耦合初雨調(diào)蓄處理設(shè)施的半地下污水處理廠設(shè)計(jì)案例

陳志真,林春曉,沈 丹,張宏偉

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,湖北武漢 430010)

隨著城市的不斷發(fā)展和擴(kuò)張,很多自然水體逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘袃?nèi)河。同時(shí),人類活動(dòng)的增多,有機(jī)物、氮、磷等外源污染物超量排放,造成部分河道水體污染越來(lái)越嚴(yán)重,甚至發(fā)黑發(fā)臭[1]。國(guó)內(nèi)近年來(lái)的研究[2-3]表明,除了污水直排帶來(lái)的污染,初期雨水排放和合流污水溢流造成的污染也比較嚴(yán)重。因此,在污水處理廠的設(shè)計(jì)中,需要兼顧初期雨水及合流制污水的處理。本文以心圩江下游污水處理廠為例,介紹在水環(huán)境綜合整治項(xiàng)目中污水處理廠的總體方案、主要設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)特點(diǎn)等,為同類項(xiàng)目提供借鑒。

1 工程概況

心圩江下游污水處理廠位于南寧市高新大道南側(cè)、羅賴溝西側(cè),設(shè)計(jì)規(guī)模為6萬(wàn)m3/d。其納污范圍為13.82 km2,大部分區(qū)域?yàn)橛晡鄯至髋潘w制,合流制區(qū)域僅占1.6%(圖1)。但分流制區(qū)域存在較多的污水直排河道和雨污錯(cuò)混接問(wèn)題,河道面臨初期雨水及合流溢流污染的影響。因此,在污水處理廠設(shè)計(jì)建設(shè)中還兼顧了系統(tǒng)內(nèi)初期雨水的調(diào)蓄和處理設(shè)施。

圖1 項(xiàng)目初雨及污水收集服務(wù)范圍

按照截流6.5 mm初雨量計(jì)算,調(diào)蓄池總?cè)莘e為63 000 m3,利用潛污泵24 h排放至污水處理廠,則初雨收集處理量約為6萬(wàn)m3/d。設(shè)計(jì)3座調(diào)蓄池(編號(hào)X1、X2、X3),有效容積分別為18 000、30 000 m3和15 000 m3,其中X3調(diào)蓄池與污水處理廠合建。為做到污染物削減最大化,設(shè)計(jì)雨季3萬(wàn)m3/d的初雨可進(jìn)入污水系統(tǒng)處理;雨季設(shè)計(jì)流量達(dá)9萬(wàn)m3/d,旱季設(shè)計(jì)流量達(dá)6萬(wàn)m3/d,峰值系數(shù)為1.5;一級(jí)強(qiáng)化處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為3萬(wàn)m3/d。因此,污水處理廠雨季總處理能力可達(dá)12萬(wàn)m3/d。

2 總體方案

2.1 設(shè)計(jì)水質(zhì)

污水處理設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)如表1所示,出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。初期雨水處理設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表2所示。

表1 污水處理設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

表2 初期雨水處理設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

2.2 污水處理廠建設(shè)形式

下游污水處理廠選址在羅賴溝以西,現(xiàn)狀為市政公園,為心圩江景觀帶的重要節(jié)點(diǎn)。污水處理廠建設(shè)需要充分考慮與周邊景觀環(huán)境相融合。由于全地下污水處理廠比半地下型式的基坑更深,投資明顯增多,全地下污水處理廠采光、通風(fēng)條件相對(duì)較差,運(yùn)行電費(fèi)較半地下形式更高[4]。本項(xiàng)目采用半地下的建設(shè)形式,頂部及周邊覆土充分綠化,以盡可能地還原綠地,降低對(duì)周邊環(huán)境的影響,建設(shè)形式如圖2所示[4]。

圖2 半地下式污水處理廠[4]

2.3 工藝流程

為降低初期雨水對(duì)心圩江的污染,結(jié)合污水處理廠建設(shè),在管網(wǎng)末端設(shè)初雨調(diào)蓄池,對(duì)初期雨水進(jìn)行調(diào)蓄、儲(chǔ)存、均質(zhì)后,待雨季峰值過(guò)后,啟泵均勻抽排至污水處理廠進(jìn)行處理,保證污水處理廠運(yùn)行穩(wěn)定。在近期仍存在合流制溢流污染的情況下,利用調(diào)蓄池儲(chǔ)存合流污水,避免對(duì)河道造成嚴(yán)重污染。

