表曝氧化沟与底曝生物池工艺设计对比分析与调控

赵爱平石香玉

（1.康达环保水务有限公司，河南 焦作 454000；2.焦作大学，河南 焦作 454003）

随着工农业生产的发展﹑人口的增长，氮﹑磷等营养物质引发的水体富营养化日趋明显，因此，城市污水处理厂选择脱氮除磷污水处理工艺。城市污水处理厂污水处理工艺主要有氧化沟工艺﹑A/A/O生物池工艺﹑CAST工艺等。氧化沟工艺池较浅，池深一般为4.0 m,占地面积大，土建费用高，但后期设备维修保养方便简捷，工艺调整简单灵活，适用于进水水质较低,进水水量波动大的中小城镇污水处理厂。A/A/O生物池工艺池深一般为6.5 m,占地小。该工艺的优点是厌氧﹑缺氧﹑好氧三段功能明确，界限分明。大中型城镇污水处理厂进水指标高,碳源充足（BOD/TKN≥4）,可达到比较高的脱氮率，适合选用该工艺。该工艺缺点是生物池底部曝气管清洗费用高，检修难度大。

1.工程概况

随着城市规模迅速发展﹑人口逐渐增加及管网逐步完善，原来的污水处理厂已不能满足本市污水处理需求。因此,市政府决定在第一污水处理厂东5 km处，新建一座第二污水处理厂，主要处理主城区生活污水。

第二污水处理厂位于市区东南，占地149.79亩,总投资2.77亿,总设计规模为15×104m3/d，采用一次性规划,分期投资建设。项目一期规模10×104m3/d，2007年11月开工建设，2009年4月通过环保验收，采用改良型氧化沟表面曝气工艺,设计排放标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级B标准。2011年12月项目完成深度处理升级改造，排放标准提高到GB18918—2002一级A标准。随着水量增加，二期5×104m3/d扩建工程于2014年7月开工建设，2016年8月商业运行。扩建项目工艺采用A/A/O生物池底部曝气工艺，设计出水达到国家一级A标，污泥采用板框压滤脱水,压滤后污泥含水率约为 50%。

2.工艺设计

2.1 工艺流程

设计进﹑出水水质,如表1所示。

表1 设计进﹑出水水质

预处理土建工程按照15×104m3/d规模一次建成,设备分期安装。生物处理及深度处理部分分期建设，一期工艺采用改良型氧化沟，二期扩建工艺选择了A/A/O生物池。最终第二污水处理厂工艺流程图如图1所示。

图1 工艺流程图

2.2 一期核心构筑物氧化沟

一期设计规模10×104m3/d,氧化沟2座(见图2)。氧化沟池容:每座总容积29034 m3,其中缺氧池1043 m3﹑厌氧池2482 m3﹑氧化沟25509 m3。单沟设计流量2087 m3/h,有效水深4.5 m;停留时间:缺氧池停留时间0.5 h,厌氧池停留时间1.19 h，氧化沟停留时间12.25 h;氧化沟工艺参数:污泥负荷0.06 kgBOD5/kgMLSS;污泥浓度MLSS4000 mg/l;容积负荷:0.24 kg/m3.d; 污泥回流比50%—100%。

图2 氧化沟平面图

氧化沟设备:每座缺氧池安装两台叶轮直径325 mm,功率2.5 kW的潜水搅拌器。厌氧池安装6台同型号潜水搅拌器。每座氧化沟安装5台倒伞曝气机，其中一台为变速:直径3750mm,功率110 kW,充氧量237 kgO2/h。

一期氧化沟2009年3月投运，运行初期污泥灰分比较低(夏季0.3左右,冬季0.4左右),且底部积泥严重，2011年进行改造。在好氧区每个廊道中部及两端大环道增加一台直径2500 mm，功率5.5 kW的潜水推流器。每座氧化沟增加8台潜水推流器。改造后氧化沟底部积泥情况明显好转。

