長沙暮云污水處理及中水回用工程設計案例

張 星，周 琳

（1.同濟大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200092；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅蘭州 730000）

暮云位于湘江長沙段的上游，而湘江又是長沙市唯一的城市供水水源，隨著暮云片區(qū)的發(fā)展，污廢水排放量逐年增加，在污水處理廠（簡稱為污水廠）建設前，污水直排湘江，加劇了水體污染及水資源的緊缺。建設污水廠并將尾水作為再生水回用，可提高城市污水利用效率，合理利用水資源，減輕水污染，既是一項節(jié)水措施，也是一項治污措施［1］。長沙市暮云污水廠于2012年8月開工建設，2014年7月竣工，2014年9月試運行，2014年10月正式投產，其服務范圍包括暮云鎮(zhèn)分區(qū)、天心環(huán)保園分區(qū)、天心環(huán)保暮云協(xié)調區(qū)分區(qū)、大托分區(qū)、暮云鎮(zhèn)東部現(xiàn)有規(guī)劃尚未覆蓋的地區(qū)以及跳馬鄉(xiāng)西部部分地區(qū)。工程總規(guī)模為28.5×104m3／d，污水廠尾水考慮回用，作為城市綠化、道路澆灑及景觀用水。

1 工程規(guī)模

1.1 水量預測

采用人均綜合用水量指標法、建設用地綜合用水量指標法、人均綜合生活用水量指標法［2-3］三種方法預測暮云污水廠納污區(qū)規(guī)劃期末（2020年）污水量為28.5×104m3／d，現(xiàn)狀污水量為 4.4×104m3／d。

本工程中水回用對象的重點范圍為：城市綠化用水、沖洗道路用水及景觀環(huán)境用水。預測規(guī)劃期末綠化總需水量為3.78×104m3／d，道路沖洗總需水量為 1.68×104m3／d，景觀環(huán)境需水量為 2.16×104m3／d，則中水需水總量為 7.7×104m3／d。測算現(xiàn)狀中水需求量為30 058 m3／d。

1.2 水量平衡

暮云污水廠預留進一步深度處理空間，中水回用將逐步擴展到其他工業(yè)雜用水。根據(jù)在編的中水規(guī)劃，暮云區(qū)中水規(guī)模將達到4.5×104m3／d，中水規(guī)模將達到平衡或不夠的狀態(tài)。中水雨季排放的問題將依賴中水系統(tǒng)的建設，過渡階段可通過加大景觀環(huán)境用水回用量，提高景觀換水次數(shù)加以解決。

1.3 工程設計規(guī)模

根據(jù)暮云污水處理工程服務范圍內遠期污水量和中水需水量預測，結合現(xiàn)狀污水量、現(xiàn)狀中水需求量、工程建設周期及年限，確定本工程設計規(guī)模：一期污水處理及中水回用廠設計規(guī)模為4.0×104m3／d；遠期設計規(guī)模為 28.5×104m3／d。

1.4 廠址選擇

暮云污水廠規(guī)劃選址位于納污區(qū)下游非洪水淹沒區(qū)的暮云鎮(zhèn)三興村，廠址具有如下特點：①廠址南側有規(guī)劃城市道路，西側鄰近湘江，北側鄰近三興港排水管道；湘江邊和三興港排水管道邊建有防洪堤，廠址不受洪水威脅；②廠址靠近暮云工業(yè)園、天心環(huán)保工業(yè)園等工業(yè)園區(qū)，處理尾水便于回用，有利于污水資源化；③廠址處現(xiàn)狀為農田，不存在拆遷問題。廠區(qū)自然地形標高為33.50～35.60 m，廠外道路標高為33.99～34.21 m，污水廠設計地面標高平均為34.00 m。

2 進出水水質

2.1 污水廠進水水質

根據(jù)長沙市發(fā)改委對工程可行性研究報告的批復，本工程污水進廠水質如表1所示。

表1 暮云污水處理廠設計進水水質Tab.1 Influent Water Quality for Muyun WWTP

考慮到污水廠生物處理系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與安全性，根據(jù)長沙市環(huán)保部門要求，工業(yè)廢水必須達到國家頒布的《污水排入城市下水道水質標準》（GJ 3082—1999）后，方可排入城市污水管網并進入污水廠。

