設計案例 | 氧化溝工藝污水處理廠如何實現低成本升級改造
本文介紹三峽庫區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、投資費用低的條件下，對污水廠實施臨時性改造。
氧化溝工藝具有運行成本低、管理方便、污水處理流程簡單、抗沖擊負荷強等優點，應用廣泛，在城鎮處理廠中占比約20%。
近年來，各地對污水排放提出了更高要求，污水處理廠出水需要滿足一級A甚至更高標準。然而氧化溝在實際運行過程中，由于采用轉刷、轉碟、倒傘曝氣裝置進行表面充氧曝氣，易造成溝內污泥淤積、充氧效率低，且氧化溝體內沒有獨立的缺氧區域，導致硝化效果不理想，脫氮效率不穩定。
很多早期建設氧化溝的工藝的污水處理廠，在現狀運行條件下的已經無法滿足一級A標準，亟需升級改造。
打破重來或者整體搬遷都會浪費很大的人力物力，如何找到一種低成本、高效、快捷的改造技術顯得尤為關鍵。
01 項目概況
該污水處理廠規劃總設計處理規模為3.0×104 m3/d，服務面積為9.32 km²，服務人口約14萬人，主要收集服務范圍內居民生活污水、少量類似生活污水水質的工業廢水以及初期雨水。
一期于2003年8月建成投運，建成處理規模為2.0×104 m3/d，采用改良型氧化溝處理工藝。其中，廠內提升泵站、粗格柵、細格柵按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設計。出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級B 標準。污水處理廠尾水經管道排入長江，污泥經脫水后運輸至當地水泥廠焚燒處置。
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，長度為70.0 m，水力停留時間為15 h。單組氧化溝配備3臺倒傘式表曝設備，單機裝機容量為55 kW，充氧能力為71~107 kg O2/h。每組氧化溝配備2臺潛水推流器，單機裝機容量為4.0 kW。
03 水量出現超負荷
由于污水收集采用截留式合流制方式，2017年全年實際處理水量在0.68萬~3.45萬m³/d，進廠水量波動較大。全年平均日處理水量為2.12萬m³/d，平均負荷率為106%，該污水處理廠已處于超負荷運行狀態。據統計，2017年超負荷運行天數為209 d。超負荷運行縮短了污水在氧化溝和二沉池的停留時間，出水超標風險增大；同時，進水水量超過設計處理水量時，易造成配套管網溢流，增加了水體環境污染的風險。
04 部分指標無法穩定達一級A標準
污水廠各項出水指標均能達到一級B排放標準，如果參照一級A標準排放，TN、NH3-N、TP無法穩定達標。TP的去除可通過在曝氣池出口增加除磷劑用量保證出水TP達標。因此，TN、NH3-N的達標問題成為升級的重點。
（1）NH3-N不達標問題——曝氣量不足
在好氧環境下，硝化菌將NH3-N氧化成硝態氮。但是由于表曝設備充氧效率較低，在超負荷運行情況下，需要更大的曝氣量確保微生物對污染物的分解。因此，NH3-N不達標主要是因為曝氣量不足。
如每組氧化溝內3臺倒傘式表曝設備全開，增加曝氣量，在一定程度上可提高NH3-N的去除效果，但在實際運行過程中，表曝設備全開縮短了缺氧環境的停留時間，不能保證出水TN達標，同時曝氣過量會導致污泥解絮和過度氧化，易造成其他出水指標波動。
（2）TN不達標問題——脫氮容積不足
氧化溝未設置獨立的缺氧區，無法形成反硝化菌適宜的脫氮環境，導致脫氮效果差。根據現場溶解氧濃度分析，氧化溝內實際運行的工藝流程為“厭氧—好氧—缺氧”，氧化溝大部分區域為好氧段，僅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，停留時間約2.3 h，脫氮容積嚴重不足。氧化溝的進水和外回流污泥經過厭氧區后直接進入好氧段，污水在好氧階段降解COD、BOD，同時發生硝化作用，然后再進入缺氧段，在缺氧段發生反硝化作用，此時污水中的碳源已經較少，滿足不了反硝化作用對碳源的需求。即使通過投加碳源和工藝調控，TN均無法實現穩定達標，再加上該廠處于超負荷運行，污水在生化池的停留時間減小，TN的處理效率進一步降低。
