厂预计2001年底建成，届时它将成为已建的、全世界最大规模的UNITANK污水处理厂。

1.　UNITANK工艺介绍

1.1　基本构造
　　 UNITANK又称交替式生物处理池，其基本单元是由三个矩形池组成（A,B,C池），相邻池通过公共墙开洞或池底渠连通。三个池中都安装有曝气系统，可以是微孔曝气头、表曝机或潜水曝气机；外侧两个池（A和C池）设有固定式出水堰及剩余污泥排放装置，他们交替作为曝气池和沉淀池，中间的池子（B池）只能作为曝气反应池。另外，污水通过闸门控制可以进入任意一个池子，采用连续进水，周期交替运行。如图1－1所示。

图 1-1 交替式生物池示意图

1.2　运行方式
　　UNITANK运行按周期运行，一个周期包括两个主阶段和两个中间阶段。
　　第一主阶段，污水首先进入A池，该池处于曝气状态,因上个阶段进行沉淀操作，积累了大量活性污泥，且浓度较高。进水与活性污泥混合，有机物被吸附，部分被降解。混合液继续流入B池，该池通常连续曝气，有机物得到进一步的降解，同时在推流过程中，A池的活性污泥进入中间池，再进入C池，实现污泥在各池的重新分配。最后，混合液进入处于沉淀状态的C池，进行泥水分离，处理后的出水通过出水堰排放，剩余污泥由该池排出。
　　中间阶段的作用是完成曝气池到沉淀池的转换。在中间阶段，污水进入B池，原出水侧池仍处于沉淀出水状态，另一侧池开始进入沉淀状态，为出水作准备。
　　因为侧池在曝气状态时，出水槽内进满泥水混合液，所以侧池进入沉淀状态后，开始的出水不能作为处理后的出水直接排放，需先冲洗排入处理系统，待出水澄清后,方可外排。
　　第二主阶段，污水先进入C池，污水及混合液的流动方向与第一阶段相反。

2.　石家庄高新区污水处理厂简介

2.1　处理规模及进出水水质
　　 石家庄高新区污水厂处理城市污水，设计处理污水量10万吨/天，占地7.2公顷，污水处理厂进水水质的主要指标为：COD≤600mg/L, BOD₅≤400 mg/L，SS≤400mg/L；出水水质要求：BOD₅≤30mg/l，SS≤30mg/l，COD≤120mg/l。
2.2　处理工艺流程
　　 原污水进入格栅间，在此拦截污水中飘浮物，由污水泵提升，经细格栅进一步去除水中杂质，进入沉砂池去除砂粒，然后进入UNITANK池，去除BOD₅等污染物，混合液经沉淀分离，澄清液进入接触池加氯消毒（季节性）后排入汪洋沟。剩余污泥经污泥泵送至集泥池，经机械浓缩脱水处理后，泥饼外运。工艺流程如图2－1所示：

图 2-1 工艺流程图

2.3　主要工艺参数
　　 每组平均设计流量: 0.193m³/s
　　 组数： 　　6 组
　　 单组尺寸： 3－35×35×7
　　 有效水深： 6 米
　　 水力停留时间: 　　31.8hr(含沉淀时间)
　　 容积负荷： 0.45kgBOD/m³/d
　　 平均污泥浓度: 　　4000mg/l
　　 平均污泥负荷： 0.113kgBOD/kgMLSS/d
　　 沉淀池最大表面负荷： 0.74m³/m^2.h

3.　UNITANK工艺设计特点

3.1　池型的选择及设计
　　UNITANK池通常设计成三个等尺寸的矩形池，根据两侧池出水堰的形式即单侧堰或周边堰出水，可决定池子是否为正方形。一般当池子边长较小时（小于25米），两侧池采用单侧堰出水，池型可为长方形，池间连通采用池壁开洞方式，洞口在边池(A和C池)一侧加导流板，见图3－1，目的是使进水沿池底流动，流态接近平流式沉淀池，导流板同时可防止中间池的曝气干扰侧池的沉淀。当池子尺寸较大时，两侧池可采用周边出水堰，池型为正方形，中间池的池间连通管出口设在侧墙池底边，两侧池的池间连通管出口设在池中心，外加稳流筒，见图1－1，出水沿池底流动，流态接近中心进水、周边出水的辐流式沉淀池。

