高原環(huán)境下城鎮(zhèn)污水一體化氧化溝工藝優(yōu)化與工程效果分析*

周 偉，陳 軒，胡 菁，鄧春英，尹 紅，周少奇，3▲

(1貴州科學院，貴州 貴陽 550001；2貴州省固體廢物管理中心，貴州 貴陽 550001；3華南理工大學環(huán)境與能源學院，廣東 廣州 510000)

0 引言

城鎮(zhèn)排水及污水處理設施已經(jīng)成為社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展必不可缺的基礎設施，是城市水良性循環(huán)所必不可少的環(huán)節(jié)，現(xiàn)在越來越多城市污水處理廠選擇一體化氧化溝工藝，一體化氧化溝又稱合建式氧化溝(Combined Oxidation Ditches)，較傳統(tǒng)氧化溝工藝區(qū)別在于節(jié)省了后端的二沉池，氧化溝主體集曝氣沉淀、泥水分離和污泥回流功能在一起，這種曝氣凈化與固液分離操作同在一個構筑物中完成，污泥自動回流，連續(xù)運行的氧化溝種類有多種，依據(jù)沉淀設備位置的不同，設備和池容利用率為100%。這種連續(xù)運行的一體化氧化有多種，可根據(jù)沉淀器于氧化溝主體的位置不同置于氧化溝的部位進行區(qū)分：溝內(nèi)式、側溝式、中心島式[1-4]。氧化溝工藝主要利用裝置內(nèi)溶解氧(DO)在水流沿程的不均勻分布來實現(xiàn)在溝內(nèi)上下層空間上的厭氧、好氧、缺氧的分布，最終完成污水中各相關污染物的同步去除[5-6]。氧化溝工藝改造優(yōu)化過程中如何使得工程參數(shù)與實際運行結果相符合是一個重要的節(jié)點，根據(jù)氧化溝改造過程中對氮的沿程監(jiān)控，調(diào)整氧化溝的各類技術參數(shù)，進行系統(tǒng)的分析和工程評價，能夠為后面一體化氧化溝對進水中氮的處理提供參考。

1 工藝概況與特點

一體化氧化溝工藝基本原理與A2/O工藝基本相同。污水與二沉池回流污泥在氧化溝厭氧段中攪拌混合，大分子有機物在兼性厭氧菌的作用下轉化為VFA，聚磷菌獲得VFA將其同化為PHB，所需能量來源于聚磷菌的水解并導致磷酸鹽的釋放，缺氧池中兼性反硝化菌異化厭氧出水和分流回來的硝酸鹽、亞硝酸鹽，進行脫氮，后續(xù)普通卡魯塞爾氧化溝則完成氨氮硝化、吸磷及去除有機物等過程[7-16]。

處于云貴高原的威寧國家級自然保護區(qū)流域某污水處理廠采用一體化氧化溝工藝，設計處理規(guī)模為10000 m3/d，原主體工藝采用旋流沉砂池+一體化氧化溝+活性砂濾池+生態(tài)塘的方式。實際進水水質如表1所示。

表1 高原草海流域某污水處理廠實際進水水質，mg·L-1

總體上該廠實際進水水質高于設計進水水質。進水BOD5/COD≥0.45，BOD5/TN≥4，污水可生化性好。

2 改造優(yōu)化方案與檢測方法

因該污水處理廠靠近草海國家級自然保護區(qū)，為了解決高原環(huán)境下溶解氧不足與傳遞偏低的問題，需要進行升級提標改造，故采取了在一體化氧化溝內(nèi)增強曝氣設備、增加活性懸掛填料，并在沉淀區(qū)內(nèi)設置人字型折流裝置及泥水分離導管等改造優(yōu)化措施。

水樣取樣地點設置在旋流沉砂池后端(厭氧段進水)、氧化溝預反應區(qū)(厭氧段)、氧化溝缺氧池進水處(缺氧段出水)、氧化溝進水沿程(厭氧及好氧沿程改變)合建二沉池出口。采樣時間為改造優(yōu)化方案實施前的2016年10月及技改優(yōu)化實施優(yōu)化調(diào)試后的2017年5-6月，采樣時間為上午，現(xiàn)場使用采樣瓶進行采樣，滴加硫酸后送往污水廠水質分析室進行具體污染物數(shù)值測定，pH值、COD、氨氮、總氮、總磷均于當天測定，其中COD采用快速消解法測定，亞硝酸鹽氮采用(GB/T 7493—1987)標準；硝酸鹽氮的測定采用(HJT 346—2007)標準；氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009)；總氮的測定采用(GB11894—89)標準；總磷的測定采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—89)標準[17-22]。

3 結果與討論

本文統(tǒng)計了一體化氧化溝工藝2016年改造前及2017年改造后進出水各污染物的去除情況，具體數(shù)據(jù)如表2及表3所示，表1中改造前一體化氧化溝工藝COD、氨氮能夠穩(wěn)定達到一級B標，同時大部分抽樣結果能夠達到一級A標，總氮及總磷能夠達到一級A的出水標準，因此改造工藝主要針對進水中的COD及氨氮，具體方案為在一體化氧化溝內(nèi)增強曝氣設備、增加活性懸掛填料，并在沉淀區(qū)內(nèi)設置人字型折流裝置及泥水分離導管。

