改良型Carrousel-2000 氧化溝工藝曝氣系統(tǒng)改造實(shí)踐

錢志東

（福建海峽環(huán)保集團(tuán)股份有限公司，福州 350014）

福建省某開發(fā)區(qū)污水處理廠二期改擴(kuò)建項(xiàng)目于2010 年正式運(yùn)行，設(shè)計(jì)規(guī)模為2.5×104m3/d，采用改良型Carrousel-2000 氧化溝工藝。根據(jù)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》要求，2017 年進(jìn)行提標(biāo)改造，新增高效沉淀池、反硝化深床濾池等深度處理單元，提標(biāo)后出水水質(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)A 標(biāo)準(zhǔn)。由于提標(biāo)改造不停產(chǎn)的施工要求，氧化溝倒傘表面曝氣方式未調(diào)整。

1 氧化溝設(shè)計(jì)概況

該污水處理廠二期改擴(kuò)建項(xiàng)目的氧化溝長度為89.5 m，寬度為44.9 m，池高為4.8 m，對(duì)應(yīng)的厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)水力停留時(shí)間分別為1.50 h、1.81 h、10.9 h。厭氧區(qū)為完全混合池，缺氧區(qū)為循環(huán)跑道式氧化溝，好氧區(qū)為4 條廊道式Carrousel-2000 氧化溝。其中，好氧區(qū)單廊道寬度（溝寬）為11 m，有效水深為4.0 m，混合液內(nèi)回流為1.0 m×4.0 m的過水渠道。其中，好氧區(qū)配置葉輪直徑3.0 m 的倒傘型表曝機(jī)3 臺(tái)，每臺(tái)功率為90 kW；外溝兩廊道配置4 臺(tái)葉輪直徑2.5 m 的潛水推流器，每臺(tái)功率為5.7 kW；內(nèi)溝兩廊道配置4 臺(tái)葉輪直徑2.5 m 的潛水推流器，每臺(tái)功率為4.3 kW。

2 運(yùn)行現(xiàn)狀

2.1 進(jìn)水量、水質(zhì)波動(dòng)大，系統(tǒng)硝化作用較差

該污水處理廠服務(wù)范圍內(nèi)排水方式以雨污合流制為主，其間有大量海鮮加工廠的工業(yè)廢水排入，實(shí)際處理水量在（2.2～2.8）×104m3/d，接近滿負(fù)荷運(yùn)行。該污水處理廠提標(biāo)改造后，實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)如表1 所示。主要監(jiān)測指標(biāo)有化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、懸浮物（SS）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）和總磷（TP）。

表1 提標(biāo)改造后實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)

由表1 可見，實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)平均值均低于設(shè)計(jì)值，但進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大。除了NH3-N 不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，實(shí)際出水的其他指標(biāo)均優(yōu)于一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。由于進(jìn)水水質(zhì)、水量波動(dòng)，氧化溝好氧區(qū)不能保持穩(wěn)定的好氧環(huán)境，出水NH3-N 出現(xiàn)連續(xù)性波動(dòng)，說明氧化溝硝化作用較差。

2.2 氧化溝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，設(shè)備老化

根據(jù)表曝機(jī)的生產(chǎn)廠家要求，好氧區(qū)溝寬一般是葉輪直徑的2.2 ～2.4 倍，溝寬是工作水深的2 倍。現(xiàn)有氧化溝好氧區(qū)溝寬為11 m，已嚴(yán)重超過表曝機(jī)葉輪（直徑3 m）攪動(dòng)的最大服務(wù)溝寬（8 m）。經(jīng)驗(yàn)證，其推流攪動(dòng)能力、充氧效率大幅下降[1]。根據(jù)氧化溝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，表曝機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)底部已接近運(yùn)行水位，無法分辨葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生水躍或水花。按照相關(guān)規(guī)范要求，表曝機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)宜高出設(shè)計(jì)水位0.8 ～1.2 m，其充氧量取決于負(fù)壓區(qū)（超高區(qū)）真空吸入的空氣量。系統(tǒng)無空氣吸入口，嚴(yán)重降低表曝機(jī)的充氧能力。

該污水處理廠倒傘型表曝機(jī)于2010 年投產(chǎn)使用，使用年限較長，設(shè)備老化，葉輪磨損腐蝕嚴(yán)重，運(yùn)行根本達(dá)不到額定功率。由于沒有變頻控制，在處理水量滿負(fù)荷時(shí)，3 臺(tái)表曝機(jī)必須同時(shí)開啟，在表曝機(jī)下游2 m 處及出水堰門處，溶解氧（DO）實(shí)測值均在0.2 ～0.5 mg/L，導(dǎo)致好氧區(qū)都處于缺氧狀態(tài)。同時(shí)，氧化溝存在污泥沉積、污泥膨脹及生物泡沫，硝化反應(yīng)根本不徹底，間接影響TN 的去除。因此，必須對(duì)氧化溝曝氣方式實(shí)施改造。

2.3 氧化溝系統(tǒng)改造時(shí)間緊，難度大

因當(dāng)?shù)卣心甓葴p排任務(wù)，不允許停產(chǎn)施工，且處理水量不能低于2.3×104m3/d。統(tǒng)籌考慮水量調(diào)度，啟用一期氧化溝（處理能力1.5×104m3/d），并向主管部門申請(qǐng)30 d 減產(chǎn)施工期。要在30 d 減產(chǎn)施工期內(nèi)完成氧化溝曝氣系統(tǒng)改造，改造后立即恢復(fù)通水，將處理水量提高到2.7×104m3/d。

