選取太湖流域3座GB 18918-2002一級A排放標準的城鎮污水處理廠(chǎng)，開(kāi)展預處理單元跌水復氧問(wèn)題研究。監測結果表明，每次跌水后通常形成3 mg/L以上的溶解氧增量，跌水所形成的溶解氧在后續輸水管道、渠道或池體內消耗相應的有機物。預處理單元多次跌水復氧和耗氧將導致形成5~10 mg/L，甚至更高的碳源損失，對脫氮除磷造成不利影響。工程測試結果表明，跌水復氧主要發(fā)生于污水跌落瞬間，復氧量與跌水區封閉狀況、渠型結構和跌水口類(lèi)型等因素有關(guān)，與跌水高度的相關(guān)性不顯著(zhù)，跌水過(guò)程復氧量可忽略。結合跌水區域的特征，提出了跌水區域加蓋封閉抑制空氣流通的工程措施，并選擇太湖流域某污水處理廠(chǎng)進(jìn)行了工程試驗，結果表明，加蓋封閉后，跌水區域水中溶解氧由3.5~4.5 mg/L穩步下降至1~1.5 mg/L，控制效果顯著(zhù)。

更加嚴格的城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準已經(jīng)成為全球水環(huán)境治理的重要手段，而充足的碳源則是實(shí)現城鎮污水處理廠(chǎng)氮磷穩定達標的根本保障。根據生物脫氮除磷理論，生物反硝化所需的BOD5/TN為6~7，如同期考慮污泥外排的影響，生物反硝化所需的BOD5/TN通常為5~6。

但是，我國大部分城鎮污水處理廠(chǎng)面臨著(zhù)進(jìn)水碳源嚴重不足的技術(shù)難題，很大程度上影響了氮磷的穩定達標。根據全國3 000多座城鎮污水處理廠(chǎng)的統計結果，BOD5/TN年均值達到5以上的不足20%，其中40%以上的污水處理廠(chǎng)BOD5/TN不足3，在不投加外部碳源的情況下，通常難以達到高排放標準對氮磷控制的要求，這個(gè)問(wèn)題在冬季低溫地區尤為明顯。為進(jìn)一步強化氮磷去除，滿(mǎn)足日趨嚴格的排放標準要求，投加外碳源成為許多污水處理廠(chǎng)的無(wú)奈之舉。近年來(lái)，城鎮污水處理廠(chǎng)碳源優(yōu)化利用和內碳源開(kāi)發(fā)已經(jīng)引起了國內外專(zhuān)家學(xué)者的廣泛關(guān)注，但預處理單元復氧及碳源損耗問(wèn)題并沒(méi)有引起足夠重視。

研究團隊在多年的污水處理工程績(jì)效跟蹤與評價(jià)過(guò)程中發(fā)現，多數城鎮污水處理廠(chǎng)在進(jìn)水泵出口、沉砂池出口、初沉池出水堰等位置都設有跌水區域，跌水導致的復氧現象明顯；復氧后的污水在輸水渠、管道、沉砂池、初沉池等構筑物內出現了不同程度的有機物消耗，進(jìn)一步加劇了碳源不足問(wèn)題。

01 試驗材料與方法

1.1 案例及跌水點(diǎn)分布

根據國內外跌水曝氣及跌水區惡臭控制的相關(guān)研究經(jīng)驗，本文選擇太湖流域3座GB 18918-2002一級A排放標準城鎮污水處理廠(chǎng)為研究對象，對其預處理單元主要跌水點(diǎn)的分布情況進(jìn)行了分析，見(jiàn)表1。

1.2 檢測點(diǎn)的選擇

結合被調研城鎮污水處理廠(chǎng)預處理單元工藝的特點(diǎn)和潛在的溶解氧變化區域，分別在跌水前相對靜止區、跌水后紊流區，以及管道、渠道或構筑物的入口和出口設置檢測點(diǎn)，連續測定上述檢測點(diǎn)溶解氧的變化情況。

1.3 分析測試方法

本研究采用現場(chǎng)直接測試法，主要監測指標為DO值，采用HACH HQ30d單路輸入多參數數字化分析儀（標準型電極LD10103）進(jìn)行測試。

02 工程測試結果分析與討論

2.1 預處理單元沿程DO變化

2014年秋季對3座城鎮污水處理廠(chǎng)預處理單元檢測點(diǎn)的DO值進(jìn)行多次檢測并取平均值，繪制主要檢測點(diǎn)DO變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1，不同跌水點(diǎn)封閉狀況、跌水高度和DO增量關(guān)系見(jiàn)表2。

