污水厂不停水应急达标改造工程设计及实施

一、概况

山西某污水处理厂总规模12.0×10⁴m³/d，分三期建设，一期工程于2005年建设，规模7.5×10⁴m³/d，处理后尾水5.0×10⁴m³/d回用，剩余2.5×10⁴m³/d排入河道；一期提标工程于2009年建设，出水水质由《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B标准提升至一级A标准。二期扩建工程于2013年建设，建设规模4.5×10⁴m³/d，处理后尾水排入河道。现状污水处理厂工艺流程如下：① 一期工程。粗格栅及提升泵站→细格栅及旋流沉砂池→奥贝尔氧化沟→二沉池→BAF（反硝化+硝化）→紫外线消毒池→絮凝反应→翻板滤池→外排或回用。
② 二期工程。粗格栅及提升泵站→细格栅及旋流沉砂池→卡鲁塞尔氧化沟→二沉池→紫外线消毒池→絮凝反应→高效澄清→翻板滤池→外排或回用。
③ 污泥处理。剩余污泥+化学污泥→污泥储池→带式压滤机→污泥外运（80%含水率）。
自2018年至今，该厂污水处理量逐年增多，平均水量已超过10.0×10⁴m³/d，峰值水量超过12.2×10⁴m³/d，因此考虑扩建3.5×10⁴m³/d。根据山西省《污水综合排放标准》（DB 14/1928—2019，以下简称三项Ⅴ类），该厂需进行扩容和提标改造，扩建后总处理规模达到15.5×10⁴m³/d，处理后出水标准由一级A提升至三项Ⅴ类要求。

 

二、提标改造主要难点

1.进水水质波动大，现状出水达标率低：该污水处理厂进水主要为生活污水和少量工业废水。表1为2020年1月—2021年4月该厂实际进、出水水质情况。

 

表1 污水处理厂实际进、出水水质

mg·L^-1

 

 

从表1可以看出，实际进水水质远超原设计值，尤其是COD、SS、NH₃-N、TN和TP等指标。按照山西省地方三项Ⅴ类出水标准要求，实际出水对应新标准达标率较低，除COD外，SS、TN超标较为严重，NH₃-N、TP、BOD₅也有不同程度超标。
2.现状污水处理设施能力不足：该污水处理厂实际运行中存在处理设施能力不足的问题。① 一期、二期氧化沟处理能力不足一期采用厌氧池+奥贝尔氧化沟工艺，共3组，设计每组处理规模2.5×10⁴m³/d。设计厌氧区停留时间1.10h、缺氧区停留时间6.07h、好氧区停留时间10.61h，生化反应区总停留时间为17.78h，水深4.0m。奥贝尔氧化沟曝气采用转碟曝气机，曝气效率较低，整体运行能耗较高。受表曝设备的限制，氧化沟内存在流速不均及污泥沉积等问题。同时转碟曝气设备轴承磨损严重，运行不正常。
表2为实际采样分析的奥贝尔氧化沟中不同位置的溶解氧（DO）值，从实测DO值结果来看，缺氧区和好氧区分区不明显，说明从外沟到中沟存在短流现象，从而造成反硝化脱氮效率很低，出水总氮超标严重。

 

表2 一期奥贝尔氧化沟DO测定值

mg·L^-1

 

 

二期卡鲁塞尔氧化沟停留时间约16.2h，水深6.0m，其中厌氧区2.0h、缺氧区3.0h、好氧区11.2h。实际进水总氮95%覆盖率时达到70mg/L，超过原设计值约40%，氧化沟缺氧区停留时间不足，出水总氮难以稳定达标。
② 二期二沉池和高效澄清池表面负荷偏高二期扩建时二沉池采用平流式，平均表面负荷为1.26m³/（m²·h），最大表面负荷为1.64m³/（m²·h），设计表面负荷偏高。实际运行中监测卡鲁塞尔氧化沟出水端的SV₃₀高达86%~96%，对应污泥体积指数（SVI）为121~158 mL/g，污泥沉降性能较差。同时，高效澄清池的平均表面负荷为15.29m³/（m²·h），最大表面负荷达到19.87m³/（m²·h），已超过《室外排水设计标准》（GB 50014—2021）。因此，污水处理厂出水的SS达标率低。
③ 氧化沟设备运行不稳定，影响处理效果由于奥贝尔氧化沟转碟曝气机轴承磨损和腐蚀严重，导致有时运行不正常。
④ 深度处理和污泥处理系统运行不正常絮凝沉淀池的混凝区投加药剂后混合反应较差，表面存在少量浮渣，絮凝反应池内搅拌器的机械密封磨损导致漏油，设备运行状况不良。另外，一期翻板滤池有一组停运，一期BAF滤池运行不正常，现已停运。污泥处理系统一台带压机损坏，加药系统运行不正常。
3.现状处理设施不停水改造技术难度大：该污水处理厂日均处理水量已超过10.0×10⁴m³/d，在扩容提标改造施工期间，出水水质要达到三项Ⅴ类标准。厂内建设用地紧张，无扩地改造的条件，而污水处理厂已满负荷运行，也不存在分组停运改造的条件。同时，项目建设工期紧张，临时应急达标改造工期也包含在项目总工期内。因此，三项Ⅴ类改造需要在尽可能短的时间内完成不停水施工，实施难度很大。

