设计案例 | 冠县污水处理厂总氮达标技术改造工程案例
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卡鲁赛尔氧化沟工艺具有建设费用低、污水处理流程简单、处理效果稳定、抗冲击能力强等诸多优点而广泛应用于我国污水处理厂的建设，但因特有的沟体设计，氧化沟内无法形成明显的厌氧、缺氧及好氧环境，脱氮除磷效果差。冠县污水处理厂一期工程采用卡鲁赛尔氧化沟工艺，由于设计及运行存在缺陷，出水总氮无法满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。
冠县污水厂设计处理能力为8×104 m3/d，服务面积约为25 km2,服务人口为22万人，出水水质为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。项目占地66 666.7 m2，共分两期建设：一期设计规模为4×104 m3/d，2008年9月投入使用，采用“厌氧池+卡鲁塞尔氧化沟”工艺，出水水质为一级B。二期扩建及升级改造规模为4×104 m3/d，2015年投入使用，采用AAO工艺，出水水质由一级B提升至一级A，一期、二期工艺流程如图1、图2所示。
图1 一期工程工艺流程图
图2 二期工程工艺流程图
一期卡鲁赛尔氧化沟分为两组，单组处理能力为2×104 m3/d，体积为13 028 m3，共计6条沟，单沟宽为10 m，沟长为96.5 m，有效水深为4.5 m。技改前平面布置间(图3)。
图3 一期工程生化池技改前平面示意图
2.1 好氧末端的阀门无法调控内回流比
技改前一期卡鲁赛尔氧化沟好氧末端回流混合液通过阀门回流至缺氧区，内回流量无法精确控制。通过连续半个月地观察测定氧化沟好氧末端与缺氧区前端硝态氮，发现内回流比无法通过阀门进行精确控制(图4)，导致缺氧区反硝化反应效果不佳。
图4 一期好氧末端与缺氧前端硝态氮浓度对比图
2.2 反硝化区域缺氧环境遭破坏
一期氧化沟缺氧区设计容积为1 800 m2，一期单组氧化沟处理水量为800 m2。经核算，缺氧区水力停留时间为2.2 h，因一期氧化沟好氧末端脱气区面积有限，好氧末端一直保持较高的溶解氧，混合液回流“携带”溶解氧进入缺氧区，导致反硝化反应的缺氧环境被破坏，缺氧池前端溶解氧>0.5 mg/L，进一步缩减缺氧区域面积，溶解氧与水力停留时间均不满足反硝化反应条件。
2.3 进水碳氮比低
冠县污水厂进水有机物浓度偏低，近3个月(2018年8月～11月)平均进水CODCr浓度为157.4 mg/L，平均进水BOD5浓度为70.8 mg/L，平均进水总氮浓度为36.2 mg/L(近3个月进出水水质如表1所示)，碳氮比为1.95，碳氮比不满足反硝化反应条件。
2.4 碳源投加点位置选择不当
现场碳源投加点为缺氧区前端，好氧末端溶解氧过高，内回流混合液携带溶解氧会消耗大部分碳源。技改前，采用在氧化沟缺氧区投加液体葡萄糖(CODCr当量为5.5×105 mg/L)来增加碳氮比，葡萄糖现场CODCr投加浓度为110 mg/L，投加后总氮去除效果依旧不佳。
表1 冠县污水厂8月～11月进出水水质
2.5 污泥浓度活性不高
一期氧化沟挥发性有机污泥浓度偏低，近3个月(2018年8月～11月)挥发性有机污泥浓度平均值为1 956 mg/L，混合液挥发性悬浮固体浓度比值为0.4，活性污泥无机物质占据较大成分，导致反硝化菌群数量有限，无法提供有效的反硝化作用。
2018年8月～11月，冠县污水厂总出水总氮平均值为23.37 mg/L(图5)。因此，针对上述问题，本次技改方案重点为增加缺氧停留时间，控制内回流溶解氧浓度及好氧末端硝化液回流量，迅速建立一期生化池反硝化反应的所需条件。
图5 技改前出水总氮趋势图
技改前，对一期缺氧区、好氧区前中末段分别设置取样点，对一期氧化沟缺氧区、好氧区前中末端进行连续11 d的三氮检测分析。结果表明：一期氧化沟硝化反应效果良好，好氧末端氨氮出水平均值为0.186 mg/L，氨氮去除率高达97.35%，反硝化反应效果不佳，缺氧末端硝态氮出水平均值为15.08 mg/L，缺氧区硝态氮去除率不到5%，故此次技改的重心为重建生化系统反硝化反应所需条件(表2)。
