氧化溝工藝在低碳源城鎮(zhèn)污水廠的脫氮除磷潛力研究

摘 要：【目的】以某城鎮(zhèn)污水廠為例，探討氧化溝工藝在低碳源城鎮(zhèn)污水廠脫氮除磷潛力挖掘的可行性，為全國其他污水廠氧化溝工藝的改造提供方向?！痉椒ā渴紫汝P(guān)閉原氧化溝回流門并對其鋼砼加固，在加固后的回流門豎向方向安裝兩臺低揚程大流量穿墻泵，強(qiáng)力推進(jìn)硝化液回流，使氧化溝內(nèi)部回流比達(dá)到300%～400%。其次在氧化溝兩個彎段處增設(shè)曝氣盤，來調(diào)整氧化溝及缺氧區(qū)內(nèi)的溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）濃度。最后將原設(shè)計的單污泥回流至厭氧池，改為雙污泥回流至厭氧池和氧化溝缺氧區(qū)，污泥回流比提高至100%～200%?！窘Y(jié)果】改造后，氧化溝TN和TP的出水水質(zhì)有明顯提升，TN出水濃度由改造前的25～30 mg/L降低至10～19 mg/L，脫氮潛力釋放了11%～22%。TP出水濃度由改造前的1～1.5 mg/L降低至0.1～0.5 mg/L，除磷潛力釋放了14%～23%?！窘Y(jié)論】通過對氧化溝回流門，曝氣盤、污泥回流點及回流比的調(diào)整，氧化溝系統(tǒng)的脫氮除磷潛力得到進(jìn)一步的挖掘與釋放。當(dāng)前，全國各省市級的大型污水廠中有占比很大的氧化溝工藝在運行，挖掘其脫氮除磷潛力，不失為污水廠節(jié)能降耗的一個方向。

關(guān)鍵詞：低碳源污水；氧化溝；提標(biāo)改造；脫氮除磷

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）16-0084-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.16.017

Study on the Potential of Nitrogen and Phosphorus Removal in Oxidation Ditch Process in Low Carbon Source Urban Sewage Plant

WANG Li1 MA Ge2

（1.Shaanxi Biaoyuan Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Xi'an 710076，China;

2. School of Geography Science and Tourism， Shaanxi Normal University， Xi'an 710119，China）

Abstract： [Purposes] Taking an urban sewage plant as an example， this paper discusses the feasibility of excavating the potential of oxidation ditch process in low carbon source urban sewage plant， which provides a direction for the transformation of oxidation ditch process in other sewage plants in China.[Methods] Firstly， the original oxidation ditch reflux door was closed and its steel concrete was reinforced. Two low-head and large-flow through-wall pumps were installed in the vertical direction of the reinforced reflux door， which strongly promoted the reflux of nitrification liquid， so that the internal reflux ratio of the oxidation ditch reached 300 % ～ 400 %. Secondly， an aeration disc was added at the two curved sections of the oxidation ditch to adjust the dissolved oxygen （ DO ） concentration in the oxidation ditch and the anoxic zone. Finally， the original single sludge was refluxed to the anaerobic tank， and the double sludge was refluxed to the anaerobic tank and the anoxic zone of the oxidation ditch. The sludge reflux ratio was increased to 100 % ～ 200 %. [Findings] After the transformation， the effluent quality of TN and TP in the oxidation ditch was significantly improved， and the effluent concentration of TN was reduced from 25 ～ 30 mg/L before the transformation to 10～19 mg/L， and the nitrogen removal potential was released by 11%～22%. The effluent concentration of TP was reduced from 1～1.5 mg/L before the modification to 0.1～0.5 mg/L， and the phosphorus removal potential was released by 14% to 23%.[Conclusions] Through the adjustment of the oxidation ditch reflux gate， the aeration disk， the sludge reflux point and the reflux ratio， the potential of nitrogen and phosphorus removal of the oxidation ditch system is further explored and released. Since there is a large proportion of the oxidation ditch process in the large sewage treatment plants in operation， excavating its potential of nitrogen and phosphorus removal can be regarded as a direction of energy saving and consumption reduction of sewage treatment plants.

