申请日2008.05.23
公开(公告)日2008.10.29
IPC分类号C02F7/00; C02F3/12
摘要
一种钢筋混凝土结构深井曝气废水处理装置及其制备方法，涉及污水处理技术领域;所要解决的是深井曝气装置的优化结构、降低能耗的技术问题。该深井曝气废水处理装置的主体结构及循环形式包括两种：即同心圆状内、外筒结构所形成的一组内外升降循环流系统;或外筒内十字隔板结构所形成的至少两组U字型升降循环流系统。所述的外筒体及其封头，内筒体及其支墩、限位板、紊流管和外筒内隔板全部为钢筋混凝土结构。内、外筒体各筒节的上下口的连接为密封拼接结构。本发明具有优化结构，降低能耗，提高结构刚度与整体强度，施工工艺可行，井建投资低，维护费用十分省，运行费用低，使用寿命特别长的特点。
权利要求书
1、一种钢筋混凝土结构深井曝气废水处理装置，包括深井、顶槽和脱气池; 深井由多节外筒节分别沿轴向首尾连接构成，外筒中设置内筒或隔板，将深井分别 形成同心圆式或U型式液流升降循环系统;其特征在于，所述深井的全部外筒为钢 筋混凝土结构，各节外筒体的上下口连接为密封拼接结构。
2、根据权利要求1所述的钢筋混凝土结构深井曝气废水处理装置，其特征在于， 外筒筒底为钢筋混凝土结构，外筒筒底内设置支承内筒的钢筋混凝土支墩。
3、根据权利要求1所述的钢筋混凝土结构深井曝气废水处理装置，其特征在于， 所述内筒或隔板为钢筋混凝土结构，内筒中设有钢筋混凝土结构的紊流管。
4、根据权利要求2所述的钢筋混凝土结构深井曝气废水处理装置，其特征在于， 所述内筒节间端面的密封拼接结构为“企口式盲孔销棒定位拼接结构”：在上下节内 筒壁中设有对应的定位盲孔，每节内筒壁的下底与下一节内筒壁的上顶为企口式拼 接;上节内筒与下节内筒连接时，定位孔内插入定位钢筋销棒或塑料销棒，定位孔 内注入固化材料充填，企口槽内和其余接合端面都涂有自粘性防水密封材料，使上 下节内筒能密封拼接。
5、根据权利要求2所述的钢筋混凝土结构深井曝气废水处理装置，其特征在于， 所述内筒节间端面的密封拼接结构为“平面式预应力钢筋定位拼接结构”：在内筒壁 中设有连接通孔，上下节内筒的连接通孔相互对应，上节内筒连接通孔的上端和所 连接的下一节内筒连接通孔的下端分别设连接套筒凹腔;上节内筒与下节内筒连接 时，上下连接通孔内插入连接钢筋棒，连接钢筋棒的上下二端以丝扣方式分别拧入 凹腔位的连接套筒固定并施加预应力，上下节内筒的拼接端面涂有自粘性密封材料。
6、根据权利要求1所述的钢筋混凝土结构深井曝气废水处理装置，其特征在于， 所述外筒的密封拼接结构为企口式拼接结构：每节外筒的下底端面与下一节外筒的 上顶端面为企口式拼接，企口槽垫有遇水膨胀橡胶带。
7、根据权利要求1所述的钢筋混凝土结构深井曝气废水处理装置，其特征在于， 所述外筒的密封拼接结构为法兰式螺栓连接方式：每节外筒的下端口与下一节外筒 的上端口为法兰式螺栓连接;法兰结合面涂以自粘性防水密封材料，在螺栓顶底二 端的外露部分涂以防腐材料，以防螺栓通孔进水和螺栓腐蚀。
8、一种权利要求1所述的钢筋混凝土结构深井曝气废水处理装置的制备方法， 其特征在于，制备方法的步骤：
1)单环筒节预制;
2)孔槽成型：由大型钻机一次钻孔成型或钻孔后再扩孔完成;
3)筒体安装：起吊外筒封头，放到充满泥浆的孔内，使封头侧壁顶端高于孔口， 并将封头定位，以同样方法将单个预制筒体起吊，对准下放并与封头侧壁对位连接， 下放起重吊索，筒体依靠自重下沉，使筒体顶端略低于孔口，以所述同样方法重复 作业，完成全部内外筒节的安装;
