DE 氧化溝及其提標(biāo)改造效果研究

李 貝

（武漢市城市排水發(fā)展有限公司北湖污水處理廠，湖北 武漢 430070）

針對DE 氧化溝工藝，國內(nèi)外的學(xué)者從事了大量相關(guān)方面的研究，主要集中在對DE 氧化溝工藝的機理研究[1]、DE 氧化溝的應(yīng)用研究[2]以及DE 氧化溝運行問題的提出及改善[3-4]。武漢湯遜湖污水處理廠是武漢市目前唯一一座以DE 氧化溝作為生物處理單元的城市污水處理廠，本文基于湯遜湖污水處理廠近10 年的進(jìn)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)，并結(jié)合該廠的運行管理經(jīng)驗及升級改造工程進(jìn)行研究，旨在運用一定的手段，對DE 氧化溝工藝的運行效果進(jìn)行客觀評價，并就挖掘DE 工藝的潛力進(jìn)行探討，為同類污水處理廠提供相關(guān)經(jīng)驗。

1 項目概況

1.1 工藝流程

武漢湯遜湖污水廠主要承擔(dān)處理排向湯遜湖的污水，服務(wù)面積為32 km2。該污水處理廠分兩期建設(shè)，其中一期的規(guī)模為5 萬m3/d，采購DE 氧化溝工藝，于2006年3 月正式運行使用。

湯遜湖污水處理廠設(shè)計出水水質(zhì)為GB 18918-2002一級B 標(biāo)準(zhǔn)，具體初設(shè)水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 湯遜湖廠一期DE 氧化溝水質(zhì)初設(shè)值

湯遜湖污水處理廠采用DE 氧化溝工藝，污泥處理采用離心脫水方式，其具體處理工藝流程如圖1 所示。

圖1 DE 氧化溝工藝流程圖

1.2 DE 氧化溝技術(shù)參數(shù)

一期設(shè)兩座DE 氧化溝，單座池規(guī)模為2.5 萬m3/d，單座池總?cè)莘e9 480 m3，每座由一個厭氧區(qū)和2 個單溝組成。單座厭氧池的有效容積為1 450 m3，總停留時間9.1 h，其中厭氧區(qū)的停留時間1.4 h。有效水深4.0 m，每一座厭氧池內(nèi)都設(shè)置了2 臺潛水推進(jìn)器，其中每條單溝內(nèi)還設(shè)置了4 臺單速轉(zhuǎn)碟表面曝氣機、4 臺潛水?dāng)嚢杵鳎瑔螠线M(jìn)出水采用可調(diào)堰板控制，具體設(shè)備參數(shù)見表2。

表2 DE 氧化溝設(shè)備參數(shù)

2 DE 氧化溝運行效果分析

2.1 DE 氧化溝運行工況

運行期間生物池MLSS 維持在2 700～2 800 mg/L，污泥的回流比約為70%，通過剩余污泥排放控制污泥齡7～12 d。設(shè)定好氧段DO 控制1.5～3.5 mg/L，現(xiàn)場DO 信號接入PLC 系統(tǒng)，PLC 根據(jù)DO 值自動增減轉(zhuǎn)碟曝氣機運行，控制DO 在設(shè)定范圍內(nèi)，具體DE 氧化溝的運行時序設(shè)定為：階段A，1 h；階段B，1.5 h；階段C，1 h；階段D，1.5 h。

2.2 DE 氧化溝運行效果

在設(shè)定工況條件下，對DE 氧化溝工藝進(jìn)行試運行，對運行期間進(jìn)出水的COD、氨氮、TN 和TP 的進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行測定比較，得到其各自的去除率。

