南方某氧化溝工藝污水廠的提標(biāo)改造和擴(kuò)建設(shè)計(jì)

肖 艷

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200092)

1 工程背景

南方某污水處理廠主要服務(wù)于該城市城西和老城片區(qū)中西部等片區(qū)，總服務(wù)面積約為69 km2。一期工程于2007年8月建成并投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)規(guī)模為5萬m3/d，采用改良式DE氧化溝工藝，尾水排入海河，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)[1]，污泥脫水處理后外運(yùn)衛(wèi)生填埋處置。

為進(jìn)一步改善城市水生態(tài)環(huán)境，響應(yīng)國家節(jié)能減排的工作要求，提高社會發(fā)展所需的生態(tài)容量，擴(kuò)大城市建設(shè)生態(tài)空間，本文研究該污水處理廠的提標(biāo)改造和擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)方案。參照國內(nèi)外污水處理廠改造經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)要求[2-6]，擬將污水處理廠規(guī)模擴(kuò)建至10萬m3/d，并對原一期工程進(jìn)行提標(biāo)改造，全廠出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 污水量預(yù)測

采用分項(xiàng)指標(biāo)法預(yù)測該污水處理廠日處理污水量，分別預(yù)測綜合生活用水量、工業(yè)用水量和市政及其他未預(yù)見水量等，然后相加得到總的用水量，最后綜合折算確定污水量。

按照城市總體規(guī)劃，2010年、2015年、2020年、2030年該污水處理廠所服務(wù)城市總?cè)丝诜謩e為28萬、48萬、55萬、70萬人。結(jié)合城市實(shí)際供水情況，平均日綜合生活用水定額取值為150～180 L/(人·d)；工業(yè)用水占綜合生活用水的比例取值為10%，其他用水量如市政用水量、管網(wǎng)漏失水量、未預(yù)見水量等均按一定比例計(jì)算；生活污水量排放系數(shù)取值為0.85～0.9；污水收集率取值為85%～95%。綜上，污水量預(yù)測如表1所示。

表1 污水量預(yù)測Tab.1 Prediction of Wastewater Quantity

注：(4+6)為“第4行+第6行”，其他類推

2.2 工程規(guī)模

根據(jù)污水量預(yù)測：該污水處理廠2020年、2030年的污水量分別約為10.14萬、15.82萬m3/d，與片區(qū)排水規(guī)劃確定的污水處理廠規(guī)模一期(2010年前)5萬m3/d、二期(2020年前)10萬m3/d、三期(2030年前)15萬m3/d基本匹配。

目前，該污水處理廠一期已建規(guī)模為5萬m3/d，于2007年8月建成并投入運(yùn)行，2013年平均日實(shí)際進(jìn)水量已達(dá)4.85萬m3/d，接近滿負(fù)荷運(yùn)行。為滿足城市發(fā)展要求，開展污水處理廠擴(kuò)建工程項(xiàng)目建設(shè)十分緊迫。結(jié)合污水量預(yù)測和片區(qū)排水規(guī)模，確定本次二期擴(kuò)建規(guī)模為5萬m3/d，建成后全廠污水處理總規(guī)模達(dá)到10萬m3/d。

2.3 設(shè)計(jì)水質(zhì)

2.3.1 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)

污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)濃度的大小直接影響污水處理工藝方案及設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇。本文對比分析了該污水處理廠原一期工程設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)和最近1年實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)，如表2所示。

由表2可知，該污水處理廠一期工程實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)顯著低于設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)。水質(zhì)偏淡存在以下4方面原因：(1)城市排水管網(wǎng)建設(shè)仍不完善，部分管道與農(nóng)灌渠貫通，管道內(nèi)地下水滲入量偏大；(2)老城區(qū)雖然實(shí)施了雨污主干管分流，但很多工礦企業(yè)內(nèi)部雨污分流不徹底，混接現(xiàn)象仍嚴(yán)重；(3)部分工礦企業(yè)自備水源供水能力大于市政供水能力，生產(chǎn)廢水排放量大且回用率較低，直排入污水管網(wǎng)將水質(zhì)沖淡；(4)生活污水大多經(jīng)過化糞池預(yù)處理凈化后進(jìn)入污水管網(wǎng)。

表2 一期工程設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)和實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)對比Tab.2 Comparison of Design and Actual Influent Water Quality in the First Stage Project

本文又對比分析了城市內(nèi)其他污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)，如表3所示。

表3 城市內(nèi)其他污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)Tab.3 Design Influent Water Quality of Other WWTPs in the City

