污水處理廠原位擴容提標設(shè)計實例

陳黎明， 周林凡， 林文輝， 肖學(xué)貴

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司福州分院， 福州 350001）

AAO－MBR 工藝是在傳統(tǒng)AAO 工藝基礎(chǔ)上取消二沉池， 同時增設(shè)MBR 池。 與傳統(tǒng)AAO 工藝相比，AAO－MBR 工藝污泥濃度更高， 普遍達到8 000 ～10000mg／L， 有利于縮短工藝流程， 減少水力停留時間（HRT）， 增強抗水質(zhì)水量沖擊負荷能力［1］。 AAOMBR 工藝在GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A 出水要求下能夠節(jié)約占地［2］， 在現(xiàn)有設(shè)施提標改造應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢， 可滿足原位擴容及提標的要求［3］。

福建省某生活污水處理廠現(xiàn)狀規(guī)模為2×104m3／d， 采用氧化溝工藝， 出水標準為GB 18918—2002中的一級B 標準。 為保護城市水環(huán)境， 污水處理廠進行擴容提標改造工程， 擴容提標后處理規(guī)模從目前的2×104m3／d 提高到4×104m3／d， 出水標準由原一級B 標準提升到一級A 標準。 本文針對本次擴容提標工程的設(shè)計思路、 設(shè)計參數(shù)和改造后的運行效果進行了介紹。

1 污水處理廠現(xiàn)狀

福建省某污水處理廠總用地面積為16 700 m2。污水處理廠一期工程規(guī)模為1.0×104m3／d， 采用卡式氧化溝工藝， 于2007 年5 月正式投產(chǎn)； 二期工程規(guī)模為1.0×104m3／d， 采用改良型卡式氧化溝工藝， 于2011 年7 月正式投產(chǎn)。

現(xiàn)狀污水處理廠主體采用氧化溝＋紫外線消毒工藝， 污水處理廠出水達到一級B 標準， 尾水外排。 廠區(qū)污泥采用帶式壓濾機脫水至80% 以下后運至污泥處理廠統(tǒng)一處置。

現(xiàn)狀污水處理廠主要污水處理構(gòu)筑物有： 粗格柵間及進水泵房、 細格柵間及旋流沉砂池、 卡式氧化溝（一期）、 二沉池（一期）、 改良型卡式氧化溝（二期）、 二沉池（二期）、 紫外線消毒池、 污泥泵房、污泥濃縮池、 儲泥池、 污泥脫水間、 加藥間等。

由于本工程已無預(yù)留用地且無法新征用地， 同時污水處理廠內(nèi)可利用空地較少， 經(jīng)綜合考慮后，采用AAO－MBR 工藝進行擴容提標改造。 從節(jié)省用地和投資等方面出發(fā)， 考慮拆除現(xiàn)狀綜合樓， 原址設(shè)置MBR 膜系統(tǒng)。

2 擴容及提標改造要求

本次工程擴容規(guī)模為2.0×104m3／d， 本工程實施后污水處理廠總規(guī)模為4.0×104m3／d， 出水水質(zhì)執(zhí)行GB 18918—2002 一級A 標準。

污水處理廠進水主要是城區(qū)生活污水， 通過對一期、 二期設(shè)計進水水質(zhì)和實際進水水質(zhì)分析確定改造工程的進水水質(zhì)。 設(shè)計進出水水質(zhì)如表1 所示。

表1 設(shè)計進出水水質(zhì)Tab.1 Design influent and effluent water quality

3 擴容及提標改造工藝設(shè)計

3.1 工藝流程選擇

采用傳統(tǒng)生化提標工藝時， 反應(yīng)池后面的沉淀池不能完全截留活性污泥， 反應(yīng)池內(nèi)活性污泥隨水流失， 不能保證反應(yīng)池內(nèi)的污泥濃度， 因此生化反應(yīng)不完全， 很難滿足高品質(zhì)出水水質(zhì)要求。 MBR工藝把活性污泥法和超濾膜系統(tǒng)相結(jié)合， 該工藝利用中空纖維膜（微／超濾膜）替代了傳統(tǒng)活性污泥法的二沉池， 大大提高了固液分離效率， 并且由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中特效菌（特別是優(yōu)勢菌群）的出現(xiàn)， 提高了生化反應(yīng)速率， 同時，還可以通過降低F／M 值減少剩余污泥量。

