錢江地下式集約化污水處理廠設(shè)計方案

王雅楠

(上海市政工程設(shè)計研究總院〈集團(tuán)〉有限公司天津分公司，天津 300042)

錢江污水處理廠工程始建于1997年，一期設(shè)計規(guī)模為10×104m3/d，二期工程設(shè)計規(guī)模為12×104m3/d。由于水量攀升和排放標(biāo)準(zhǔn)要求的提高，2014年實(shí)施了蕭山錢江污水處理廠擴(kuò)建及提標(biāo)改造工程，擴(kuò)建規(guī)模為12×104m3/d，同時，對一、二期22×104m3/d規(guī)模進(jìn)行提標(biāo)改造，實(shí)現(xiàn)全廠總規(guī)模達(dá)到34×104m3/d。目前，蕭山錢江污水處理廠擴(kuò)建及提標(biāo)改造工程已投入運(yùn)行，出水穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)[1]。

隨著蕭山城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，片區(qū)內(nèi)的污水量增長較快，目前，一、二、三期工程已滿負(fù)荷運(yùn)行，為緩解污水處理廠的運(yùn)行壓力，滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，污水廠的擴(kuò)建工程迫在眉睫。四期工程擬建場地位于現(xiàn)狀廠區(qū)西側(cè)空地內(nèi)，北抵錢農(nóng)東路，南鄰杭甬高速，可用地面積約為98 700 m2，設(shè)計規(guī)模為40×104m3/d，設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

注：括號內(nèi)為<12 ℃時的排放標(biāo)準(zhǔn)

1 污水廠建設(shè)形式的確定

隨著我國城市化水平和居民環(huán)境要求的提高，已建污水廠周邊被居住區(qū)逐漸“包圍”，廠群矛盾日益擴(kuò)大。能夠與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)、封閉程度高、二次污染少的地下式污水處理廠正在逐漸成為城市污水治理工程建設(shè)的新思路，地下式污水廠具有以下突出優(yōu)點(diǎn)。

(1)環(huán)境、噪音污染幾乎消除：廠區(qū)生產(chǎn)構(gòu)筑物全封閉管理，可以對產(chǎn)生的臭氣進(jìn)行全面的收集處理，主要產(chǎn)噪設(shè)備均處于地下封閉箱體，可有效避免臭氣及噪聲對地面建筑和居民生活和工作的影響。

(2)結(jié)構(gòu)緊湊、土地利用率高：在構(gòu)筑物形式選取及結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用布局緊湊的“模塊化”設(shè)計，相比于地面式污水廠，可大大降低占地面積及所需的衛(wèi)生防護(hù)距離，提升周邊土地利用率。通過調(diào)研，地上污水廠占地指標(biāo)一般為8 000～10 000 m2/(104m3·d)，而地下式污水廠占地指標(biāo)為3 000～5 000 m2/(104m3·d)，用地可節(jié)省37%～60%。

(3)水溫穩(wěn)定、出水保證率高：箱體下沉并封閉，水溫比較恒定，有利于生物處理工藝的穩(wěn)定運(yùn)行；同時，主要處理構(gòu)筑物及設(shè)備可有效避免惡劣天氣的不利影響，水廠整體運(yùn)行穩(wěn)定。

(4)景觀效果好，環(huán)境融入度高：箱體頂部進(jìn)行覆土綠化，可以將污水廠打造成一個親民的、受大眾歡迎的科教宣傳基地或生態(tài)公園，充分融入周邊環(huán)境，實(shí)現(xiàn)環(huán)境和諧統(tǒng)一。

本工程位于蕭山科技城，廠區(qū)周邊環(huán)境敏感度較高，可用地面積僅為98 700 m2。本著提倡“節(jié)約用地，減小污水處理廠對周邊建設(shè)用地的環(huán)境影響，還周邊市民一個優(yōu)美的休閑環(huán)境”的設(shè)計理念，并考慮投資成本控制，污水廠建設(shè)形式采用地下式雙層加蓋形式，上方覆土綠化，打造成景觀公園及生態(tài)停車場，如圖1所示。