图 3-1 侧墙连通交替式生物池示意图

　　石家庄高新区污水处理厂规模大，UNITANK池共为六个组，分三个系列，每个组由三个正方形反应池组成，单池净尺寸为长´宽´高=35´35´7m，有效水深6米。两侧池采用周边堰出水。每组内三个反应池由池底渠道连通，两侧池的连通渠出水口位于池中心，设有稳流筒，防止进水对沉淀污泥的扰动。
　　 此外，根据实际工程情况，中间池的尺寸可与两侧池的尺寸不同。当进水污染物浓度较高时，整个池容较大，边池（A和C池）的表面负荷可能过低，这样会造成一定程度的浪费，因此可考虑适当减小边池（A和C池）的尺寸，加大中间池的容积，在保证处理效果的前提下，缩减部分投资。当进水污染物浓度较低时，整个池容较小，边池（A和C池）的表面负荷可能过高，可考虑采用适当加大边池（A和C池）的尺寸、减少中间池容积的办法，降低边池（A和C池）的表面负荷。
3.2　冲洗水系统的选择和设计
　　 由于在曝气阶段，两侧池的出水堰内进入了混合液，沉淀初期被污染的出水不能直接排放，需经冲洗水系统外排。冲洗水排放系统一般有两种形式。第一种，由电动闸门控制，冲洗出水经管渠，排入处理厂进水泵房。该方法运行管理较简单，不用添加设备，但对进水泵房会产生一定的水力冲击负荷，如果UNITANK运行系列较多，运行时序岔开，那么冲击负荷相对较低，对进水影响较小。第二种，由电动闸门控制，冲洗出水直接进入冲洗水池，池内设潜水泵，将冲洗水送至中间池。该方法不会对进水泵房产生影响，但需加设冲洗水池和冲洗水泵，运行管理较复杂，如果UNITANK运行系列较少，该种方法较适合。
　　 石家庄高新区污水处理厂因规模大、系列多，因此冲洗水系统采用第一种形式，即冲洗水直接排至进水泵房。每组生物池中两侧池的出水均进入到中间池边的一条公共出水渠道，该渠道上安装两台电动闸门，具有两种功能，分别作为出水渠道和冲洗水渠道使用。在沉淀出水的初期，公共渠道上的出水闸门关闭，冲洗水闸打开，冲洗水经冲洗水管入厂区污水管，然后排入处理厂进水泵房。进水泵房的平均流量短时内增加1/6。当出水水质正常时，打开出水闸门，关闭冲洗水闸，出水进入总出水管道排出处理厂。
3.3　曝气系统的选择和设计
　　 UNITANK工艺可以采用表面机曝气和微孔器曝气两种形式。针对这两种形式在UNITANK工艺中的特点作如下对比。

不同曝气装置用于UNITANK工艺的对比　表 3-1

项 目 表面曝气机 微孔曝气器 电 耗 高 低，不稳定 曝气系统工程造价 低10％～20％ 高 曝气器充氧效率 低,稳定 高,随使用时间增长，效率逐渐降低 维修管理 电机维修在水面，不影响正常运转 维修时需将全池放空,且随运行时间加长,维修频率提高 池底沉泥 极少 有，且不均匀 沉淀池表面负荷 一般较低 一般较高，需加设斜板沉淀，降低表面负荷。运行时斜板上容易孳生生物膜；维修曝气头时，需拆掉斜板。 缺氧/厌氧/好氧运行模式 开/关曝气机，易操作 开/关单池曝气管，会给其它池中曝气头带来气量冲击，不易操作。