相對于傳統(tǒng)的活性污泥法， MBR 工藝用膜分離取代了沉淀池的固液分離， 可去除懸浮顆粒獲得高質(zhì)量的出水水質(zhì)， 與脫氮除磷工藝相結(jié)合， 達到提標的目的， 且節(jié)省了占地［1］。

MBR 工藝對現(xiàn)有污水處理廠的升級改造具有突出的優(yōu)勢， 具體表現(xiàn)為能夠在不新增土地、 不停水的條件下， 對現(xiàn)有污水處理廠進行擴容提標改造， 該工藝在諸多項目上已經(jīng)成功應(yīng)用［4-8］。 2015年， 成都興蓉集團2 個處理規(guī)摸分別為10 × 104m3／d 的市政污水處理廠采用MBR 工藝成功進行了提標改造［9-10］。

3.2 擴容改造后工藝流程

根據(jù)MBR 工藝的技術(shù)特點， 結(jié)合其他類似已建污水處理廠提標改造實踐經(jīng)驗［4-5］， 考慮到本次擴容要求處理能力翻倍， 為保證穩(wěn)定的出水效果，采用一期和二期氧化溝后均增設(shè)MBR 膜系統(tǒng)的方案進行擴容提標。 本次擴容及提標改造后工藝流程如圖1 所示。

圖1 擴容及提標改造后工藝流程Fig.1 Process flow of the project after expansion and upgrading reconstruction

污水進入進水泵房（現(xiàn)狀）經(jīng)污水泵提升至旋流沉砂池， 旋流沉砂池（現(xiàn)狀）出水進入精細膜格柵間（新建）， 通過膜格柵攔截作用去除水中細小漂浮物后， 出水進入改造后的AAO 池及好氧池， 再進入MBR 膜池。 MBR 膜池混合液回流至好氧池， 以確保好氧池內(nèi)活性污泥濃度在5 000～10 000 mg／L 之間。 同時為提高生物脫氮除磷效率， 本工程設(shè)計結(jié)合了AAO和MBR 工藝的優(yōu)勢， 將膜池混合液回流至好氧池， 好氧池混合液回流至AAO 池的缺氧區(qū)，反硝化后的混合液再回流至厭氧區(qū)。 為改善C／N比， 本工程考慮在缺氧區(qū)投加乙酸鈉。 為確保出水TP 達標， 考慮在MBR 膜池進水端適當投加PAC。

MBR 膜池替代了傳統(tǒng)工藝的沉淀池、 污泥泵池。 采用超濾膜系統(tǒng)時， 因活性污泥完全被超濾膜截留， 因此可保證反應(yīng)池內(nèi)活性污泥濃度一般可達5 000～10 000 mg／L， 通過混合液回流使污水中的有機物大量被去除。 MBR 膜池內(nèi)也存在好氧生化反應(yīng)過程， 在膜池吹掃鼓風(fēng)系統(tǒng)的作用下， 污水中硝化菌可以繼續(xù)去除氨氮， 好氧微生物也可繼續(xù)分解水中剩余的有機污染物， 達到去除有機物的目的。 結(jié)合大量實際運行情況， 除磷藥劑對膜影響較小， 且污染是可通過常規(guī)化學(xué)清洗去除的， 不會形成不可逆污染。 為了消除可逆膜污染， 快速恢復(fù)部分膜通量， 需定期對膜進行清洗。

3.3 水頭校核

本設(shè)計方案需要針對現(xiàn)狀一、 二期構(gòu)筑物進行改造， 根據(jù)實測資料， 旋流沉砂池出水水頭為5.95 m， 氧化溝進水水位為5.10 m， 水頭差約0.85 m；根據(jù)廠家提供資料， 精細格柵間內(nèi)部水頭損失在0.40 m 左右， 在旋流沉砂池出水與生化池進水管之間增設(shè)精細格柵間后， 考慮增大前后連接管道管徑， 連接管道水頭損失為0.30 m 左右， 前后堰跌落水頭約0.30 m 左右， 以上合計1.00 m， 大于0.85 m 的預(yù)留水頭， 為此將進水泵房出水井及細格柵旋流沉砂池的水位標高提高0.20 m， 以滿足工藝流程要求。

