活性污泥法目前是城镇污水处理的主要方法, 具有成本低、运行稳定、处理效果好等优点^[1]。曝气管是活性污泥工艺中鼓风曝气充氧的重要设备, 曝气系统的性能直接影响了活性污泥法的处理效果和运行成本。微孔曝气管因其高效低耗的优点, 比表面曝气管和粗孔曝气管更具应用优势^[2]。但微孔曝气管的气孔易被污水中的污染物堵塞, 只有定期清洗才能保证系统的正常运行^[3]。氧转移效率(Oxygen Transfer Efficiency, OTE)是衡量曝气系统的重要指标, OTE越高表示曝气系统的曝气效率越高。结垢污染会增加微孔曝气管的背压, 包含压降和克服表面张力的压力, 将其定义为动态湿压(Dynamic Wet Pressure, DWP), DWP越大说明曝气管污染越严重。

城市污水处理厂的电耗占运行成本的40%~60%, 而50%~70%的电耗又发生在曝气过程中^[4-6]。微孔曝气管长期运行后, 水中的微生物及其代谢产物可能产生一层生物膜堵塞曝气孔, 钙、镁、铁类等无机盐沉积在曝气管表面, 形成无机垢导致微孔堵塞^[7], 使曝气区的充氧能力和搅拌性能大大降低, 同时气孔的堵塞使风机的出口风压逐渐升高, 长期高负荷运行时既增加了能耗, 又造成了安全隐患^[8]。因此, 需要通过物理、化学等手段对长期使用的微孔曝气管进行清洗, 以恢复曝气管的充氧效率。

上海竹园第二污水处理厂位于浦东外高桥保税区东北处, 日处理规模为50万t, 污水处理厂采用较为先进的A²/O处理工艺, 出水达到国家污水处理一级A排放标准。近期该厂进行升级改造, 将好氧池中使用近10年的微孔曝气管拆除, 送至实验室进行清洗和研究。

在实验室中, 使用火烧过的刀子轻轻将曝气管表面的微生物刮掉(物理清洗), 再将曝气管表面层切为5 cm×5 cm的小块, 分别称取其原始重量W₀(g), 并进行化学清洗。化学清洗药剂为盐酸、柠檬酸、过氧化氢、次氯酸钠和氢氧化钠^[9]。

曝气效率测试装置如图 1所示。长方体反应池尺寸为1.2 m×0.33 m×1.3 m, 加入清水至曝气管浸没深度为1 m, 记录加入清水的体积, 将溶解氧探头放入装置中远离气泡的角落处, 测定溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)值C₀(mg/L), 水温T(℃)。按照国家标准CJ/T 3015.2—1993《曝气管清水充氧性能测定》测试微孔曝气管充氧性能。投加无水亚硫酸钠作为消氧剂, 氯化钴作为催化剂。当水中DO值降为零时, 打开气泵开始曝气, 测试风量为6 m³/h, 8 m³/h, 10 m³/h, 12 m³/h, 14 m³/h, 16 m³/h。每隔10 s测定DO值, 直至水中DO值升高至饱和溶解氧值的96%左右, 或DO值10 min内没有明显变化, 读取压力表数据, 关闭气泵, 再次读取水温和DO值(该值作为校正后饱和溶解氧值), 压力表数据即为动态湿压DWP^[10]。

图 1 曝气装置示意

根据不同的药剂种类、药剂浓度和浸泡时间3个实验变量来设计均匀实验。实验变量即药剂种类(A), 包括盐酸(A₁)、氢氧化钠(A₂)、过氧化氢(A₃)、柠檬酸(A₄)、次氯酸钠(A₅); 药剂浓度(B)为0.1%(B₁), 0.3%(B₂), 0.5%(B₃), 0.8%(B₄), 1.0%(B₅); 浸泡时间(C)为1 h(C₁), 3 h(C₂), 6 h(C₃), 9 h(C₄), 12 h(C₅)。

均匀实验设计如表 1所示。

表 1 等水平均匀实验表

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实验组号	实验变量
	A	B	C
1	$A_{1}$	$B_{2}$	$C_{4}$
2	$A_{2}$	$B_{4}$	$C_{3}$
3	$A_{3}$	$B_{1}$	$C_{2}$
4	$A_{4}$	$B_{3}$	$C_{1}$
5	$A_{5}$	$B_{5}$	$C_{5}$

每组均匀实验完毕后, 对浸泡后的溶液进行感应耦合等离子体(Inductiveity Coupled Plasma, ICP)分析, 对浸泡后的曝气管表面层进行干燥和切片, 并称重W_e(g), 质量差百分比计算式为

质量差百分比

结合ICP分析与重量法的结果, 筛选合适的清洗药剂。使用筛选出的清洗药剂以相同的浓度梯度对物理清洗后的曝气管进行浸泡, 浸泡后冲掉曝气管残存药剂, 并对曝气管进行充氧性能及DWP测定。

为了研究清洗膜面后溶液中的金属离子, 对溶液进行ICP分析, 测试溶液中钾、钙、钠、镁、铝、铁离子的浓度。采用盐酸、柠檬酸清洗后的溶液中金属离子较多, 而次氯酸钠、氢氧化钠与过氧化氢清洗后溶液中的金属离子较少, 所得的金属浓度与实验室测试所得浓度吻合。ICP测试数据和清洗膜面前后的质量差百分比如表 2所示, 不同情况下曝气管表面照片如图 2所示。由表 2可知, 盐酸、氢氧化钠与次氯酸钠清洗后膜块的质量差最大, 盐酸清洗后溶液中金属离子浓度普遍较高; 而氢氧化钠和次氯酸钠引入了钠离子, 所以钠离子浓度较高, 其他金属离子浓度较低, 氢氧化钠和次氯酸钠主要适用于有机物的清洗^[11]。酸洗药剂清洗后, 溶液中铁离子和铝离子的含量最高, 铁和铝是无机污染的主要组成部分, 与之前实验结果相符。盐酸腐蚀掉部分覆盖在曝气管表面的有机物后, 穿透有机物层与金属离子发生反应。柠檬酸可以与金属离子产生络合反应, 但其穿过生物膜的腐蚀效果不强, 难以与金属离子接触发生反应^[12]。因此, 在酸洗被污染的曝气管表面时选用盐酸。