圖1 建成后廠區(qū)景觀效果圖Fig.1 Design Sketch of WWTP after Reconstruction

2 地下式污水廠關(guān)鍵技術(shù)問題分析

相比傳統(tǒng)地面式污水廠，地下式污水廠不僅需要各專業(yè)采用針對性的設(shè)計，還需要各專業(yè)之間緊密配合[3]，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性融合，具體體現(xiàn)如下。

(1)箱體下沉并高度集約化，建設(shè)費(fèi)用高，在選擇穩(wěn)定可靠工藝的前提下，應(yīng)合理選擇構(gòu)筑物形式，并選擇低能耗、低聲噪、高效率、便檢修、故障率低的設(shè)備；合理選擇配電、照明、通風(fēng)方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能低耗，運(yùn)行穩(wěn)定的目標(biāo)。

(2)為便于結(jié)構(gòu)專業(yè)開挖支護(hù)、地基處理及抗浮的設(shè)計，箱體總體布置上，盡量將埋設(shè)深度相近的構(gòu)筑物集中設(shè)置，實(shí)現(xiàn)“共底板”，避免高程錯落。

(3)應(yīng)充分利用下沉箱體的平面、豎向空間。箱體平面布置緊湊集約；通過合理布排電纜橋架、工藝管道、消防通風(fēng)、電子巡檢設(shè)備等實(shí)現(xiàn)操作層凈空的最大化，以降低箱體結(jié)構(gòu)尺寸和埋深。

(4)箱體消防設(shè)計是地下式污水廠的重點(diǎn)內(nèi)容，防火分區(qū)的布置直接影響了箱體操作層的劃分以及地面逃生口及景觀的布置。但國內(nèi)尚無專門的規(guī)范作為設(shè)計依據(jù)，《建筑設(shè)計防火規(guī)范》對地下廠房防火分區(qū)的規(guī)定并不完全適用于地下式污水處理廠消防設(shè)計，應(yīng)根據(jù)操作層及水池功能分區(qū)，對其消防設(shè)計予以適當(dāng)簡化[2]。如昆明第十一污水處理廠、南三環(huán)污水處理廠、昆明十四廠最大防火分區(qū)面積為3 900～4 000 m2?！缎郯残聟^(qū)地下空間消防安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》是國內(nèi)目前對地下排水廠站防火分區(qū)劃分比較明確的參考標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)要求“設(shè)施層單個防火分區(qū)最大允許建筑面積不應(yīng)大于5 000 m2且設(shè)置不少于兩處安全出口”。

3 總體設(shè)計方案

3.1 污水處理工藝路線的確定

根據(jù)一、二、三期實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)確定本工程設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)，一般認(rèn)為BOD/COD在0.3～0.45屬于可生化污水，本工程BOD/COD≈0.57，屬于較好生化污水；理論上講，C/N≥3.5才能進(jìn)行有效脫氮，本工程C/N≈4.5，能夠?qū)崿F(xiàn)理想脫氮；進(jìn)水C/P=40(理論要求為20)，可采用生物除磷方法。因此，本工程主體工藝采用生物脫氮除磷工藝，為確保TP的達(dá)標(biāo)排放，在深度處理段輔以化學(xué)除磷。

目前，常見的二級生物脫氮除磷工藝有AAO系列、氧化溝、SBR、BAF、MBR、MSBR等多種處理工藝，且每個工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)。綜合考慮工程特點(diǎn)，擬將五段Bardenpho與MSBR工藝進(jìn)行對比(表2)。

表 2 工藝方案綜合比較Tab.2 Comprehensive Comparison of Process Schemes

五段Bardenpho工藝是基于AAO工藝衍化而來的工藝，具有成熟可靠、操作管理簡單、運(yùn)營成本較低等多項優(yōu)點(diǎn)，是目前國內(nèi)工程實(shí)例最多的工藝。同時，一、二、三期均采用AAO工藝，廠內(nèi)運(yùn)行維護(hù)人員積累了大量運(yùn)營管理經(jīng)驗。本工程采用以五段Bardenpho為主體的生物處理工藝，為遠(yuǎn)期達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)留有空間，在生活污水為主要進(jìn)水水質(zhì)情況下，CODCr能穩(wěn)定達(dá)到20～30 mg/L，TN≤15 mg/L，在合理補(bǔ)充碳源情況下能夠保證TN≤10 mg/L。