2.3 二期核心构筑物生物池

生物池是污水处理厂的核心区，利用运行设置的缺氧﹑厌氧﹑好氧的条件去除BOD5﹑COD﹑TN﹑TP等主要污染物。生物池池容:预缺氧区975.36 m3，厌氧区3924.3 m3,缺氧区12130.5 m3,好氧区25439.4 m3,总池容42469.62 m3；名义水力停留时间:预缺氧区0.39 h,厌氧区1.57 h,缺氧区4.85 h,好氧区10.18 h,总停留时间16.99 h。

生物池水力流向：经预处理后的污水分别进入预缺氧区﹑厌氧区，进入预缺氧区﹑厌氧区的比例为30%—40%及60%—70%。从二沉池回流的活性污泥进入预缺氧区，在预缺氧区污水与外回流污泥混合，然后依次进入厌氧区﹑缺氧区。为保证缺氧厌氧状态混合均匀，又不使污泥沉淀，在缺氧厌氧池内设置了13台高速潜水搅拌器。经过缺氧厌氧反应的污水混合液推流式进入后面的7条好氧区廊道，在好氧区进行渐减曝气，最后流出生物池。为保证脱氮效果，增加缺氧区停留时间，在好氧区末端（最后一条廊道）安装3台穿墙式内回流泵，内回流泵提升的混合污泥进入缺氧区。

生物池内工艺参数:污泥浓度MLSS4000 mg/L;污泥负荷FW0 .083 kgBOD5/kgMLSSd;泥龄 12 d;水力停留时间16.99 h;外回流比R=100%,内回流比r=200%;好氧区曝气为微孔曝气充氧，设计气水比为6:1。

生物池设备：预缺氧区安置一台高速潜水搅拌器:功率7.5 kW,叶轮直径565 mm；缺氧区及厌氧区安置12台低速潜水推流器:功率5.5 kW,叶轮直径1800 mm;内回流泵3台：流量2500 m3/h,扬程1.0 m,功率18.5.0 kW,2用1备。

生物池充氧设备:EPDM膜微孔管式曝气器。设备参数:曝气管充氧量7—10 m3/h.根，直径90 mm,长度1000 mm,氧利用率20%,曝气器阻力150—300 mm H2O。

鼓风机房提供压缩空气设备：空气悬浮鼓风机三台(2用1备),每台鼓风机,风量7320 m3/h,设计风压0.7 bar,功率150 kW,生物池平面图见图3。

图3 生物池平面图

3.氧化沟、A/A/O对去除废水中TN的效果分析

生活污水水量变化情况：我市生活污水随居民生活特点波动较大，对应来水水量﹑水质差别相应也较大,晚间城市居民休息，水量从24:00点至第二天早上8点处于低液位运行，进水指标低。表2为平均一天水量变化情况。

表2 水量变化表

3.1 一期氧化沟TN工艺调整及达标情况

根据水量情况灵活调整工艺：一期倒伞表面曝气机可以根据氧化沟溶解氧仪表读数及在线进﹑出水指标灵活调整开启数量。水量多﹑指标高﹑溶解氧低时，表曝机开启数量较多；夜间水量少，指标低时，曝气机开启数量较少。最低时每座氧化沟可以减少至两台。因氧化沟内搅拌器及推流器24小时连续开启，沟内有一定流速，沟底不积泥。

脱氮指标控制：随着环保形势的严峻，排放标准的提高，总氮达标成为污水处理厂最难控制的指标。脱氮要求碳源充足﹑长时间缺氧环境﹑低曝气量﹑高浓度﹑高泥龄等条件。我厂通过近几年运行对比分析,同等碳源投加量时，氧化沟出水总氮在10 mg/L左右，生物池在13 mg/L，氧化沟脱氮果明显好于生物池（见图4）。