4)筒外围填与固化：外筒外壁与孔壁之间的环状空间采用水下灌注法灌入混凝 土，或采用碎石围填后注入水泥浆液法，在外筒周围和封头底部形成素砼保护层。
9、根据权利要求8所述的深井曝气废水处理装置的制备方法，其特征在于，所 述步骤1)中，单环内、外筒节的预制，至少使用浇制内筒和外筒的预制模板各二 套。
10、根据权利要求8所述的深井曝气废水处理装置的制备方法，其特征在于， 所述步骤1)中，外筒体的钢筋混凝土底板于施工井位旁边现场预制，应挖坑砌筑 椭圆型地膜作为浇筑封头的底模。
11、根据权利要求8所述的深井曝气废水处理装置的制备方法，其特征在于， 所述步骤3)中，能将两个单环筒节预拼接成一个单吊体，以加快孔口拼装速率，压 缩全井筒安装时间。
12、根据权利要求8所述的深井曝气废水处理装置的制备方法，其特征在于， 所述步骤3)中，每两环筒节的预拼接工序可与前一起吊工序同步进行，即单节筒 体拼接企口位的橡胶条安装和防水材料的涂抹工序，能在筒节牵引至孔口边、尚未 起吊前的间隙时间完成。
13、根据权利要求8所述的深井曝气废水处理装置的制备方法，其特征在于， 所述步骤4)中采取先回填骨料再压注水泥浆液的方法处理筒外围填与固化工序。
说明书
钢筋混凝土结构深井曝气废水处理装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术，特别是涉及一种适用于工业废水和城市污水处理的、 技术和经济效果明显优于“深层曝气法”的超深曝气井废水处理的工艺技术。
背景技术
“深井曝气法”是上世纪80年代初从国外引进的废水处理新技术。由于曝气井 装置深埋在地面以下(大多埋深80～130m)，装置的直径多为2～5m，具有相当的施 工、安装难度和风险，故国内尚未得到推广。深井曝气技术方案与作用原理可通过 其设计的一般工艺流程得以体现。下面以纺织染整行业的废水处理为例作简要介绍：
1)格栅
对于含有粗大悬浮杂物的废水，在进入处理流程前需要进行的初步净化，格栅 的作用就是将进入处理流程的悬浮物进行粗过滤，把相对粗大的杂物去除。
2)调节池
深井曝气处理工艺的某些环节对水质、水量和冲击负荷较为敏感，为了不受废 水高峰流量或浓度变化的影响，需在深井曝气设施之前设置调节池。调节池的作用 是实现废水的均质化和均量化，即对废水水量、水质、pH值和水温等进行调节。调 节池一般还兼有沉淀、混合、加药、中和和预酸化等功能。非常状况下，可用作事 故排水。调节后废水经污水泵提升进入后续处理构筑物。
3)澄清池
澄清池是一种将加药混凝、絮凝反应与澄清分离过程综合于一体的净水构筑物， 用于去除废水中不可生化物质。根据废水水质特点和处理规模，深井曝气工艺一般 选用水力循环澄清池或机械搅拌澄清池。
4)酸化水解池
水解工艺是将厌氧发酵过程控制在水解与产酸阶段，作为废水进入主体处理设 施——深井曝气装置前的预处理。废水进入水解池后与二沉池回流的活性污泥混合， 在缺氧条件下，活性污泥中的厌氧和兼氧微生物对废水中大分子有机物进行酸化水 解，将难生化降解的大分子物质分解为可生化降解的小分子物质，提高废水的可生 化性，同时降低CODcr的浓度。
5)深层曝气井
深层曝气井装置是废水处理的主体工艺设施，也是最为关键的核心工艺装置。
