設(shè)計(jì)案例 | 氧化溝工藝污水處理廠如何實(shí)現(xiàn)低成本升級(jí)改造
本文介紹三峽庫(kù)區(qū)某污水處理廠的氧化溝脫氮工藝的低成本改造案例，和大家探討一下如何在不停水、施工周期短、投資費(fèi)用低的條件下，對(duì)污水廠實(shí)施臨時(shí)性改造。
氧化溝工藝具有運(yùn)行成本低、管理方便、污水處理流程簡(jiǎn)單、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，在城鎮(zhèn)處理廠中占比約20%。
近年來(lái)，各地對(duì)污水排放提出了更高要求，污水處理廠出水需要滿足一級(jí)A甚至更高標(biāo)準(zhǔn)。然而氧化溝在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于采用轉(zhuǎn)刷、轉(zhuǎn)碟、倒傘曝氣裝置進(jìn)行表面充氧曝氣，易造成溝內(nèi)污泥淤積、充氧效率低，且氧化溝體內(nèi)沒(méi)有獨(dú)立的缺氧區(qū)域，導(dǎo)致硝化效果不理想，脫氮效率不穩(wěn)定。
很多早期建設(shè)氧化溝的工藝的污水處理廠，在現(xiàn)狀運(yùn)行條件下的已經(jīng)無(wú)法滿足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，亟需升級(jí)改造。
打破重來(lái)或者整體搬遷都會(huì)浪費(fèi)很大的人力物力，如何找到一種低成本、高效、快捷的改造技術(shù)顯得尤為關(guān)鍵。
01 項(xiàng)目概況
該污水處理廠規(guī)劃總設(shè)計(jì)處理規(guī)模為3.0×104 m3/d，服務(wù)面積為9.32 km²，服務(wù)人口約14萬(wàn)人，主要收集服務(wù)范圍內(nèi)居民生活污水、少量類(lèi)似生活污水水質(zhì)的工業(yè)廢水以及初期雨水。
一期于2003年8月建成投運(yùn)，建成處理規(guī)模為2.0×104 m3/d，采用改良型氧化溝處理工藝。其中，廠內(nèi)提升泵站、粗格柵、細(xì)格柵按3.0×104 m3/d一次建成，改良型氧化溝、二沉池、接觸消毒池按2.0×104 m3/d設(shè)計(jì)。出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)。污水處理廠尾水經(jīng)管道排入長(zhǎng)江，污泥經(jīng)脫水后運(yùn)輸至當(dāng)?shù)厮鄰S焚燒處置。
02 改造前氧化溝
氧化溝有2組，單組處理能力為1.0×104 m3/d，池容為6 336 m3，4條溝。單溝寬為6.0 m，深度為4.0 m，長(zhǎng)度為70.0 m，水力停留時(shí)間為15 h。單組氧化溝配備3臺(tái)倒傘式表曝設(shè)備，單機(jī)裝機(jī)容量為55 kW，充氧能力為71~107 kg O2/h。每組氧化溝配備2臺(tái)潛水推流器，單機(jī)裝機(jī)容量為4.0 kW。
03 水量出現(xiàn)超負(fù)荷
由于污水收集采用截留式合流制方式，2017年全年實(shí)際處理水量在0.68萬(wàn)~3.45萬(wàn)m³/d，進(jìn)廠水量波動(dòng)較大。全年平均日處理水量為2.12萬(wàn)m³/d，平均負(fù)荷率為106%，該污水處理廠已處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年超負(fù)荷運(yùn)行天數(shù)為209 d。超負(fù)荷運(yùn)行縮短了污水在氧化溝和二沉池的停留時(shí)間，出水超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)增大；同時(shí)，進(jìn)水水量超過(guò)設(shè)計(jì)處理水量時(shí)，易造成配套管網(wǎng)溢流，增加了水體環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。
04 部分指標(biāo)無(wú)法穩(wěn)定達(dá)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)
