微孔曝气氧化沟工艺在城市污水处理中的应用分析

时间：2024-06-19

韩春柳，王占东

(沧州市供水排水集团有限公司，河北沧州 061000)

传统氧化沟工艺是通过调节曝气的强度和水流方式，使污水在流动过程中经历厌氧、缺氧、好氧环境，达到能同时去除有机物和脱氮除磷的目的。沧州市运东污水处理厂为了克服传统氧化沟表面曝气设备传氧效率低、池深浅、投资大等缺点，对传统氧化沟工艺的曝气设备、池体等进行了改造，将曝气设备改为可提升微孔曝气器，形成微孔曝气氧化沟工艺。其工艺由厌氧池和氧化沟组成，其中厌氧池包括回流污泥反硝化池(即预缺氧区)、生物除磷池(即厌氧区)和氧化沟硝化液回流反硝化池(即缺氧区)。

1 微孔曝气氧化沟工艺流程特征

1.1 污水处理厂工艺流程

沧州市运东污水处理厂2004年建成，其工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程示意图

污水首先经粗格栅去除漂浮物，然后自流进入提升泵房，经污水泵提升至细格栅，再次去除杂物后污水进入旋流沉砂池进行砂水分离；旋流沉砂池的出水进入厌氧池由搅拌器将污水和回流污泥混合后进行厌氧处理，目的是去除污水中的磷；然后污水自流进入微孔曝气氧化沟，微孔曝气器与水下推进器结合，对污水进行交替的好养与缺氧处理，去除污水中的BOD、氮、磷等污染物；处理后的混合液在终沉池进行固液分离，上清液进入接触池进行消毒处理，出水可直接排放或回用。

沧州市运东污水处理厂的设计规模为10×104m3/d，所处理的污水为工业废水和生活污水，且工业污水所占比例较大，其设计进、出水水质如表1所示。该污水处理厂30%的出水作为中水回用供给沧州华润热电有限公司，70%的出水直接排入沧浪渠并最终汇入渤海湾。根据地表水功能区划，沧浪渠为Ⅴ类水体，故沧州市运东污水处理厂的出水水质必须达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级B标准。

表1 沧州运东污水处理厂设计进、出水水质

1.2 微孔曝气氧化沟工艺设计参数

沧州市运东污水处理厂处理工艺的核心是微孔曝气氧化沟工艺，包括厌氧池和氧化沟，其中厌氧池包括预缺氧区、厌氧区、缺氧区。微孔曝气氧化沟的工艺流程见图2。

图2 微孔曝气氧化沟工艺流程示意图

在微孔曝气氧化沟工艺中厌氧池和氧化沟各分2组。

每组厌氧池中设2条沟，池体总尺寸为51.5 m×44.0 m×6.0 m，每条沟内设4台潜水搅拌器，功率为10 kW，以防止污泥沉淀并使泥水充分混合接触。在厌氧池中，预缺氧区水力停留时间为1.5 h，有效容积为1 500 m3；厌氧区水力停留时间为2.8 h，有效容积3 000 m3；缺氧区水力停留时间为2.2 h，有效容积为2 250 m3。

每组氧化沟中并排设4条沟，总宽44.0 m，沟长72.0 m，有效水深6.0 m。每条沟内装有920个可提升曝气管，曝气管曝气量为6.7m3/h。每条沟内设有低速潜水搅拌器2台，功率为4.3 kW，可保证沟内流速，防止污泥沉淀并起混合作用。氧化沟各主要设计参数：水力停留时间为8.64 h；污泥龄为11.3 d；活性污泥负荷率(BO D/M LSS)为0.11 kg/(kg◦d)；BOD的容积负荷率0.44 kg/(m3◦d)；混合液浓度为4 000 mg/L。为了降低氧化沟出水中硝态氮的浓度，每条沟内增设硝化液回流泵井1座，配套回流泵功率为22 kW，额定流量为1 250 m3/h，回流比为120%。微孔曝气氧化沟采用池底曝气管曝气，由罗茨鼓风机供气，鼓风机4用1备，功率为280 kW。