2.2 跌水復氧的工程影響因素

（1）復氧量與跌水高度的關(guān)系。根據國內外跌水曝氣的相關(guān)研究結論，傳統跌水曝氣工藝跌水導致的DO增量與跌水高度有關(guān)，跌水高度越高，DO增量越大。為此對表2中不同跌水點(diǎn)的跌水高度與DO增量之間的關(guān)系進(jìn)行了統計分析，結果見(jiàn)圖2所示。

根據圖2，實(shí)際工程中跌水點(diǎn)的DO增量與跌水高度并無(wú)直接相關(guān)關(guān)系。雖然A廠(chǎng)兩個(gè)跌水高度超過(guò)1 m的跌水點(diǎn)DO增量均達到3 mg/L以上，但B廠(chǎng)提升泵出口在跌水高度僅為0.4 m的情況下，DO增量同樣達到3 mg/L以上，而同樣是B廠(chǎng)，沉砂池0.5 m的跌水高度，DO增量不足0.5 mg/L。

（2）復氧量與跌水區域封閉狀況。檢測結果表明，跌水區域封閉狀況是影響跌水復氧量的重要因素。從表2數據不難看出，相對而言，大部分敞開(kāi)式或半敞開(kāi)式結構的跌水區域，跌水后的DO增量明顯大于封閉或半封閉結構。例如同樣是提升泵出口，B廠(chǎng)為敞開(kāi)式結構，經(jīng)0.4 m跌水后，DO增量達到4.28 mg/L，而A廠(chǎng)為半封閉式結構，雖然跌水高度達到1.4 m，但跌水后DO增量?jì)H為3.49 mg/L，低于B廠(chǎng)水平。

（3）跌水區紊流狀況及其他。調研發(fā)現，跌水點(diǎn)的紊流狀況、跌水過(guò)程中水流受到的沖擊情況，以及其他一些工程因素都可能在一定程度上影響復氧量水平，相關(guān)效果有待進(jìn)一步驗證。

2.3 跌水對污水處理廠(chǎng)碳源損耗的影響

（1）預處理單元DO消耗情況。復氧后的污水在后續的輸水管道、渠道和構筑物中，可能被來(lái)自于城市下水道、污泥脫水區或其他途徑的微生物所利用，從而使DO值降低，一定程度上消耗進(jìn)水中的可生物降解有機物。為此對3座污水處理廠(chǎng)潛在耗氧段的DO變化情況進(jìn)行了統計，見(jiàn)表3。

表3數據表明，經(jīng)跌水復氧后的污水，在流經(jīng)后續密閉管道、渠道或進(jìn)入單元構筑物時(shí)，會(huì )出現明顯的DO濃度降低的情況。而根據污水處理的基本理論，在該區域內的DO降低意味著(zhù)快速可生物降解有機物的消耗，模擬試驗結果也驗證了預處理單元各構筑物內微生物的存在。

表3中的數據以及模擬試驗結果也表明，輸水管道內DO消耗量與管道長(cháng)度或污水在管道內的實(shí)際停留時(shí)間近似正相關(guān)，正常情況下，輸水管道內每10 min停留時(shí)間可消耗0.5~1 mg/L的DO。

（2）復氧導致的預處理單元碳源總消耗量。污水預處理單元的復氧將導致兩種類(lèi)型的碳源損失：首先，預處理單元內的微生物以DO為電子受體，利用碳源完成生物合成；其次，預處理單元末端存留的DO進(jìn)入后續生物系統的厭氧、缺氧工藝單元，同樣消耗污水中的碳源。表4為案例污水處理廠(chǎng)預處理單元跌水復氧導致的碳源損失總量情況。

根據表4，被調查城鎮污水處理廠(chǎng)預處理單元跌水復氧均造成不低于5 mg/L的優(yōu)質(zhì)碳源損失量，其中B廠(chǎng)的碳源損失量達到10 mg/L，對于脫氮除磷所需碳源不足，或出水TN長(cháng)期處于超標邊緣，需通過(guò)投加碳源確保穩定達標的污水處理廠(chǎng)而言，預處理單元碳源損失量相當可觀(guān)。