2.2 污水廠出水水質

城市綠化、道路清掃及景觀用水等水質標準分別按《城市污水再生利用 城市雜用水水質》（GB／T 18920—2002）及《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質》（GB／T 18921—2002）執(zhí)行［4-6］。同時根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002），城鎮(zhèn)污水處理廠出水若作為回用水，基本要求是必須達到一級A標準。設計出水水質取上述各項的最高標準，如表2所示。

表2 暮云污水廠設計出水水質Tab.2 Effluent Water Quality for Muyun WWTP

3 工藝流程

暮云污水廠的工藝流程如圖1所示。

污水：污水處理采用AAO生物脫氮除磷工藝，生物池采用鼓風曝氣氧化溝，深度處理采用混凝沉淀、過濾工藝，污水消毒采用液氯消毒。

污泥：剩余污泥經機械濃縮脫水后，外運進行集中處理或綜合利用。

臭氣：采用生物模塊濾床除臭工藝，如圖2所示。臭氣主要來源為粗、細格柵／脫水機房及污泥均質池?？偝麸L量為8 100 m3／h。

4 總體布置

污水廠區(qū)總平按照28.5×104m3／d進行布置，一期工程位于廠區(qū)西南側。根據(jù)污水廠進、出水方向，主體水處理構筑物布置沿流程排列［7］，處理后出水進入城市中水回用管道系統(tǒng)總體布置如圖3所示。

圖1 暮云污水廠工藝流程圖Fig.1 Layout of Wastewater Treatment Processes for Muyun WWTP

圖2 生物除臭工藝流程圖Fig.2 Layout of Biological Deodorization Processes for Muyun WWTP

圖3 暮云污水廠遠期總平面圖Fig.3 General Layout Planning of Muyun WWTP

污水廠占地：一期為6.667×104m2；遠期為1.880 7×105m2。一期主要構（建）筑物如表3所示。

表3 一期主要構（建）筑物一覽表Tab.3 Main Structures＆ Buildings List of the First Scheme

續(xù) 表

5 一期主要處理構筑物及設計參數(shù)

5.1 一、二級處理部分

5.1.1 粗格柵間及進水提升泵房

進廠總管DN 2200，通過控制井（2.0 m×2.8 m×7.94 m）后流入粗格柵間，控制井預留遠期工藝水管DN 2200，近期設計工藝水管DN 800，粗格柵間和進水提升泵房合建。粗格柵間設計流量為2 350 m3／h，選用回轉式格柵除污機3臺，2用1備，單臺功率為1.5 kW，共用螺旋柵渣輸送機1臺，功率為2.2 kW。粗格柵設備寬度為0.8 m，柵條間隙為20 mm，柵前水深為1.48 m，安裝傾角為75°，柵槽溝寬為0.9 m，通過格柵的水頭損失為 0.2 m，柵后槽總高為7.8 m，柵槽總長度為 10.11 m，每日柵渣量為2.0 m3／d。

進水提升泵房集水池有效容積為115 m3，調節(jié)水量為1臺潛污泵9 min流量，根據(jù)泵房內液位控制水泵開停臺數(shù)。潛水排污泵共設4臺（3用1備），1臺變頻控制，單臺泵流量為785 m3／h，揚程為14～16 m，選用泵型號300 QW800-15-55，重量為 1 350 kg，功率為55 kW。

5.1.2 細格柵間及旋流沉砂池

細格柵間與旋流沉砂池合建。細格柵間設計流量為2 350 m3／h，進水井共分4格，長度為1.0 m，設置過水堰，單格堰寬為1.3 m。細格柵處理部分共設3組，2用1備，單組處理量為1 175 m3／h，柵槽有效寬度為0.88 m，渠道寬度為1.08 m，渠道水深為0.9 m，流速為0.42 m／s，進水渠道漸寬部分長度為0.78 m，柵條間隙為3 mm，過柵流速為0.85 m／s，過柵水頭損失為0.3 m，柵后槽總高為1.75 m，格柵總長度為6.78 m，每日柵渣量為2.0 m3／d。選用循環(huán)式齒耙清污機3臺（2用1備），單臺過柵流量為0.33 m3／s，安裝角度為 65°，單臺功率為 0.75 kW，無軸螺旋輸送機一臺，排渣能力為3 m3／h，功率為1.1 kW。