二沉池一般有單層平流式、雙層平流式沉淀池、周進(jìn)周出矩形池、周進(jìn)周出圓形池、中心進(jìn)水圓形池等形式?？紤]地下廠整體布局，二沉池設(shè)計一般以矩形沉淀池為主，且通常選用周進(jìn)周出和雙層平流沉淀池等水力負(fù)荷和固體負(fù)荷較高池型。本工程可用地較小，雙層沉淀池具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小且能夠?qū)崿F(xiàn)與前端生反池“共底板”的特點(diǎn)，因此，本工程采用雙層二沉池。雙層沉淀池在蘇州新區(qū)地下廠，深圳布吉污水廠均有較好的應(yīng)用效果。

為實(shí)現(xiàn)出水TP≤0.5 mg/L，必須采用生物除磷加化學(xué)除磷的組合工藝，在深度處理中，比較常用的工藝為混凝沉淀+過濾工藝。高效沉淀池表面負(fù)荷及污染物去除率較高，池體集約緊湊，混凝沉淀工藝擬采用高效沉淀池。常用過濾工藝有轉(zhuǎn)盤濾池、深床濾池、V型濾池等，上述濾池各有優(yōu)點(diǎn)，在本工程設(shè)計參數(shù)下，比較如表3所示。

表3 過濾工藝比較Tab.3 Comparison of Filtration Process

通過上述方案比較，幾種過濾工藝各有特點(diǎn)，且都能達(dá)到出水SS≤10 mg/L的要求，但相比而言，轉(zhuǎn)盤濾池具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、占地省、水頭損失小、運(yùn)行管理簡單、投資適中等優(yōu)點(diǎn)，更適合本工程的應(yīng)用。

污泥處理采用占地面積小、密閉性較強(qiáng)的污泥濃縮脫水一體機(jī)，將污泥含水率至≤80%后外運(yùn)處置，工藝流程如圖2所示。

圖2 污水處理廠工藝流程圖Fig.2 Process Flow of the WWTP

3.2 箱體平面及豎向布置

地下式污水廠總平面圖布置受風(fēng)向影響較小，因此，平面布置時主要考慮進(jìn)出水方向和用地等情況。本工程進(jìn)水管道自南側(cè)進(jìn)入，北側(cè)出水。平面布置時采用“順流程”布置，沉砂池和初沉池等預(yù)處理設(shè)施集中置于箱體西南角，便于臭氣的收集處理，沿箱體南北向布置中央巡視通道，并在通道東西兩側(cè)對稱布置2座生物反應(yīng)池，每組處理規(guī)模為20萬m3/d；在箱體西北側(cè)布置二沉池，處理規(guī)模為40萬m3/d；在箱體東北側(cè)布置高效沉淀池、濾布濾池、加氯接觸池及出水泵房及加藥間等設(shè)施。各構(gòu)筑物之間通過渠道連接，箱體布置緊湊，土地利用率較高。

水廠采用地下二層建設(shè)形式，為滿足頂部綠化及景觀需求，上方覆土控制在0.5～1.5 m；地下一層為操作層及設(shè)備層，結(jié)構(gòu)凈空需滿足設(shè)備起吊以及風(fēng)管、電纜、除臭管道等敷設(shè)要求，本工程取4.0～4.5 m；地下二層為盛水層，構(gòu)筑物之間通過渠道緊湊布置，能夠有效減低水頭損失。同時，輔助用房置于盛水層上方，大大提高了箱體的平面及豎向空間利用率(圖3、圖4)。

圖3 地下箱體平面布置圖Fig.3 Plane Layout of Underground WWTP

圖4 地下箱體豎向布置圖Fig.4 Vertical Layout of Underground WWTP

3.3 主要單體設(shè)計

(1)細(xì)格柵及曝氣沉砂池

細(xì)格柵采用攔渣效果較好的內(nèi)進(jìn)流式網(wǎng)板格柵，共8套，柵條間距為5 mm，格柵前后設(shè)置閘門；曝氣沉砂池1座8池，設(shè)計峰值停留時間為6.03 min，所需曝氣總量為4 333.3 m3/h。