1.3 微孔曝气氧化沟工艺功能

1.3.1 预缺氧区

在生化处理工艺中，为了维持生化处理系统的污泥量，需将终沉池的部分污泥回流到预缺氧区始端，但由于终沉池回流污泥中含有较高浓度的NO3，会破坏厌氧区内的厌氧环境，导致生物除磷效率降低，因此，为了避免这一不利因素，确保生物除磷效果，在厌氧池之前设置预缺氧区，进行预先反硝化，将终沉池回流污泥中的N O3 还原为N2和O2。由此可见，增设预缺氧区的目的是为了在生化处理工艺中，尽可能获得较高的生物除磷效率，使厌氧池内保持一个严格的缺氧状态，即DO≈0，NOx≈0。

1.3.2 厌氧区

增设厌氧区的主要功能是为生物除磷，其原理是：在严格的厌氧条件下，污水中聚磷菌体内的ATP进行水解并释放出H3 PO4和能量，在后续的氧化沟好氧条件下，聚磷菌进行有氧呼吸，能过量地摄取水中磷，形成高磷污泥，在终沉池以剩余污泥的形式排出，从而达到生物除磷的效果。

1.3.3 缺氧区

增设缺氧区的功能是进行反硝化，去除水中硝态氮。原因是原水氨氮浓度较高，达50 mg/L，为了达到排放标准，需要在氧化沟内进行相当程度的硝化反应，因此，氧化沟出水中含有较高浓度水平的硝态氮，容易在终沉池产生反硝化反应，导致污泥上浮，出水水质恶化，同时会影响到回用水处理系统。为了降低硝态氮，将氧化沟硝化液通过内回流泵回流至该区，进行反硝化，去除水中硝态氮。

1.3.4 微孔曝气氧化沟

微孔曝气氧化沟是在普通氧化沟的设计理论基础上加以改进的一种新形式。将普通曝气池内的表面曝气装置改进成深层微孔曝气装置，不仅增加了氧化沟的深度，而且有效的克服了传统氧化沟由于表面曝气导致冬季水温下降很多，降低硝化-反硝化反应速度而影响处理效果的弊端。同时由于采用深层微孔曝气不仅提高了氧转移效率，可大幅度降低能耗，而且解决了传统氧化沟占地面积大及污泥易淤积的问题。

在微孔曝气氧化沟内设置2组管式微孔曝气器，鼓风机供气，水下推进器推动沟内水流循环，使该段形成稳定的好养菌群。混合液经曝气充氧后，污水中氨态氮发生硝化反应，转化为硝酸盐氮，从而降低出水中氨氮浓度。另外，经硝化液内回流泵提升至前端单独设置的氧化沟硝化液回流反硝化池，进入缺氧状态，硝化液与污水原水混合，原水中富含的BOD作为碳源，驱动反硝化反应过程。在此过程中，硝酸盐氧化部分BOD，同时自身被还原，生成氮气散逸于空气中。

2 运行效果与工艺改进

2.1 运行效果

该污水厂占地为8.67hm2(包含三级处理部分)，厂区总投资2.2亿元，单位水量运营成本0.32元/m3。

通过8年来的运行，微孔曝气氧化沟工艺二级处理具有较好的有机物去除、同步脱氮除磷作用，其处理效果见表2。

表2 微孔曝气氧化沟工艺进、出水水质

由表2中每年出水水质数据看出，沧州运东污水处理厂的微孔曝气氧化沟工艺的效果非常好，出水水质达到了一级B排放标准。自2007年12月至今，出水一直供给沧州华润热电有限公司利用。

2.2 经验总结与改进提高

根据实际运行中日常监测的数据发现，沧州市运东污水处理厂进水水量没有达到设计水量，排水管网是雨污合流制，且工业污水多于生活污水，由此造成水质很不稳定，进水BOD值低于设计值，COD值高于设计值。实践表明，微孔曝气氧化沟工艺完全适应此种负荷不稳定的不利情况，在运行中只要通过调节鼓风机风量、回流污泥量和回流比等工艺参数，使DO控制在2～5mg/L，污泥浓度控制在4 500～6 500mg/L，回流比控制在80%～120%，均可使出水水质达标。