03 跌水復氧的成因分析

根據前期研究結果，預處理單元反復的跌水復氧、耗氧過(guò)程必將消耗污水處理廠(chǎng)原水中的碳源，進(jìn)一步加劇碳源不足問(wèn)題，為此有必要對跌水復氧的原理和成因進(jìn)行分析，以提出相應的控制措施。

3.1 跌水過(guò)程DO變化情況

為進(jìn)一步研究跌水過(guò)程中DO值的變化規律，在圖3所示的典型跌水區域設置了5個(gè)檢測點(diǎn)，進(jìn)行跌水前（1#）、跌落過(guò)程（2#~4#）和跌落后（5#）DO的變化規律測試，見(jiàn)圖4所示。

根據圖4曲線(xiàn)，不同檢測點(diǎn)兩個(gè)深度下的檢測結果基本吻合，且1#~4#檢測點(diǎn)均處于極低值，說(shuō)明跌落過(guò)程中沒(méi)有形成明顯的表面復氧現象。而污水自4#檢測點(diǎn)（圖3b水花上方5~10 cm）跌落至5檢測點(diǎn)（圖3b水花位置）的瞬間，溶解氧自不足0.2 mg/L增加至2.7 mg/L，DO增量達到2.5 mg/L，結果表明跌水復氧作用主要發(fā)生于污水跌落至池體底部的瞬間。

3.2 跌水復氧形成機制分析

跌落過(guò)程復氧潛能分析。根據圖3，污水經(jīng)泵提升并從出口排出的瞬間，可認為具有一定的水平流速，而垂直流速可忽略不計。因此整個(gè)跌落過(guò)程可近似按自由落體理論計算。根據自由落體理論和計算公式，不同跌落時(shí)間下所完成的跌落高度見(jiàn)表5所示。

從表5數據不難看出，對于高度小于2 m的跌水區域，污水將在不超過(guò)1 s的時(shí)間內完成整個(gè)跌落過(guò)程，因此無(wú)論是采用哪種氧傳遞理論模型，在如此短的時(shí)間內通過(guò)表層復氧，都難以達到工程測試的DO增量，尤其是對于污水處理廠(chǎng)進(jìn)水泵出口、沉砂池出口等過(guò)水斷面相對較窄、水量相對較大的區域，氣水接觸面更小，通過(guò)界面理論復氧的可能性進(jìn)一步降低。

3.3 跌水瞬間快速復氧理論

根據圖4，跌水區域內DO的增加幾乎發(fā)生于跌落瞬間，跌落過(guò)程中污水并沒(méi)有明顯的DO增量。結合跌水復氧工程影響因素分析結果，污水處理廠(chǎng)跌水復氧的條件主要包括：敞開(kāi)式跌水區域和跌落點(diǎn)明顯的紊流，而污水跌落的瞬間是充氧發(fā)生的主要時(shí)段。支持該推斷的理論包括：

（1）跌水的過(guò)程中雖然無(wú)明顯的復氧現象，但水柱周邊的空氣在摩擦力作用下沿水流方向運動(dòng)，在這種旋流的作用下，水柱與圍墻之間形成明顯的空氣旋流，如圖5所示。

（2）在空氣旋流作用下，區域內的空氣快速交換，同時(shí)將污水厭氧過(guò)程中產(chǎn)生并在跌水過(guò)程中釋放出的各種小分子有機物和氣態(tài)物質(zhì)排放到區域內，這也是預處理單元跌水區惡臭產(chǎn)生的主要原因。

（3）在池頂不封閉的情況下，所形成的空氣旋流可加速渠道內氣體與渠道周邊空氣的流通，使新鮮空氣不斷注入到跌水渠道內；池頂封閉或半封閉狀態(tài)時(shí)，內外空氣對流減小，區域內DO值逐漸降低。