旋流式沉砂池共2座，每座直徑為3.65 m，池深為4.56 m，進水渠道流速為0.65 m／s，水力表面負荷為 112.35 m3／（m2·h），水力停留時間為 43 s。每座配套旋流除砂器1臺，葉輪直徑為1.2 m，功率為1.5 kW，砂水分離器1臺，處理能力為47 m3／h，功率為0.37 kW。旋流沉砂池配套鼓風機兩臺，流量 為 4.07 m3／min，風 壓 為 44.1 kPa，功 率 為5.0 kW。

5.1.3 生化池

生化池由厭氧選擇池和AAO曝氣循環(huán)氧化池組成，其平面尺寸為94.5 m×36.9 m×7.0 m，有效水深為6.0 m。

（1）厭氧選擇池

共2座，單池平面尺寸為 36.9 m×8.0 m×7.0 m，有效水深為6.0 m，每組配有2臺攪拌器，單臺規(guī)格φ400（葉輪直徑），功率為4 kW，轉軸距池底600 mm。厭氧選擇池的水力停留時間：最大日最大時水量為1.5 h，平均日平均時水量為2.12 h。

（2）AAO曝氣循環(huán)生物池

曝氣循環(huán)生物池共2座，單座尺寸為86.2 m×36.9 m×7.0 m，有效水深為6.0 m，單座處理水量為1 175 m3／h。水力停留時間為20.6 h，總污泥齡為18 d，混合液懸浮物濃度為3 500 mg／L，活性污泥負荷（Ls）為 0.042 kg BOD5／（kg MLSS·d）。缺氧區(qū)溶解氧濃度為 0.5 mg／L，好氧區(qū)溶解氧濃度為2 mg／L。污泥回流比為 100%，混合液回流比為200%～400%。單池厭氧區(qū)有效容積為1 375 m3，缺氧區(qū)有效容積為2 178 m3，好氧區(qū)有效容積為12 068.57 m3。剩余污泥量為6 384.43 kg／d，最大需氧量 為 9 643.85 kg O2／d，擴散器上靜水壓為5.8 m，氧轉移效率為20%，好氧池最大供空氣量為163.61 m3／min。每座設潛水推進器10臺，其中缺氧區(qū)設置2臺潛水推流器，單臺規(guī)格：φ2 500（葉輪直徑），轉軸距池底1 316 mm，電機功率為4.5 kW；好氧區(qū)設置8臺潛水推流器，單臺規(guī)格：φ2 000（葉輪直徑），轉軸距池底 1 066 mm，電機功率為3.0 kW。混合液回流通道中設置內回流門1臺以控制污泥內回流量，規(guī)格：H＝4.25 m，N＝0.4 kW；設置潛水攪拌器1臺，作為污泥回流動力源，規(guī)格：φ400（葉輪直徑），轉軸距池底 600 mm，電機功率4.0 kW。出水設置出水調節(jié)堰門，調節(jié)出水水位，規(guī)格：L＝3.0 m，N＝0.55 kW，單池設置2臺。微孔曝氣器2 856個，直徑為215 mm，傳氧效率≥20%。

5.1.4 配水井及污泥提升泵房

配水井功能為向終沉池均勻配水，設計總流量為2 350 m3／h。污泥提升泵房為半地下式，設計最大回流比為100%，污泥回流量為1 834 m3／h；剩余污泥體積為941 m3／d，含水率為99.4% 。泵房集水池有效水深為3.62 m，有效容積為230.30 m3，相當于最大一臺泵運行16 min的容積。剩余污泥泵及回流污泥泵均采用潛水排污泵。潛水排污泵配套自動耦合裝置。剩余污泥泵流量為72 m3／h、揚程為12 m、功率為5.5 kW，共2臺（1用1備），回流污泥泵流量為855 m3／h、揚程為10 m、功率為45 kW，共3臺（2用1備），設置兩臺變頻控制，功率水泵配有過載過熱泄漏等常規(guī)保護，低水位循環(huán)水冷功能。