3 改造方案的技術(shù)分析

根據(jù)氧化溝結(jié)構(gòu)及存在的問題，表面曝氣充氧動(dòng)力效率低，能耗高，處理效果不穩(wěn)定，因此決定將原有3 臺(tái)倒傘型曝氣機(jī)予以改造或停用。曝氣系統(tǒng)改造內(nèi)容如下：新增磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)，選擇底部固定曝氣器及推流器布局。

3.1 鼓風(fēng)機(jī)選擇

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021），計(jì)算需氧量為6 447.45 kg/d，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)需氧量為9 671.10 kg/d。根據(jù)曝氣器產(chǎn)品性能指標(biāo)，在氧化溝水深4 m 的情況下，氧傳遞效率為23.3%。經(jīng)計(jì)算，鼓風(fēng)機(jī)理論曝氣量為799.536 m3/d，設(shè)計(jì)風(fēng)量取146 m3/min?？紤]曝氣器的安裝高度以及空氣管道沿程和局部損失，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓取55 kPa。該污水處理廠反硝化深床濾池配套3 臺(tái)磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)，經(jīng)確認(rèn)，其壓力滿足通用條件，本次改造僅需要增加1 臺(tái)磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)，并將其作為備用鼓風(fēng)機(jī)。

3.2 曝氣器選擇及布置

氧化溝底部布設(shè)微孔曝氣器，可采用板式曝氣器和管式曝氣器，而盤式曝氣器服務(wù)面積小，曝氣盤數(shù)量及曝氣管路偏多，在氧化溝好氧區(qū)的有限空間內(nèi)不宜布置。板式曝氣器具有管式曝氣器和盤式曝氣器的優(yōu)點(diǎn)，在壽命、阻力損失、氧氣傳遞效率等方面均有顯著優(yōu)勢，本次改造選用氧氣傳遞效率更高的板式曝氣器。板式曝氣器應(yīng)與潛水推流器錯(cuò)開布置，一般在溝道的轉(zhuǎn)彎處集中設(shè)置曝氣器。在氧化溝轉(zhuǎn)彎處曝氣，解決氧化溝污泥沉積的問題，同時(shí)利用產(chǎn)生的氣墻對(duì)水流整流，使流速梯度降低，預(yù)留直道空間安裝推流器[2]。合理設(shè)置曝氣區(qū)與非曝氣區(qū)，形成連續(xù)缺氧好氧（A/O）環(huán)境，實(shí)現(xiàn)DO 的濃度梯度化，強(qiáng)化生物脫氮除磷作用[3]。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，布置板式曝氣器1 350 套，其分布在好氧區(qū)轉(zhuǎn)彎處，共有13 處曝氣區(qū)。

3.3 推流器布局

底部鼓風(fēng)曝氣，由推流器提供氧化溝內(nèi)混合推流動(dòng)力，同時(shí)克服曝氣器氣流阻力的影響。按照相關(guān)規(guī)范，推流器的容積功率宜控制在2 ～3 W/m3，池內(nèi)平均流速宜不小于0.25 m/s，推流器原則上設(shè)置在直線廊道，前端水流速度保證其均勻性[4]。好氧區(qū)直道配置8 臺(tái)推流器，推流器平均容積功率為3.5 W/m3。在推流器全開、倒傘型曝氣機(jī)未開的工況下，平均流速達(dá)到0.42 m/s，底部鼓風(fēng)曝氣后，好氧區(qū)內(nèi)平均流速大于0.27 m/s，全部滿足要求。經(jīng)好氧區(qū)混合液回流復(fù)核，內(nèi)回流處平均流速達(dá)到0.3 m/s，內(nèi)回流比超過400%，與典型厭氧-缺氧-好氧（A2/O）工藝相比，滿足要求。改造后，底部鼓風(fēng)曝氣，其好氧區(qū)存在明顯的同步硝化反硝化現(xiàn)象，脫氮效率高[5]。氧化溝內(nèi)曝氣系統(tǒng)改造后，平面布局如圖1 所示。

圖1 改造后氧化溝平面布置

4 改造效果分析

2019 年11 月底，該項(xiàng)目氧化溝完成改造，改造后實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)如表2 所示。改造后，各項(xiàng)出水指標(biāo)均優(yōu)于一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。其中，出水COD、BOD 去除率略有提高，出水NH3-N 平均值為0.28 mg/L，相比改造前下降72%，而出水TN 比改造前增加11.5%。經(jīng)分析，氧化溝平均流速較快，由曝氣區(qū)進(jìn)入非曝氣區(qū)的DO 濃度為1.5 mg/L，即非曝氣區(qū)難以形成有效的缺氧區(qū)。同時(shí)，回流至缺氧區(qū)的DO 濃度較高，反硝化作用略有下降。

表2 改造后實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)

改造前電耗為0.329 kW·h/m3， 改造后為0.261 kW·h/m3，電耗下降19.45%。按照處理規(guī)模2.5×104m3/d 計(jì)，每年可減少電耗58.4×104kW·h，節(jié)約電費(fèi)33.87 萬元。改造后，處理水量穩(wěn)定達(dá)到2.5 萬t/d，相比改造前增加4.17%，每年間接增加污水處理服務(wù)收入51.1 萬元。

5 結(jié)論

氧化溝工藝曝氣系統(tǒng)改造采用磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)、板式曝氣器和推流器，曝氣量可以靈活調(diào)節(jié)，溶解氧利用率提升，抗沖擊負(fù)荷能力提升。運(yùn)行結(jié)果表明，在一定的流速下，氧化溝內(nèi)曝氣區(qū)溶解氧得到精準(zhǔn)控制，從而更好地形成硝化反硝化環(huán)境，系統(tǒng)生物脫氮作用穩(wěn)定改善，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。該改造費(fèi)用在3 年內(nèi)通過節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用和增加污水處理服務(wù)收入等方式進(jìn)行收回。