沈鴻瀅，郭 玉，王艷英，沈艷濤

(1.北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京 100176;2.北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100044)

高原高寒區(qū)主要包括青海省、四川省西南部、云南省西部和西藏自治區(qū)，與我國東部平原地區(qū)相比具有海拔高、氣壓低、空氣中含氧量低等特點，這些地區(qū)的部分城市平均海拔高度在2200 m以上，有些城市甚至達(dá)到3 000 m以上。由于海拔高、氣壓低、溫差大、年平均氣溫低，因此這些地區(qū)建設(shè)污水處理廠對污水處理技術(shù)有特殊要求，一般可選用曝氣生物濾池、生物接觸氧化法、活性污泥和生物膜法等工藝。昌都污水處理廠是世界首座高原污水處理廠，它的建立和運行為保護(hù)瀾滄江流域的水環(huán)境、建設(shè)高海拔城鎮(zhèn)污水處理廠起到了示范作用。玉樹污水處理廠是世界海拔最高的污水處理廠，目前日處理能力已達(dá)1.5萬t。高原地區(qū)污水處理廠的相繼建立，將對改善高原地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量，鞏固污染防治與生態(tài)保護(hù)效果，確保西藏經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展有著重大的意義。

1 案例一

1.1 工程概況

昌都污水處理項目(如圖1)，由一座污水處理廠、三座提升泵站、25 km雨污管網(wǎng)、21座公廁等組成，日污水處理能力(含污泥消化和沼氣利用)為近期0.9萬 t，遠(yuǎn)期 1.8萬 t。2006年 7 月開工建設(shè)，2008年8月7日昌都污水處理廠試運行，出水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 18918—2002中一級B標(biāo)準(zhǔn)。2009年5月污泥處理及沼氣利用系統(tǒng)試運行后也保持良好運轉(zhuǎn)，污泥處理各項指標(biāo)達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 運行情況

昌都污水處理廠處理能力在6 000 t/d左右，截止2011年4月30日，共處理生活污水572萬m3，出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放，處理污水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B標(biāo)準(zhǔn)。外運干污泥2 268 m3、柵渣225 m3至垃圾填埋場處理，少量干污泥用于廠區(qū)綠化施肥。

圖1 昌都污水處理廠Fig.1 Changdu Sewage Treatment Plant

表1 昌都污水處理廠處理水量及COD去除率Tab.1 Treatment Capacity and Removal Rate of COD of Changdu Sewage Treatment Plant

1.3 運行工藝

昌都污水處理廠利用活性污泥法處理污水，污水處理設(shè)備是利用生物化學(xué)技術(shù)處理的完全自動化設(shè)備，把高濃度的污水利用循環(huán)原理處理變成干凈的水再次利用。

廠區(qū)包括四個處理單元:機(jī)械處理、生物處理、污泥處理和臭氣處理。機(jī)械處理單元主要將進(jìn)廠污水中的大塊懸浮、漂浮狀的污物阻截，并使砂料與污水分離，為預(yù)處理階段。生物處理單元采用活性污泥生物處理工藝，水力停留時間為8 h，污泥齡為25 d，好氧池主要控制指標(biāo)有:MLSS為2 500～3000 mg/L、SV 為20% ～25%、DO 為2.5 ～3.5 mg/L，出水水質(zhì)達(dá)到國家一級B類標(biāo)準(zhǔn)。污泥處理單元將每天剩余污泥及初沉池污泥進(jìn)行濃縮進(jìn)入消化池，并向污泥加熱經(jīng)中溫消化產(chǎn)生沼氣降解有機(jī)物，進(jìn)入后濃縮池的污泥在脫水機(jī)房做脫水處理，制成泥餅，日產(chǎn)污泥為3.0 m3。臭氣處理單元處理能力30 000 m3/h。

污泥消化處理是昌都污水處理廠的亮點之一，也是運行難點之處。據(jù)悉，我國現(xiàn)有運行的城市污水處理廠約3 000座，僅有59座設(shè)計了污泥消化系統(tǒng)。昌都污水處理廠設(shè)備管理得當(dāng)，污泥經(jīng)過厭氧消化后，不僅滿足了污泥減量、穩(wěn)定、無害的要求，同時又產(chǎn)生了可利用的沼氣。并對產(chǎn)生的污泥經(jīng)過厭氧中溫消化、脫水處理，最后填埋。

