氧化沟工艺在低碳源城镇污水厂的脱氮除磷潜力研究

摘 要：【目的】以某城镇污水厂为例，探讨氧化沟工艺在低碳源城镇污水厂脱氮除磷潜力挖掘的可行性，为全国其他污水厂氧化沟工艺的改造提供方向。【方法】首先关闭原氧化沟回流门并对其钢砼加固，在加固后的回流门竖向方向安装两台低扬程大流量穿墙泵，强力推进硝化液回流，使氧化沟内部回流比达到300%～400%。其次在氧化沟两个弯段处增设曝气盘，来调整氧化沟及缺氧区内的溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）浓度。最后将原设计的单污泥回流至厌氧池，改为双污泥回流至厌氧池和氧化沟缺氧区，污泥回流比提高至100%～200%。【结果】改造后，氧化沟TN和TP的出水水质有明显提升，TN出水浓度由改造前的25～30 mg/L降低至10～19 mg/L，脱氮潜力释放了11%～22%。TP出水浓度由改造前的1～1.5 mg/L降低至0.1～0.5 mg/L，除磷潜力释放了14%～23%。【结论】通过对氧化沟回流门，曝气盘、污泥回流点及回流比的调整，氧化沟系统的脱氮除磷潜力得到进一步的挖掘与释放。当前，全国各省市级的大型污水厂中有占比很大的氧化沟工艺在运行，挖掘其脱氮除磷潜力，不失为污水厂节能降耗的一个方向。

关键词：低碳源污水；氧化沟；提标改造；脱氮除磷

中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：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

自我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）实施以来，城镇污水厂的脱氮除磷技术已发展了22年，目前已进入深度脱氮除磷阶段。随着污水厂能耗和药耗的增加，污水厂运营成本显著上升，对地方财政造成很大压力。在我国“双碳”目标的大背景下，污水厂的低碳运行将成为实现绿色污水处理过程的重要途径［1］。本研究以某提标改造工程的氧化沟为例，探讨改造后的氧化沟在不投加外碳源的情况下进一步挖掘脱氮除磷潜力的可行性，为全国其他污水厂氧化沟的运行提供一种低碳运行的技术借鉴。

1 项目概况

1.1 项目背景

北方某城镇污水厂一期设计处理能力5 000 m3/d，实际处理水量约4 600 m3/d，采用的污水处理工艺为“一级处理+厌氧池+合建式缺氧池氧化沟+二沉池+曝气生物滤池+纤维转盘过滤+消毒”，设计出水标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准。2021年，该污水厂扩建至1 0000 m3/d，二期扩建工程规模5 000 m3/d，其生物处理单元采用“A2O+二沉池”，三级FVtG/UripHULIWcl4M1JGw==处理采用“一期二期混合水+高效沉淀池+深床反硝化+消毒”工艺，出水执行《陕西省黄河流域污水综合排放标准》（DB 61/224—2018）A标准，排放限值为：COD≤30 mg/L、NH3-N≤1.5（3） mg/L、TN≤15 mg/L、TP≤0.3 mg/L。

按照运维经验，在不投加外碳源的情况下，“A2O+二沉池”出水TN浓度大约在12～20 mg/L，氧化沟出水在20～30 mg/L。这两种出水混合后进入深床反硝化脱氮，会消耗大量碳源，若碳源投加不当很容易造成尾水COD超标。因此，有必要对一期工程氧化沟进行改造，降低其出水TN浓度。

1.2 改造措施

提标扩建工程弃用原纤维转盘滤池，在原二沉池后新建高效沉淀池与深床反硝化池，消毒系统仍用原有设施。

经分析发现，氧化沟原设计有三处问题：一是氧化沟内曝气盘分布不合理，硝化液回流后缺氧区氧含量高；二是氧化沟内硝化液回流量不足；三是污泥回流比不合理。

氧化沟内曝气盘分布不合理的改造措施是在氧化沟的两个弯段处增设曝气盘，不改变原风机大小，增设电机变频器，即可调整氧化沟及缺氧区内的溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）浓度。氧化沟硝化液回流量不足的原因有两点：一是回流通道设计过窄，安装于回流通道上的回流门即使在全开的情况下，TN的脱氮效率也只有64%～68%；二是推流器的选型不合理，功率偏小，无法推进硝化液大量回流。针对氧化沟内硝化液回流量不足的问题，在提标改造工程设计时，重点对回流门进行改造，主要改造措施为：关闭回流门，并对其进行钢砼加固，在加固后的回流门竖向方向（沟深方向）等距安装两台低扬程大流量的穿墙泵，强力推进硝化液回流，回流比可达到300%～400%。针对污泥回流比不合理的改造措施是将原设计中回流污泥只回到厌氧池改为回流改至两处（厌氧池和缺氧池），污泥回流比提高至100%～200%。

1.3 污水处理工艺流程

一期工程改造后污水脱氮除磷在两处完成，一是缺氧池和氧化沟，二是深床反硝化池。完整的工艺流程如图1所示。

1.4 原水水质及特点

本项目的原水水质受当地居民饮食结构影响，水中总氮含量较高，碳氮比较低。COD/TN=2～4，碳源相对不足 ［2］，属于较为典型的低碳源城镇污水，原水水质指标见表1。