05 改造方案
鑒于該廠氧化溝無獨立缺氧區，在應對超負荷運行時，即使通過優化工藝控制方式也不能滿足TN和NH3-N同時達標排放。5年內該廠將面臨拆遷，如實施提標改造工程，建設周期長、投資成本高，后期拆遷后會造成資產浪費。同時，當地政府已制定相應方案對該廠多余污水進行分流，但短期內超負荷運行情況不會得到解決。為此，本著改造周期短、投資省、運行成本低、管理難度小的原則，在充分利用原廠構建筑物和設施，以及確保施工期間不影響污水處理廠正常運行的基礎上，選擇切實可行的改造方案。本次改造的重點為新增缺氧池、在氧化溝內新增曝氣裝置，同時加大除磷劑用量并優化運行參數，確保出水達標排放。
（1）新增缺氧池
該廠二期預留用地現有約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，為增大缺氧區停留時間，將該廢水池改造為缺氧池，可增加3.6 h缺氧停留時間。同時，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入缺氧池，高濃度污泥混合液在缺氧池中進行反硝化脫氮后，最終采用提升泵將脫氮后的混合液泵送至生化系統，補充生化系統污泥濃度。為確保混合液在缺氧池內均勻混合，防止沉淀，新增潛水推流器4個，單機裝機容量為4.0 kW，提升泵2臺，N=30 kW，H=15 m，Q=400 m³/h。
（2）新增曝氣裝置
鑒于超負荷運行導致充氧不足，影響出水NH3-N指標，擬在每組氧化溝3#表曝機所在溝渠內，安裝管式曝氣裝置，增加好氧段容積，增大系統充氧能力。每組氧化溝配備MS70型號薄膜管式微孔曝氣器30個，曝氣管間距為1.0 m，羅茨鼓風機2臺（每組氧化溝1臺），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現不停水安裝，具有安裝方便、維修便利等特點。
06 改造后運行效果
該廠通過新增缺氧池和曝氣裝置改造后，優化了運行模式，氧化溝內開啟曝氣機2#、曝氣機3#和底部曝氣裝置進行曝氣，氧化溝內形成了厭氧—缺氧—好氧的運行模式，同時針對進水水質水量波動情況，靈活調整曝氣機1#設備的運行時間，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，反硝化進一步脫氮，脫氮后的污泥提升至氧化溝以補充生化池所需污泥，在保證處理效果和降低能耗的同時，回流污泥量控制在50%~80%。根據季節性變化，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，可適當提高活性污泥濃度和泥齡。
改造前，氧化溝出口硝態氮和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境，在未額外投加碳源的缺氧環境下，高濃度的微生物利用內源反硝化進一步脫氮，缺氧池出口硝態氮濃度降低至0.8 mg/L，脫氮較徹底。脫氮后的污泥提升至氧化溝厭氧區，一方面，補充了生化池中的污泥濃度；另一方面，饑餓狀態的污泥進入氧化溝后，能快速吸附進水中的污染物，提高了污染物的處理效果。改造后的氧化溝出口硝態氮平均濃度為7.28 mg/L，較改造前降幅為16.13%。
改造后，硝態氮和NH3-N濃度均有不同程度的降低，出水TN由原來的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上，新增提升泵2臺、羅茨風機2臺、潛水推流器4臺、MS70曝氣管60根、管道等，改造污泥泵房及外回流管道。改造總費用為80.1萬元（其中，設備及管道改造費用為72.08萬元，其他費用為8.02萬元），比整個工程提標改造可節約投資約1 400萬元，與同類改造項目相比節約投資593.46萬元。同時本次改造可在未停水條件下進行施工，施工周期短（約30 d），對廠內生產無影響。
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