深井曝气系统由深井、顶槽和脱气池三部分组成，深井顶部与顶槽底部相连接， 井中设置内井筒，将深井分为同心圆状的内外两部分。废水与回流污泥混合后流入 深井内筒，在压缩空气作用下，使混合液在深井内外筒中分别产生下降流和上升流， 形成竖向的循环流，并把氧传递到废水中。由于筒体深度大，静水压力高，因而溶 解氧浓度高，微生物的活性强，可快速、高效地将废水中的有机物氧化降解。因此， 深井曝气法具有其他生物处理方法难以达到的高溶氧率、高传质效率和极好的有机 物去除效果。
6)脱气池
脱气池是深井曝气系统的组成部分，它与深井顶槽仅一墙之隔。经深井处理的 废水流入脱气池，通过设置在脱气池中的穿孔曝气管的曝气动力(也可采用其他动力 方式)，粉碎废水混合流中的污泥菌团，使粘附在活性污泥上的微气泡得以脱除，防 止污泥上浮。
7)二沉池
二沉池的作用是将深层曝气井系统处理的(经由脱气池的)出水混合液实现泥水 澄清分离，污泥在二沉池底部沉淀下来。并自流入污泥槽。达标的上清液直接排放， 或再作处理后作回水利用。
8)排放口或回用水池
在二沉池澄清的达标水体流到排放口，由排放口进入地下排水管网排放。澄清 达标的水体需要回用时，可设置回用水池，即经过混凝沉淀、过滤、消毒处理，达 到回用水要求后，进入回用水池备用。
9)污泥浓缩与压滤装置
沉淀于二沉池底部的污泥流入污泥槽，其中部分污泥通过污泥泵提升回流入深 井和酸化水解池，剩余污泥则排入污泥脱水处理系统。
到目前为止，同心圆、内外筒体的超深曝气井装置一直使用钢质筒体(用一定厚 度的钢板卷制的内外筒体)，存在如下缺陷：
1)钢材的价格高，深井装置的投入费用(包括材料费、加工制作费和安装费用) 较高;
2)耐腐蚀性能相对较差，尤其含有高浓度强酸根的工业废水，对钢板具有强腐 蚀性，影响装置的使用寿命;特别是内筒紊流管不仅钢质紊流管焊接安装于内筒比 较麻烦，而且内筒紊流管腐蚀后不得不停产更换，增加了维护费用。
3)为满足筒体安装过程钢板刚度和强度的安全要求和防渗漏要求，需要加大钢 板厚度或安装加劲抱箍，否则易引起筒体瘪损;对筒体拼接处焊缝的焊接质量要求 也较高。
4)外筒体入孔安装的周期较长(顺利情况下，井深100m的一般需要48～60小 时)，在此时间段，孔壁稳定性是最大的威胁，孔壁一旦坍塌，外筒安装到不了位置， 后果严重。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能优 化结构，降低能耗，提高结构刚度与整体强度，施工工艺可行，井建投资低，维护 费用十分省，运行费用低，使用寿命特别长的钢筋混凝土结构深井曝气废水处理装 置及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种钢筋混凝土结构深井曝气废水处 理装置，包括深井、顶槽和脱气池;深井由多节外筒节分别沿轴向首尾连接构成， 外筒中设置内筒或隔板，将深井分为至少一组上下升降循环系统;其特征在于，所 述深井的全部多节外筒为钢筋混凝土结构，各节外筒体的上下口连接为密封拼接结 构。
进一步的，所述外筒筒底(封头)为钢筋混凝土结构，外筒筒底内设置支承内 筒的混凝土支墩。
进一步的，所述内筒或隔板为钢筋混凝土结构，内筒中设有钢筋混凝土结构的 紊流管。