4 主要構(gòu)筑物及其工藝運行參數(shù)

4.1 粗格柵間、 進水泵房（利舊）

改造前粗格柵間及進水泵房的土建設(shè)計規(guī)模為3.0×104m3／d， 設(shè)備按2.0×104m3／d 規(guī)模安裝。 原有粗格柵2 臺， 單臺柵寬為1.0 m， 柵條間隙為20 mm。 處理規(guī)模增加至4.0×104m3／d 時， 原有的粗格柵過柵流速為0.70 m／s， 符合GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范（2016 年版）》要求。 此次提標擴建， 更換2 臺粗格柵， 單臺柵寬為1.0 m， 柵條間隙為20 mm， 柵條寬度為10 mm。

進水泵房原有5 臺泵（一期2 臺450 m3／h 水泵和1 臺200 m3／h 水泵， 二期2 臺350 m3／h 水泵）。本次拆除原有潛水泵， 更換5 臺潛污泵， 單臺Q ＝530 m3／h， H ＝10 m， N ＝30 kW， 4 用1 備， 其中1 臺變頻。

4.2 細格柵間、 旋流沉砂池（利舊）

改造前細格柵與旋流沉砂池的土建設(shè)計規(guī)模為3.0×104m3／d， 設(shè)備按2.0×104m3／d 規(guī)模安裝。 原有細格柵2 臺， 單臺柵寬為1.0 m， 柵條間隙為10 mm， 可滿足4.0×104m3／d 處理規(guī)模。 原有旋流沉砂池2 座， 單座直徑為3.05 m， 砂斗直徑為1.0 m，池深1.5 m， 停留時間為35 s， 水力表面負荷為160 m3／（m2·h）， 可滿足4.0 萬m3／d 處理規(guī)模要求。

4.3 精細格柵間（新建）

新建1 座精細格柵間， 平面尺寸為11.8 m ×3.8 m。 精細格柵采用轉(zhuǎn)鼓式細格柵， 柵條間隙為1 mm， 共2 臺， N ＝0.55 kW， 渠寬1 200 mm， 柵前水深1.8 m。 配套1 套螺旋壓榨機（功率為3 kW），2 套高壓沖洗泵。

4.4 AAO－MBR 膜處理系統(tǒng)

AAO－MBR 膜處理系統(tǒng)是本工程擴容及提標改造工程的中心構(gòu)筑物， 主要由AAO 池（一、 二期工程氧化溝改造）， 好氧池（一、 二期二沉池改造），膜池和膜設(shè)備間組成， 兼有生物處理和膜過濾的雙重作用。 設(shè)計規(guī)模為4.0×104m3／d， 污水處理構(gòu)筑物按照原一、 二期工程二級生化系統(tǒng)劃分， 以2.0×104m3／d 規(guī)模作為1 組， 原一期工程改造單元稱為1＃ AAO-MBR 膜處理系統(tǒng)， 原二期工程改造單元稱為2＃AAO-MBR 膜處理系統(tǒng)。

4.4.1 AAO 系統(tǒng)

改造前一期氧化溝的總池容為6 486 m3， 平均時總停留時間為15.57 h， 其中厭氧區(qū)1.24 h， 缺氧區(qū)3.09 h， 好氧區(qū)11.24 h； 一期二沉池總池容為2 462 m3， 平均時總停留時間為5.90 h。

改造前二期氧化溝的總池容為7 360 m3， 平均時總停留時間為17.65 h， 其中選擇區(qū)0.60 h， 厭氧區(qū)1.50 h， 缺氧區(qū)3.65 h， 好氧區(qū)11.90 h； 二期二沉池總池容為2 861 m3， 平均時總停留時間為6.86 h。