1.5 项目运行条件

实际水量（Q）为 4 600 m3/d。厌氧池水力停留时间（HRT）为4 h。缺氧与氧化沟组合池水力停留时间（HRT）为17 h。其中，缺氧区7 h，好氧区10 h。冬季水温为8～12 ℃，夏季水温为20～25 ℃；pH为7～8.5。原水碳氮比（COD/TN）为2～4，碳磷比（COD/TP）40～120。

1.6 项目运行技术参数

本项目运行技术参数主要选择与脱氮除磷相关的溶解氧（DO）浓度、污泥回流比、硝化液回流比等3种参数。改造前后各生物池的运行参数见表2。

2 改造后氧化沟出水水质及污染物去除率

氧化沟改造安装完成后进行通水调试，项目组于10月和11月进行为期两个月（60天）的连续跟踪化验测试，取得51个“厌氧+缺氧+氧化沟+二沉池”的进出水COD、NH3-N、TN和TP观测数据。各项出水水质指标见表3，该系统进出水的TN浓度和TP浓度如图2、图3所示。在未投加外部碳源和除磷剂的情况下，系统各污染物去除率分别为：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去除率散点分布如图4、图5所示。

3 分析与讨论

3.1 改造前后氧化沟出水水质及污染物去除率对比分析

一期工程改造前，污水厂通过在氧化沟前端的缺氧池投加大量外碳源，在末端出水口处投加除磷剂来确保TN和TP达标排放。未投加碳源和除磷剂之前，污水厂化验室台账显示其出水TN=25～30 mg/L，TP=1～1.5 mg/L。改造工程实施后，TN出水浓度降低至10～19 mg/L，TP出水浓度降低至0.1～0.5 mg/L。脱氮潜力释放了11%～22%，除磷潜力释放了14%～23%，COD和NH3-N浓度未发生大的变化。对比分析结果见表4。

3.2 脱氮除磷潜力释放原因分析与探讨

由图2至图5可知，改造后 “厌氧+缺氧+氧化沟” 的脱氮除磷效果显著，其主要原因分析如下。

①通过改变污泥回流点位和回流比，达到原水碳源在厌氧池和缺氧池重新分配的目标。改造前污泥全部回流至厌氧池，处于饥饿状态的微生物迅速降解来水中可溶性COD，生成乙醇、二氧化碳和氢气等中间产物，另一部分碳源则过量聚集在除磷菌内［3］，原水碳源的绝大部分在厌氧池被消耗。项目组曾测试厌氧池出水口处COD浓度约在40mg/L，可以佐证上述分析。调整污泥回流点位和回流比后，进入厌氧池的原水碳源大部分被消耗前就进入缺氧池，为反硝化留下更多的碳源，这虽然影响除磷菌的过度释磷，但在缺氧池可通过缺氧除磷机制予以弥补［2，4］，不会影响最终的除磷效果。增加缺氧池的污泥回流比，不仅增加硝化菌总量，同时也增加反硝化菌和好氧除磷菌的生物总量。

②在氧化沟两个弯段处增加曝气盘，同时适当降低DO运行浓度［5］，在满足硝化需氧量条件下，可降低氧化沟出水NH3-N浓度，减少硝化液回流带入缺氧区的DO浓度，还可节省电能消耗。在氧化沟回流门处安装穿墙泵使硝化液回流比增加至300%～400%，反硝化会进行得更彻底。

③本案例缺氧池与氧化沟合建，其池型与氧化沟相似，因此，缺氧池也具有氧化沟一样的推流效果，沟内存在污染物浓度梯度，同时在各自的池内部存在流量循环，这种“推流+循环”的流场必然优于完全混合式池型，对降解污染物非常有利。

4 结论

通过本案例不难发现，氧化沟脱氮除磷潜力还有挖掘空间，其核心在于通过对硝化液回流比、污泥回流点位、回流比和DO的重新调整，达到对原水碳源的重新分配与生物处理系统微生物菌群的调整，从而形成一个更符合脱氮除磷菌群生长的人工环境。

通过本案例可得到以下结论。

①在低碳源污水处理系统中，好氧区不适合高浓度DO运行，适当降低DO，有利于生物脱氮。

②将厌氧除磷改为“厌氧+缺氧”除磷，不仅可以提高除磷效率，还可促进生物脱氮。

③合建式氧化沟“推流+循环”的流场优势，对降解污染物非常有利。

④污泥回流比、污泥回流点位和硝化液回流比等运行参数对氧化沟的脱氮除磷效果有较大影响。通过调整以上参数，TN出水浓度由改造前25～30 mg/L降低至10～19 mg/L，脱氮潜力释放了11%～22%；TP出水浓度由改造前1～1.5 mg/L降低至0.1～0.5 mg/L，除磷潜力释放了14%～23%。

参考文献：

［1］ 张冉. 全球工程前沿2023［M］. 北京：高等教育出版社，2023. 169-175

［2］ 龙腾锐，何强，吕炳南. 排水工程［M］. 北京：建筑工业出版社，2011. 354-365

［3］ 胡家骏，周群英. 环境工程微生物学［M］. 北京：高等教育出版社，1997. 133-165

［4］ 赖辉辉，乐华斌，胡雁新. 高浓度氨氮及总磷进水的污水厂准地表Ⅳ类提标改造工程［J］. 广东化工，2018，17：146-147

［5］李培，潘杨. A2/O工艺内回流中溶解氧对反硝化的影响［J］. 环境科学与技术，2012，1：103-106.