冠縣汙水處理廠總氮達標技術改造工程案例

北極星水處理網訊:卡魯賽爾氧化溝工藝具有建設費用低、汙水處理流程簡單、處理效果穩定、抗衝擊能力強等諸多優點而廣泛應用於我國汙水處理廠的建設，但因特有的溝體設計，氧化溝內無法形成明顯的厭氧、缺氧及好氧環境，脫氮除磷效果差。冠縣汙水處理廠一期工程採用卡魯賽爾氧化溝工藝，由於設計及運行存在缺陷，出水總氮無法滿足《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。

01 工程背景

冠縣汙水廠設計處理能力為8×104 m³/d，服務面積約為25 k㎡,服務人口為22萬人，出水水質為《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。項目佔地66 666.7 ㎡，共分兩期建設：一期設計規模為4×104 m³/d，2008年9月投入使用，採用「厭氧池+卡魯塞爾氧化溝」工藝，出水水質為一級B。二期擴建及升級改造規模為4×104 m3/d，2015年投入使用，採用AAO工藝，出水水質由一級B提升至一級A，一期、二期工藝流程如圖1、圖2所示。

02 存在問題

一期卡魯賽爾氧化溝分為兩組，單組處理能力為2×104 m³/d，體積為13 028 m³，共計6條溝，單溝寬為10 m，溝長為96.5 m，有效水深為4.5 m。技改前平面布置間(圖3)。

2.1 好氧末端的閥門無法調控內回流比

技改前一期卡魯賽爾氧化溝好氧末端回流混合液通過閥門回流至缺氧區，內回流量無法精確控制。通過連續半個月地觀察測定氧化溝好氧末端與缺氧區前端硝態氮，發現內回流比無法通過閥門進行精確控制(圖4)，導致缺氧區反硝化反應效果不佳。

2.2 反硝化區域缺氧環境遭破壞

一期氧化溝缺氧區設計容積為1 800 ㎡，一期單組氧化溝處理水量為800 ㎡。經核算，缺氧區水力停留時間為2.2 h，因一期氧化溝好氧末端脫氣區面積有限，好氧末端一直保持較高的溶解氧，混合液回流「攜帶」溶解氧進入缺氧區，導致反硝化反應的缺氧環境被破壞，缺氧池前端溶解氧>0.5 mg/L，進一步縮減缺氧區域面積，溶解氧與水力停留時間均不滿足反硝化反應條件。

2.3 進水碳氮比低

冠縣汙水廠進水有機物濃度偏低，近3個月(2018年8月～11月)平均進水CODCr濃度為157.4 mg/L，平均進水BOD5濃度為70.8 mg/L，平均進水總氮濃度為36.2 mg/L(近3個月進出水水質如表1所示)，碳氮比為1.95，碳氮比不滿足反硝化反應條件。

2.4 碳源投加點位置選擇不當

現場碳源投加點為缺氧區前端，好氧末端溶解氧過高，內回流混合液攜帶溶解氧會消耗大部分碳源。技改前，採用在氧化溝缺氧區投加液體葡萄糖(CODCr當量為5.5×105 mg/L)來增加碳氮比，葡萄糖現場CODCr投加濃度為110 mg/L，投加後總氮去除效果依舊不佳。

2.5 汙泥濃度活性不高

一期氧化溝揮發性有機汙泥濃度偏低，近3個月(2018年8月～11月)揮發性有機汙泥濃度平均值為1 956 mg/L，混合液揮發性懸浮固體濃度比值為0.4，活性汙泥無機物質佔據較大成分，導致反硝化菌群數量有限，無法提供有效的反硝化作用。

2018年8月～11月，冠縣汙水廠總出水總氮平均值為23.37 mg/L(圖5)。因此，針對上述問題，本次技改方案重點為增加缺氧停留時間，控制內回流溶解氧濃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應的所需條件。

03 技改方案及思路

技改前，對一期缺氧區、好氧區前中末段分別設置取樣點，對一期氧化溝缺氧區、好氧區前中末端進行連續11 d的三氮檢測分析。結果表明：一期氧化溝硝化反應效果良好，好氧末端氨氮出水平均值為0.186 mg/L，氨氮去除率高達97.35%，反硝化反應效果不佳，缺氧末端硝態氮出水平均值為15.08 mg/L，缺氧區硝態氮去除率不到5%，故此次技改的重心為重建生化系統反硝化反應所需條件(表2)。

一期生化池技改主要為三部分，包括厭氧池改缺氧池、新增內回流與更換碳源等措施。應當地環保部門要求，在保證廠內正常運行的情況下對一期氧化溝進行改造，改造期間處理水量為7.65×104 m³/d。