改造后AAO 參數(shù)如下： 單組設(shè)計規(guī)模為2.0×104m3／d； 設(shè)計最低水溫為12 ～25 ℃； 厭氧區(qū)污泥濃度為5 000 mg／L； 缺氧區(qū)污泥濃度為5 500 mg／L；好氧區(qū)污泥濃度為6 000 mg／L； 膜池污泥濃度為8 000 mg／L； 一級回流比（膜池至好氧池）為300%；二級回流比（好氧區(qū)至缺氧區(qū)）為200%～300%； 三級回流比（缺氧區(qū)至厭氧區(qū)）為200%。 缺氧區(qū)至厭氧區(qū)回流泵設(shè)置在氧化溝內(nèi)， 采用穿墻泵； 好氧池至缺氧區(qū)回流新建混合液回流泵房； 膜池至好氧池回流泵設(shè)置在MBR 膜池內(nèi)。 缺氧區(qū)溶解氧質(zhì)量濃度控制在0.5 mg／L 以下， 好氧區(qū)（池）及膜池溶解氧質(zhì)量濃度控制在2 mg／L 左右。

改造后1＃AAO 總池容為8 948 m3， 平均時總停留時間為10.73 h， 其中厭氧區(qū)1.25 h， 缺氧區(qū)3.50 h， 好氧區(qū)5.98 h。

改造后2＃AAO 總池容為10 221 m3， 平均時總停留時間為12.22 h， 其中厭氧區(qū)1.26 h， 缺氧區(qū)3.40 h， 好氧區(qū)7.56 h。

1＃AAO 需氧量為255 kg［O2］／h（其中好氧池內(nèi)120 kg［O2］／h）， 2＃AAO 需氧量為290 kg［O2］／h（其中好氧池內(nèi)150 kg［O2］／h）； 好氧池供氣由MBR 膜設(shè)備間內(nèi)的風(fēng)機供給， 考慮到1＃、 2＃ 好氧池需氧量及水位存在差別， 采用1＃、 2＃ 好氧池分2 個系統(tǒng)分別供氧的方式進行。

4.4.2 MBR 膜池、 設(shè)備間（與管理用房合建）

膜設(shè)備間主要用來放置MBR 工藝所需要的產(chǎn)水泵、 反洗水泵、 抽真空泵、 回流泵、 膜吹掃風(fēng)機、 加藥設(shè)備、 好氧池供氧鼓風(fēng)機等， 并在膜設(shè)備間上部設(shè)置配電和控制間。

MBR膜池、 設(shè)備間及配電間按照4.0×104m3／d 規(guī)模設(shè)計， 膜池間平面尺寸為29.7 m × 20.4 m，組合結(jié)構(gòu)（膜池分8 格）， 有效容積為1 325 m3， 停留時間為0.8 h； 設(shè)備間平面尺寸為29.7 m × 12.7 m， 框架結(jié)構(gòu)； 設(shè)備間與配電間的建筑面積為539.4 m2。

本工程MBR 膜片設(shè)計采用PVDF 材質(zhì)中空纖維簾式膜， 孔徑小于0.1 μm， 設(shè)72 個膜組件， 每個膜組件設(shè)計膜面積為1 672 m2， 膜通量為16.75 L／（m2·h）。

膜池至好氧池混合液回流泵（變頻調(diào)速） 3 臺，2 用1 備， Q ＝2 500 m3／h， H ＝2.5 m， N ＝55 kW。

4.5 混合液回流泵房（新建）

在現(xiàn)有一、 二期二沉池之間新建1 座規(guī)模為4×104m3／d 的混合液回流泵房， 尺寸為11.20 m×8.8 m×6.0 m， 設(shè)計回流比為200%～300%。 設(shè)置混合液回流泵（變頻調(diào)速）6 臺， Q ＝833 m3／h， H ＝2.0 ～2.5 m， N ＝15 kW； 1＃、 2＃系統(tǒng)各3 臺。

4.6 污泥脫水車間（利舊）

改造前污泥脫水車間土建按3.0×104m3／d 規(guī)模進行建設(shè)， 設(shè)備處理規(guī)模為2×104m3／d， 此次擴容時更換及增加設(shè)備， 以滿足擴容提標后污泥處理要求。 設(shè)計參數(shù)： 剩余污泥干重為6 600 kg／d；需脫水污泥量為220 m3／d， 含水率為97%； 脫水后污泥量含水率≤80%。 污泥脫水PAM 平均投加量為3.0 kg／t［干污泥］。

