三峽庫區(qū)氧化溝脫氮工藝的低成本改造

陳貴生，張 雙

(重慶市三峽水務(wù)有限責(zé)任公司，重慶 400020)

氧化溝工藝具有投資小、運行成本低、管理方便、污水處理流程簡單、抗沖擊負(fù)荷強等優(yōu)點，在三峽庫區(qū)城市污水處理廠得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。但在實際運行過程中，由于氧化溝工藝主要采用轉(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)沒有獨立的缺氧區(qū)域，導(dǎo)致硝化效果差，脫氮效率不穩(wěn)定，能耗較高[3-5]。隨著國家水污染防治計劃的出臺，要求重點流域、區(qū)域的城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質(zhì)滿足一級A標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。某污水處理廠由于城市規(guī)劃，計劃在近5年實施搬遷，如果對該污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造工程，工程投資約1 500萬元，5年整體搬遷后會造成大量資金浪費。為保證近期該污水處理廠TN、NH3-N穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，經(jīng)多方專家研討，決定在不停水、施工周期短、投資費用低的條件下，對該廠實施臨時性改造，以期提高脫氮效果，保證出水穩(wěn)定達(dá)一級A標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程概況

該污水處理廠規(guī)劃總設(shè)計處理規(guī)模為3.0×104m3/d，服務(wù)面積為9.32 km2，服務(wù)人口約14萬人，主要收集服務(wù)范圍內(nèi)居民生活污水、少量類似生活污水水質(zhì)的工業(yè)廢水以及初期雨水。一期于2003年8月建成投運，建成處理規(guī)模為2.0×104m3/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3.0×104m3/d一次建成，改良型氧化溝、二沉池、接觸消毒池按2.0×104m3/d設(shè)計，由于城市規(guī)劃調(diào)整，二期工程計劃進(jìn)行異地擴(kuò)建。一期設(shè)計進(jìn)水：CODCr≤400 mg/L，BOD5≤250 mg/L，SS≤150 mg/L，TN≤60 mg/L，NH3-N≤35 mg/L，TP≤8 mg/L，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B 標(biāo)準(zhǔn)。污水處理廠尾水經(jīng)管道排入長江，污泥經(jīng)脫水后運輸至當(dāng)?shù)厮鄰S焚燒處置。

工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Flow Chart of the Process

2 存在問題及分析

氧化溝是污水處理的核心設(shè)施之一。該廠現(xiàn)有氧化溝2組，單組處理能力為1.0×104m3/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(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臺潛水推流器，單機(jī)裝機(jī)容量為4.0 kW。氧化溝平面布置如圖2所示。

2.1 水量超負(fù)荷

2017年，全年實際日均處理水量如圖3所示。由于該廠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(jìn)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(fù)荷率為106%，該污水處理廠已處于超負(fù)荷運行狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計，2017年超負(fù)荷運行天數(shù)為209 d，占全年57.2%。超負(fù)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(biāo)風(fēng)險增大；同時，進(jìn)水水量超過設(shè)計處理水量時，易造成配套管網(wǎng)溢流，增加了水體環(huán)境污染的風(fēng)險。

2.2 部分指標(biāo)無法穩(wěn)定達(dá)一級A標(biāo)準(zhǔn)

該污水處理廠建成運行以來，運行情況良好。在超負(fù)荷運行的情況下，通過采取合理的工藝調(diào)控措施，各項出水指標(biāo)均能達(dá)到一級B排放標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)出水指標(biāo)如表1所示。如出水執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)排放，則TN、NH3-N、TP無法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，各指標(biāo)的一級A達(dá)標(biāo)率分別為74.52%、89.67%、49.01%。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(dá)標(biāo)。

NH3-N不達(dá)標(biāo)問題：在好氧環(huán)境下，硝化菌將NH3-N氧化成硝態(tài)氮，從而去除污水中的NH3-N。表曝設(shè)備充氧效率較低，溶解氧監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，好氧段末端溶解氧小于0.7 mg/L。在超負(fù)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(dá)標(biāo)主要是因為曝氣量不足。如每組氧化溝內(nèi)3臺倒傘式表曝設(shè)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(shè)備全開縮短了缺氧環(huán)境的停留時間，不能保證出水TN達(dá)標(biāo)，同時曝氣過量會導(dǎo)致污泥解絮和過度氧化，易造成其他出水指標(biāo)波動。

圖2 改造前氧化溝平面圖Fig.2 Plane Layout of Oxidation Ditch before Reconstruction

圖3 2017年實際處理水量Fig.3 Actual Capacity of Water Treatment in 2017

TN不達(dá)標(biāo)問題：氧化溝未設(shè)置獨立的缺氧區(qū)，無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)場溶解氧濃度分析，氧化溝內(nèi)實際運行的工藝流程為“厭氧—好氧—缺氧”，氧化溝大部分區(qū)域為好氧段，僅在氧化溝出水口之后形成小段缺氧段，缺氧段有效容積約為960 m3，停留時間約為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，此時污水中的碳源已經(jīng)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(diào)控，TN均無法實現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，再加上該廠處于超負(fù)荷運行，污水在生化池的停留時間減小，TN的處理效率進(jìn)一步降低。

表1 2017年污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Water Quality of Influent and Effluent in 2017