污水廠各項(xiàng)出水指標(biāo)均能達(dá)到一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)，如果參照一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)排放，TN、NH3-N、TP無(wú)法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。TP的去除可通過(guò)在曝氣池出口增加除磷劑用量保證出水TP達(dá)標(biāo)。因此，TN、NH3-N的達(dá)標(biāo)問(wèn)題成為升級(jí)的重點(diǎn)。
（1）NH3-N不達(dá)標(biāo)問(wèn)題——曝氣量不足
在好氧環(huán)境下，硝化菌將NH3-N氧化成硝態(tài)氮。但是由于表曝設(shè)備充氧效率較低，在超負(fù)荷運(yùn)行情況下，需要更大的曝氣量確保微生物對(duì)污染物的分解。因此，NH3-N不達(dá)標(biāo)主要是因?yàn)槠貧饬坎蛔恪?/p>
如每組氧化溝內(nèi)3臺(tái)倒傘式表曝設(shè)備全開(kāi)，增加曝氣量，在一定程度上可提高NH3-N的去除效果，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，表曝設(shè)備全開(kāi)縮短了缺氧環(huán)境的停留時(shí)間，不能保證出水TN達(dá)標(biāo)，同時(shí)曝氣過(guò)量會(huì)導(dǎo)致污泥解絮和過(guò)度氧化，易造成其他出水指標(biāo)波動(dòng)。
（2）TN不達(dá)標(biāo)問(wèn)題——脫氮容積不足
氧化溝未設(shè)置獨(dú)立的缺氧區(qū)，無(wú)法形成反硝化菌適宜的脫氮環(huán)境，導(dǎo)致脫氮效果差。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溶解氧濃度分析，氧化溝內(nèi)實(shí)際運(yùn)行的工藝流程為“厭氧—好氧—缺氧”，氧化溝大部分區(qū)域?yàn)楹醚醵危瑑H在氧化溝出水口之后形成小段缺氧段，缺氧段有效容積約960 m³，停留時(shí)間約2.3 h，脫氮容積嚴(yán)重不足。氧化溝的進(jìn)水和外回流污泥經(jīng)過(guò)厭氧區(qū)后直接進(jìn)入好氧段，污水在好氧階段降解COD、BOD，同時(shí)發(fā)生硝化作用，然后再進(jìn)入缺氧段，在缺氧段發(fā)生反硝化作用，此時(shí)污水中的碳源已經(jīng)較少，滿足不了反硝化作用對(duì)碳源的需求。即使通過(guò)投加碳源和工藝調(diào)控，TN均無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，再加上該廠處于超負(fù)荷運(yùn)行，污水在生化池的停留時(shí)間減小，TN的處理效率進(jìn)一步降低。
05 改造方案
鑒于該廠氧化溝無(wú)獨(dú)立缺氧區(qū)，在應(yīng)對(duì)超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，即使通過(guò)優(yōu)化工藝控制方式也不能滿足TN和NH3-N同時(shí)達(dá)標(biāo)排放。5年內(nèi)該廠將面臨拆遷，如實(shí)施提標(biāo)改造工程，建設(shè)周期長(zhǎng)、投資成本高，后期拆遷后會(huì)造成資產(chǎn)浪費(fèi)。同時(shí)，當(dāng)?shù)卣阎贫ㄏ鄳?yīng)方案對(duì)該廠多余污水進(jìn)行分流，但短期內(nèi)超負(fù)荷運(yùn)行情況不會(huì)得到解決。為此，本著改造周期短、投資省、運(yùn)行成本低、管理難度小的原則，在充分利用原廠構(gòu)建筑物和設(shè)施，以及確保施工期間不影響污水處理廠正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，選擇切實(shí)可行的改造方案。本次改造的重點(diǎn)為新增缺氧池、在氧化溝內(nèi)新增曝氣裝置，同時(shí)加大除磷劑用量并優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，確保出水達(dá)標(biāo)排放。
（1）新增缺氧池