 

三、应急达标改造方案

1.应急达标处理规模：由于二期平流式二沉池、高效澄清池设计表面负荷偏高、处理能力受限，因此，结合现状污水处理厂的实际污水量和处理能力，拟将全厂设计规模由12.0×10⁴m³/d降至10.5×10⁴m³/d。考虑到项目建设工期约2年，经复核现状一期和二期调整处理规模后能满足现状处理水质标准。
2.生化处理系统挖潜改造考虑到一、二期氧化沟处理能力不足，拟对一、二期氧化沟进行综合改造。① 处理水量分配。结合各处理单元的实际处理能力，同时减少应急改造工程量，考虑将一期氧化沟（单组）由2.5×10⁴m³/d调整为2.3×10⁴m³/d运行，二期氧化沟由4.5×10⁴m³/d调整为3.6×10⁴m³/d运行，总处理规模为10.5×10⁴m³/d。
② 调整氧化沟的曝气方式。曝气方式由表面曝气改为表面曝气与底部曝气相结合的方式。底部曝气的风机考虑利旧，调用已停用BAF滤池配套的风机，风机类型为罗茨鼓风机，共4台，其中3台风量为80m³/min、风压为0.07MPa、功率为160kW，另外1台风量为50m³/min、风压为0.07MPa、功率为90kW。考虑4台风机全开，气水比约4∶1，结合一期转碟曝气器、二期转盘曝气器一起使用，曝气量基本可以满足要求。由于一期、二期氧化沟水深不一致，在二期风管末端增加减压阀，以满足一期供气风压的要求。
③ 调整氧化沟分区。将氧化沟设计或改造成脱氮除磷工艺，关键是要按照生物同步脱氮除磷工艺确定各沟渠相应的参数、功能分区和操作方式的选择，通过人为设置厌氧区、缺氧区和好氧区，使之变成具有脱氮除磷功能的氧化沟。因此，考虑将一期氧化沟外沟改为缺氧区和交替区，中沟和内沟作为好氧区。改变原水流方向，封堵外沟到中沟可能造成短流的进水孔，增加不停水安装的推流器及搅拌器。二期氧化沟减量至3.6×10⁴m³/d运行，总停留时间为20.25h，厌氧区为2.5h，缺氧区为3.75h，好氧区为14.0h。因缺氧段容积稍显不足，故拟将好氧区约4.5h池容调整为缺氧区，增加推流器，缺氧段停留时间调增为约8.25h。
④ 增加内回流。增加硝化液回流，设计回流比为350%。一、二期氧化沟应急改造设计参数见表3。

 

表3 一、二期氧化沟应急改造设计参数

 

 

3.不停水施工方案：因该污水处理厂已处在正常运行期，不具备停水改造的条件，故本次应急达标改造需采用不停水施工。① 底部曝气器采用可提升曝气器，近期作为应急工程使用，满足不停水施工要求，待具备停水改造条件后，将曝气器作为永久工程固定安装，拆除可提升支架。
② 潜水搅拌器、潜水推进器选用可不停水施工的形式。
③ 内回流泵采用高支架安装的形式。
内回流泵不停水安装示意见图1。

 

图1 内回流泵不停水安装

 

除上述应急改造措施外，按永久工程要求采购带式脱水机及加药系统，满足应急达标要求。同时增加临时碳源、硝化菌剂、反硝化菌剂、微纳米絮凝剂等投加系统，进一步确保出水水质达标。

 

四、改造后的实际运行效果

该改造工程于2021年6月开始实施，经安装、调试，8月13日正式完成改造，总投资超过700万元。截至2021年10月底，该污水处理厂实际运行对主要污染物（COD、BOD₅、SS、NH₃-N、TN和TP）的去除效果如表4、图2所示。

 

表4 应急改造后实际进、出水水质

mg·L^-1

 

 

 

 

 

图2 实际进、出水COD、BOD₅、SS、NH₃-N、TN、TP

 

从实际运行数据来看，受山西夏季降雨量较多的影响，进水水质较去年有所下降，但出水水质在临时应急改造工程完成后，通过精细化运营，基本上能稳定达标，未发生出水超标的情况，达到了预期目标。

五、结论

对山西省某污水处理厂实际运行中存在的主要问题进行了分析，提出了不停水技术改造方案，实施改造后取得了预期的效果，对类似污水处理厂提标改造具有实际借鉴作用。① 提标改造难点和关键点分析。对于提标改造类项目，应对现状设施运行情况进行调查分析，复核现状处理构筑物的能力及关键出水指标，梳理清楚提标改造的难点和关键点。
② 临时工程与永久工程的结合。建议在充分论证现有处理设施能力与处理规模匹配的前提下，确定临时工程的处理规模。充分利用已有设施和设备，在满足出水达标要求的条件下，减少改造工程量，降低工程投资。
③ 生化处理系统的挖潜改造。通过将氧化沟表面曝气改为底部曝气、调整氧化沟分区、增加内回流等措施，提高曝气效率，强化硝化和反硝化反应，从而提高氧化沟的脱氮除磷效果。
④ 制定合理的不停水施工方案。采用可提升式曝气器、可提升式潜水搅拌器及潜水推进器，内回流泵采用高支架安装等形式，可以满足不停水施工要求。