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50013—2006)(2016年版)及1990年以來全國37座污水處理廠的調(diào)查資料，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，生活污水的BOD5按每人每日25～50 g、SS按每人每日40～65 g、TP按每人每日0.7～1.4 g、TN按每人每日5～11 g計(jì)算，則BOD5為74～147 mg/L，SS為117～191 mg/L，TP為2.1～4.1 mg/L，TN為14.7～32.4 mg/L。

綜上，隨著城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)的逐步完善和污水處理提質(zhì)增效行動(dòng)方案的落實(shí)，該污水處理廠一期工程所采用的設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)基本適宜遠(yuǎn)期實(shí)際水質(zhì)。因此，本工程設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)高值仍采用一期設(shè)計(jì)水質(zhì)，為了適應(yīng)現(xiàn)狀，低值按照實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)校核。

2.3.2 設(shè)計(jì)出水水質(zhì)

按照環(huán)保要求，該污水處理廠提標(biāo)改造和擴(kuò)建工程實(shí)施后，全廠10萬m3/d出水水質(zhì)執(zhí)行一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。對比現(xiàn)狀實(shí)際出水和設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。

表4 現(xiàn)狀實(shí)際出水水質(zhì)和設(shè)計(jì)出水水質(zhì)對比Tab.4 Comparison of Actual Effluent Quality and Design Effluent Quality

注：括號內(nèi)的數(shù)值為水溫≤12 ℃時(shí)的指標(biāo)

由表4可知，該污水處理廠現(xiàn)狀一期工程實(shí)際出水除SS偶有超標(biāo)外，其余基本能夠滿足一級B標(biāo)準(zhǔn)。本工程執(zhí)行一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，需重點(diǎn)強(qiáng)化去除的水質(zhì)指標(biāo)為BOD5、SS、TN、TP?？紤]到實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)低于設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)，本工程需對原有一期工程進(jìn)行優(yōu)化挖潛，同時(shí)，對目前一期工程已出現(xiàn)的問題一并整改，保證提標(biāo)改造后一、二期工程良好銜接。

2.4 一期工程運(yùn)行狀況評估

2.4.1 一期工程工藝流程

現(xiàn)狀一期工程污水污泥處理工藝流程如圖1所示。

由圖1可知：污水自流至提升泵房前的粗格柵，由提升泵房抽升后至細(xì)格柵，再經(jīng)過渠道流至沉砂池；沉砂后經(jīng)計(jì)量配水到預(yù)缺氧池、厭氧池、生物選擇池再到DE氧化溝，然后經(jīng)二沉池至加氯消毒池排放。

圖1 一期工程污水污泥處理工藝流程Fig.1 Process Flow Chart of Wastewater and Sludge Treatment in the First Stage Project

2.4.2 一期工程運(yùn)行至今存在的問題

基于一期工程歷年運(yùn)行水質(zhì)、水量情況分析，結(jié)合現(xiàn)狀處理設(shè)施和設(shè)備情況，存在問題如下。(1)現(xiàn)狀DE氧化溝存在先天缺陷，污水易短流，硝酸鹽易穿透，未經(jīng)徹底生物降解便進(jìn)入沉淀池沉淀出水，水質(zhì)無法穩(wěn)定保障。(2)現(xiàn)狀DE氧化溝使用表面曝氣機(jī)進(jìn)行充氧，傳氧效率低，設(shè)備故障率高，且配件不易獲得，維修不便；一期污泥直接從污泥回流管引出，沒有單獨(dú)的剩余污泥管路，無法對排泥量進(jìn)行控制。(3)儲泥池容積僅為84 m3，經(jīng)計(jì)算，儲泥池停留時(shí)間僅為2.6 h，導(dǎo)致帶式脫水機(jī)需長時(shí)間開啟，不利于安排廠內(nèi)工人作業(yè)。(4)現(xiàn)狀沉砂池至一期DE氧化溝的管路存在問題，不易均勻分配水量，導(dǎo)致污水處理廠生產(chǎn)協(xié)調(diào)困難。

2.5 總體設(shè)計(jì)

2.5.1 設(shè)計(jì)方案

本工程污水處理總規(guī)模為10萬m3/d，包括已建一期5萬m3/d提標(biāo)改造及二期擴(kuò)建5萬m3/d。針對本工程的重點(diǎn)、難點(diǎn)和一期工程存在的問題，總體設(shè)計(jì)思路如下。