Keywords： low carbon source sewage; oxidation ditch; upgrading and reconstruction; nitrogen and phosphorus removal

0 引言

自我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）實施以來，城鎮(zhèn)污水廠的脫氮除磷技術(shù)已發(fā)展了22年，目前已進(jìn)入深度脫氮除磷階段。隨著污水廠能耗和藥耗的增加，污水廠運營成本顯著上升，對地方財政造成很大壓力。在我國“雙碳”目標(biāo)的大背景下，污水廠的低碳運行將成為實現(xiàn)綠色污水處理過程的重要途徑［1］。本研究以某提標(biāo)改造工程的氧化溝為例，探討改造后的氧化溝在不投加外碳源的情況下進(jìn)一步挖掘脫氮除磷潛力的可行性，為全國其他污水廠氧化溝的運行提供一種低碳運行的技術(shù)借鑒。

1 項目概況

1.1 項目背景

北方某城鎮(zhèn)污水廠一期設(shè)計處理能力5 000 m3/d，實際處理水量約4 600 m3/d，采用的污水處理工藝為“一級處理+厭氧池+合建式缺氧池氧化溝+二沉池+曝氣生物濾池+纖維轉(zhuǎn)盤過濾+消毒”，設(shè)計出水標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《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)。2021年，該污水廠擴(kuò)建至1 0000 m3/d，二期擴(kuò)建工程規(guī)模5 000 m3/d，其生物處理單元采用“A2O+二沉池”，三級FVtG/UripHULIWcl4M1JGw==處理采用“一期二期混合水+高效沉淀池+深床反硝化+消毒”工藝，出水執(zhí)行《陜西省黃河流域污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 61/224—2018）A標(biāo)準(zhǔn)，排放限值為：COD≤30 mg/L、NH3-N≤1.5（3） mg/L、TN≤15 mg/L、TP≤0.3 mg/L。

按照運維經(jīng)驗，在不投加外碳源的情況下，“A2O+二沉池”出水TN濃度大約在12～20 mg/L，氧化溝出水在20～30 mg/L。這兩種出水混合后進(jìn)入深床反硝化脫氮，會消耗大量碳源，若碳源投加不當(dāng)很容易造成尾水COD超標(biāo)。因此，有必要對一期工程氧化溝進(jìn)行改造，降低其出水TN濃度。

1.2 改造措施

提標(biāo)擴(kuò)建工程棄用原纖維轉(zhuǎn)盤濾池，在原二沉池后新建高效沉淀池與深床反硝化池，消毒系統(tǒng)仍用原有設(shè)施。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，氧化溝原設(shè)計有三處問題：一是氧化溝內(nèi)曝氣盤分布不合理，硝化液回流后缺氧區(qū)氧含量高；二是氧化溝內(nèi)硝化液回流量不足；三是污泥回流比不合理。

氧化溝內(nèi)曝氣盤分布不合理的改造措施是在氧化溝的兩個彎段處增設(shè)曝氣盤，不改變原風(fēng)機(jī)大小，增設(shè)電機(jī)變頻器，即可調(diào)整氧化溝及缺氧區(qū)內(nèi)的溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）濃度。氧化溝硝化液回流量不足的原因有兩點：一是回流通道設(shè)計過窄，安裝于回流通道上的回流門即使在全開的情況下，TN的脫氮效率也只有64%～68%；二是推流器的選型不合理，功率偏小，無法推進(jìn)硝化液大量回流。針對氧化溝內(nèi)硝化液回流量不足的問題，在提標(biāo)改造工程設(shè)計時，重點對回流門進(jìn)行改造，主要改造措施為：關(guān)閉回流門，并對其進(jìn)行鋼砼加固，在加固后的回流門豎向方向（溝深方向）等距安裝兩臺低揚程大流量的穿墻泵，強(qiáng)力推進(jìn)硝化液回流，回流比可達(dá)到300%～400%。針對污泥回流比不合理的改造措施是將原設(shè)計中回流污泥只回到厭氧池改為回流改至兩處（厭氧池和缺氧池），污泥回流比提高至100%～200%。

1.3 污水處理工藝流程

一期工程改造后污水脫氮除磷在兩處完成，一是缺氧池和氧化溝，二是深床反硝化池。完整的工藝流程如圖1所示。

1.4 原水水質(zhì)及特點

本項目的原水水質(zhì)受當(dāng)?shù)鼐用耧嬍辰Y(jié)構(gòu)影響，水中總氮含量較高，碳氮比較低。COD/TN=2～4，碳源相對不足 ［2］，屬于較為典型的低碳源城鎮(zhèn)污水，原水水質(zhì)指標(biāo)見表1。

1.5 項目運行條件

實際水量（Q）為 4 600 m3/d。厭氧池水力停留時間（HRT）為4 h。缺氧與氧化溝組合池水力停留時間（HRT）為17 h。其中，缺氧區(qū)7 h，好氧區(qū)10 h。冬季水溫為8～12 ℃，夏季水溫為20～25 ℃；pH為7～8.5。原水碳氮比（COD/TN）為2～4，碳磷比（COD/TP）40～120。

1.6 項目運行技術(shù)參數(shù)

本項目運行技術(shù)參數(shù)主要選擇與脫氮除磷相關(guān)的溶解氧（DO）濃度、污泥回流比、硝化液回流比等3種參數(shù)。改造前后各生物池的運行參數(shù)見表2。