污水處理工藝流程:污水→粗格柵+污水泵房→細(xì)格柵+曝氣沉砂池→改良厭氧缺氧好氧(AAO)生化池→矩形周進(jìn)周出二沉池→中間提升泵房→加砂高速沉淀池→轉(zhuǎn)盤濾池(預(yù)留)→紫外線消毒渠→接觸消毒池→巴氏計(jì)量槽→尾水泵房→人工濕地→排放心圩江。

初期雨水處理工藝流程:初期雨水→粗格柵+調(diào)蓄池→初雨泵房→細(xì)格柵+曝氣沉砂池→加砂高速沉淀池→轉(zhuǎn)盤濾池(預(yù)留)→紫外線消毒渠→接觸消毒池→排放心圩江。

污泥處理采用由疊螺濃縮機(jī)+高壓隔膜板框脫水機(jī)組成的污泥濃縮+脫水處理單元。脫水后的泥餅含水率降低至60%以下,然后車載外運(yùn)處置。

工藝流程如圖3所示。

圖3 工藝流程

2.4 總體布局

污水處理車間與初雨調(diào)蓄池為南北向布置,調(diào)蓄池位于北側(cè),靠近來(lái)水管道方向。污水處理車間位于南側(cè),總體尺寸L×B=196.00 m×99.10 m,如圖4所示。車行通道位于車間中間,兩側(cè)布置處理構(gòu)筑物,污泥脫水區(qū)位于西北角,預(yù)處理區(qū)位于東北角,環(huán)境較差區(qū)域集中布置,更利于臭氣的收集和處理。兩組改良AAO生化池和矩形周進(jìn)周出二沉池位于中間通道兩側(cè)。深度處理區(qū)的中間提升泵房、加砂高速沉淀池、加藥間等位于西側(cè)二沉池以南,轉(zhuǎn)盤濾池、紫外線消毒渠、尾水泵房等位于東側(cè)二沉池以南。管理區(qū)則位于車間南端,西側(cè)為辦公區(qū),東側(cè)為配電中心和中控室。

圖4 處理車間及初雨調(diào)蓄池布局

2.5 主要構(gòu)筑物及參數(shù)

(1)初雨調(diào)蓄池

調(diào)蓄池設(shè)在污水處理車間北側(cè),與廠區(qū)進(jìn)水泵房合建,為全地下式構(gòu)筑物。調(diào)蓄池有效容積為15 000 m3,池體L×B=63.50 m×44.40 m,深度為12.80 m。最大排空時(shí)間為12 h。調(diào)蓄池內(nèi)安裝水力沖洗門8套。

(2)粗格柵、進(jìn)水泵房

粗格柵、進(jìn)水泵房與初雨調(diào)蓄池合建,分污水和初雨泵房。污水泵房前安裝2道孔隙20 mm的粗格柵,渠道寬度為1.0 m,集水池有效容積為95 m3,設(shè)潛污泵3臺(tái),2用1備,變頻控制;雨水泵房前安裝2道孔隙為20 mm的粗格柵,渠道寬度為2.5 m,初雨系統(tǒng)設(shè)潛污泵2臺(tái),1用1備,變頻控制。

(3)細(xì)格柵間及曝氣沉砂池

細(xì)格柵采用內(nèi)進(jìn)流式網(wǎng)板格柵除污機(jī),此類型細(xì)格柵過(guò)流量大,截污率高,克服了傳統(tǒng)柵條型細(xì)格柵(包括轉(zhuǎn)鼓細(xì)格柵)毛發(fā)、纖維纏繞的弊端[5]。設(shè)4條格柵渠道,其中初雨系統(tǒng)1條,污水系統(tǒng)3條渠道,2道機(jī)械細(xì)格柵,1道人工格柵(細(xì)格柵檢修時(shí)使用)。細(xì)格柵孔隙為3 mm,渠道寬度為1.9 m,柵前水深為1.6 m;人工格柵柵隙為30 mm,格柵寬度為0.9 m。

曝氣沉砂池為矩形池體,利用水下穿孔曝氣管,使污水保持渦流狀態(tài)。將污水中相對(duì)密度為2.65、粒徑0.2 mm以上的砂粒沉積下來(lái)去除,以保證后續(xù)工藝的正常運(yùn)行。池體分為3格,其中用于污水系統(tǒng)2格,初雨系統(tǒng)1格。單格凈空L×B=19.00 m×4.00 m,有效水深為2.90 m。污水系統(tǒng)停留時(shí)間為6.2 min,水平流速為0.042 m/s;初雨系統(tǒng)停留時(shí)間為4.6 min,水平流速為0.06 m/s。

