改良型Carrousel-2000 氧化沟工艺曝气系统改造实践

钱志东

（福建海峡环保集团股份有限公司，福州 350014）

福建省某开发区污水处理厂二期改扩建项目于2010 年正式运行，设计规模为2.5×104m3/d，采用改良型Carrousel-2000 氧化沟工艺。根据《水污染防治行动计划》要求，2017 年进行提标改造，新增高效沉淀池、反硝化深床滤池等深度处理单元，提标后出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A 标准。由于提标改造不停产的施工要求，氧化沟倒伞表面曝气方式未调整。

1 氧化沟设计概况

该污水处理厂二期改扩建项目的氧化沟长度为89.5 m，宽度为44.9 m，池高为4.8 m，对应的厌氧区、缺氧区、好氧区水力停留时间分别为1.50 h、1.81 h、10.9 h。厌氧区为完全混合池，缺氧区为循环跑道式氧化沟，好氧区为4 条廊道式Carrousel-2000 氧化沟。其中，好氧区单廊道宽度（沟宽）为11 m，有效水深为4.0 m，混合液内回流为1.0 m×4.0 m的过水渠道。其中，好氧区配置叶轮直径3.0 m 的倒伞型表曝机3 台，每台功率为90 kW；外沟两廊道配置4 台叶轮直径2.5 m 的潜水推流器，每台功率为5.7 kW；内沟两廊道配置4 台叶轮直径2.5 m 的潜水推流器，每台功率为4.3 kW。

2 运行现状

2.1 进水量、水质波动大，系统硝化作用较差

该污水处理厂服务范围内排水方式以雨污合流制为主，其间有大量海鲜加工厂的工业废水排入，实际处理水量在（2.2～2.8）×104m3/d，接近满负荷运行。该污水处理厂提标改造后，实际进出水水质如表1 所示。主要监测指标有化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、悬浮物（SS）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）和总磷（TP）。

表1 提标改造后实际进出水水质

由表1 可见，实际进水水质平均值均低于设计值，但进水水质波动较大。除了NH3-N 不能稳定达标，实际出水的其他指标均优于一级A 标准。由于进水水质、水量波动，氧化沟好氧区不能保持稳定的好氧环境，出水NH3-N 出现连续性波动，说明氧化沟硝化作用较差。

2.2 氧化沟结构设计不合理，设备老化

根据表曝机的生产厂家要求，好氧区沟宽一般是叶轮直径的2.2 ～2.4 倍，沟宽是工作水深的2 倍。现有氧化沟好氧区沟宽为11 m，已严重超过表曝机叶轮（直径3 m）搅动的最大服务沟宽（8 m）。经验证，其推流搅动能力、充氧效率大幅下降[1]。根据氧化沟结构设计，表曝机基础平台底部已接近运行水位，无法分辨叶轮旋转产生水跃或水花。按照相关规范要求，表曝机基础平台宜高出设计水位0.8 ～1.2 m，其充氧量取决于负压区（超高区）真空吸入的空气量。系统无空气吸入口，严重降低表曝机的充氧能力。

该污水处理厂倒伞型表曝机于2010 年投产使用，使用年限较长，设备老化，叶轮磨损腐蚀严重，运行根本达不到额定功率。由于没有变频控制，在处理水量满负荷时，3 台表曝机必须同时开启，在表曝机下游2 m 处及出水堰门处，溶解氧（DO）实测值均在0.2 ～0.5 mg/L，导致好氧区都处于缺氧状态。同时，氧化沟存在污泥沉积、污泥膨胀及生物泡沫，硝化反应根本不彻底，间接影响TN 的去除。因此，必须对氧化沟曝气方式实施改造。

2.3 氧化沟系统改造时间紧，难度大

因当地政府有年度减排任务，不允许停产施工，且处理水量不能低于2.3×104m3/d。统筹考虑水量调度，启用一期氧化沟（处理能力1.5×104m3/d），并向主管部门申请30 d 减产施工期。要在30 d 减产施工期内完成氧化沟曝气系统改造，改造后立即恢复通水，将处理水量提高到2.7×104m3/d。

3 改造方案的技术分析

根据氧化沟结构及存在的问题，表面曝气充氧动力效率低，能耗高，处理效果不稳定，因此决定将原有3 台倒伞型曝气机予以改造或停用。曝气系统改造内容如下：新增磁悬浮鼓风机，选择底部固定曝气器及推流器布局。