图4 运行初期氧化沟﹑A/A/O生物处理系统对TN的去除

通过监测分析发现：氧化沟表面曝气，空气由水面传递至水下，沟内溶解氧从上至下呈递减状态分布。沟深4.5 m，在沟中2.5 m以下，活性污泥处于缺氧﹑厌氧状态。在碳源充足的情况下，缺氧停留时间接近7 h，表曝机开少时，缺氧段可能会更长，因此，脱氮效果好于生物池。

目前，该厂氧化沟表面曝气机开启原则是在保证出水达标的前提下，表面曝气机开启数量越少越好，节省电耗的同时，也提供了最大化的缺氧环境,达到最佳脱氮效果。

检修方面：设备处于水面上，保养﹑检修﹑润滑巡视检查都很方便。

缺点：温度高﹑污泥浓度高时，充氧效果略差。

3.2 二期生物池底部曝气TN工艺调整及达标情况

底部曝气充氧效果好，占地面积小，曝气均匀，COD﹑NH3等指标去除率高。因此，二期扩建生物池设计为底曝。但实际运行三年后，不太适合本市来水特点。

工艺调整方面：本市水量波动大且进水指标偏低。来水高峰需氧量大时，风机正常开启。后夜居民休息，水量小﹑指标低时，风量不好调整。风量减量较少,溶氧偏高,生物池出水廊道溶解氧在5—6 mg/L，回流污泥溶解氧相应偏高，缺氧区溶氧偏高，脱氮效果不好。按水量﹑水质比例减少风量，将会出现风量减少过多，通气量过低，曝气器将因通气量不足而难以保持曝气器的清洁，从而形成堵塞，导致池底积泥。曝气膜要求必须在气量范围内运行，气量过小同样会对膜片造成损坏（管式曝气器的运行气量绝对不能低于3 m3/h）。运行初期，根据工艺需要，部分时间段过低风量运行，加上本地水质硬度大，曝气膜表面结垢严重，导致池底部分积泥，

脱氮指标控制：针对我厂现状,表曝氧化沟与底曝生物池合理调整，在后夜水量减少较多时，底曝生物池进水水量略减,在满足曝气膜运行气量不低于3 m3/h的同时,降低曝气量，使生物池缺氧区有5.24 h停留时间，保证脱氮效果。其余水量，无论多少均调整到表曝氧化沟，表曝机根据水量变化来灵活调减开启数量。这样确保了两组工艺出水总氮稳定达标运行。

设备维修方面：本市水质硬度较高，曝气器膜表面粘覆一层钙质，会对膜孔造成一定的堵塞，将造成系统的背压增加，同时导致能耗增加，气泡模式变得不均匀。一般背压增加到80 mbar时需要清洗，如不及时酸洗，曝气效率降低，电耗高。因此，我厂曝气膜管路清洗比较频繁，目前每月清洗1—2次，每月费用3000元，维护费用偏高。

设备检修方面：检修麻烦且费用偏高。因本市出境断面压力大，为避免因断面超标被处罚，环保部门一般不允许停产检修。如曝气膜爆裂，只有雇佣潜水员进行水下维修，费用高。另一方面，曝气膜寿命5年左右，5万吨曝气管共2000根,每根200元,更新一遍费用约40万元。

3.3 运行效果分析

该污水处理厂经过三年多的生产运行，通过两组工艺合理调整，出水指标达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准。平均进出水水质见表3。

表3 平均进﹑出水水质

从表中可以看出，实际出水水质优于一级A标准，部分指标远远高出了设计要求，达到了地表水四类标准。

5.结论

根据我市生活污水水质特点，从工艺调整﹑维护保养的便捷性以及成本方面，我厂更适合选用氧化沟表面曝气工艺。目前，两组工艺适时结合，合理调配，直接运行成本处于较低水平，每吨水耗电量0.25 kWh，每吨水直接费用0.50元。近几年来，出水全因子能稳定达到一级A标,COD﹑NH3—N﹑BOD5等部分指标可达地表水四类标准。