5.1.5 終沉池

終沉池共設2座，輻流式，直徑為38 m，最大單池設計流量為1 175 m3／h，表面水力負荷為1.04 m3／（m2·h），污泥回流量為100%。終沉池設計沉淀時間為2 h，有效水深為3.0 m，超高0.5 m，緩沖層及沉淀池污泥區(qū)高度共計1.62 m，池邊水深為4.5 m，沉淀池總高度為5.12 m。終沉池采用周進周出進出水方式，進出水槽寬度為漸變，進水槽寬度為350～1 000 mm，出水槽寬度為1 000～350 mm。采用中心傳動刮吸泥機，底部設有刮泥板和吸泥管，利用靜水壓力將污泥吸入污泥槽，從而排除池外，設計轉速為0.03 r／min，功率N＝0.37 kW。排渣堰門尺寸為500 mm×500 mm，同時配備QL型手動啟閉機。

5.1.6 鼓風機房及變配電室

設計鼓風機房一間。鼓風機共4套，3用1備，考慮4臺同時運行的工況，參數(shù)：Q＝65 m3／min，H＝7.0 m水柱，N＝110 kW。曝氣方式為連續(xù)曝氣，根據(jù)現(xiàn)場情況4臺風機輪流備用。

5.2 深度處理部分

5.2.1 污水深度處理提升泵房

泵房集水池有效水深為3.0 m，有效容積為128.64 m3，相當于最大一臺泵運行6.57 min的容積。潛污排水泵配套自動耦合裝置，設計流量為1 175 m3／h、揚程為8.0 m、功率為45 kW，共3 臺（2用1備），1臺泵變頻控制，水泵配有過載過熱泄漏等常規(guī)保護，低水位循環(huán)水冷功能。

5.2.2 高效沉淀池

混合池2座，單池尺寸為3.1 m×3.1 m×7.0 m，混合區(qū)有效總容積為59.58 m3，水力停留時間為3 min，每座設攪拌機1臺，功率為4.0 kW?；炷齽㏄AC投加量為20～30 mg／L。絮凝池2座，單池尺寸為5.4 m×5.4 m×7.0 m，混凝區(qū)有效總容積為177.88 m3，水力停留時間為9.08 min，每座設攪拌機1臺，功率為11.0 kW。絮凝劑PAM投加量為1.0 mg／L。高效沉淀池2座，直徑為12 m，總水深為6.0 m，總有效斜管面積為 200 m2，徑向流速為13.57 m／h，污泥含水率為 99%。配混合攪拌機2臺，總軸長為7 175 mm，電機功率為2.2 kW；絮凝慢速攪拌機2臺：總軸長為5 300 mm，電機功率為11 kW，攪拌機總排液量為12 997 m3／h；中心傳動濃縮刮泥機2臺：刮泥機直徑為φ12 m，刮板外緣線速度為2.5 m／min，電機功率為0.75 kW，中心驅動；污泥螺桿泵：Q＝50 m3／h，H＝20 m，N＝4.5 kW，減速馬達功率為11 kW，共6臺，其中4臺（污泥回流泵和備用泵）須變頻運行，2臺（污泥排放泵）工頻運行；斜管：斜長為1 m，安裝角度為60°。

5.2.3 轉盤過濾池

設置濾布轉盤及中心管，濾盤直徑3 m，共14組，反沖洗泵 3臺，Q＝50 m3／h，H＝7.0 m，N＝2.2 kW。共分兩組，單組處理能力為1 175 m3／h。

5.2.4 接觸池

接觸池設置1座，有效容積為1 424 m3，正常水深為3.5 m，接觸時間為53 min。

5.2.5 尾水中水回用出水泵房

采用濕式泵房，為鋼筋混凝土矩形集水池，深度為4.7 m。泵房內安裝3臺出水提升潛污泵，Q＝1 175 m3／h，H＝20 m，N＝132 kW，兩用一備。

5.2.6 加藥間

設計PAM投加量為1 mg／L，投加濃度為0.2%，平均投加干粉量40 kg／d；日投加溶液20 m3／d，選型自動泡藥裝置為1.7 kg／h；加藥螺桿泵2臺，一用一備，設計流量為 0.833 m3／h；設計儲存干粉藥劑PAM 30 d，設計堆藥尺寸為2.05 m×1.0 m。設計PAC投加量為30 mg／L，投加濃度為10%，平均投加干粉量 1 200 kg／d；投加溶液 12 m3／d；設計每天配藥次數(shù)兩次，溶液池2座，單座溶液池有效容積為3.0 m3，設計尺寸為 1.50 m×1.50 m×1.80 m，設計超高為0.35 m；溶藥罐一個，有效容積為1.6 m3，直徑為1 200 mm，高為1 450 mm；設計選用三臺計量泵，單臺設計計量為0.25 m3／h；兩用一備；設計儲存干粉藥劑PAC 30 d，設計堆藥尺寸為3.0 m×4.5 m；設計加氯量為 10 mg／L，日投加量為 400 kg／d，即16.67 kg／h；設計選型壁掛式加氯機2臺，一用一備，投加能力為 20 kg／h；液氯鋼瓶為 1 000 kg／個；800×2 020；設計氯庫儲存量為 17.5 d；共計氯瓶7個。