进一步的，所述内筒节间端面的密封拼接结构为“企口式盲孔销棒定位拼接结 构”：在上下节内筒壁中设有对应的均布定位盲孔，每节内筒壁的下底(端面)与下 一节内筒壁的上顶(端面)为企口式拼接，即一端为企口凸缘，另一端为企口槽; 上节内筒与下节内筒连接时，定位孔内插入定位钢筋销棒或塑料销棒，定位孔内注 入固化材料充填，企口槽内和其余接合端面都涂有自粘性防水密封材料，使上下节 内筒能密封拼接。
进一步的，所述内筒节间端面的密封拼接结构也可为“平面式预应力钢筋定位 拼接结构”：在内筒壁中设有均布通孔，上下节内筒壁中的均布通孔一一对应，通孔 中安装两端有外螺纹的钢筋，钢筋长度略小于两个筒节的总长，用内螺纹连接套筒 紧固所产生的拉力施加预应力，使筒节结合端面紧密连接。上下筒节的拼接端面涂 有自粘性密封材料，当拼接端面为非企口式平截面时，所采用的自粘性密封材料具有 较高的固化强度。连接套筒位置的预留孔直径略大套筒外径，孔深为套筒长度的1/2， 孔底与预留钢筋孔(孔径比套筒预留孔径小)之间的圆环状台阶面上，预埋通孔钢质 垫板，以此并依靠砼强度形成钢筋产生拉应力时的反力支承。这是深井内筒体由逐个 预制筒节拼接的另一种结构方式。
进一步的，所述外筒的密封拼接结构为企口式拼接结构：每节外筒的下底端面 与下一节外筒的上顶端面为企口式拼接，即一端为企口凸缘，另一端为企口槽，企 口槽垫有遇水膨胀橡胶带。
进一步的，所述外筒的密封拼接结构为法兰式螺栓连接方式：每节外筒的下端 口与下一节外筒的上端口为钢筋混凝土法兰式螺栓连接。即每节外筒的上下端口外 侧分别设有一圈与筒节一体浇制的钢筋混凝土法兰盘凸缘，法兰盘凸缘上设有多个 上下对应的螺栓通孔;上节外筒与下节外筒连接时，法兰结合面先涂以自粘性防水 密封材料，然后将上一筒节吊装到下一筒节正上方，法兰螺栓通孔对位后插入螺杆， 再向螺栓孔内注入密封材料，然后对称均匀拧紧螺母，最后在螺栓顶底二端(外露部 分)涂以防腐材料，以防螺栓通孔进水和螺栓腐蚀。法兰螺栓连接法是筒节之间连接 安装结构的组成部分。
本发明所述的钢筋混凝土结构深井曝气废水处理装置的制备方法，其特征在于，
制备方法的步骤：
1)单环筒节预制;
2)孔槽成型：由大型钻机一次钻孔成型或钻孔后再扩孔完成;
3)筒体安装：起吊外筒封头(起吊前，筒壁端面企口槽内安装橡胶带，平面结 合部位涂上自粘性防水密封材料)放入充满泥浆的孔内，使封头侧壁顶端略高于孔 口时固定封头，然后将第一节外筒筒节起吊并与封头对接(缓缓下放筒节，使上下法 兰结合面接近平行接触，稍微转动筒节，当对称位置的上下螺栓孔对准后，先插入 3个均布螺杆并拧上螺帽几个丝口，随即徐徐放松钢丝绳使上下法兰接合)，然后安 装所有法兰螺栓，螺栓防腐处理后，使入井外筒体下沉到适当位置;接着安装第一 节内筒筒节(第一节内筒筒节只需居中安放到内筒支墩上即可)。这样就完成了第一 个内外筒节的安装序列。再以同样安装顺序(先外筒后内筒)和方法完成第二节外筒 筒节和第二节内筒筒节的拼接安装(内筒筒节端面的拼接可按前述“企口式盲孔销棒 定位拼接法”或“平面式通孔预应力钢筋定位拼接法”进行)，如此逐个序列作业， 直至完成全部内外筒节的安装(封头到达孔底)。若到某一安装序列的筒体总重力小 于浮力而不能下沉时，则可向筒内泵入水体，迫使筒体沉降到所需深度。
4)筒外围填与固化：外筒外壁与孔壁之间的环状空间采用水下灌注法灌入混凝 土，或采用碎石围填后注入水泥浆液法，在外筒周围和封头底部形成素砼保护层。 该素砼保护层既可作为外筒万一发生局部渗漏情况下的防深墙，又能较大幅度增加 筒体外侧壁的摩阻力和筒底持力层强度，使整个深井的沉降得以控制。