(1)污水處理工藝

現(xiàn)狀出水中BOD5、SS、TN、TP等指標(biāo)距一級A標(biāo)準(zhǔn)仍有一定差距。按一級A標(biāo)準(zhǔn)對一期工程現(xiàn)狀二級污水處理設(shè)施能力進(jìn)行復(fù)核并優(yōu)化改造，提出一期工程改造方案如下：① 增設(shè)內(nèi)回流渠，促進(jìn)生物脫氮，防止硝酸鹽穿透和短流；②改為底部曝氣，提高氧傳質(zhì)效率，節(jié)約電能，強(qiáng)化系統(tǒng)硝化能力；③ 近期污水水質(zhì)偏淡，脫氮除磷碳源不足，本工程需設(shè)置補(bǔ)充碳源投加設(shè)施，確保TN、TP的穩(wěn)定去除；④ 考慮到進(jìn)水TP水質(zhì)波動(dòng)較大，為確保出水TP穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，在二沉池增加輔助化學(xué)除磷設(shè)施同步沉淀，保證出水TP≤0.5 mg/L。

本項(xiàng)目二期擴(kuò)建污水處理工藝選擇需考慮全廠運(yùn)行的整體性和管理的便捷性。采用優(yōu)化后的DE氧化溝為主體工藝，與一期工藝一致，結(jié)合二期擴(kuò)建預(yù)留用地，增大氧化溝HRT，降低污泥負(fù)荷，留有設(shè)計(jì)余量。

(2)深度處理工藝

結(jié)合一期實(shí)際運(yùn)行情況，為避免本工程出水SS 超標(biāo)，深度處理以物化處理為主，考慮到污水處理廠用地情況，結(jié)合處理指標(biāo)要求，對深度處理工藝常用的4種過濾方式(V型濾池、活性砂濾池、濾布濾池、回轉(zhuǎn)式過濾器)進(jìn)行綜合比選?？紤]到回轉(zhuǎn)式過濾器占地小、施工周期短、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)工作少、自耗水量低等優(yōu)點(diǎn)，本工程推薦采用回轉(zhuǎn)式過濾器，以進(jìn)一步去除二沉池出水中的SS。結(jié)合運(yùn)行單位意見，消毒工藝考慮運(yùn)行管理的便捷性，擬采用紫外消毒聯(lián)合氯消毒工藝。

(3)污泥處理工藝

根據(jù)環(huán)保要求，本工程污泥處理仍采用機(jī)械濃縮脫水工藝，將污泥脫水至含水率≤80%后外運(yùn)處置。本工程僅新增儲泥池，并擴(kuò)建脫水處理能力，增加設(shè)備。

2.5.2 工藝流程

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，確定本工程工藝流程如圖2所示。

圖2 本工程污水污泥處理工藝流程Fig.2 Process Flow Chart of Wastewater and Sludge Treatment in the Project

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 粗格柵及進(jìn)水泵房

粗格柵井為已建構(gòu)筑物，土建設(shè)備按10萬m3/d已在一期工程一次建成，本次利用原有構(gòu)筑物和設(shè)備，不作調(diào)整。提升泵房為已建構(gòu)筑物，土建按10萬m3/d建成，設(shè)備按5萬m3/d配置。本次需增加設(shè)備以滿足二期擴(kuò)建需求，新增4臺泵，3用1庫備。Q=900 m3/h，H=15 m，N=58 kW。

3.2 細(xì)格柵及旋流沉砂池

細(xì)格柵及旋流沉砂池為已建構(gòu)筑物，組合在一起，土建設(shè)備按10萬m3/d在一期工程中一次建成。經(jīng)復(fù)核設(shè)備設(shè)施處理能力以及本次擴(kuò)建需求，本工程不作調(diào)整。

3.3 改良型DE氧化溝

3.4 回流污泥泵房

本次新建二期工程回流污泥泵房1座，平面尺寸為9.85 m×11.45 m，深為6.2 m，單座服務(wù)2座改良式DE氧化溝，回流污泥經(jīng)潛污泵提升至選擇區(qū)，剩余污泥則經(jīng)管路直接輸送至新建儲泥池。最大回流比R=100%，可33%、66%、100%運(yùn)行。設(shè)置回流污泥泵5臺，4用1備，單泵設(shè)計(jì)參數(shù)：Q=521 m3/h，H=6.00 m，配套電機(jī)N=22 kW。