結(jié)果表明：（1）該DE 氧化溝工藝對COD 有較好的處理效果，出水COD 基本維持在20～30 mg/L 之間，平均去除率在88%以上。即使當(dāng)進(jìn)水COD 濃度高達(dá)350 mg/L，超過設(shè)計值40%時，出水COD 仍穩(wěn)定達(dá)到一級B 排放標(biāo)準(zhǔn)，抗COD 沖擊能力較強。進(jìn)水TP 濃度在1.4～3.6 mg/L，TP 去除率在49%左右，出水TP 值均滿足一級B 排放標(biāo)準(zhǔn)要求。（2）調(diào)試運行期間，氨氮的去除率均基本保持在90%以上，但第5、6、7、17 天因進(jìn)水氨氮較高，出水氨氮分別出現(xiàn)了較大波動，無法穩(wěn)定達(dá)到一級B 排放標(biāo)準(zhǔn)。出水中TN 的濃度隨進(jìn)水TN濃度波動，TN 去除率在40%左右，出水TN 不夠穩(wěn)定，當(dāng)進(jìn)水TN 較高時，出水TN 無法滿足一級B 排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 DE 氧化溝運行存在問題分析

2.3.1 低碳源運行問題

2009 年1 月起，進(jìn)水COD 濃度陡然下降平均值約為112 mg/L，同時期進(jìn)水TN 達(dá)到29 mg/L，C/N 嚴(yán)重偏低。一方面，碳源不足導(dǎo)致DE 氧化溝的A、C 時序的進(jìn)水溝DO 超過0.5 mg/L，根本無法實現(xiàn)好氧與缺氧的交替，喪失生物脫氮效果。同時，出水溝僅兩臺對角轉(zhuǎn)碟運行，但DO 仍高達(dá)5 mg/L，大量的分子氧通過回流系統(tǒng)進(jìn)入?yún)捬醭睾笥謱捬踽屃自斐筛蓴_。另一方面，通過核算F/M 僅為0.07 kgBOD/kgMLVSS·d，生物池污泥急劇老化呈現(xiàn)內(nèi)源衰減。通過運行發(fā)現(xiàn)，在低碳源條件下，工藝C/N比失衡，出水中TN 的濃度偏高。

2.3.2 DE 程序問題

DE 程序是整個運行周期的靈魂，在進(jìn)水濃度較為穩(wěn)定時，可以根據(jù)預(yù)測的COD、總氮濃度精確控制A、B、C、D 四個階段的時序。然而目前國內(nèi)的污水處理廠一般沒有設(shè)置均質(zhì)調(diào)節(jié)池或水解酸化池，一旦出現(xiàn)工業(yè)偷排造成進(jìn)水COD、總氮沖擊，固定的DE 運行程序?qū)驗槿毖鯐r間較短造成反硝化不徹底，影響總氮去除，或者因為好氧不充分，影響氨氮去除。

2.3.3 原設(shè)計問題

按照推進(jìn)設(shè)備與曝氣設(shè)備常規(guī)設(shè)置位置的經(jīng)驗總結(jié)，曝氣設(shè)備距離推進(jìn)器上游的距離一般不應(yīng)小于池寬（9 m），距離推進(jìn)器下游一般不應(yīng)小于池深（4 m），而現(xiàn)狀的設(shè)置位置均小于此臨界值，如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)碟、推進(jìn)器安裝位置圖

除推進(jìn)器與轉(zhuǎn)碟相對位置不合理外，推進(jìn)器選型偏大是導(dǎo)致積泥的另一原因。根據(jù)調(diào)查，厭氧區(qū)單溝直線段長為39 m、寬為5 m，氧化溝單溝直線段長為30 m、寬為9 m，而現(xiàn)有1 800 mm 推進(jìn)器0.3 m/s 流速的理論范圍為長42 m、寬18 m，如圖3 所示。

圖3 推進(jìn)器推流范圍圖

推進(jìn)器推流范圍大于氧化溝尺寸，導(dǎo)致水流撞擊側(cè)壁后形成反射流，擾亂正常推進(jìn)效果，推進(jìn)線路下游實測流速不足0.2 m/s，特別是在好氧水溝的過彎處容易形成集泥，一定程度上減小了好氧溝的有效容積，也影響了曝氣混合效果。

3 基于DE 氧化溝工藝提標(biāo)改造及運行結(jié)果分析

3.1 DE 氧化溝提標(biāo)改造背景

2014 年湯遜湖污水處理廠出水水質(zhì)要求由一級B標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)為一級A 標(biāo)準(zhǔn)，湯遜湖廠啟動二期擴建及一期改造工程，一期校核規(guī)模為4 萬m3/d，設(shè)計水質(zhì)指標(biāo)見表3。