进一步的，所述步骤1)中，单环内、外筒节的预制，至少使用浇制内筒和外 筒的预制模板各二套(分别包括弧面型内、外侧模和弧型顶底模)。
进一步的，所述步骤1)中，外筒体的钢筋混凝土底板(即外筒封头)于施工井 位旁边现场预制，可挖坑砌筑椭圆型地膜作为浇筑封头的底模。
进一步的，所述步骤3)中，可将两个单环筒节预拼接成一个单吊体，以加快 孔口拼装速率，压缩全井筒安装时间。
进一步的，所述步骤3)中，每两环筒节的预拼接工序可与前一起吊工序同步 进行，即单节筒体拼接企口位的橡胶条安装和防水材料的涂抹工序，可在筒节牵引 至孔口边、尚未起吊前的间隙时间(即前一吊体完成起吊、对位、接合、螺栓安装与 紧固、入孔筒体适当下沉和外筒井口固定等小工序所耗用的操作时间)完成。
进一步的，所述步骤4)中采取先回填骨料，再由下而上压注水泥浆液的方法 处理筒外围填与固化工序。
本发明提供的钢筋混凝土结构深井曝气废水处理装置及其制备方法的有益效 果：
1)结构优特点：
①钢筋混凝土筒体结构是以最不利的第四系特软饱和土层为围压条件和外筒 安装过程外筒内外液面最大高差状况下，均可满足筒体抗变形强度要求设计的，即 使筒内在不充水情况下，筒壁也不会变形;而且钢筋混凝土外筒入井安装总耗时比 钢筒体安装时间约减少50%，可在孔壁比较安全稳定的时间内将筒体下到孔底，从 而避免了因外筒瘪损不得不返工所造成的较大经济损失，甚或孔壁坍塌导致井位报 废的严重后果，消除了深井安装过程潜在的外筒体失稳的风险。
②单节筒体之间的企口式拼接结构、拼接端面安装遇水膨胀橡胶条和新型法兰 式螺栓连接方式是一种适宜于筒体特定安装工艺的技术突破，使该连接结构和连接 方式在确保筒体的整体刚度和抗压强度前提下，为实现外筒快速入孔安装创造了关 键性条件。而且这种连接结构具有连接紧密和防渗漏可靠的功能。克服了因钢质外 筒体连接焊缝存在虚焊或焊缝厚度不到位等质量问题可能引发井内废水渗漏、或影 响使用寿命的隐性弊端。特制耐酸碱配方的遇水膨胀橡胶条，使其在应对各类废水 环境中具备了抗腐蚀的功能，从而可大大延长橡胶条的功用寿命，使与混凝土使用 寿命相匹配。因此，研究和配制兼有防渗与抗腐蚀功能的具有专门特性的“长寿” 橡胶材料，是筒体连接结构处理上的又一重要技术突破。
③内筒紊流管可以砼质紊流管的通流剖面结构形态制作内模板，与砼质内筒的 某一节一体化浇筑(见图6)，既省去了钢质紊流管焊接安装于内筒的麻烦，又使紊 流管与砼质筒体具有同样长的使用寿命，避免了紊流管腐蚀后不得不停产更换的经 济损失，节约了维护费用。
④对于日废水处理量较大的项目，建造更大口径(如大于5m口径)的深井无疑 是较为经济的。但钢质筒体(钢板厚度≥30mm)的制作不仅受到设备规格、能力的限 制(不具备制作的可行性)，而且在筒体刚度满足设计安全要求方面还需要采取强化 措施，最终的深井造价尤为昂贵。而超大口径钢筋混凝土结构的筒体，无论在制作、 安装、结构刚度与强度等方面都不存在施工设备和技术问题，在造价上也具有更加 突出的比较优势，其社会效益和经济效益是相当显著的。
2)施工工艺优特点
①外筒体与内筒体一起逐节入孔安装，改变了钢质筒体先外筒后内筒的安装顺 序，缩短了深井安装时间(24小时内可将内筒与外筒全部安装完毕)，加快施工进度 是次要的，最为重要也是最为关键的是在于入孔安装时间的缩短，为避免孔壁坍塌 的风险创造了有利条件(一般情况下，井深100米左右的钢质外筒体需要40～60小 时的安装时间，只有筒体底部到达孔底后，安装风险才算基本消除;而对于第四系软 土覆盖层，经验认为，在常规措施下，外筒在24、36、48小时以内和48小时以上 完成安装的，孔壁坍塌的风险程度依次为：无风险、稍有风险、风险较大、风险很 大)。