表 2 ICP测试数据和清洗前后膜面质量差百分比

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药剂	钾离子	钙离子	钠离子	镁离子	铝离子	铁离子	质量差/ %
	mg·L-1
盐酸	6.640	71.80	8.58	6.480 0	34.700 0	50.400 0	1.40
柠檬酸	2.300	33.40	2.09	3.550 0	7.070 0	21.100 0	0.49
氢氧化钠	12.600	1.45	4 510.00	0.076 9	21.400 0	2.180 0	0.67
过氧化氢	0.599	2.37	0.92	0.520 0	0.023 7	0.012 9	0.20
次氯酸钠	27.100	12.00	8 300.00	1.460 0	6.050 0	0.113 0	1.30

图 2 不同情况下曝气管表面照片

综合上述结果, 从5种药剂中筛选出3种较为有效的药剂, 即盐酸、氢氧化钠、次氯酸钠。使用这3种化学清洗药剂对物理清洗后的曝气管进行浸泡, 然后冲掉残存药剂, 并对曝气管进行OTE实验。

为了表征曝气管清洗后曝气效率的恢复状况, 以氧转移效率(OTE)表征充氧性能, 清水中新管、旧管与物理清洗后曝气管的OTE实验结果如图 3所示。从图 3可以看出, 所有曝气管的OTE都随着供气量的增大而减小, 新管在任何供气量下的OTE都最高, 旧管的OTE明显低于新管, 经过物理清洗后曝气管的OTE有一定程度的恢复。

图 3 新、旧曝气管与物理清洗后曝气管的OTE实验结果

采用3种化学药剂清洗后, OTE的实验结果如图 4所示。对比图 3和图 4可以看出, 盐酸清洗后曝气管的OTE恢复较好, 但与新管仍有一定差距; 次氯酸钠清洗过后的恢复效果与盐酸相差不大; 氢氧化钠清洗后的OTE略高于盐酸与次氯酸钠。究其原因可能是曝气管表面的污染物以有机物为主, 有些无机金属离子附着在曝气管表面, 而有些堵塞于曝气孔内。附着在曝气管表面的无机金属离子增大了曝气管的比表面积, 为微生物的生长提供了平台, 微生物与有机污染物形成了一层膜阻碍曝气。次氯酸钠具有氧化性, 将胶体和微生物絮凝物分解成细颗粒和可溶性有机物质, 促进其进一步氧化^[13]。氢氧化钠可以使蛋白质变性, 并将其水解^[14], 而曝气管表面的活性污泥与有机污染物正是以蛋白质为主, 所以氢氧化钠对于曝气管具有较好的清洗效果。

图 4 不同化学药剂清洗后曝气管的OTE实验结果

由图 3和图 4可以看到, 在供气量为8 m³/h时几乎所有实验用曝气管的OTE达到最大。此时, 可以计算出物理清洗后OTE恢复率为33.18%, 盐酸清洗恢复率为45.74%, 氢氧化钠清洗恢复率为89.65%, 次氯酸钠清洗恢复率为62.78%。

进行充氧性能实验时, 不同处理条件下的曝气管在曝气时所能承受的DWP也不同, DWP是表征曝气效率的一个重要指标。当曝气管的DWP过高时, 风机将长期处于高负荷状态运行, 将有可能造成生产安全隐患。不同情况下曝气管的DWP如图 5所示。

图 5 不同情况下曝气管的DWP

由图 5可以看出, 新管的DWP接近静水压力, 基本没有受到污染, 而旧管的DWP很高, 曝气管受到的污染严重, 继续使用旧曝气管有非常严重的安全隐患; 经过物理清洗后曝气管的DWP得到一些恢复, 但恢复效果有限; 氢氧化钠清洗后DWP与物理清洗相差不大, 而盐酸清洗后DWP明显低于物理清洗和氢氧化钠清洗, 这说明盐酸清洗对曝气管的DWP有一定的恢复作用; 次氯酸钠清洗后DWP的恢复效果与盐酸类似。

(1) 通过不同清洗手段处理后的曝气管对曝气效率都有不同程度的恢复, 结合ICP, OTE和DWP数据来看, 物理清洗后曝气管的OTE与DWP得到有限恢复, 需要进一步结合化学清洗。

(2) 经过盐酸清洗后的曝气管OTE得到一定的改善, 同时DWP也有所恢复, 可以作为备选清洗剂之一。

(3) 氢氧化钠清洗后曝气管的OTE优于次氯酸钠清洗, 次氯酸钠清洗略优于盐酸清洗, 但氢氧化钠清洗后DWP的恢复效果不如盐酸和次氯酸钠, DWP偏高可能存在一定的安全隐患。

(4) 盐酸主要适用于无机污染物的清洗, 而氢氧化钠和次氯酸钠主要适用于有机污染物的清洗, 由此可以猜测曝气管的有机污染程度略大于无机污染, 盐酸、氢氧化钠、次氯酸钠都可以作为微孔曝气管的清洗药剂。