表3 改造后設(shè)計水質(zhì)指標(biāo)

提標(biāo)改造后，日均處理水量4 萬m3，生物池MLSS約2 400 mg/L，污泥回流比R 約為120%，污泥齡10～16 d，控制厭/缺氧段ORP＜-150 mV，控制好氧池末端Do1.5～3.5 mg/L，污泥食微比F/M 約為0.14 kgBOD/kgMLVSS·d。厭/缺氧段的停留時間為1.7 h，好氧段的停留時間為9.6 h。

3.2 工藝改造措施

3.2.1 完善工藝流程

提標(biāo)改造后，將一期原兼?zhèn)涿摰坠δ艿腄E 氧化溝工藝改為單純脫氮功能的A/O 工藝，通過在深度處理單元投加PAC，結(jié)合高效澄清池、R 型精密濾池，保證出水TP 穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，其工藝流程如圖4 所示。

圖4 改造后工藝流程圖

3.2.2 氧化溝工藝增設(shè)底部曝氣裝置改造研究

湯遜湖污水處理廠二期于2015 年5 月完成，采用鼓風(fēng)微孔曝氣方式，在連續(xù)運行半年后，二期處理系統(tǒng)電耗率僅為160 kWh/kt，鼓風(fēng)機機房設(shè)備有約40%的富余能力，而一期運行電耗高達(dá)320 kWh/kt。為了降低一期電耗，于2015 年年底在一期一組氧化溝內(nèi)增設(shè)了微孔曝氣系統(tǒng)，風(fēng)源由二期鼓風(fēng)機房提供。

（1）增設(shè)底部曝氣系統(tǒng)改造方式

由二期A/A/O 生物池DN500 空氣管道上接出DN300 空氣管道至一期化溝，管道全長80 m，并設(shè)置空氣減壓閥、空氣流量計。在一期氧化溝池頂布置DN150～DN200 空氣管道，DN150 空氣管道全長100 m，DN200空氣管道全長90 m。每個過水廊道內(nèi)布置一組微孔曝氣器，共布置4 組，每組曝氣器最大曝氣量為9.25 m3/min（555 m3/h），具體布置如圖5 所示。

圖5 曝氣器布置圖

（2）改底部曝氣效果

一期增設(shè)底部曝氣系統(tǒng)后，增加了一臺90 kW 鼓風(fēng)機運行，增設(shè)底曝的氧化溝內(nèi)轉(zhuǎn)碟全部關(guān)停，僅開啟推進(jìn)器維持推流，氧化溝內(nèi)曝氣混合均勻，證明微孔曝氣系統(tǒng)同樣適用于4 m 水深的氧化溝工藝。

微孔曝氣系統(tǒng)動力效率高達(dá)4.5～5.5 kgO2/kWh，轉(zhuǎn)碟曝氣動力效率僅為1.8～2.0 kgO2/kWh，改造后一期消耗功率降低160 kW，一期實際運行電耗降至約220 kWh/kt，氧化溝工藝改底部曝氣體現(xiàn)了優(yōu)秀的節(jié)電效果。值得一提的是，一期僅對一組氧化溝進(jìn)行了底部曝氣改造，一旦另一組氧化溝也進(jìn)行了改造，整個一期運行電耗將進(jìn)一步降低。

3.3 提標(biāo)改造設(shè)備

為解決氧化溝內(nèi)推進(jìn)器、轉(zhuǎn)碟運行干擾問題，改造工程中轉(zhuǎn)碟將溝內(nèi)推進(jìn)器設(shè)置在轉(zhuǎn)碟下游9 m 處，2 臺推進(jìn)器并排布置。雙溝仍串聯(lián)運行，每條單溝內(nèi)增加一個配水點，每條溝內(nèi)轉(zhuǎn)碟間隔開啟，形成了固定的缺氧區(qū)、好氧區(qū)，從而實現(xiàn)A/O 運行模式，設(shè)備的安裝形式如圖6 所示。

圖6 改造后設(shè)備布置圖

為增加曝氣充氧，并進(jìn)一步提高氧化溝流速，對轉(zhuǎn)碟、潛水推進(jìn)器全部進(jìn)行了更新，轉(zhuǎn)碟更新至55 kW，充氧量72 kgO2/h。推進(jìn)器更新至3 kW，轉(zhuǎn)速62 r/min。