2 改造后氧化溝出水水質(zhì)及污染物去除率

氧化溝改造安裝完成后進(jìn)行通水調(diào)試，項目組于10月和11月進(jìn)行為期兩個月（60天）的連續(xù)跟蹤化驗測試，取得51個“厭氧+缺氧+氧化溝+二沉池”的進(jìn)出水COD、NH3-N、TN和TP觀測數(shù)據(jù)。各項出水水質(zhì)指標(biāo)見表3，該系統(tǒng)進(jìn)出水的TN濃度和TP濃度如圖2、圖3所示。在未投加外部碳源和除磷劑的情況下，系統(tǒng)各污染物去除率分別為：COD去除率80%～95%，NH3-N去除率90%～100%，TN去除率80%～90%，TP去除率85%～98%。TN和TP去除率散點分布如圖4、圖5所示。

3 分析與討論

3.1 改造前后氧化溝出水水質(zhì)及污染物去除率對比分析

一期工程改造前，污水廠通過在氧化溝前端的缺氧池投加大量外碳源，在末端出水口處投加除磷劑來確保TN和TP達(dá)標(biāo)排放。未投加碳源和除磷劑之前，污水廠化驗室臺賬顯示其出水TN=25～30 mg/L，TP=1～1.5 mg/L。改造工程實施后，TN出水濃度降低至10～19 mg/L，TP出水濃度降低至0.1～0.5 mg/L。脫氮潛力釋放了11%～22%，除磷潛力釋放了14%～23%，COD和NH3-N濃度未發(fā)生大的變化。對比分析結(jié)果見表4。

3.2 脫氮除磷潛力釋放原因分析與探討

由圖2至圖5可知，改造后 “厭氧+缺氧+氧化溝” 的脫氮除磷效果顯著，其主要原因分析如下。

①通過改變污泥回流點位和回流比，達(dá)到原水碳源在厭氧池和缺氧池重新分配的目標(biāo)。改造前污泥全部回流至厭氧池，處于饑餓狀態(tài)的微生物迅速降解來水中可溶性COD，生成乙醇、二氧化碳和氫氣等中間產(chǎn)物，另一部分碳源則過量聚集在除磷菌內(nèi)［3］，原水碳源的絕大部分在厭氧池被消耗。項目組曾測試厭氧池出水口處COD濃度約在40mg/L，可以佐證上述分析。調(diào)整污泥回流點位和回流比后，進(jìn)入?yún)捬醭氐脑荚创蟛糠直幌那熬瓦M(jìn)入缺氧池，為反硝化留下更多的碳源，這雖然影響除磷菌的過度釋磷，但在缺氧池可通過缺氧除磷機(jī)制予以彌補(bǔ)［2，4］，不會影響最終的除磷效果。增加缺氧池的污泥回流比，不僅增加硝化菌總量，同時也增加反硝化菌和好氧除磷菌的生物總量。

②在氧化溝兩個彎段處增加曝氣盤，同時適當(dāng)降低DO運行濃度［5］，在滿足硝化需氧量條件下，可降低氧化溝出水NH3-N濃度，減少硝化液回流帶入缺氧區(qū)的DO濃度，還可節(jié)省電能消耗。在氧化溝回流門處安裝穿墻泵使硝化液回流比增加至300%～400%，反硝化會進(jìn)行得更徹底。

③本案例缺氧池與氧化溝合建，其池型與氧化溝相似，因此，缺氧池也具有氧化溝一樣的推流效果，溝內(nèi)存在污染物濃度梯度，同時在各自的池內(nèi)部存在流量循環(huán)，這種“推流+循環(huán)”的流場必然優(yōu)于完全混合式池型，對降解污染物非常有利。

4 結(jié)論

通過本案例不難發(fā)現(xiàn)，氧化溝脫氮除磷潛力還有挖掘空間，其核心在于通過對硝化液回流比、污泥回流點位、回流比和DO的重新調(diào)整，達(dá)到對原水碳源的重新分配與生物處理系統(tǒng)微生物菌群的調(diào)整，從而形成一個更符合脫氮除磷菌群生長的人工環(huán)境。

通過本案例可得到以下結(jié)論。

①在低碳源污水處理系統(tǒng)中，好氧區(qū)不適合高濃度DO運行，適當(dāng)降低DO，有利于生物脫氮。

②將厭氧除磷改為“厭氧+缺氧”除磷，不僅可以提高除磷效率，還可促進(jìn)生物脫氮。

③合建式氧化溝“推流+循環(huán)”的流場優(yōu)勢，對降解污染物非常有利。

④污泥回流比、污泥回流點位和硝化液回流比等運行參數(shù)對氧化溝的脫氮除磷效果有較大影響。通過調(diào)整以上參數(shù)，TN出水濃度由改造前25～30 mg/L降低至10～19 mg/L，脫氮潛力釋放了11%～22%；TP出水濃度由改造前1～1.5 mg/L降低至0.1～0.5 mg/L，除磷潛力釋放了14%～23%。

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