平潭壇南灣再生水廠設(shè)計(jì)研究

謝 滔

(福州城建設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350000)

0 引言

2013年，平潭島升格成平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)，隨著國家及福建省委、省政府對平潭發(fā)展的大力支持，平潭進(jìn)入了發(fā)展的快車道。平潭島擁有獨(dú)特的自然景光及豐富的旅游資源，將被打造成國際知名的濱海度假新天地，尚品購物新天堂。平潭旅游業(yè)的高速發(fā)展，對平潭市政配套設(shè)施提出了更高的要求，平潭壇南灣再生水廠地處旅游度假區(qū)域內(nèi)，其周邊規(guī)劃旅游景觀用地，開發(fā)價(jià)值高，人群活動(dòng)頻繁，對周邊環(huán)境要求高。平潭壇南灣再生水廠項(xiàng)目前期選址歷經(jīng)周折，都因征地原因而無所進(jìn)展，歷經(jīng)多次協(xié)商及開會(huì)協(xié)調(diào)，終于于2016年年底落實(shí)用地，在方案研究的過程中，因周邊環(huán)境要求極高，故設(shè)計(jì)成地下再生水廠。平潭島雨熱同季，旱雨季節(jié)分明，平潭島用水資源嚴(yán)重不足。平潭壇南灣再生水廠出水可作為沖廁、綠化、道路保潔等用途，將緩解平潭用水資源不足的現(xiàn)狀，有助于改善生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)的良性循環(huán)，以助于實(shí)現(xiàn)平潭建設(shè)“生態(tài)宜居島”和“國際旅游島”的目標(biāo)。

本文基此對平潭壇南灣再生水廠的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行總結(jié)，對壇南灣再生水廠的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析。

1 工程概況

平潭壇南灣再生水廠設(shè)計(jì)總規(guī)模4.0萬m3/d，一期設(shè)計(jì)規(guī)模1.0萬m3/d，位于平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)敖東鎮(zhèn)建星村，占地2.83hm2，采用地下式污水廠的建設(shè)形式，采用“MBR膜工藝”為主體的生化污水處理工藝，“污泥濃縮池+離心脫水機(jī)+外運(yùn)處置”的污泥處理處置工藝，“次氯酸鈉消毒”的尾水消毒工藝。由于平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)水資源缺乏，出水進(jìn)行回用，作為城市沖廁及綠化使用。出水水質(zhì)在滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18918-2002)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還需同時(shí)滿足《城市污水再生利用·城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920-2002)，《城市污水再生利用·景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T 18921-2002)的要求。遠(yuǎn)期尾水一部分作為環(huán)島路綠化用水及壇南灣周邊建筑沖廁用水，用水總規(guī)模為2.0萬m3/d，剩余尾水作為金井灣河道補(bǔ)水，補(bǔ)水規(guī)模為2.0萬m3/d。

平潭壇南灣再生水廠相對于傳統(tǒng)的出水水質(zhì)為一級A的污水處理廠，采用全地埋式建設(shè)方式，節(jié)省占地面積，有別于傳統(tǒng)污水廠的“大水池”模式，地面為景觀綠化，提高了綠化率；配套有消臭處理、消毒處理等措施，避免了惡臭、噪音對周邊環(huán)境的影響且不存在衛(wèi)生防護(hù)距離等要求。平潭壇南灣再生水廠采用了新型的MBR工藝，地下空間集約組團(tuán)式布置，工藝流程短，相對于傳統(tǒng)的污水處理廠，減少了構(gòu)筑物之間管道連接，減少了水頭損失，降低了埋地深度。目前，自國內(nèi)首座地下式污水處理廠廣州京溪污水處理廠建設(shè)以來，國內(nèi)已陸續(xù)建設(shè)數(shù)十座地下污水處理廠，地下式污水處理廠一般需采用集約化設(shè)計(jì)及選用占地較小的工藝，還需進(jìn)行合理的交通組織設(shè)計(jì)及對地下空間進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]，相對于國內(nèi)現(xiàn)已建成的地下式污水處理廠，平潭壇南灣再生水廠在滿足地下式污水處理廠的設(shè)計(jì)要求外，還擁有其相對獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 地下分組式建設(shè)