3.1 厭氧池改缺氧池

由於一期缺氧池池容小，缺氧停留時間達不到反硝化反應的基本條件,且冠縣汙水廠源頭進水總磷低(3 mg/L)，後端通過投加PAC能夠穩定去除總磷(出水總磷濃度為0.06 mg/L)，故本次技改可以將厭氧池改為缺氧池。通過改變內回流出水口將原有的厭氧池變為缺氧池，增加總缺氧面積並調整碳源投加點，在缺氧中端設置碳源投加點，碳源投加採用淹沒出流，進一步強化藥劑混合效果。改造完後，一期缺氧區的總容積增至4 795.7 m2，缺氧區水力停留時間增至5.9 h，水力停留時間滿足反硝化反應條件。

3.2 新增內回流泵與管道

經當地環保部門要求及多方專家論證，本次內回流技改方案採用不停水技改方案。

(1)在一期氧化溝好氧末端增設2臺內回流軸流泵，單臺水泵流量為1 200 ㎡/h，設計揚程為2 m。為一二期內回流泵方便維修調配，本次技改選用與二期內回流泵同一個型號。

(2)增加一條內回流輸送管道，為實現不停水技改方案，內回流管道起端從好氧池末端池面直接插入，泵管採用槽鋼加固，並沿地面鋪設至原厭氧池前端。內回流管道末端直接插入原厭氧池前端水面，將好氧末端混合液直接抽送至原厭氧池前端。

(3)好氧末端安裝內回流泵管，輸水管道採用DN630碳鋼管，防腐採用兩油一布。內回流管線實際長度為79 m，需7節12 m的碳鋼現場拼接。技改後的一期生化池如圖6所示。

3.3 更換投加碳源

通過對前期進水水質的分析，發現進水COD偏低，碳氮比不滿足反硝化反應的條件，需投加碳源。但在一期缺氧前端投加足量液體葡萄糖(CODCr當量為5.5×105 mg/L)後發現，總氮去除效果並沒有提升，對現場投加碳源進行碳源小試。

乙酸鈉與葡萄糖的碳源小試比對發現，在投加相同COD濃度的情況下，乙酸鈉的投加效果要明顯優於葡萄糖，比對結果如表3所示。

由表3可知:當碳源投加為葡萄糖時，總氮去除率為6.6%;當碳源投加為乙酸鈉時，總氮去除率迅速增加至61.4%。通過對源頭企業排放的汙染物摸查調研，發現源頭企業排放的汙染物中含有鐵離子，葡萄糖有5個羥基與1個醛基，具有多元醇和醛的性質，三價鐵與葡萄糖進行反應，葡萄糖的醛基被氧化成羧基，三價鐵被還原成二價鐵離子，導致現場碳源投加「長期不足」，故本次技改將投加碳源更換成乙酸鈉。化學反應方程如式(1)。

3.4 提高一期氧化溝汙泥濃度

通過前期現場摸底，發現一期汙泥濃度，MLVSS/MLSS均偏低，二期汙泥濃度與MLVSS/MLSS均優於一期，且二期有著良好的反硝化反應。通過連續半個月不間斷地抽送二期生化池回流汙泥至一期氧化溝，一期氧化溝MLVSS濃度從原先的1 956 mg/L增至2 878 mg/L，MLVSS/MLSS從原先的0.4增至0.67。

04 改造後運行效果

改造後，通過控制好氧末端溶解氧在1 mg/L左右，缺氧區前中末端溶解氧均在0.3 mg/L以下。整個生化系統產生了明顯的溶解氧濃度梯度，生化池內回流量可以通過變頻控制在100%回流量，改造後通過實時調整內回流量的大小維持缺氧區末端硝態氮濃度在2～3 mg/L，確保缺氧區硝態氮濃度能夠滿足反硝化反應的最佳條件。反硝化所需的缺氧停留時間也得到了足夠的保證，系統生物硝化反硝化脫氮工藝順利進行。

技改前一個月出水總氮平均值為25.78 mg/L,最低值為17.7 mg/L,最高值為32.5 mg/L。技改後一個月出水總氮平均值為10.44 mg/L,最低值為7.49 mg/L,最高值為12.8 mg/L，近一個月出水總氮達標率為100%(圖7)。

05 技術經濟分析

冠縣汙水廠內回流技改費用共計42.02萬元，包括內回流泵、安裝附件、控制箱部分及管道施工費用四部分，具體費用如表4所示。

06 結論

冠縣汙水廠技術改造工程在不停水的條件下，通過改造厭氧池、新增內回流泵與管道及更換碳源等措施，大大提升了系統的脫氮能力。實踐表明，該汙水廠改造後的出水總氮去除率較改造前提高了29.87%，改造後乙酸鈉(CODCr當量為2.5×105 mg/L)投加濃度為27.24 mg/L，去除1 kg總氮需要消耗乙酸鈉 1.31 kg，出水總氮達標率為100%。技術改造後一個月出水TN去除率較技改前提高了29.87%(表5)。

作者：陳 霖 北控水務集團有限公司

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