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花江是我国重要水系之一,其水质对流域内居民的生产生活影响巨大。马家沟河作为松花江的重要支流,其水环境的改善具有重要意义,且污水厂的污染物深度消减一直是环境工程领域的重要问题。针对马家沟上游占地非常紧张,污水处理水质要求高的问题,在“十二·五”国家科技重大专项的支持下,开展缺氧/厌氧/深井曝气工艺处理城镇污水深度脱氮除磷减排效能的研究。主要包括:高压曝气试验研究,缺氧/厌氧/深井曝气生产性试验启动运行及污染物去除的影响研究,缺氧/厌氧/深井曝气生产工艺对水温、水质、水量的抗冲击能力,哈尔滨朝阳水质净化厂能耗与经济技术分析。试验通过向高压反应曝气釜中曝气,在恒定压力试验可操作的试验压力范围为0.0Mpa0.7Mpa。高压曝气反应釜在上述压力范围内以0.1Mpa的压力差分别在不同定压条件下曝气3.0h,考察特征污染物指标的在相应压力下不同时间的去除规律,如:COD、NH3-N、NO3--N。在梯度压力试验中,高压曝气反应釜以0.1Mpa为梯度在不同时间间隔下从0.0Mpa逐步升压到0.7Mpa,相应时间间隔分别采用10min、15min、20min,考察不同时间间隔条件下COD、NH3-N、NO3--N的随时间的浓度变化。研究结果表明,随着试验压力的逐渐增加,污水中污染物去除效果随之变好。梯度压力试验中,当各压力间隔为20min即总停留时间160min时,各污染物出水浓度分别是:COD为71mg/L、去除率氨氮为10.17mg/L,污泥负荷为0.55kgCOD/kgMLSS·d。梯度压力处理时间增加,污染物去除效果变好。利用高通量测序对不同压力状态下的污泥中微生物种群结构进行分析,结果显示高压状态有利于β-变形菌的生长增殖,而这一类微生物种群中包含大量具有脱氮除磷生化功能的微生物,小试研究为实际工程提供了设计参数。研究在生产规模进行了试验,通过调整缺氧/厌氧/深井曝气工艺的运行参数,研究不同工艺运行条件的处理效果并确定最佳运行工况。实际工程最佳工艺运行参数控制如下:采用厌氧段:缺氧段为1:2的进水比,250%的硝化液回流比,70%的污泥回流比。在最佳工艺运行条件下,出水中特征污染物如COD、氨氮、TN、TP等均能满足国家一级A排放标准。本工艺抗水质水温冲击能力强,当COD达到1200mg/L时,水温在10℃左右,污染物去除指标仍达到一级A标准且低温对整个工艺最大的影响在于反硝化脱氮过程。抗水量冲击负荷试验表明,工艺处理水量达到设计水量115%时,生化处理单元的污染物去除指标仍达到一级A标准。在小试中,通过压力条件不同模拟深井曝气和传统A2/O工艺运行条件,反应压力为0.7MPa降解单位COD所消耗的氧气体积与反应压力为0.0MPa时相比节省了31.7%,降解单位质量氨氮时节省了32.0%体积的氧气,在生成单位质量NO3--N时节省氧气了45.6%。反应压力为0.7MPa降解单位COD所消耗的空气体积与反应压力为0.0MPa时相比节省了37.7%,降解氨氮节省空气40.0%,在生成单位质量NO3--N时节省空气体积了53.8%。实际应用表明,朝阳水质净化厂全年曝气电耗为322.37万kW·h,吨水耗气量为1.935m3,吨水曝气电耗为0.177kW·h,相同规模A2/O工艺水厂全年曝气量电耗367.41万kW·h,吨水电耗0.201kW·h。朝阳水质净化厂每年比A2/O水厂节省45.04万千瓦时,节省了12.3%的电耗,总生化工艺占地节省80%,总占地节省50%以上。污水处理成本1.971元/m3·年,经营成本0.909元/m3·年,课题研究成果为马家沟朝阳屯上游污水处理提供技术支撑,朝阳水质净化厂的运行将显著改善马家沟河中下游的水体生态环境、取得良好的社会效益。