根據(jù)《平潭壇南灣再生水廠組團(tuán)控制性詳細(xì)規(guī)劃》，平潭壇南灣遠(yuǎn)期規(guī)劃人口7.2萬人(含本地人口5.4萬人，旅游人口1.8萬人)，根據(jù)人口及分項(xiàng)地塊指標(biāo)法測算遠(yuǎn)期污水量，平潭壇南灣再生水廠遠(yuǎn)期規(guī)模為4.0萬m3/d，一期規(guī)模為1.0萬m3/d，一期及遠(yuǎn)期規(guī)模相差較大，若一次性建設(shè)4萬m3/d規(guī)模，土建投資太大，為符合壇南灣發(fā)展規(guī)劃，節(jié)省壇南灣再生水廠建設(shè)成本，根據(jù)壇南灣再生水廠地質(zhì)、用地及構(gòu)筑物安全要求，壇南灣再生水廠地下水處理構(gòu)筑物按近遠(yuǎn)期分2座單獨(dú)建設(shè)，每座規(guī)模2萬m3/d，兩座處理構(gòu)筑物間隔5m，當(dāng)遠(yuǎn)期構(gòu)筑物進(jìn)行基坑開挖時(shí)，與遠(yuǎn)期構(gòu)筑物相鄰的近期構(gòu)筑物側(cè)墻可作為遠(yuǎn)期構(gòu)筑物基坑的護(hù)壁，節(jié)省了遠(yuǎn)期構(gòu)筑物的基坑支護(hù)費(fèi)用，同時(shí)，可保證近期構(gòu)筑物運(yùn)行正常，地下交通流線如圖1所示。

單座構(gòu)筑物分2組，整體結(jié)構(gòu)分為兩層，負(fù)一層主要為控制室、 鼓風(fēng)機(jī)房、臭氣處理裝置、風(fēng)機(jī)房等生產(chǎn)性車間， 負(fù)二層主要為進(jìn)水泵房、預(yù)處理區(qū)、污水處理池及綜合管廊。

地下部分處理工段基本分為平行布置的2組，中間為6m的車道。依照入廠車道行進(jìn)方向，車道左邊依次布置預(yù)處理區(qū)、生物池、膜池及出水泵房；右邊依次是控制室、生物池、膜池及出水泵房。車道下為綜合管廊，處理間平面如圖2所示。

圖1 地下通道交通流線圖

圖2 處理間平面布置圖

2.2 工藝路線選擇

相對于傳統(tǒng)污水處理廠，地下式污水處理廠土建費(fèi)用高，主要體現(xiàn)在主體結(jié)構(gòu)費(fèi)用、基坑支護(hù)費(fèi)用及基礎(chǔ)處理費(fèi)用，為減少土建費(fèi)用，宜選用工藝流程短、占地較小的工藝。在出水達(dá)到回用水標(biāo)準(zhǔn)的要求下，傳統(tǒng)的污水處理工藝在曝氣池、二沉池之后還需增加混凝、沉淀、過濾等深度處理工藝，經(jīng)消毒后出水方能達(dá)標(biāo)，而國內(nèi)已建成的大部分的地下式污水處理廠一般采用MBR膜處理工藝，MBR膜處理工藝在曝氣池后增加MBR膜池，經(jīng)消毒后水質(zhì)能達(dá)到回用水標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)工藝及MBR膜工藝比較如圖3所示。平潭壇南灣再生水廠選用了工藝流程短、占地面積小的MBR膜工藝，以減少土建費(fèi)用。

圖3 傳統(tǒng)工藝與MBR工藝比較

2.3 設(shè)備優(yōu)化選型

2.3.1精細(xì)格柵的優(yōu)化選型

在市政污處理領(lǐng)域，自從引進(jìn)膜生物反應(yīng)技術(shù)，對膜處理前端機(jī)械過濾就提出了極高的要求。在常規(guī)的污水處理工藝中，格柵主要用于去除一些較大的懸浮物及漂浮物，以減輕后續(xù)水處理工藝的處理負(fù)荷，并起到保護(hù)水泵、管道、儀表等作用。而膜處理裝置則要求在任何工況條件下都必須將細(xì)小物質(zhì)，例如頭發(fā)和細(xì)小纖維物質(zhì)，安全可靠地分離去除，傳統(tǒng)的細(xì)格柵(柵距6mm至12mm)則無法滿足膜處理裝置的要求，而精細(xì)格柵(篩縫≤3mm)方能滿足這一要求[2]。

精細(xì)格柵根據(jù)篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及水流方式，可分為水平式及垂直式安裝。目前，大部分采用MBR膜工藝的地埋式污水處理廠預(yù)處理系統(tǒng)中精細(xì)格柵皆采用轉(zhuǎn)鼓式精細(xì)格柵，該類格柵存在渠道淺、有效過柵面積小、占地面積大、條狀柵條捕獲率低、易纏繞等缺點(diǎn)，尤其對于地下式再生水廠，設(shè)備占地要求盡量小、安裝及運(yùn)行維護(hù)要求盡量簡單，轉(zhuǎn)鼓式精細(xì)格柵皆不能較好的滿足上述要求。