(2)初沉池

新建2座平流式初沉池，每座平面尺寸為79.1 m×38.4 m。1座初沉池設(shè)置4池，單池處理規(guī)模約為5萬m3/d，有效水深為4.0 m。為降低碳源消耗，設(shè)計表面負(fù)荷取4.5 m3/(m2·h)，沉淀時間為0.89 h。根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)情況選擇是否超越。

(3)生物反應(yīng)池

新建五段Bardenpho生物反應(yīng)池2座4池，單座平面尺寸為124.6 m×168.8 m，有效水深為8.8 m，總停留時間為20.1 h，其中，厭氧段為1.0 h；第一缺氧段為6.5 h；第一好氧段為8.6 h；第二缺氧段為3 h；第二好氧段為1.0 h。污泥濃度為3.5 g/L，總泥齡為30.6 d，硝化段泥齡為13.1 d，污泥負(fù)荷為0.055 kg BOD/(kg MLSS)，設(shè)計氣水比為5∶1。內(nèi)回流比為300%，外回流比為100%。

(4)二沉池

新建16格二沉池，采用雙層二沉池，高峰流量時設(shè)計表面負(fù)荷為1.15 m3/(m2·h)，單格尺寸為79.0 m×9.7 m，單層有效水深為4.0 m，沉淀時間為3.48 h。

(5)高效沉淀池

新建高效沉淀池8座，每座處理流量為5萬m3/d，座沉淀池尺寸為16.0 m ×16.0 m，有效水深為6.5 m，混凝時間為3 min，混合池G值取500～1 000 s-1；絮凝時間為25 min, 絮凝區(qū)G值為100～500 s-1，沉淀區(qū)表面負(fù)荷為10.58 m3/(m2·h)，回流污泥比取10%。除磷藥劑選用市售10%聚合氯化鋁溶液，投加過量系數(shù)1.5。助凝劑采用PAM，投加量為1 mg/L。

(6)濾布濾池

新建濾布濾池共2座,共分8格，單格濾池尺寸為13.4 m×4.0 m。平均濾速為5.51 m/h，最大濾速為7.16 m/h。

(7)加氯接觸池

新建加氯接觸池1座，面尺寸約為63.4 m×46 m，有效水深為5.0 m，接觸時間為30 min，消毒采用投加液體次氯酸鈉，投加濃度為10 mg/L(有效氯)。

(8)污泥脫水機(jī)房

污泥脫水機(jī)房及濃縮池置于地下箱體之外，廠區(qū)污泥主要由初沉污泥、剩余污泥以及化學(xué)污泥3部分組成，污泥流量約為9 973 m3/h，污泥平均含水率為98.8%，經(jīng)過濃縮池濃縮后含水率為97%。脫水機(jī)采用離心濃縮脫水一體機(jī)，3用1備，單臺處理能力為81 m3/h，每天工作時間為16 h，進(jìn)泥含固率為3%～4%，脫水后污泥含水率小于80%后外運(yùn)處置。

3.4 景觀及海綿城市設(shè)計

結(jié)合地下箱體，打造集休閑公園與生態(tài)停車場于一體的“生態(tài)低碳綠頂、錯層退臺花園”式地面景觀，三季有花、四季常綠。充分融入周邊環(huán)境，總體綠化面積為60 200 m2，廠區(qū)綠化率達(dá)60%，通過植草溝、雨水花園、透水鋪裝等措施，實(shí)現(xiàn)年徑流總量控制率達(dá)到75%。

4 結(jié)論

通過構(gòu)筑物地下式集約化布置形式，合理解決平面及立體空間布局，極大的節(jié)約占地面積，實(shí)現(xiàn)用地指標(biāo)為2 500 m2/(104m3·d)，本工程為廠區(qū)周邊景觀要求高且用地緊張地區(qū)的污水處理廠設(shè)計提供了相當(dāng)?shù)膮⒖己徒梃b價值。