深井曝气作为一项高效好氧活性污泥法污水处理工艺技术,由于它采用潜置在地下的深井反应器,提高了反应器内氧气溶解度,延长污水与空气的接触时间,大大提高氧利用效率。反应器外部温度恒定不受气温影响,一年四季都可维持较利于微生物生长的温度;反应器的结构还实现了混合液搅拌、推流、气提及作为后续气浮澄清池的溶气等,一气多用,气浮浓缩后的污泥借助液体密度自动回流,降低了能源消耗,节省运行电费,在美国等多国得到广泛应用,国内在咸阳、青岛也已有成功应用的实例。根据深井曝气的技术原理,该技术也同样可以用于城镇污水处理厂污泥的好氧消化稳定处理。

　　 由于深井曝气工艺用于污泥的好氧消化需要一定的深井条件,国内外对这项研究的成果不多。加拿大某公司曾在美国西雅图进行过深井曝气的试验研究,试验结果证明深井好氧消化后的污泥可以达到美国EPA规定的A级生物固体标准。国内也有环保公司对此工艺进行过小试并申请了专利,但至今还未见有采用深井曝气处理城镇污水处理厂污泥的生产性试验。

　　 中铁一局水务事业部在研究了国内外自热高温好氧消化工艺(ATAD:autoheated thermophilic aerobic digestion)处理污泥技术的基础上,2012年完成了用深井反应器进行污泥好氧消化工艺的小试、中试,并于同年11月设计,在兰州盐场污水处理厂建成直径1 000mm、深60m的工程井,2013年8月开始进行污泥自热高温好氧消化的生产性试验。试验结果表明在污泥有机物浓度50%左右、温度小于10℃的情况下,自热好氧消化反应温度可以稳定在45℃以上,实现了污泥的中、高温消化,处理后污泥中VSS降解≥40%,达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中污泥稳定化的要求。

　　 系统主要包括均质池、深井反应器、气浮池、储泥池及后续带式脱水机,深井反应器供气系统为3台螺杆空压机和1台储气罐,工艺流程见图1。

　　 深井曝气反应器由两部分组成,地上部分是直径4 200mm、高2 400mm的钢制顶部池,地下部分是直径1 000mm、深度60m的钢制深井,反应器外设置厚200mm泡沫混凝土保温层。反应器具体尺寸见图2。

　　 反应器深井部分主要由一个主体钢筒和与其同心、直径为其一半的中心套筒组成;主体钢筒和中心套筒在其上部与置于地面上的顶部池相连;一个环状曝气装置安装于主体钢筒内,位置在中心套筒以下一段区域,主体钢筒反应器的底部另设盘式曝气管;在反应器中心套筒与主体钢筒形成的环形空间里,设置有进泥管口;在反应器底部设置有出泥管道。反应器最显著特征是利用地下垂直的反应空间代替传统地上式的曝气池,用结构组件进行水力分区。污泥混合液在反应器内流态分成两种:中心套筒与主体钢筒之间的环形空间为内循环区,污泥的好氧消化主要在这一区域进行;环状曝气装置以下部分为推流区,是污泥深度氧化区。反应器利用其深度形成的“高压曝气”代替传统常压曝气以获得更高的氧气传导率;推流区还利用微生物内源呼吸产生的CO₂作为溶气对出料污泥进行固液分离。

　　 试验时间为2014年5月13日~2015年4月5日。试验分二阶段进行。

　　 第一阶段采用人工调配污泥,污泥含固率4%,有机物含量60%左右,在污泥停留时间分别为13天、10天、8天的半连续运行试验中,对污泥中VSS的去除率和反应器污泥温度进行考查,结果表明温度最高达到52℃,基本达到了试验设计的高温要求。

　　 第二阶段采用七里河污水处理厂有机组分为50%的污泥,污泥含固率控制在4%,处理流量6.5m³/d,停留时间10天,经过近一个月的运行,污泥中有机物的去除率稳定在40%左右,最高达到54.29%;反应器污泥温度最高达到52℃(见表1)。

　　 深井反应器的优点是仅以满足细胞自身氧化的需气量为动力,通过导流装置引导,形成气液混合物在井内总体有序循环的,在对污泥进行好氧消化的同时完成对污泥混合物的推流和搅拌,一气多用,它的能耗比ATAD采用的污泥循环回流混合系统要小。本次试验对试验条件下电能消耗的测定也证明了这一点。在反应温度维持45℃的情况下,考查VSS去除率和电能消耗情况,结果表明单位VSS去除电耗为5.2kW·h/kg VSS;反应器运行的电功率287 W/m³(详见表2)。

　　 (1)工程试验发现井内设施的相对几何尺寸对反应器内污泥混合物的流动特性和处理效果影响很大。井内升流区的高度、井顶部气液分离区的构型和环流反应区污泥混合物的速度控制等,直接影响污泥好氧消化的效果,设备结构尚有较大的调整空间,若采用新型井内混合控制器对井内流态控制优化后可以大大提高反应器的性能,降低单位VSS去除电耗和反应器运行的功率,井内停留时间降低至4~6天是完全可能实现的。

　　 (2)本次试验在未对污泥中有机物好氧氧化释放的代谢热回收的情况下,反应器温度就已达50℃以上,若进行热能回收后,深井反应系统完全可以实现污泥自热好氧稳定和无害化。这次工程试验因为受试验设备结构条件的限制,最终虽未能实现污泥的高温消化和无害化处理,但已表现出了较低的能耗和对污泥中VSS较强的降减能力。

　　 (3)本试验因设计所限未能对处理前后污泥脱水性能变化进行比较,但从加拿大某公司的研究结论得知,由于深井曝气排泥工序的固液分离采用了气浮浓缩工艺,可以获得95%以上的污泥俘获率,极大地提高了污泥的脱水性能,使用较少的混凝剂就可以通过离心分离得到含固率30%以上的泥饼。

　　 中铁一局水务事业部在兰州盐场污水处理厂工程试验结果表明:在污泥有机物浓度50%左右,温度小于10℃的情况下,深井好氧消化反应温度可以稳定在45℃以上,最高达到52℃;有机物去除率稳定在40%以上,最高达到54.29%,实现了污泥的中、高温消化。污泥中VSS去除率达到GB 18918-2002的污泥稳定化标准。在反应温度维持在45℃的情况下,单位VSS去除电耗5.2kW·h/kg VSS;反应器运行的电功率287 W/m³。在进行优化设计和热能回收后,深井反应系统完全可以实现污泥自热好氧稳定和无害化。整个工艺流程运行管理方便、操作灵活、投资小,对于处理量较小的城镇污水处理厂将是一种有发展前途和有效实用的污泥稳定和处理技术。