平潭壇南灣再生水廠采用內(nèi)進(jìn)流垂直孔板式精細(xì)格柵(圖5)，相對于轉(zhuǎn)鼓式精細(xì)格柵(圖6)，內(nèi)進(jìn)流垂直孔板式格柵沒有液下軸承，安裝維護(hù)簡單、濾網(wǎng)孔隙率高，水頭損失小、垂直安裝使用靈活，占地面積小、反沖洗消耗水量小，運(yùn)行能耗低等特點(diǎn)，更適用于地下式再生水廠占地盡量小、安裝及維護(hù)盡量簡單的要求，壇南灣再生水廠配置2臺垂直孔板式精細(xì)格柵，渠寬B=2.0m，柵隙1.0mm，主體采用304不銹鋼，主傳動(dòng)電機(jī)N=2.2kW，毛刷減速機(jī)N=0.75kW。

圖4 轉(zhuǎn)鼓式精細(xì)格柵

圖5 垂直孔板式精細(xì)格柵

2.3.2MBR膜組件的優(yōu)化選型

國內(nèi)已建地下式污水處理廠MBR膜組件一般采用中空纖維膜，而平潭壇南灣再生水廠采用平板膜組件，平板膜組件由于其膜的物理性質(zhì)，膜表面會(huì)形成一層非常薄的生物膜，大部分固體顆粒的截留主要由2種膜共同作用完成，一是被附著在膜表面的生物膜截留，二是由平板膜本身的物理膜截留，其中生物膜起主要作用。因此平板膜本身的物理膜被污染速度較慢，其恢復(fù)性清洗周期根據(jù)膜污染程度一般可達(dá)3～6個(gè)月一次，膜清洗藥劑一般采用次氯酸鈉溶液在線清洗，膜組件勿需吊離膜反應(yīng)池；中空纖維膜在運(yùn)行中也能形成一層生物膜，但由于中空纖維膜的密度很高，空氣吹洗時(shí)，膜管互相碰撞，生物膜被破壞脫落，不能對顆粒截留起作用，故中空纖維膜顆粒截留主要是依靠物理膜的截留能力，膜污染速度較快，基本上幾天就需進(jìn)行維護(hù)性清洗，周期一般為一周兩次，需將膜組件吊進(jìn)酸洗池及堿洗池進(jìn)行維護(hù)性清洗，每3個(gè)月還需進(jìn)行恢復(fù)性清洗。

相對于中空纖維膜組件，由于平板膜可數(shù)月不清洗，平板膜MBR生物池中MLSS濃度可達(dá)到10 000～15 000mg/L，而中空纖維膜由于其主要依靠膜本身物理過濾，膜生物反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度不宜過高，一般為8000mg/L，MLSS的提高可大規(guī)?？s小生物池容積。因此，平板膜生物反應(yīng)器容積相較于中空纖維生物反應(yīng)器膜要小得多，節(jié)省用地。表1為平板膜與中空纖維膜組件的比較。

表1 平板膜與中空纖維膜的比較

平潭壇南灣再生水廠采用MBR平板膜組件，膜通量25L/m2·h，共32組，每組含膜400片，單片面積1.4m2，單組膜面積580m2/組，相較于其他采用MBR中空纖維膜組件的地下式污水處理廠，占地面積更小，維護(hù)管理更簡單，膜更換周期更長，建設(shè)及運(yùn)營成本更低。

2.4 MBR膜起吊裝置優(yōu)化

MBR平板膜單個(gè)膜組件體積龐大，地下式污水處理廠地下空間受限，膜組件起吊設(shè)計(jì)成為地下污水處理廠設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

廣州京溪地下式污水廠及昆明第九、第十地下式污水處理廠采用中空纖維膜組件，重量約在3t～4t，受地下柱網(wǎng)限值，采用S型單軌葫蘆，然而，S型單軌葫蘆不同于電動(dòng)單梁，其軌道在轉(zhuǎn)彎處的起吊能力比直線段的起吊能力薄弱，并且5t的單軌葫蘆吊車根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)圖集05G359-1～4無參考，需要進(jìn)行專門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算和加工，給設(shè)計(jì)和施工增加了難度，也給運(yùn)行安全帶來隱患[3]。

平潭壇南灣再生水廠采用MBR平板膜組件，單組膜組件加曝氣框架干重約2.6t，濕重約5.4t，單組膜池廊道長為10m，經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算，MBR膜池廊道內(nèi)無需設(shè)計(jì)柱網(wǎng)，可采用電動(dòng)單梁吊車，可參考國家標(biāo)準(zhǔn)圖集05G359-1～4，運(yùn)行安全。

3 結(jié)論

平潭壇南灣再生水廠采用全地下式建設(shè)方式，在滿足集約化設(shè)計(jì)，合理的交通組織設(shè)計(jì)及對地下空間進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提下，還采用了地下構(gòu)筑物分組式設(shè)計(jì)，采用了占地更小及運(yùn)行管理維護(hù)更加方便的垂直孔板精細(xì)格和MBR平板膜處理工藝，降低了平潭壇南灣再生水廠的建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)成本。