在曝氣沉砂池雨、污出水渠的中隔墻處設(shè)一道2 m寬下開(kāi)式調(diào)節(jié)堰門,運(yùn)行中可根據(jù)巴氏計(jì)量槽顯示的流量來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入污水系統(tǒng)的初雨水量。

(4)改良AAO生化池

改良AAO生化池由選擇池、厭氧池、缺氧池、好氧區(qū)串聯(lián)組成。設(shè)計(jì)水溫為15 ℃,污泥質(zhì)量濃度為3 200 mg/L,污泥負(fù)荷為0.059 kg BOD5/(kg MLSS·d),總名義停留時(shí)間為15.2 h,其中選擇區(qū)為0.60 h,厭氧區(qū)為1.56 h,缺氧區(qū)為5.1 h,好氧區(qū)為7.9 h。設(shè)計(jì)氣水比為4.6∶1.0,硝化液回流比為200%～300%,污泥回流比為50%～100%。生化池2座,單座L×B=77.5 m×44.5 m,有效水深為6.0 m。

(5)矩形周進(jìn)周出二沉池

該池型表面水力負(fù)荷高、布置緊湊、節(jié)省占地,適合在地下式污水處理廠內(nèi)使用。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)2座,共8格,單座L×B=34.55 m×45.00 m,有效水深為4 m,設(shè)計(jì)表面負(fù)荷為1.33 m3/(m2·h),校核表面負(fù)荷為1.47 m3/(m2·h),在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。

(6)中間提升泵房

采用濕式泵房,采用4臺(tái)潛水軸流泵,3用1備,變頻控制。

(7)加砂高速沉淀池

設(shè)加砂高速沉淀池1座,分3格,其中2格用于污水系統(tǒng),一格用于初期雨水一級(jí)強(qiáng)化處理。污水系統(tǒng):混凝區(qū)停留時(shí)間為2.1～3.2 min,絮凝區(qū)停留時(shí)間為3.6～5.3 min,沉淀區(qū)直徑為8 m,上升流速為32.0～48.8 m/h,污泥循環(huán)率為6.2%～8.7%。雨水系統(tǒng):混凝區(qū)停留時(shí)間為2.7 min,絮凝區(qū)停留時(shí)間為4.5 min,沉淀區(qū)直徑為8 m,上升流速為26.9 m/h,污泥循環(huán)率為5.3%～5.7%。系統(tǒng)投加的微砂粒徑為100～150 μm,平均補(bǔ)充量為2 mg/L。

主要設(shè)備。設(shè)置微砂循環(huán)泵9臺(tái),單臺(tái)流量為60 m3/h,揚(yáng)程為18 m;水力旋流器9臺(tái),單臺(tái)流量為60 m3/h;刮泥機(jī)3臺(tái),單臺(tái)直徑為7.8 m,功率為4 kW。

由于初雨系統(tǒng)為間歇運(yùn)行,在雨季來(lái)臨前,可將池體提前調(diào)試啟動(dòng),以準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)雨季流量。在處理間歇期,可定期開(kāi)啟循環(huán)泵和刮泥機(jī)等設(shè)備,避免微砂板結(jié)。

(8)轉(zhuǎn)盤濾池-紫外線消毒渠-接觸消毒池

為節(jié)約占地,將轉(zhuǎn)盤濾池、紫外線消毒渠、接觸消毒池、巴氏計(jì)量槽、尾水泵房組合布置。

轉(zhuǎn)盤濾池分3格,其中2格用于污水處理,1格用于初雨處理。濾布孔隙為10 μm,盤片直徑為2.6 m。污水系統(tǒng)共48片,過(guò)濾面積為365 m2,設(shè)計(jì)濾速為10.3 m/h;初雨系統(tǒng)共16片,過(guò)濾面積為121.6 m2,濾速為10.3 m/h。土建尺寸L×B×H=16.1 m×10.3 m×3.3 m。