3.5 二沉池

一期已建二沉池2座，本次二期工程新建二沉池2座，平面尺寸φ=42 m，池總深為5.30 m，鋼筋砼結(jié)構(gòu)。采用周邊進(jìn)水、周邊出水圓形輻流式沉淀池，周邊水深為4.50 m。排泥采用單管吸、刮泥機(jī)和電動(dòng)套筒閥排泥，排泥量由電動(dòng)套筒排泥閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。在理論回流比R=100%的情況下，排泥濃度為0.8%。設(shè)計(jì)平均表面負(fù)荷為q=0.75 m3/(m2·h)，安裝單管刮吸泥機(jī)2套，周邊線速為1～2 m/min，N=0.75 kW。

3.6 回轉(zhuǎn)式過濾器及紫外線消毒池

本工程深度處理單元由回轉(zhuǎn)式過濾器和紫外線消毒池共同組成，2座單體合建，平面尺寸為 24.6 m×12.2 m，鋼筋砼結(jié)構(gòu)。其中，回轉(zhuǎn)式過濾器設(shè)計(jì)正常濾速為200 m/h，采用R200微過濾器 5套，單套處理量Q=1 083.3 m3/h，總機(jī)功率N=3.7 kW，廠家配套提供控制柜、驅(qū)動(dòng)裝置及反沖洗系統(tǒng)等?？紤]總變化系數(shù)KZ=1.3，紫外線消毒池設(shè)計(jì)流量為13萬m3/d，分2組，每組裝機(jī)N=24 kW，各包括15個(gè)模塊，每個(gè)模塊8根燈管，共安裝紫外線燈管120只。設(shè)計(jì)紫外劑量>20 mJ/cm2，穿透率為65%。設(shè)計(jì)消毒指標(biāo)：總大腸桿菌群數(shù)低于1 000個(gè)/L。廠家配套紫外線燈管控制系統(tǒng)、穿透率監(jiān)視系統(tǒng)、自動(dòng)清洗系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等。紫外線消毒池后設(shè)置廠內(nèi)中水回用泵。

3.7 補(bǔ)充碳源投加間

本次新增補(bǔ)充碳源投加間1座，平面尺寸為16.5 m×6 m，層高為6 m，框架結(jié)構(gòu)。內(nèi)設(shè)碳源投加裝置，投加點(diǎn)設(shè)置在改良式DE氧化溝進(jìn)水口。投加碳源按C/N=4計(jì)，乙酸投加量為35 mg/L。原液濃度為99.8%，投加濃度為10%，1 d按配置4次溶液考慮。投加間內(nèi)設(shè)置原液罐1臺，φ×H=3.5 m×2.8 m，玻璃鋼材質(zhì)；設(shè)置原液輸送泵1臺，Q=50 m3/h，H=10 m，N=3 kW，UPVC，選用化工耐腐蝕泵；設(shè)置原液投加泵2臺，Q=5 m3/h，H=10 m，N=0.75 kW，UPVC，選用化工耐腐蝕泵。設(shè)置溶解罐1臺，φ×H=2.0 m×2.0 m，玻璃鋼材質(zhì)，并配套攪拌機(jī)1臺，N=0.75 kW；設(shè)置投加計(jì)量泵2臺，Q=1 800 L/h，H=0.35 MPa，N=0.75 kW，配套提供脈沖阻尼器、泄壓閥、背壓閥、Y型過濾器、流量計(jì)各2個(gè)。

3.8 化學(xué)除磷加藥間

化學(xué)除磷加藥間為廠內(nèi)已建構(gòu)筑物，平面尺寸為20.25 m×17.8 m，層高為4.3 m，框架結(jié)構(gòu)。內(nèi)設(shè)加藥裝置，投加點(diǎn)設(shè)置在二沉池進(jìn)水管前(內(nèi)回流泵開啟時(shí))，去除污水中超標(biāo)的磷含量。設(shè)計(jì)鋁鹽投加量為15～25 mg/L，加藥間內(nèi)一期設(shè)置自動(dòng)投藥裝置2套，每套制備能力為28 kg/h；二期新增1套，制備能力為50 kg/h，N=2.2 kW。PAC藥液投加泵(單螺桿泵)2臺，1用1備，Q=0.5 m3/h，P=0.3 MPa，N=1.5 kW。