3.4 提標(biāo)改造運行效果

為了徹底解決碳源爭奪對同步生物脫氮除磷的影響，一期改造工程將碳源全部用于生物脫氮，并增加完善的化學(xué)除磷系統(tǒng)。改造后由于處理水量下降，氧化溝水力停留時間由原本的9.1 h 增大到11.3 h，選用10 d 連續(xù)測量數(shù)據(jù)，分析比較COD、氨氮、TN 和TP 的進(jìn)出水濃度及其去除率。

通過比較工藝進(jìn)出水COD 濃度，計算其去除率，得到的運行數(shù)據(jù)如圖7 所示。

對圖7 進(jìn)行分析，結(jié)果表明：DE 氧化溝提標(biāo)改造后，對COD 的去除效果很好且較穩(wěn)定，在91%附近波動。COD 出水濃度在20 mg/L 左右，平均值為20.06 mg/L，穩(wěn)定達(dá)到一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 提標(biāo)改造后COD 去除效果圖

通過比較工藝進(jìn)出水氨氮濃度，計算其去除率，得到的運行數(shù)據(jù)如圖8 所示。

圖8 提標(biāo)改造后氨氮去除效果圖

對圖8 進(jìn)行分析，結(jié)果表明：DE 氧化溝提標(biāo)改造后，氨氮去除效果非常好，平均值為96%，出水氨氮濃度非常低，平均值為0.66 mg/L，穩(wěn)定達(dá)到一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)。

通過比較工藝進(jìn)出水TN 濃度，計算其去除率，得到的運行數(shù)據(jù)如圖9 所示。

對圖9 進(jìn)行分析，結(jié)果表明：DE 氧化溝提標(biāo)改造后，氨氮去除率維持在60%左右，出水氨氮濃度平均值為13.31 mg/L，能穩(wěn)定達(dá)到一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 氣動防錯裝置工作狀態(tài)及邏輯元件布置圖

圖9 提標(biāo)改造后TN 去除效果圖

通過比較工藝進(jìn)出水TP 濃度，計算其去除率，得到的運行數(shù)據(jù)如圖10 所示。

對圖10 進(jìn)行分析，結(jié)果表明：DE 氧化溝提標(biāo)改造后，TP 去除率較高，約為90%，出水TP 濃度平均值為0.24 mg/L，能穩(wěn)定達(dá)到一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 提標(biāo)改造后TP 去除效果圖

4 結(jié)論

（1）湯遜湖污水廠采用DE 氧化溝工藝，進(jìn)水水質(zhì)波動較大，DE 氧化溝對進(jìn)水濃度在設(shè)計范圍內(nèi)時，基本能滿足一級B 排放標(biāo)準(zhǔn)，但在低碳源條件下運行效果較差，達(dá)不到出水標(biāo)準(zhǔn)。

（2）DE 氧化溝運行數(shù)據(jù)分析表明：其對SS、COD 和氨氮均有較好的去除率，平均值分別達(dá)到了91%、88%和90%，對TN 的去除效果不好，且效果不穩(wěn)定，平均僅有40%，對TP 也僅有49%的去除率，這與進(jìn)水COD 濃度較低有關(guān)，兼性菌對COD 的去除，反硝化脫氮和生物除磷有一定的影響。

（3）將DE 氧化溝變型為A/O 工藝的方式進(jìn)行提標(biāo)改造，其COD、氨氮、TN 和TP 的出水平均濃度分別為：20.06 mg/L、0.66 mg/L、13.31 mg/L 和0.24 mg/L，去除率得到大大提高，出水能穩(wěn)定達(dá)到一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)。

（4）比較DE 氧化溝變型運行前后環(huán)境、經(jīng)濟效益可知，在進(jìn)水COD 濃度較低的條件下，采用DE 氧化溝變型A/O 工藝運行，其環(huán)境經(jīng)濟效益良好，COD的去除率從88%提升到92%，TN 去除率從40%上升到50%，氨氮去除率從50%提升到97%，TP 去除率達(dá)92%。