3.1 鼓风机选择

根据《室外排水设计标准》（GB 50014—2021），计算需氧量为6 447.45 kg/d，标准状态需氧量为9 671.10 kg/d。根据曝气器产品性能指标，在氧化沟水深4 m 的情况下，氧传递效率为23.3%。经计算，鼓风机理论曝气量为799.536 m3/d，设计风量取146 m3/min。考虑曝气器的安装高度以及空气管道沿程和局部损失，鼓风机风压取55 kPa。该污水处理厂反硝化深床滤池配套3 台磁悬浮鼓风机，经确认，其压力满足通用条件，本次改造仅需要增加1 台磁悬浮鼓风机，并将其作为备用鼓风机。

3.2 曝气器选择及布置

氧化沟底部布设微孔曝气器，可采用板式曝气器和管式曝气器，而盘式曝气器服务面积小，曝气盘数量及曝气管路偏多，在氧化沟好氧区的有限空间内不宜布置。板式曝气器具有管式曝气器和盘式曝气器的优点，在寿命、阻力损失、氧气传递效率等方面均有显著优势，本次改造选用氧气传递效率更高的板式曝气器。板式曝气器应与潜水推流器错开布置，一般在沟道的转弯处集中设置曝气器。在氧化沟转弯处曝气，解决氧化沟污泥沉积的问题，同时利用产生的气墙对水流整流，使流速梯度降低，预留直道空间安装推流器[2]。合理设置曝气区与非曝气区，形成连续缺氧好氧（A/O）环境，实现DO 的浓度梯度化，强化生物脱氮除磷作用[3]。结合实际生产需求，布置板式曝气器1 350 套，其分布在好氧区转弯处，共有13 处曝气区。

3.3 推流器布局

底部鼓风曝气，由推流器提供氧化沟内混合推流动力，同时克服曝气器气流阻力的影响。按照相关规范，推流器的容积功率宜控制在2 ～3 W/m3，池内平均流速宜不小于0.25 m/s，推流器原则上设置在直线廊道，前端水流速度保证其均匀性[4]。好氧区直道配置8 台推流器，推流器平均容积功率为3.5 W/m3。在推流器全开、倒伞型曝气机未开的工况下，平均流速达到0.42 m/s，底部鼓风曝气后，好氧区内平均流速大于0.27 m/s，全部满足要求。经好氧区混合液回流复核，内回流处平均流速达到0.3 m/s，内回流比超过400%，与典型厌氧-缺氧-好氧（A2/O）工艺相比，满足要求。改造后，底部鼓风曝气，其好氧区存在明显的同步硝化反硝化现象，脱氮效率高[5]。氧化沟内曝气系统改造后，平面布局如图1 所示。

图1 改造后氧化沟平面布置

4 改造效果分析

2019 年11 月底，该项目氧化沟完成改造，改造后实际进出水水质如表2 所示。改造后，各项出水指标均优于一级A 标准。其中，出水COD、BOD 去除率略有提高，出水NH3-N 平均值为0.28 mg/L，相比改造前下降72%，而出水TN 比改造前增加11.5%。经分析，氧化沟平均流速较快，由曝气区进入非曝气区的DO 浓度为1.5 mg/L，即非曝气区难以形成有效的缺氧区。同时，回流至缺氧区的DO 浓度较高，反硝化作用略有下降。

表2 改造后实际进出水水质

改造前电耗为0.329 kW·h/m3， 改造后为0.261 kW·h/m3，电耗下降19.45%。按照处理规模2.5×104m3/d 计，每年可减少电耗58.4×104kW·h，节约电费33.87 万元。改造后，处理水量稳定达到2.5 万t/d，相比改造前增加4.17%，每年间接增加污水处理服务收入51.1 万元。

5 结论

氧化沟工艺曝气系统改造采用磁悬浮鼓风机、板式曝气器和推流器，曝气量可以灵活调节，溶解氧利用率提升，抗冲击负荷能力提升。运行结果表明，在一定的流速下，氧化沟内曝气区溶解氧得到精准控制，从而更好地形成硝化反硝化环境，系统生物脱氮作用稳定改善，出水水质稳定达标。该改造费用在3 年内通过节省运行费用和增加污水处理服务收入等方式进行收回。