表2 一體化氧化溝工藝改造前進出水情況統(tǒng)計

表3 一體化氧化溝工藝改造后進出水情況統(tǒng)計

為了探究改造前后氧化溝中各階段去除效果，本文統(tǒng)計了氧化溝2016年10月改造前及2017年各污染物的沿程濃度變化情況，以探究各污染物改造前在氧化溝不同處理階段的變化情況，本文考察了一體化氧化溝工藝改造前氧化溝COD、氮(氨氮、硝氮、總氮)、總磷的濃度沿程變化。

3.1 改造前后氧化溝COD濃度沿程變化情況分析

由圖1可知：氧化溝工藝改造后COD平均濃度沿程(厭氧段、缺氧段、氧化溝外段、氧化溝中段、氧化溝內(nèi)段)呈階梯式下降，由厭氧段進水平均濃度203 mg/L，下降到194.2 mg/L、149 mg/L、126.2 mg/L，氧化溝外段、中段、內(nèi)段出水分別為103.1 mg/L、60.8 mg/L、46.7 mg/L，氧化溝改造后進水COD總去除率為79.3%，缺氧段去除率為16.2%，較未改造前增加了3.9%。其原因為氧化溝改造后在前端缺氧池增加了相應段懸掛填料，其對有機物的去除效果較好。且一體化氧化溝內(nèi)增加了內(nèi)段的曝氣，增加活性懸掛填料，并在沉淀區(qū)內(nèi)設置了人字型折流裝置，因而較大幅度提高了氧化溝工藝的COD去除率。

圖1 一體化氧化溝工藝改造前后氧化溝COD濃度沿程變化情況

3.2 改造前后氧化溝氮濃度(氨氮、硝氮、總氮)沿程變化情況分析

1)氨氮

由圖2可知：氧化溝工藝改造后氨氮平均濃度沿程(厭氧段、缺氧段、氧化溝外段、氧化溝中段、氧化溝內(nèi)段)呈平緩階梯式下降，由厭氧段進水平均濃度12.4 mg/L，經(jīng)過厭氧段時平均濃度為11.6 mg/L。技術改造后，厭氧池增加了厭氧懸掛填料及增大了回流比，缺氧段氨氮較厭氧段的去除率增加了12.2%，氧化溝外段、中段、內(nèi)段，氨氮去除率由8.9%下降到7.5%、6.1%、3.5%，氧化溝段總體去除率為60.1%，較改造前去除率增加了4%，氧化溝進行改造升級后氨氮能穩(wěn)定達到一級A標準。

圖2 一體化氧化溝工藝改造前后氧化溝氮濃度沿程變化情況

2)硝氮

由圖2可知：改造前硝氮平均濃度為24.6 mg/L，其中硝酸鹽氮厭氧段出水濃度由24.6 mg/L下降到了22.6 mg/L，硝氮去除率為11%，說明改造前硝氮在厭氧段的反硝化去除效果較差。改造后調(diào)整了回流比及加入了厭氧填料。在氧化溝外段硝氮由19.3 mg/L下降到17 mg/L，氧化溝中段出水硝氮下降到13.8 mg/L，在氧化溝內(nèi)段，硝氮的去除率占整個氧化溝去除率的比重為33%。氧化溝外段、中段、內(nèi)段硝氮濃度大幅下降，整個氧化溝段的去除率為56.4%，較改造前增加了10.5%。

3)總氮

由圖2可知：改造前總氮進水平均濃度為39.9 mg/L，厭氧段由39.9 mg/L下降到了33.1 mg/L，氧化溝外段總氮濃度下降到29 mg/L，中段后出水總氮濃度降為23.6 mg/L，再經(jīng)過氧化溝內(nèi)溝，總氮濃度進一步降為13.6 mg/L。整個氧化溝段的去除率為59.2%，較改造前增加了5.4%，總氮出水濃度能穩(wěn)定達到一級A標準。

3.3 改造前后氧化溝總磷濃度沿程變化情況分析

由圖3可知：氧化溝工藝改造后TP平均濃度沿程(厭氧段、缺氧段、氧化溝外段、氧化溝中段、氧化溝內(nèi)段)呈較急劇階梯式下降，由厭氧段進水平均濃度2.1 mg/L，經(jīng)過厭氧段時平均濃度為1.62 mg/L。技術改造后，厭氧池增加了厭氧懸掛填料及增大了回流比，缺氧段末端較厭氧段的去除率增加了18.9%。氧化溝外段、中段、內(nèi)段總磷出水分別為0.99 mg/L、0.82 mg/L、0.41 mg/L，出水TP濃度較未改造前降低了0.3 mg/L，一體化氧化溝內(nèi)增加了活性懸掛填料，聚磷菌可吸附在填料中，同時在沉淀區(qū)內(nèi)設置了人字型折流裝置，技改后的氧化溝工藝的TP去除率較未技改前高13.8%。氧化溝進行改造升級后TP能穩(wěn)定達到一級A標準。

圖3 一體化氧化溝工藝改造前后氧化溝TP濃度沿程變化情況

4 結語

污水廠一體化氧化溝工藝氮的沿程檢測結果顯示，改進升級后氧化溝工藝的各項出水指標達到了城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準的一級A標準，COD去除率為79.3%，氨氮去除率為69.9%，硝氮去除率為63.9%，總氮去除率為68.9%，總磷去除率為70.5%。氧化溝技改優(yōu)化后氨氮總體去除率為60.1%，較改造前去除率增加了4.0%，硝氮去除率為56.4%，較改造前增加了10.5%，總氮去除率為59.2%，較改造前增加了5.4%，總磷改造后去除率為81%，較改造前增加了13.8%。脫氮除磷工程處理效果得到顯著提高。