該廠二期預(yù)留用地現(xiàn)有約3 000 m³的廢水池，廢水池工藝尺寸：L×B×H=39.0 m×29.0 m×3.0 m，為增大缺氧區(qū)停留時(shí)間，將該廢水池改造為缺氧池，可增加3.6 h缺氧停留時(shí)間。同時(shí)，改造原有污泥泵房，將污泥泵房剩余污泥混合液以自流方式進(jìn)入缺氧池，高濃度污泥混合液在缺氧池中進(jìn)行反硝化脫氮后，最終采用提升泵將脫氮后的混合液泵送至生化系統(tǒng)，補(bǔ)充生化系統(tǒng)污泥濃度。為確保混合液在缺氧池內(nèi)均勻混合，防止沉淀，新增潛水推流器4個(gè)，單機(jī)裝機(jī)容量為4.0 kW，提升泵2臺(tái)，N=30 kW，H=15 m，Q=400 m³/h。
（2）新增曝氣裝置
鑒于超負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致充氧不足，影響出水NH3-N指標(biāo)，擬在每組氧化溝3#表曝機(jī)所在溝渠內(nèi)，安裝管式曝氣裝置，增加好氧段容積，增大系統(tǒng)充氧能力。每組氧化溝配備MS70型號(hào)薄膜管式微孔曝氣器30個(gè)，曝氣管間距為1.0 m，羅茨鼓風(fēng)機(jī)2臺(tái)（每組氧化溝1臺(tái)），N=22 kW，Q=13.23 m³/min。曝氣管安裝方法：將2塊角鋼用膨脹螺絲固定在氧化溝池壁作為支架（2塊角鋼之間預(yù)留縫隙），曝氣管兩端采用DN15不銹鋼管連接成U型管，U型管沿著氧化溝池壁角鋼支架縫隙插入池底，這種曝氣管安裝方法可實(shí)現(xiàn)不停水安裝，具有安裝方便、維修便利等特點(diǎn)。
06 改造后運(yùn)行效果
該廠通過(guò)新增缺氧池和曝氣裝置改造后，優(yōu)化了運(yùn)行模式，氧化溝內(nèi)開(kāi)啟曝氣機(jī)2#、曝氣機(jī)3#和底部曝氣裝置進(jìn)行曝氣，氧化溝內(nèi)形成了厭氧—缺氧—好氧的運(yùn)行模式，同時(shí)針對(duì)進(jìn)水水質(zhì)水量波動(dòng)情況，靈活調(diào)整曝氣機(jī)1#設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，保證好氧段末端溶解氧在2.0 mg/L以上以提高硝化效果。
污泥泵房的高濃度剩余污泥流入缺氧池，反硝化進(jìn)一步脫氮，脫氮后的污泥提升至氧化溝以補(bǔ)充生化池所需污泥，在保證處理效果和降低能耗的同時(shí)，回流污泥量控制在50%~80%。根據(jù)季節(jié)性變化，將氧化溝污泥濃度控制在3 500~6 000 mg/L，控制泥齡為18~22 d，冬季污泥活性較差，可適當(dāng)提高活性污泥濃度和泥齡。
改造前，氧化溝出口硝態(tài)氮和NH3-N的濃度分別為8.68、2.69 mg/L。新增曝氣裝置提高系統(tǒng)的充氧能力后，氧化溝出水NH3-N大幅度降低，氧化溝出口NH3-N平均濃度為0.78 mg/L。新增缺氧池后，污泥泵房的高濃度剩余污泥流入缺氧池，由于污泥泵房的溶解氧較低，流入缺氧池后能形成良好的缺氧環(huán)境，在未額外投加碳源的缺氧環(huán)境下，高濃度的微生物利用內(nèi)源反硝化進(jìn)一步脫氮，缺氧池出口硝態(tài)氮濃度降低至0.8 mg/L，脫氮較徹底。脫氮后的污泥提升至氧化溝厭氧區(qū)，一方面，補(bǔ)充了生化池中的污泥濃度；另一方面，饑餓狀態(tài)的污泥進(jìn)入氧化溝后，能快速吸附進(jìn)水中的污染物，提高了污染物的處理效果。改造后的氧化溝出口硝態(tài)氮平均濃度為7.28 mg/L，較改造前降幅為16.13%。
改造后，硝態(tài)氮和NH3-N濃度均有不同程度的降低，出水TN由原來(lái)的12.44 mg/L降低至9.66 mg/L。
07 改造效益
本次改造在充分利舊的基礎(chǔ)上，新增提升泵2臺(tái)、羅茨風(fēng)機(jī)2臺(tái)、潛水推流器4臺(tái)、MS70曝氣管60根、管道等，改造污泥泵房及外回流管道。改造總費(fèi)用為80.1萬(wàn)元（其中，設(shè)備及管道改造費(fèi)用為72.08萬(wàn)元，其他費(fèi)用為8.02萬(wàn)元），比整個(gè)工程提標(biāo)改造可節(jié)約投資約1 400萬(wàn)元，與同類(lèi)改造項(xiàng)目相比節(jié)約投資593.46萬(wàn)元。同時(shí)本次改造可在未停水條件下進(jìn)行施工，施工周期短（約30 d），對(duì)廠內(nèi)生產(chǎn)無(wú)影響。
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