一期生化池技改主要为三部分，包括厌氧池改缺氧池、新增内回流与更换碳源等措施。应当地环保部门要求，在保证厂内正常运行的情况下对一期氧化沟进行改造，改造期间处理水量为7.65×104 m3/d。
3.1 厌氧池改缺氧池
由于一期缺氧池池容小，缺氧停留时间达不到反硝化反应的基本条件,且冠县污水厂源头进水总磷低(3 mg/L)，后端通过投加PAC能够稳定去除总磷(出水总磷浓度为0.06 mg/L)，故本次技改可以将厌氧池改为缺氧池。通过改变内回流出水口将原有的厌氧池变为缺氧池，增加总缺氧面积并调整碳源投加点，在缺氧中端设置碳源投加点，碳源投加采用淹没出流，进一步强化药剂混合效果。改造完后，一期缺氧区的总容积增至4 795.7 m2，缺氧区水力停留时间增至5.9 h，水力停留时间满足反硝化反应条件。
表2 一期氧化沟11月7日～18日沿程三氮分析
3.2 新增内回流泵与管道
经当地环保部门要求及多方专家论证，本次内回流技改方案采用不停水技改方案。
(1)在一期氧化沟好氧末端增设2台内回流轴流泵，单台水泵流量为1 200 m2/h，设计扬程为2 m。为一二期内回流泵方便维修调配，本次技改选用与二期内回流泵同一个型号。
(2)增加一条内回流输送管道，为实现不停水技改方案，内回流管道起端从好氧池末端池面直接插入，泵管采用槽钢加固，并沿地面铺设至原厌氧池前端。内回流管道末端直接插入原厌氧池前端水面，将好氧末端混合液直接抽送至原厌氧池前端。
(3)好氧末端安装内回流泵管，输水管道采用DN630碳钢管，防腐采用两油一布。内回流管线实际长度为79 m，需7节12 m的碳钢现场拼接。技改后的一期生化池如图6所示。
图6 一期工程生化池技改后平面示意图
3.3 更换投加碳源
通过对前期进水水质的分析，发现进水COD偏低，碳氮比不满足反硝化反应的条件，需投加碳源。但在一期缺氧前端投加足量液体葡萄糖(CODCr当量为5.5×105 mg/L)后发现，总氮去除效果并没有提升，对现场投加碳源进行碳源小试。
乙酸钠与葡萄糖的碳源小试比对发现，在投加相同COD浓度的情况下，乙酸钠的投加效果要明显优于葡萄糖，比对结果如表3所示。
表3 碳源投加小试比对结果
由表3可知:当碳源投加为葡萄糖时，总氮去除率为6.6%;当碳源投加为乙酸钠时，总氮去除率迅速增加至61.4%。通过对源头企业排放的污染物摸查调研，发现源头企业排放的污染物中含有铁离子，葡萄糖有5个羟基与1个醛基，具有多元醇和醛的性质，三价铁与葡萄糖进行反应，葡萄糖的醛基被氧化成羧基，三价铁被还原成二价铁离子，导致现场碳源投加“长期不足”，故本次技改将投加碳源更换成乙酸钠。化学反应方程如式(1)。
CH2OH(CHOH)4CHO+2Fe(OH)3→
CH2OH(CHOH)4COOH+2FeO+3H2O
(1)
3.4 提高一期氧化沟污泥浓度
通过前期现场摸底，发现一期污泥浓度，MLVSS/MLSS均偏低，二期污泥浓度与MLVSS/MLSS均优于一期，且二期有着良好的反硝化反应。通过连续半个月不间断地抽送二期生化池回流污泥至一期氧化沟，一期氧化沟MLVSS浓度从原先的1 956 mg/L增至2 878 mg/L，MLVSS/MLSS从原先的0.4增至0.67。
改造后，通过控制好氧末端溶解氧在1 mg/L左右，缺氧区前中末端溶解氧均在0.3 mg/L以下。整个生化系统产生了明显的溶解氧浓度梯度，生化池内回流量可以通过变频控制在100%回流量，改造后通过实时调整内回流量的大小维持缺氧区末端硝态氮浓度在2～3 mg/L，确保缺氧区硝态氮浓度能够满足反硝化反应的最佳条件。反硝化所需的缺氧停留时间也得到了足够的保证，系统生物硝化反硝化脱氮工艺顺利进行。
技改前一个月出水总氮平均值为25.78 mg/L,最低值为17.7 mg/L,最高值为32.5 mg/L。技改后一个月出水总氮平均值为10.44 mg/L,最低值为7.49 mg/L,最高值为12.8 mg/L，近一个月出水总氮达标率为100%(图7)。
图7 技改后出水总氮趋势图
冠县污水厂内回流技改费用共计42.02万元，包括内回流泵、安装附件、控制箱部分及管道施工费用四部分，具体费用如表4所示。
表4 内回流技改工程费用明细
表5 冠县污水厂技改前后一个月总氮去除率比较