1.4 問題及方案

1.4.1 存在問題

冬季運行期間因污水溫度較低，最低時僅有2～3℃，而設(shè)計正常處理水溫為12～35℃，造成氨氮、總氮等處理指標(biāo)部分超標(biāo)。污泥量少，加之污水溫度很低，最低只有3℃左右，要保證污泥消化所需的溫度非常困難。人為因素和外部環(huán)境造成污水管道內(nèi)進(jìn)入大量泥砂、衣物等雜物，加劇了潛水泵葉輪及相關(guān)設(shè)備的磨損。鼓風(fēng)機(jī)受高原因素影響導(dǎo)致機(jī)頭高溫，時而造成故障停機(jī)。

1.4.2 解決方案

進(jìn)入冬季后，采取減少排泥量，提高污泥濃度、溶解氧，保持較低污泥負(fù)荷，達(dá)到硝化作用，盡量提高冬季運行時氨氮的去除效果。采取了將污泥循環(huán)管道保溫、延長污泥攪拌時間、提高污泥濃度等措施，有效保證了產(chǎn)生的沼氣基本上能滿足污泥消化對溫度的需求，節(jié)省了大量的電耗和油耗。在泵站粗格柵后安裝了細(xì)格柵，投運后極大地改善了泵及后續(xù)工藝設(shè)備的運行工況。為解決鼓風(fēng)機(jī)高溫停機(jī)問題，2011年5月重新更換適合高原運行的機(jī)頭并進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造。對產(chǎn)生臭氣較多的預(yù)、后濃縮池等環(huán)節(jié)，則采取了加蓋措施，既滿足了冬季安全運行，又阻止了臭氣向周邊擴(kuò)散。

2 案例二

2.1 工程概況

青海省玉樹州結(jié)古鎮(zhèn)污水處理廠地處高原，是目前世界上海拔最高的污水處理廠(見圖2)。玉樹屬高原大陸性季風(fēng)氣候，全年無四季之分，只有冷暖兩季之別，沒有絕對的無霜期。冷季由青藏高原冷高壓所控制，風(fēng)大、干燥、氣溫低，長達(dá)7～8個月;暖季受印度洋暖流的影響，又具有半濕潤氣候特征，降雨量多且集中，比較濕潤，只有4～5個月。據(jù)玉樹氣象站資料，玉樹地區(qū)年平均日照時數(shù)為2 496.4 h，年總輻射量為6 245 MJ/m2，均大于同緯度的東部地區(qū);玉樹地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍深為1.04 m，冰凍期達(dá)225 d。夏日最高氣溫34.6℃，冬日最低氣溫－24.7℃。年平均降雨量為658.9 mm，最大凍結(jié)深度為1.1 m，海拔高度為3 666 m。

結(jié)古鎮(zhèn)污水處理廠一期工程規(guī)模為1.5萬m3/d，二期工程規(guī)模為2.5萬m3/d。這座海拔3 800 m的污水處理廠一期工程已經(jīng)投入使用。

圖2 玉樹污水處理廠Fig.2 Yushu Sewage Treatment Plant

2.2 運行工藝

玉樹污水處理廠采用A/A/O工藝，在該工藝流程內(nèi)，BOD5、SS和以各種形式存在的氮和磷將一一被去除。在A/A/O生物脫氮除磷系統(tǒng)的活性污泥中，菌群主要由硝化菌和反硝化菌、聚磷菌組成。在好氧段，硝化細(xì)菌將入流中的氨氮及有機(jī)氮氨化成的氨氮，通過生物硝化作用，轉(zhuǎn)化成硝酸鹽;在缺氧段，反硝化細(xì)菌將內(nèi)回流帶入的硝酸鹽通過生物反硝化作用，轉(zhuǎn)化成氮氣逸入到大氣中，從而達(dá)到脫氮的目的;在厭氧段，聚磷菌釋放磷，并吸收低級脂肪酸等易降解的有機(jī)物;而在好氧段，聚磷菌超量吸收磷，并通過剩余污泥的排放，將磷除去。

1.4.2 提取溫度對樹舌靈芝多糖提取率的影響。準(zhǔn)確稱取6份質(zhì)量相同的3.0 g靈芝干粉末，按樹舌靈芝粗多糖提取工藝流程進(jìn)行操作，按液料比 45∶1加入蒸餾水，設(shè)置提取溫度分別為50、60、70、80、90、100 ℃，浸提2 h，提取3次。根據(jù)所測吸光度考察提取溫度對樹舌靈芝多糖提取率的影響。

