污水厂不停水应急达标改造工程设计及实施

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工程概况

   

   

   

山西某污水处理厂总规模 12.0×10    ⁴    m    ³    /d ，分三期建设，一期工程于 2005 年建设，规模 7.5×10    ⁴    m    ³    /d ，处理后尾水 5.0×10    ⁴    m    ³    /d 回用，剩余 2.5×10    ⁴    m    ³    /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 4.5×10    ⁴    m    ³    /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 10.0×10    ⁴    m    ³    /d ，峰值水量超过 12.2×10    ⁴    m    ³    /d ，因此考虑扩建 3.5×10    ⁴    m    ³    /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 15.5×10    ⁴    m    ³    /d ，处理后出水标准由一级 A 提升至三项 Ⅴ 类要求。  

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提标改造主要难点

   

   

   

2.1  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 、 NH    ₃    -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， NH    ₃    -N 、 TP 、 BOD    ₅    也有不同程度超标。  

 

2.2  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 2.5×10    ⁴    m    ³    /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 1.26m    ³    / （ m    ²    ·h ），最大表面负荷为 1.64m    ³    / （ m    ²    ·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 SV    ₃₀    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 15.29m    ³    / （ m    ²    ·h ），最大表面负荷达到 19.87m    ³    / （ m    ²    ·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。    

 

2.3         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 10.0×10    ⁴    m    ³    /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。  

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应急达标改造方案

   

   

   

3.1         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 12.0×10    ⁴    m    ³    /d 降至 10.5×10    ⁴    m    ³    /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。  

 

3.2         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 2.5×10    ⁴    m    ³    /d 调整为 2.3×10    ⁴    m    ³    /d 运行，二期氧化沟由 4.5×10    ⁴    m    ³    /d 调整为 3.6×10    ⁴    m    ³    /d 运行，总处理规模为 10.5×10    ⁴    m    ³    /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 80m    ³    /min 、风压为 0.07MPa 、功率为 160kW ，另外 1 台风量为 50m    ³    /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 3.6×10    ⁴    m    ³    /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

3.3         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。  

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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 、 BOD    ₅    、 SS 、 NH    ₃    -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 、 BOD ₅ 、 SS 、 NH ₃ -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。  

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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。