为适应进水负荷的不稳定，本厂鼓风机的设置方案采用并联方式，由同一管路分别给4个氧化沟供气，同时，鼓风机采用变频与工频结合的控制方式，这样就解决了因进水量不足而出现“大马拉小车”的能源浪费问题。

但是，通过运行监测结果也曾发现微孔曝气氧化沟工艺中总氮去除效果不是很好。通过分析研究，发现总氮去除效果不理想的原因主要是内回流比例太大，很难形成缺氧环境，影响了反硝化去除总氮的效果。为此，改进了内回流控制系统，由工频控制改为了变频控制，同时，将内回流管道延伸至预缺氧区，使之形成由高到低的污泥浓度梯度，强化了除磷脱氮效果，提高了出水水质。

3 微孔曝气氧化沟工艺的优势

3.1 脱氮效果好

该微孔曝气氧化沟将缺氧池单独设置，一直维持其缺氧状态，利于反硝化菌的生长，从而提高反硝化速率，脱氮效果好。另外，氧化沟硝化液回流至反硝化池内，硝化液与进水充分混合，由进水提供充足的碳源，在此条件下，使得反硝化反应进行的很彻底，从而提高了系统的脱氮效果，避免了反硝化碳源不足的缺点。虽然在微孔曝气氧化沟增设了内回流系统，但由于回流泵的扬程不高，故所增加的能耗并不多。

3.2 除磷效果好

该微孔曝气氧化沟单独设置了厌氧池，能使聚磷菌在厌氧条件下利用进水中丰富的可快速降解的有机物完成磷的释放。一般而言，为减小硝态氮对释磷效果的影响，应尽量减少回流污泥中硝态氮的浓度。考虑到本污水厂进水中氨氮浓度较高，出水指标只控制氨氮浓度，不控制总氮，若为减小硝态氮对释磷效果的影响，而降低出水中的硝酸盐浓度，完全没有必要，因此，考虑在厌氧池前端设置回流污泥反硝化池(预缺氧区)，利用进水中的有机物和内源代谢产物实现回流污泥的反硝化脱氮，以此降低硝酸盐浓度。然后预缺氧区的出水进入生物除磷池(厌氧区)，进行厌氧释磷，以此降低对释磷菌的影响，从而利于在好氧条件下过剩的吸收污水中的磷，完成除磷功能。

在常规低负荷生物处理系统中，污泥的含磷量一般都很高，需要进一步消化稳定，在消化稳定过程中将所吸收的磷释放出来。而在该氧化沟系统中，所产生的污泥已经稳定，不需要进一步的消化，这就意味着磷与污泥一同被排除系统之外。在单纯采用生物除磷的情况下，该系统出水中磷的含量可降至1 mg/L。

3.3 污泥沉降性能好

该微孔曝气氧化沟系统单独设置了厌氧池，不但能保证聚磷菌的磷释放，而且以高BOD负荷的厌氧环境抑制丝状菌繁殖，有效的防止了污泥膨胀现象。并且，氧化沟的推流特征使得经过曝气的污水在出流时形成良好的混合液生物絮凝体，有利于污泥的沉淀。

3.4 抗冲击性能强

该微孔曝气氧化沟工艺因其水力停留时间和污泥泥龄较长，具有沟中泥水不断混合循环流动的特点，对进水水量、水质的变化波动有较大的适应性，能承受冲击负荷，而不影响处理效果。当处理高浓度工业废水时，进水能得到较大程度的稀释，可减弱工业废水中某些物质对污泥细菌活性的抑制作用。

3.5 系统能耗低

一般而言，污水处理厂的用电能耗大部分集中在氧化沟上。该微孔曝气氧化沟的曝气设备为管式微孔曝气器，氧的利用率达30%，较机械曝气，可大大节约能耗。鼓风机采用变频调速，通过设置在氧化沟内的溶氧仪及可编程控制器(PLC)进行控制，可根据进水水量、水质的波动控制鼓风机的风量，使曝气过程中氧的利用率达到最高，从而达到节能的目的。