（4）污水跌落至匯水渠的同時(shí)，也帶動(dòng)周邊的富氧空氣進(jìn)入渠內，并與污水快速混合。

（5）水柱跌落至渠道內的瞬間，在沖擊力作用下，界面的表面張力被破壞，氧傳遞阻力降低，加速氣水混合。

（6）跌落瞬間，形成明顯的波浪和水花，氣水接觸面增大，加速復氧過(guò)程。

04 基于跌水復氧的加蓋控制技術(shù)研究

根據上述研究結論，跌水復氧主要發(fā)生于跌落至底部水渠的瞬間，跌水區域內空氣旋流是復氧形成的主要原因，而跌水區域內空氣與外界空氣流通是復氧的前提。在實(shí)際工程中，跌水點(diǎn)的紊流狀況和跌水區域內的空氣旋流通常是難以控制的，因此本文提出通過(guò)跌水區域頂部加蓋密封抑制空氣交換的方式進(jìn)行復氧控制，并選擇太湖流域某污水處理廠(chǎng)進(jìn)行了工程性研究。

4.1 加蓋密封技術(shù)原理

加蓋密封跌水復氧控制的技術(shù)原理如圖5b所示，采用具有一定強度和密封性能的工程材料，在跌水區域頂部適當位置進(jìn)行密閉處理，有效阻斷跌水區域內空氣與外界環(huán)境空氣交換的渠道。在這種情況下，隨著(zhù)跌水過(guò)程中氣水之間的物質(zhì)交換，跌水區域空氣中的氧濃度逐漸降低，最終達到穩定的低氧水平。

4.2 工程實(shí)施及效果

太湖流域某城鎮污水處理廠(chǎng)進(jìn)水泵出口原為半敞開(kāi)式結構（見(jiàn)圖6a），頂部鋪設有鋼制走道板結構，渠底液位到池頂的間距約為2.5 m。采取工程密封措施前，對跌水區域內空氣和水的溶解氧進(jìn)行了測試，其中空氣溶解氧基本保持在8.0~9.0 mg/L波動(dòng)，與外界空氣溶解氧濃度等因素有關(guān)；水中溶解氧保持在3.5~4.5 mg/L，波動(dòng)性相對較小。

采用在走道板頂部加裝柔性材料的形式對該跌水區域頂部進(jìn)行了密封處理，工程的整體密封性相對較好，施工過(guò)程照片見(jiàn)圖6b。工程實(shí)施后對跌水區域內空氣和水的溶解氧濃度進(jìn)行連續監測，結果見(jiàn)圖7所示。

根據圖7，加蓋封閉的前20多個(gè)小時(shí)內，跌水區域空氣和水中的溶解氧濃度快速降低，表明跌水過(guò)程中空氣中的溶解氧向水中逐漸轉移，導致封閉空間內溶解氧濃度降低。至24 h后跌水區域空氣中的溶解氧濃度降低到3~4 mg/L水平，水中溶解氧下降至1~1.5 mg/L，且基本保持平穩。多次破壞性試驗出現基本相同的結論，且跌水區域的密封性進(jìn)一步加強（出于安全考慮，預留了部分通氣孔）后，空氣中DO濃度可進(jìn)一步降低至1~2 mg/L水平，此時(shí)水渠中的DO濃度可達到0.5 mg/L左右水平，有效抑制了跌水復氧。

05 結論與建議

（1）對3座典型一級A排放標準城鎮污水處理廠(chǎng)進(jìn)行了調研，結果表明預處理單元跌水區域普遍存在復氧現象，每次跌水后通常形成3 mg/L以上的DO增量；復氧作用主要發(fā)生于污水跌落瞬間，跌水過(guò)程中的復氧作用可忽略；復氧量與跌水區域的封閉情況、池型結構以及匯水渠的紊流狀況直接相關(guān)，與跌水高度的關(guān)系不顯著(zhù)。

（2）預處理單元的管道、渠道或構筑物內微生物具有明顯的耗氧能力，平均每10 min停留時(shí)間可消耗0.5~1 mg/L的DO，意味著(zhù)同等量的碳源損失；預處理單元末端的DO進(jìn)入后續生物系統，同樣損耗碳源。被調查3座城鎮污水處理廠(chǎng)預處理單元跌水復氧均造成5 mg/L以上的優(yōu)質(zhì)碳源損失，部分工程甚至達到或超過(guò)10 mg/L，進(jìn)一步加劇了碳源不足問(wèn)題。

（3）采用加蓋密封的方式進(jìn)行進(jìn)水泵出口跌水復氧控制，結果表明加蓋密封后，跌水區域空氣的溶解氧由8.0~9.0 mg/L穩步下降至3~4 mg/L；水中溶解氧由3.5~4.5 mg/L穩步下降至1~1.5 mg/L。