紫外線消毒渠分2條渠道,土建L×B×H=11.6 m×9.0 m×3.15 m。設(shè)計(jì)紫外透光率(UVT)為65%,紫外消毒劑量42 mJ/m2,采用低壓紫外燈管,發(fā)射波長(zhǎng)為254 nm。為保證消毒效果,在紫外線消毒渠后設(shè)接觸消毒池,補(bǔ)投成品次氯酸鈉溶液,接觸時(shí)間為15 min。

(9)鼓風(fēng)機(jī)房

鼓風(fēng)機(jī)房位于生化池頂,采用高效節(jié)能的磁懸浮鼓風(fēng)機(jī),2用1備。單臺(tái)風(fēng)機(jī)能力為130 m3/min,供氣增壓為75 kPa。

(10)加藥間

加藥間內(nèi)設(shè)有混凝劑(10%液體PAC)、絮凝劑(粉末狀陰離子PAM)和乙酸鈉儲(chǔ)罐及投加設(shè)施?？侺×B=26.3 m×12.8 m。

①PAC、PAM投加

PAC投加于加砂高速沉淀池進(jìn)水端,污水系統(tǒng)PAC投藥量為8 mg/L(以Al2O3計(jì)),初雨系統(tǒng)PAC投藥量為10 mg/L(以Al2O3計(jì))。PAM投加于加砂高速沉淀池絮凝區(qū),污水系統(tǒng)最大投加量為0.8 mg/L,初雨系統(tǒng)最大投加量1.0 mg/L。

②碳源投加。采用20%液體乙酸鈉作為外加碳源,應(yīng)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)碳氮比(C/N)失衡的情況,乙酸鈉設(shè)計(jì)投加量為38 mg/L,投加點(diǎn)位于缺氧池的進(jìn)水端。設(shè)隔膜計(jì)量泵4臺(tái),2用2備。

③次氯酸鈉投加。采用10%液體次氯酸鈉作為消毒劑,平均投加量為5.0 mg/L(以有效氯計(jì))。設(shè)隔膜計(jì)量泵2套,1用1備。

(11)污泥脫水車間

設(shè)計(jì)絕干污泥量旱季為8 t/d,雨季為15.8 t/d,采用加藥調(diào)理+疊螺濃縮機(jī)+高壓板框脫水工藝。剩余污泥含水率約為99.2%,濕污泥量旱季為1 005 m3/d,雨季為1 975 m3/d。經(jīng)疊螺機(jī)濃縮后,含水率降低至約97%,濕污泥量旱季為267 t/d,雨季為528 t/d。加藥調(diào)理后,輸送至板框壓濾機(jī)脫水,泥餅含水率降至60%及以下外運(yùn)處置。主要設(shè)備:污泥進(jìn)料泵(轉(zhuǎn)子泵)2臺(tái);污泥濃縮機(jī)2臺(tái);低壓進(jìn)料泵2臺(tái);高壓進(jìn)料泵2臺(tái);板框壓濾機(jī)2臺(tái),單臺(tái)過(guò)濾面積為450 m2。壓濾機(jī)工作一個(gè)批次4 h,旱季一臺(tái)工作,每天4個(gè)批次,雨季2臺(tái)同時(shí)工作,每天4個(gè)批次。

污泥脫水藥劑為PAM和三氯化鐵,投加量分別為4 kg/(t DS)和80 kg/(t DS)。

(12)除臭設(shè)計(jì)

根據(jù)除臭部位和臭氣濃度分為污泥區(qū)、西區(qū)、東區(qū)及調(diào)蓄池4個(gè)子系統(tǒng),設(shè)計(jì)除臭總風(fēng)量為14.5萬(wàn)m3/h,具體如表3所示。采用密封負(fù)壓抽吸方式進(jìn)行臭氣收集,經(jīng)生物除臭裝置凈化后有組織排放,排放口高度大于15 m,廠界大氣污染物排放達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 除臭系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)量

3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)本項(xiàng)目半地下污水處理廠與初雨調(diào)蓄處理設(shè)施耦合設(shè)置,將污水治理與初期雨水和合流制溢流污染控制相結(jié)合,達(dá)到了最大削減入河污染負(fù)荷、保護(hù)心圩江水環(huán)境的目標(biāo)。污水處理車間和調(diào)蓄池頂部覆土綠化,四周放坡后與周邊有效銜接,景觀效果好,與心圩江景觀帶整體環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一。因此,項(xiàng)目具有良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