　　由表3－1可以看出，表面曝气机更适合UNITANK工艺，如果工程占地允许，建议尽量采用表面曝气机曝气。
　　 石家庄高新区污水处理厂曝气系统采用表曝机和潜水搅拌机相结合的方式。表曝机选用比利时AQUA公司生产的浮动式高速表曝机，它可以适应因水流方向改变而造成的水面起落，运行可靠；另外其安装简单，只需缆绳固定。由于高速表曝机的电机直接驱动螺旋叶轮，不需要减速装置，因此检修量少，维护方便。
3.4　污泥排放系统的选择和设计
　　 UNITANK工艺通常有两种排放剩余污泥的方式，即连续排泥和间歇排泥。连续排泥是指在运行期间连续排放混合液，剩余污泥泵容量较低，基本不需要控制，但是由于剩余污泥浓度低，后续污泥浓缩脱水的负荷将会加大。间歇排泥是指在特定时段集中排泥，如在沉淀末期排泥，该方式剩余污泥泵容量较高，需要控制排泥时间及排泥闸，但该方式剩余污泥浓度较高，后续污泥浓缩脱水的负荷较低。
　　 石家庄高新区污水处理厂规模较大，泥量大，为了减少污泥处理部分的投资，剩余污泥采用间歇排泥方式，排泥时间设在沉淀后期。全厂共设两座剩余污泥泵房，在污泥泵房内共安装污泥泵6台，分别负责6组交替式生物处理池的排泥。每个污泥泵经管道由电动阀门控制分别从处理单元中的2个沉淀池中抽泥，排泥时间设在沉淀后期。排泥管道按两台污泥泵同时工作设计。

4.　结语

　　UNITANK工艺据有独特的优点:
　　 第一，与传统活性污泥法相比，可不设回流污泥系统及沉淀池刮泥机，投资低，同时由于设备种类较少，便于维护管理，降低了日常检修费用；
　　 第二，根据进水水质和出水水质要求调整运行周期和时序，在曝气期内设置非曝气阶段，可形成厌氧、缺氧和好氧交替状态，实现除磷脱氮功能，运转灵活；
　　 第三，采用矩形池结构，生物池共用隔墙布置，可节省土建费用和工程建设用地；
　　 第四，系统为连续运行，出水采用固定堰，不设浮动式滗水器，水面基本恒定，另外池中约有三分之二的设备同时运行，与SBR工艺相比，其容积和设备利用率高。
　　 UNITANK工艺虽有许多优点，但也有一定的适用范围。在选择该工艺时应该考虑以下问题：
　　 第一，进水BOD浓度较高时，建议考虑采用两级UNITANK工艺。本文介绍的是单级UNITANK工艺，即进水只经过一级生物池处理，当进水水质较高时，如BOD高于500mg/L时，可采用两级UNITANK工艺，即用两级生物池处理，第一级生物池按高负荷厌氧或好氧方式运行，第二级按低负荷好氧方式运行。目前，西格司公司已有两级UNITANK工艺的工程业绩。
　　 第二，出水水质有除磷要求时，应慎重考虑是否选用该工艺。该工艺除磷脱氮过程的原理是：通过在沉淀末期和曝气期中间加入非曝气搅拌期，形成缺氧和厌氧状态，完成脱氮和生物除磷功能。但是，从实际运行看，很难形成生物除磷的理想状态。因为，在非曝气搅拌期，水中大量的硝酸盐会消耗溶解性BOD，降低有效BOD/P比值；进水中溶解性BOD在生物池内被大量稀释，除磷菌可摄取的BOD量减少，在厌氧阶段磷释放不彻底，因此生物除磷功能很难保证。从工程业绩看，西格斯公司自1987年至1997年已有187座该工艺处理厂投产，但无生物除磷记录。所以，选择该工艺生物除磷时应慎重考虑。
　　 第三，处理水量过大时，应充分考虑该工艺的复杂性。由于工艺运行、结构设沉降缝和抗浮等原因的限制，处理池每格的尺寸宜控制在40×40米范围内。当处理水量增加时，处理单元数也会增加，致使配水、出水、冲洗水和剩余污泥排放等设备随着单元数而增加，大大提高了实际运行的复杂程度。从自动控制方面看，10万吨/天处理规模的污水厂，氧化沟工艺的I/O数量只需1200点，而该工艺为3000点以上，随着处理单元数量增加，其控制量也将成倍增加。所以，该工艺在规模较大处理厂应用时，应进行全面考虑。
　　 综上所述，UNITANK工艺更适用于中小型污水处理厂，在一定的范围内，可以替代其它活性污泥法，有独特的优点，并具有较强的竞争力。