②同样采用浮法沉放外筒，钢质筒体需要向外筒内泵入一定比重的泥浆，才能 克服浮力将外筒沉到孔底。而且在深井安装完毕后还必须将筒内泥浆置换成清水， 多了一道工序，既费时，又多耗电;而砼质筒体的自重较大，只需泵入总方量较少 的清水，即可使外筒沉到孔底。由于钢筋混凝土深井的内、外筒是同步安装的，与 钢质深井结构比较，又可省去内筒安装工序(既加快施工进度又节约人工费和大型吊 机的台班费)。
③把深井曝气顶槽内的卧式钢质回流管工艺改为处于顶槽中心的内筒顶口回 流，同时顶槽水平断面由长方型改为正方形，为回流到内筒的循环废水创造了比较均 匀的三相液回流条件——有利于改善生化作用的均匀性。
④深井系统内(脱气池内)安装膜生物反应器，更加完善了深井系统的工艺，使 原本需要大容量二沉池设施才能实现处理水的澄清功能，在深井系统内就予以解决。 由此，可取消设施投资较大、占地面积大的二沉池，节约了土地占用面积;尤其对于 地皮紧张或可供用地面积窄小的原污水处理厂改造项目，更具有改造方案的可行 性。同时，随着国家环保管理部门就单位工业产品耗水量限值新规定的出台，中水 回用已成为必须考虑的问题，而膜生物反应器技术的应用为获得满意的回用水质提 供了可靠的技术保证，也使在不增加排放总量前提下扩大生产规模成为可能。深井 曝气与膜生物反应器的工艺结合，可实现废水达标排放、中水回用和不突破排放总 量情况下的产量增长的多个目的，具有一举三得的处理效果。
钢筋混凝土筒体深层曝气井装置系统的经济优点：
与上述四大优点比较，钢筋混凝土筒体深层曝气井装置系统的占地面积是基本 相同的，它除了具有钢质筒体同样的经济优点之外，在建造投资、运行费用和使用 寿命三个方面则具有更加突出的经济优势。
1)砼质深井装置的投入费用比钢质的明显更低
就超深曝气井单体建造费用作比较，可节省投入25%左右。
依据2008年4月国内建材的市场价格，以相同的深井有效容积为前提，两种不 同材料结构的深井造价比较如下：
相同容量深曝井单体(不包括顶槽和脱气池)造价比较
2)砼质深井装置的运行费用比钢质的明显更低
深井曝气废水处理运行费用主要是电费，钢质与砼质两种结构形式的耗电是一 样的，区别在于钢筋混凝土结构的深井运行寿命是钢质的两倍以上，使运行设施的 维护费用大大降低。按钢筋混凝土结构的深井运行的全寿命周期与钢质结构相比较， 砼质的平均维护费用仅为钢质的40%或更低。
3)砼质深井装置的使用寿命比钢质的明显更长
砼质深井装置的使用寿命超过100年，钢质的30～50年，前者的使用寿命是后 者的两倍以上。
总之，以钢筋混凝土结构深曝井筒体替代钢质筒体，在材料结构的优化、结构 刚度与整体强度的大幅提增、施工工艺的可行性和更大处理规模的适应性等方面， 体现出较大幅度降本增效的经济效益和适应更大废水处理规模的能力，从而更有利 于废水处理工程的推广应用。在降低能耗、达标减排、节约资源和建造投入等方面 突现出更为良好的社会效益和经济技术与环保综合效应。也必将在废水治理环保领 域的市场运作中展现其更加强大的生命力，为又好又省地控制水污染、建设碧水蓝 天的生态环境，提供更为科学的技术支撑。
