污水厂不停水应急达标改造工程设计及实施
摘要：针对山西省某污水处理厂现状出水达标率低、处理能力不足等问题，分析认为，影响出水达标的因素除水量波动大之外，进水COD、BOD5、SS、NH3-N、TN和TP等主要污染物浓度远超设计水质是关键因素。为此，在不停水、不扩建用地等情况下进行了不停水应急达标工艺设计，并分析了改造后的实际处理效果，对类似污水处理厂的提标改造具有实际参考价值。
顾雪锋，硕士，高级工程师，主要从事给排水设计、技术咨询及支持工作。
01、工程概况
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。
02、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、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。
2.2 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。
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10.0×104m3/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。
03、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12.0×104m3/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。
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2.5×104m3/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
3.3 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。
04、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。
05、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。