3 改造方案

3.1 改造思路

鑒于該廠氧化溝無獨立缺氧區(qū)，在應(yīng)對超負(fù)荷運行時，即使通過優(yōu)化工藝控制方式也不能滿足TN和NH3-N同時達(dá)標(biāo)排放。在當(dāng)下環(huán)境監(jiān)管嚴(yán)峻的形勢下，對該污水處理廠實施改造，確保出水達(dá)標(biāo)排放迫在眉睫。5年內(nèi)該廠將面臨拆遷，如實施提標(biāo)改造工程，建設(shè)周期長、投資成本高，后期拆遷后會造成資產(chǎn)浪費。同時，當(dāng)?shù)卣阎贫ㄏ鄳?yīng)方案對該廠多余污水進(jìn)行分流，但短期內(nèi)超負(fù)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(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行的基礎(chǔ)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(nèi)新增曝氣裝置，同時加大除磷劑用量并優(yōu)化運行參數(shù)，確保出水達(dá)標(biāo)排放。

3.2 改造實施方案

(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(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，單機(jī)裝機(jī)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(fù)荷運行導(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型號薄膜管式微孔曝氣器30個，曝氣管間距為1.0 m，羅茨鼓風(fēng)機(jī)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(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現(xiàn)不停水安裝，具有安裝方便、維修便利等特點。

改造后的平面圖如圖4所示。

4 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(yōu)化了運行模式，氧化溝內(nèi)開啟曝氣機(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—好氧的運行模式，同時針對進(jìn)水水質(zhì)水量波動情況，靈活調(diào)整曝氣機(jī)1#設(shè)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(jìn)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(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。

圖4 改造后氧化溝平面圖Fig.4 Plane Layout of Oxidation Ditch after Reconstruction

圖5 改造前后氧化溝出口氮濃度Fig.5 Nitrogen Concentration at the Outlet of Oxidation Ditch before and after Reconstruction

生活污水中TN主要由有機(jī)氮、NH3-N、硝態(tài)氮，以有機(jī)氮和NH3-N為主，NH3-N占比約60%。經(jīng)過氨化和硝化后，TN主要以硝態(tài)氮和NH3-N形式存在[6]。為分析改造后系統(tǒng)對硝態(tài)氮和NH3-N的去除效果，通過現(xiàn)場在線儀表監(jiān)測，改造前后氧化溝出水硝態(tài)氮和NH3-N的濃度如圖5所示。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。通過新增曝氣裝置提高系統(tǒng)的充氧能力，有助于NH3-N和有機(jī)氮的氧化。因此，改造后氧化溝出水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，因此，出水TN由原來的12.44 mg/L降低至9.66 mg/L。其中，出水平均NH3-N由原來的2.72 mg/L降低至0.78 mg/L。

通過改造和優(yōu)化運行，出水水質(zhì)能穩(wěn)定達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，改造后進(jìn)出水水質(zhì)如表2所示。在氧化溝出水口末端增加除磷劑PAC投加，平均出水TP由1.06 mg/L下降至0.28 mg/L。缺氧池的新建增加了系統(tǒng)停留時間，高濃度饑餓狀態(tài)的微生物進(jìn)入生化池后提高了有機(jī)污染物的去除效果。因此，出水COD和BOD均有一定程度的下降。

表2 改造后進(jìn)出、出水水質(zhì)Tab.2 Influent and Effluent Water Quality after Reconstruction

5 效益分析

本次改造在充分利舊的基礎(chǔ)上，新增提升泵2臺、羅茨風(fēng)機(jī)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(shè)備及管道改造費用為72.08萬元，其他費用為8.02萬元)，與整個工程提標(biāo)改造相比，可節(jié)約工程投資約1 400萬元；與同類改造項目相比，節(jié)約投資593.46萬元(胡前[4]對轉(zhuǎn)刷曝氣雙溝式氧化溝工藝升級改造總投資約673.56萬元)。

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)，對廠內(nèi)生產(chǎn)無影響。

改造后電耗為0.417 6 kW·h/m3，較改造前新增電耗0.037 kW·h/m3；為保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，在氧化溝出口投加除磷劑5.43 mg/L，TP出水穩(wěn)定在0.28 mg/L，較改造前新增除磷劑投加量2.74 mg/L，改造的投入成本和污水處理新增的直接費用(包括電費、藥劑費)低于同行業(yè)提升為相同標(biāo)準(zhǔn)的污水廠[8]。雖然改造后電耗和藥耗都有一定程度的增加，但出水水質(zhì)提升后，TN、NH3-N、TP削減量分別提高了20.29、14.12、5.69 t/a，減輕了水體的污染負(fù)荷，環(huán)境效益顯著。

6 結(jié)論

在不停水的條件下，充分利用廠內(nèi)構(gòu)筑物和設(shè)施，采取將廢水池改造為缺氧池、新增曝氣裝置、改造污泥泵房管線等改造措施，大大提升了系統(tǒng)的脫氮能力。通過優(yōu)化運行模式，改造后出水各項指標(biāo)均能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，污染物減排量進(jìn)一步降低，對當(dāng)?shù)厮h(huán)境改善有積極意義。同時，本次改造工程投資和新增污水處理費用處于同行業(yè)較低水平。