(2)半地下式污水處理廠布置集約緊湊,節(jié)省占地。污水處理車間及附屬建筑占地面積為1.93 hm2,單位占地為0.32 m2/(m3·d-1);廠區(qū)紅線內(nèi)總用地面積為3.74 hm2,以6萬(wàn)m3/d規(guī)模計(jì),占地指標(biāo)為0.62 m2/(m3·d-1),與城市污水處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)相比,僅為該標(biāo)準(zhǔn)用地指標(biāo)的41.3%。

(3)污水處理采用改良AAO工藝,設(shè)計(jì)多點(diǎn)進(jìn)水,能夠充分利用進(jìn)水中的碳源進(jìn)行反硝化脫氮,使出水TN降至較低水平,同時(shí)節(jié)約了外加碳源量;生化池各段內(nèi)部均為完全混合池型,利用推流器作用使池內(nèi)水流循環(huán),增強(qiáng)了系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力,確保出水水質(zhì)穩(wěn)定。

(4)污水深度處理和初雨處理一級(jí)強(qiáng)化采用加砂高速沉淀池,該池型系統(tǒng)加載了微砂作為介質(zhì),增強(qiáng)了絮凝、沉淀效果,具有耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、出水水質(zhì)好、占地節(jié)省等特點(diǎn),且啟動(dòng)速度快,適合初期雨水系統(tǒng)間歇運(yùn)行工況[6]。本項(xiàng)目轉(zhuǎn)盤濾池設(shè)備并未采購(gòu)安裝,僅預(yù)留了位置,實(shí)際運(yùn)行出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

(5)注重節(jié)能設(shè)計(jì)及節(jié)能型產(chǎn)品的使用。生化池空氣支管設(shè)線性調(diào)節(jié)閥和空氣流量計(jì),可根據(jù)出水溶解氧和氨氮指標(biāo)調(diào)節(jié)曝氣風(fēng)量,以達(dá)到節(jié)能目的;鼓風(fēng)機(jī)選用磁懸浮鼓風(fēng)機(jī),變頻控制,節(jié)約能耗。經(jīng)統(tǒng)計(jì)運(yùn)行電耗為0.33 kW·h/m3,為同類項(xiàng)目較低水平[7-8]。

4 運(yùn)行效果

項(xiàng)目于2021年6月竣工投產(chǎn),目前已接近滿負(fù)荷運(yùn)行。由2022年1月—6月的運(yùn)行數(shù)據(jù)(表4)可知,進(jìn)水水質(zhì)最高值已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)設(shè)計(jì)值,而出水水質(zhì)達(dá)到并優(yōu)于一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。目前,全流域治理后的心圩江水環(huán)境已得到顯著改善,河道水質(zhì)優(yōu)于地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn),部分指標(biāo)達(dá)到Ⅱ、Ⅲ類指標(biāo)。2021年、2022年心圩江污染物氨氮平均質(zhì)量濃度分別為0.38、0.36 mg/L,污染物CODCr平均質(zhì)量濃度分別為16.25、12.92 mg/L[9]。

表4 實(shí)際運(yùn)行進(jìn)出水水質(zhì)

5 總結(jié)

(1)在水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目中,可將污水處理廠與初雨調(diào)蓄池及一級(jí)強(qiáng)化處理設(shè)施耦合設(shè)置,這樣既可節(jié)省占地,又便于統(tǒng)一運(yùn)行管理,集中調(diào)度。在提高流域污水處理水平的同時(shí),可有效應(yīng)對(duì)初期雨水及合流溢流污染問(wèn)題。

(2)與全地下污水處理廠相比,采用半地下建設(shè)形式可節(jié)省投資;同時(shí)污水處理車間頂部及周邊覆土區(qū)域充分綠化,或通過(guò)建筑及景觀設(shè)計(jì)優(yōu)化,可做到與周邊景觀環(huán)境較好地融合統(tǒng)一。

(3)采用“改良AAO生化池→矩形周進(jìn)周出二沉池→加砂高速沉淀池→紫外線/次氯酸鈉聯(lián)合消毒”組合工藝,系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),技術(shù)穩(wěn)定可靠,操作管理便利,運(yùn)行能耗較低,實(shí)際運(yùn)行出水水質(zhì)達(dá)到并優(yōu)于國(guó)標(biāo)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

(4)地下式污水處理廠較傳統(tǒng)地面式污水處理廠能耗高,在污水處理設(shè)計(jì)中更應(yīng)注重低碳節(jié)能設(shè)計(jì),使系統(tǒng)能耗處于較低水平。