工藝流程如圖3所示。

圖3 玉樹污水處理廠工藝流程圖Fig.3 Process Flow Diagram of Yushu Sewage Treatment Plant

2.3 問題及方案

2.3.1 施工過程

由于冬季低溫、高寒、缺氧，因此在污水廠土建施工過程中應(yīng)注意冬季保溫材料的選用，處于室外的設(shè)備及材料等應(yīng)加設(shè)保溫材料。管道應(yīng)埋設(shè)于滿足實際要求的凍土層以下，注意管道的保溫，有條件時可以考慮在輸水管線上增設(shè)事故溢流井，在突發(fā)管道凍脹或破裂時可以應(yīng)急使用，防止污水外泄。埋設(shè)設(shè)備基礎(chǔ)的預(yù)埋件時盡量不要在冬季施工。墻、地面盡量不要在冬季氣溫較低時鋪設(shè)砂漿、勾縫、抹灰等，防止脫落。采用水泥砂漿上抹灰等外墻裝飾平涂做法時容易造成墻體外表面脫落，因此可考慮在外墻涂抹仿石涂料做法，防止外墻皮脫落，但也應(yīng)考慮到此種做法使墻面從外觀上看與藏族地區(qū)建筑風(fēng)格有出入。為保證建、構(gòu)筑物內(nèi)地面在檢修、清掃及運行操作過程地面完好無損，同時滿足清理方便的要求，可考慮在地面鋪裝地磚。

2.3.2 設(shè)備保障

高、低配電柜系統(tǒng)在缺氧情況下易出現(xiàn)散熱性差、高原缺氧降效問題，在電氣設(shè)備的控制箱、柜等處可加設(shè)進(jìn)氣、排氣孔、排風(fēng)扇等散熱裝置。鼓風(fēng)機(jī)等工藝設(shè)備，應(yīng)考慮適合高原、缺氧環(huán)境條件下，設(shè)計合適的冷卻方式，否則高原條件下氣壓低會導(dǎo)致壓縮比降低，鼓風(fēng)機(jī)機(jī)頭過熱，機(jī)頭內(nèi)潤滑油變性，潤滑性能降低，機(jī)頭軸承被損壞?？刹捎闷渌麄魉头绞饺缙鲃踊蚣哟箅姍C(jī)功率等辦法解決。泵站處由于外管線如進(jìn)入垃圾等硬質(zhì)物體，將導(dǎo)致水泵葉輪損壞，此種情況可以在水泵前端加裝細(xì)格柵。由于高原地區(qū)氧含量僅為平原地區(qū)的60%左右，且高原地區(qū)氣壓較低，因此一些分析儀表等設(shè)備在靠壓力作用時不能達(dá)到要求，如溶解氧測定儀等采用薄膜法方式工作的儀表應(yīng)改用其他類型的儀表，例如可采用熒光法溶解氧測定儀。在線監(jiān)測儀表等由于長期浸沒于污水中，易出現(xiàn)被污染導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確等問題，因此可考慮要求類似儀表帶自動清洗等功能，特別是溶解氧測定儀。由于冬季溫度較低，在事故排出口加工一翻板，當(dāng)有水流時翻板自動開啟排水，無水時翻板關(guān)閉，這樣可以解決室內(nèi)保溫問題，不至于從事故排出口進(jìn)風(fēng)，加此裝置可防風(fēng)倒灌，有防風(fēng)、保溫的作用。冬季運行時主要考慮保溫、加熱設(shè)備，可考慮選用常見的保溫材料，如棉門簾、毛毯等。同時在各種泵體的軸、桿等部位纏電熱絲帶保溫，在格柵部加電暖氣防止結(jié)冰等多種措施。設(shè)置時間繼電器。可以考慮在部分運行設(shè)備上加裝時間繼電器，這樣可以根據(jù)合理的設(shè)置設(shè)備運行、操作時間，準(zhǔn)確無誤的對設(shè)備進(jìn)行啟動和關(guān)閉。

2.3.3 工藝運行

玉樹污水處理廠運行時，可以借鑒近似環(huán)境條件下污水處理廠生物培養(yǎng)的運行、培養(yǎng)參數(shù)。為了盡快培養(yǎng)活性污泥，可從附近污水處理廠取活性污泥進(jìn)行接種，這樣將大大提高污泥培養(yǎng)效果，并減少培養(yǎng)馴化時間。在冬季污水量較少時通過加大污泥回流比、增加污泥濃度等方法保證活性污泥的處理效果，盡量提高冬季運行中氨氮的去除率。冬季運行時可以考慮將部分不運行構(gòu)筑物泄空，如水量較小時要防止曝氣系統(tǒng)凍脹、凍裂。冬季污水流量減少時生物池采用間歇式運行。