5.3 污泥處理部分

（1）均質池及污泥提升泵房

設計均質池體一座，有效容量為600 m3，水力停留時間為13.6 h。曝氣采用間歇曝氣，每隔20 min曝氣40 min。設有DN300放空管，設計無進泥情況下，放空時間約為2 h。配微孔曝氣器一套，微孔曝氣盤規(guī)格為φ215，數(shù)量180個，單個微孔曝氣盤曝氣量為 2.34 m3／（h·個）。

（2）污泥脫水機房

污泥脫水機房日處理量為1 074 m3／d，污泥含水率為99.4%，設計工作周期為16 h／d。污泥經過離心機脫水后，含水率達到 80%。污泥量為26.9 m3／d，污泥干重為 5 375 kg／d；設計污泥料倉四格，設計容積為17.5 m3；均勻布料；采用0.2%聚丙烯酰胺（陽離子型）對污泥進行調理，設計投加量為3.5 kg／t DS，投加濃度為 0.2%，共計 18.9 kg／d 干粉；0.2%溶液 9.44 m3／d，即 589 L ／h；PAM 加藥計量泵2臺，一用一備，設計計量流量為589 L／h；PAM堆放平臺為1 000 mm×1 000 mm×150 mm。

5.4 除臭

生物除臭裝置采用塔式，下層為布氣空間，中層為填料層，上層為氣體收集空間。臭氣經過生物除臭塔，其中臭氣成分被填料收集，并被生長在填料上的微生物作為營養(yǎng)物分解，最終分解成穩(wěn)定的無機物如二氧化碳、水、硫酸、硝酸等物質，排出塔體。全廠除臭裝置共設2套，1＃除臭裝置位于粗格柵及提升泵房、細格柵及旋流沉砂池附近，收集該兩處的臭氣，設計除臭風量為3 900 m3／h；2＃除臭裝置位于污泥脫水機房及均質池附近，收集該兩處的臭氣，設計除臭風量為 4 200 m3／h。1＃生物除臭塔尺寸為4.0 m×3.0 m×3.3 m，設計除臭量為 3 900 m3／h；除臭風機1臺，P＝2 000 Pa，N＝4 kW；加藥泵1臺，N＝20 W。2＃生物除臭塔尺寸為4.0 m×3.0 m×3.3 m，設計除臭量為 4 200 m3／h；除臭風機 1臺，P＝2 000 Pa，N＝4 kW；加藥泵1臺，N＝20 W。

6 效益分析

一期工程總投資14 742.69萬元，單位水量處理總成本 1.46元／m3，單位水量經營成本0.98元／m3。建議污水處理收費 1.08元／m3，回用水價0.5元／m3，合計水價1.58元／m3。根據(jù)實際收費標準1.58元／m3計算，全年（正常年份）營業(yè)收入1.58×1 460＝2 306.8萬元。此收費標準能保證項目投資人通過運營期間獲得的現(xiàn)金流量收回投資并得到合理回報。

7 結論

長沙暮云污水處理廠自正式投產以來，已穩(wěn)定運行2.5年，出水達到一級A標準并滿足回用要求。項目的建設大幅度地減少了長沙市暮云片區(qū)向湘江排入的污染負荷量，對保障湘江長沙段水環(huán)境質量以及飲用水的安全起到了至關重要的作用。項目的建設滿足了該地區(qū)社會經濟快速、持續(xù)發(fā)展的要求，對于改善和提高城市生態(tài)環(huán)境質量，保障人民的生活與健康安全，提升城市綜合實力與形象，為創(chuàng)建“兩型”社會奠定堅實基礎等方面都具有重大意義。

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