高排放标准城镇污水厂曝气系统技术改造研究与应用

张 海

（安徽国祯环保节能科技股份有限公司，合肥 230088）

巢湖是我国五大淡水湖之一，，近年来巢湖流域经济发展迅速，水污染问题却日益凸显。为了加强巢湖流域水污染防治，2017年1月1日，安徽省颁布实施了最新地方标准《巢湖流域城镇污水处理厂和工业行业主要水污染物排放限值》（DB34/2710-2016），该标准在《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的基础上，再次对城镇污水处理厂出水标准进行提升。在高标准出水的要求下，巢湖流域某污水处理厂一期工程必须进行提标改造。笔者研究了氧化沟曝气系统性能，针对该污水处理厂实际情况，提出了可行的曝气系统改造方案（可提升式底部曝气）。改造方案实施后，在不影响生产的前提下，该污水处理厂完成了氧化沟曝气系统改造，出水稳定达到标准要求。

1　概况

1.1　工程概况

该厂一期设计为5万t/d，共2条氧化沟，单沟处理能力2.5万t/d，排放标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。二期新建及一期提标改造工程将出水标准提升到类IV类水标准。该厂处于工业园区。

1.2　工艺流程

一期核心处理工艺为卡鲁赛尔氧化沟工艺，曝气方式为倒伞曝气，深度处理采用斜板沉淀+深床滤池+二氧化氯消毒工艺。二期核心工艺为A2O氧化沟工艺，曝气方式为底曝，深度处理采用斜板沉淀+深床滤池+二氧化氯消毒工艺，污泥处理方式为机械浓缩脱水。

1.3　设计进出水水质

由于该厂二期扩建及提标改造后出水标准提高至类四类水标准，同时考虑实际进水水质较高，笔者在设计时提高了二期设施的处理效率，二期项目建成后设计进出水水质如表1所示。

表1　设计进出水水质

1.4　存在问题

1.4.1进水水质变化大，工艺控制难度大

由于该厂处于工业园区，进水水质较复杂，进水浓度高，尤其在进入冬季后，进水水质变化较大，大部分时间均超过设计标准。通过对2015年瞬时进水氨氮（2 h数据）进行分析，全年进水氨氮超过原设计指标28 mg/L天数达到197 d，全年占比为54%；进水COD（化学需氧量）超过设计指标420 mg/L的全年占比为5%。在原设计进水水质浓度下已经存在充氧不足的情况，进水浓度远超设计进水浓度，会对工艺的稳定运行造成影响。

1.4.2一期氧化沟倒伞曝气充氧量不足

根据该厂近年来的运营数据分析，在进水氨氮浓度超过设计标准时，平均处理水量约下降10%。按照设计进水浓度对需氧量及倒伞功率进行复核，单组氧化沟倒伞曝气需氧量为591.5 kg/h。曝气机的动力效率取值为2.3（kg O2/kW·h），需要的总功率为257 kW，则原来倒伞功率270 kW勉强满足充氧需求。由于一期已运行近10年，设备充氧性能下降明显，根据对倒伞充氧性能复测，计算出曝气机动力实际效率Es=1.77kg/（kW·h），实际倒伞设备曝气工况的充氧能力不能满足生产需求，当进水浓度超过设计标准时，充氧能力不足。

同时，该厂一期设计排放标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。二期扩容及一期提标改造工程将出水标准提升到类IV类水标准，出水总氮（TN）由15 mg/L降到10 mg/L，出水氨氮由5 mg/L降到2.5 mg/L。随着水质标准的不断提高，工艺控制要求也不断提高，有必要对氧化沟曝气系统进行技术改造。

2　一期氧化沟曝气系统技术改造方案

城镇污水处理厂二级处理生物段能耗占整个污水处理厂能耗60%左右。由于采用底部曝气比采用表面曝气的效率高，现多数新建污水处理厂采用底部曝气技术[1-2]。因此，该厂在考虑曝气系统改造时，优先将底部曝气作为首选方案；同时考虑到该厂已正式投入运行，如果停产改造对社会环境影响较大，采用不放空的改造方案将更有利于实施。

2.1　一期氧化沟流场现状研究

一期氧化沟单沟好氧区设计5.5 kW潜水推流器3台，推流器全开时氧化沟好氧段的平均流速约为0.33 m/s，能满足氧化沟内好氧段流速的需要，而且流速分布比较均匀。但在氧化沟弯道处底部存在明显的低速区，污泥容易在此沉积，流场图如图1所示。将倒伞开启后，氧化沟内好氧段的平均流速约为0.49 m/s，能满足氧化沟内好氧段流速的需要，而且流速分布比较均匀。

图1　氧化沟流场图

根据氧化沟流场现状评估和流速实测结果，现有氧化沟的流速基本可以满足要求，在氧化沟弯道区域可能存在积泥现象，同时底部曝气带来的水流扰动将降低沟内流速，加剧氧化沟弯道处的污泥沉积。为提高氧化沟流速，氧化沟流速较低的直流段需增加两台推流器，如图2所示。

2.2　一期氧化沟曝气系统布置

根据流场模拟、现场实测数据分析，结合现场工艺实际情况，笔者确定了管式曝气器总平面布置方案，如图2所示。

图2　一期氧化沟底曝系统改造平面布置图

3　结果与分析

3.1　改造前后水质对比

氧化沟曝气系统技术改造后，在相同工况下对氧化沟的污染物去除率进行数据对比，如图3所示。曝气系统改造前后，氧化沟对TN的去除率差别不大，对COD、氨氮和TP（总磷）的去除率都略有提升。

图3　氧化沟改造前后污染物去除率对比

3.2　改造前后能耗对比

通过在相同工况下分别开启倒伞曝气和可提升式底曝系统两种方式进行比较，平均电单耗分别为0.33 kW·h/t水和0.23 kW·h/t水，下降幅度超过30%，节能效果明显。

4　可提升底部曝气系统优缺点

可提升式底部曝气系统较倒伞表曝机，有以下优点：一是曝气系统采用可提升安装方式，在安装和检修时，曝气池不需要放空停产，对生产影响较小；二是可提升式底部曝气系统充氧效率高，与倒伞曝气相比，能耗下降明显，全厂电单耗下降超过30%；三是工艺调控灵活，可及时根据水质水量对曝气量进行调整，灵活控制氧化沟内硝化和反硝化过程条件，实现最优的脱氮和节能降耗；四是曝气管不易堵塞，改善污泥活性。当池内污泥浓度过高或局部污泥沉积，出现曝气效果不佳时，可单独对一组曝气集中供气，实现曝气管反冲洗和改善污泥沉积现象，避免倒伞表面曝气局部污泥沉积厌氧释磷及污泥老化上浮现象；五是可提升式曝气系统环境效益明显。表曝机运行时产生的噪音大，倒伞叶轮搅拌会导致污泥四溅，感官较差。可提升式曝气对噪音和现场环境均有所改善。

缺点是氧化沟内流速降低。倒伞表曝机在充氧的同时，兼有推流的功能，而可提升式底部曝气无推流功能，改造后沟内流速明显降低，需通过新增推流设备来提高沟内流速，避免因流速不足造成污泥分层和沉积现象。