3 高原和平原地區(qū)污水處理廠曝氣量計算對比［1］

由于高原和平原地區(qū)存在海拔差異，因此污水處理廠計算曝氣量時就要根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的計算方法。

由于高原地區(qū)大氣壓和空氣中氧含量低，因此對污水處理廠的鼓風(fēng)供氣量影響較大，若工程設(shè)計中計算不當(dāng)，可能會影響污水處理廠的正常運轉(zhuǎn)。高原地區(qū)當(dāng)?shù)卮髿鈮号c標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相差較大，計算清水表面飽和溶解氧濃度Csm值則是按當(dāng)?shù)卮髿鈮河嬎愕男拚?，計算公式見?5):

式中Cs——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時清水的飽和溶解氧濃度值，mg/L;

EA——曝氣裝置的氧利用率;

ρ——壓力修正系數(shù);

Csm——溫度為T、實際計算壓力條件下，曝氣裝置在水下深度處至水面的清水平均飽和溶解氧濃度，mg/L;

Csw——清水表面處飽和溶解氧濃度，mg/L;

Ot——曝氣池逸出氣體中含氧量百分率，%;

21——空氣中含氧量體積百分率，%;

Pb——安裝曝氣裝置處的絕對壓力，Kg/cm2。

Pa——所在地區(qū)的大氣壓力;

H——曝氣池中曝氣裝置位置處距水面的距離，設(shè)計中可取曝氣池有效水深，m

例:某污水處理廠生物池采用鼓風(fēng)曝氣、微孔曝氣器，曝氣器安裝深度H=4.5 m，其氧利用率為EA=23%，當(dāng)?shù)睾０胃叨? 000 m，設(shè)計水溫T=15℃，根據(jù)文獻(xiàn)［3］查出T=15℃，海拔3 000 m時，Cs=10.15 mg/L，Pa=0.745 Kg/cm2。

根據(jù)式(1)～(3)計算出Csw=7.46 mg/L。根據(jù)式(4)計算Csm=7.42 mg/L小于7.46 mg/L，根據(jù)式(5)～(6)計算出修正的 Csm=9.09 mg/L 大于7.46 mg/L。

因此可以看出，根據(jù)式(4)所計算出的Csm值小于Csw值，此結(jié)果將進(jìn)一步影響計算標(biāo)準(zhǔn)供氧量(SOR)值和供氣量值的準(zhǔn)確性，并影響污水處理廠鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備運行參數(shù)的確定和曝氣裝置數(shù)量，由此可造成鼓風(fēng)機(jī)長期低效運行、能耗浪費、建設(shè)投資和運行費增加。應(yīng)適當(dāng)選擇功率更小的鼓風(fēng)機(jī)以滿足節(jié)能要求。

4 結(jié)論

(1)由于高原地區(qū)低溫、高寒，因此污水處理廠在建設(shè)和運行中重點考慮設(shè)備設(shè)施的防凍問題，冬季運行應(yīng)努力保證硝化作用完全。

(2)由于高原地區(qū)空氣中含氧量低，在選用鼓風(fēng)機(jī)和溶解氧測定儀時應(yīng)著重考慮，鼓風(fēng)機(jī)應(yīng)采用適宜的冷卻方式。

(3)高原地區(qū)污水處理廠供氣量計算時，應(yīng)收集當(dāng)?shù)睾０胃叱?、大氣壓、空氣中含氧量、進(jìn)廠水溫等實測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)實際情況計算Csm，既要滿足運行需求，同時達(dá)到節(jié)能降耗的效果。應(yīng)適當(dāng)選擇功率更小的鼓風(fēng)機(jī)以滿足節(jié)能要求。

［1］崔健.高原地區(qū)污水處理廠供氣量計算探討［J］.給水排水，2012，38(2):41-46.

［2］北京市市政工程設(shè)計研究總院.給水排水設(shè)計手冊第5冊—城鎮(zhèn)排水［M］.第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］北京水環(huán)境技術(shù)與設(shè)備研究中心，北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心.三廢處理工程技術(shù)手冊(廢水卷)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.