3.9 鼓風(fēng)機(jī)房及變電所

鼓風(fēng)機(jī)房與變電所和機(jī)修間合建，平面尺寸為37.33 m×12.20 m，層高為7.00 m，設(shè)計(jì)最大供風(fēng)量為250 m3/min，風(fēng)壓約為7 m(海拔為1 507 m，濕度為80%，溫度為20 ℃)，選用離心鼓風(fēng)機(jī)3臺，2用1備，單臺風(fēng)量Q=3 375～7 500 Nm3/h，風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍為45%～100%。鼓風(fēng)機(jī)配套提供空氣過濾器、減震器、消聲器等設(shè)備。

3.10 儲泥池

一期工程已建儲泥池1座，因原有儲泥池容積不足，本次新建儲泥池2座，儲泥池A尺寸L×B×H=11.15 m ×7.7 m×4.5 m，儲泥池B尺寸L×B×H=16.15 m×8.2 m×4.5 m?？傇O(shè)計(jì)停留時(shí)間為12 h，潷水后污泥含水率約為99.3%。每座儲泥池設(shè)置潛水?dāng)嚢杵?臺，N=7.5 kW，每2臺附1套可旋轉(zhuǎn)吊架；套筒式潷水器2套；干式污泥泵2臺，Q=30～40 m3/h，H=20 m，N=7.5 kW，設(shè)置于儲泥池頂部。

3.11 污泥脫水機(jī)房

一期已建污泥脫水機(jī)房平面尺寸為12.00 m×31.5 m，層高為7.4 m，框架結(jié)構(gòu)。一期已建2套帶式濃縮脫水機(jī)一體機(jī)，帶寬為1.5 m，1用1備，二期增加1套，帶寬為2.5 m，處理能力：Q=50 m3/h，N=7.5 kW，含空壓機(jī)、混合器、加藥泵、反沖洗水泵。設(shè)計(jì)進(jìn)泥含固率為0.4%～0.8%，出泥含固率為20%。本工程建成后一二期總污泥外運(yùn)量為60 t/d。

污泥進(jìn)泥泵一期已有2臺，1用1備，二期新增1臺，設(shè)計(jì)流量：Q=30～60 m3/h，H=0.30 MPa，N=11 kW。新增絮凝劑制備裝置1套，干粉制備能力為8～10 kg/h，N=3.0 kW。污泥濃縮投藥量為污泥干質(zhì)的2%～4%，污泥脫水投藥量為污泥干質(zhì)的3%～5%，調(diào)制濃度為0.5%，投加濃度為0.1%。

4 運(yùn)行效果分析

本工程于2017年3月竣工驗(yàn)收，投運(yùn)后進(jìn)水水質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。2020年1月—4月出水水質(zhì)如表5所示。

表5 工程運(yùn)行后出水水質(zhì)Tab.5 Effluent Water Quality after Project Operation

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

本工程投資概算為12 639萬元。其中：建安工程費(fèi)用為5 595萬元，設(shè)備購置費(fèi)為4 472萬元。污水單位處理成本為0.85元/(m3污水)，單位處理可變成0.51元/(m3污水)。

6 結(jié)論

(1)本文研究了南方某氧化溝工藝污水處理廠的提標(biāo)改造和擴(kuò)建設(shè)計(jì)方案，對一期工程5萬m3/d氧化溝運(yùn)行存在的問題逐一梳理并采用了針對性的改造設(shè)計(jì)；新增二期工程5萬m3/d污水生物處理規(guī)模，采用改良后的DE氧化溝工藝，便于一二期工程的統(tǒng)一管理和有序銜接；同時(shí)，在二沉池增加輔助化學(xué)除磷設(shè)施同步沉淀，保證出水TP≤0.5 mg/L。

(2)本工程出水執(zhí)行GB 18918—2002一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，對照一期工程現(xiàn)狀進(jìn)出水水質(zhì)運(yùn)行狀況分析，全廠新增10萬m3/d的深度處理規(guī)模，采用回轉(zhuǎn)式過濾器加強(qiáng)去除二沉池出水SS；采用紫外線消毒聯(lián)合加氯消毒工藝，保證消毒指標(biāo)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

(3)本工程對原有構(gòu)筑物進(jìn)行了最大程度的利用保留，大大節(jié)約了土地和工程投資，為相似污水處理廠的改擴(kuò)建設(shè)計(jì)提供了借鑒，經(jīng)提標(biāo)改造和擴(kuò)建工程后，污水處理廠總處理規(guī)模為10萬m3/d，改造后運(yùn)行效果良好，改善了河道水生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益協(xié)調(diào)統(tǒng)一。