5 改造后運行效果

本工程2018 年10 月完工， 實際處理水量從2019 年的3.0×104m3／d 增加到2022 年的3.6×104m3／d， 最高日處理量已達到4.0×104m3／d， 滿足設(shè)計負荷。 2022 年污水處理廠實際進出水水質(zhì)如表3所示。 由表3 可知， 實際進水除TP 指標高于設(shè)計值外， 其余進水指標均低于設(shè)計值。 實際出水水質(zhì)遠優(yōu)于GB 18918—2002 一級A 標準。

表3 2022 年污水處理廠實際進出水水質(zhì)Tab.3 Actual influent and effluent water quality of the sewage treatment plant in 2022

6 工程設(shè)計特點與難點

（1） 該污水處理廠已建成超過10 a， 周邊為現(xiàn)狀建成區(qū)， 無法新增用地， 本次擴容提標只能在污水處理廠現(xiàn)有1.67×104m2（約25 畝）用地范圍內(nèi)擴容， 并實施提標改造， 建設(shè)用地緊張。 同時， 該項目建設(shè)周期短， 于2018 年5 ～10 月完成了擴容提標改造。

（2） 為滿足擴容后處理規(guī)模要求， 本次改造將單期氧化溝系統(tǒng)處理規(guī)模調(diào)整至2×104m3／d： 將原有的厭氧區(qū)及部分缺氧區(qū)作為改造后的厭氧區(qū)；原有部分缺氧區(qū)及部分好氧區(qū)作為改造后的缺氧區(qū)； 保留氧化溝部分好氧區(qū)， 并將現(xiàn)狀二沉池改為好氧池。 同時， 對現(xiàn)有的推流器、 攪拌器、 表面曝氣機進行更換； 考慮現(xiàn)狀二沉池為圓形結(jié)構(gòu)， 采用管式曝氣器供氧， 為保證池體內(nèi)污水的流向及溶解氧控制， 增加推流器。

（3） 污水處理廠擔(dān)負著中心城區(qū)繁重的污水處理任務(wù)， 在擴容提標建設(shè)中要求實現(xiàn)不停產(chǎn)、 不降低原有排放標準， 擴容難度系數(shù)高。 具體改造步驟如下： ①新建紫外線消毒池及巴氏計量槽、 精細格柵間， 拆除現(xiàn)狀綜合樓并在原址建設(shè)MBR 膜池、設(shè)備間及管理用房， 在此期間， 原有的污水處理廠兩期工程保持正常運行。 ②將原有一、 二期工程氧化溝的出水接至新建的MBR 膜池（管道駁接過程中短暫停水）， 管道建設(shè)完成后， 運行一、 二期氧化溝及MBR 膜池、 新建的紫外線消毒池及巴氏計量槽等， 污水處理廠的處理規(guī)?？蛇_2×104m3／d，處理后出水水質(zhì)達到GB 18918—2002 一級B 標準及以上。 ③在一、 二期二沉池之間建設(shè)污泥回流泵房， 同時改造一、 二期二沉池為1＃、 2＃ 好氧池。④1＃、 2＃ 好氧池改造完成后， 投入使用（管道駁接過程中短暫停水）， 并按先后順序?qū)?＃、 2＃ 氧化溝進行改造， 改造過程中單獨運行1 座氧化溝及MBR膜池， 處理能力可達2×104m3／d， 出水水質(zhì)達到一級B 標準。 1＃、 2＃ 氧化溝改造完成后， 整個污水處理廠處理工藝為AAO-MBR 工藝， 處理能力達到4.0×104m3／d， 出水水質(zhì)達到GB 18918—2002一級A 標準。

7 經(jīng)濟效益分析

該工程總投資為9 984.41 萬元， 其中工程直接費用為8 103.88 萬元， 工程建設(shè)其他費為944.52 萬元， 基本預(yù)備費為723.87 萬元， 建設(shè)期利息為166.40 萬元， 鋪底流動資金為45.74 萬元。 該工程經(jīng)營成本為0.94 元／m3。

8 結(jié)語

（1） 福建省某污水處理廠原處理規(guī)模為2×104m3／d， 需擴容至4×104m3／d， 并提標至GB 18918—2002 一級A 標準。 由于廠區(qū)現(xiàn)狀用地限制， 經(jīng)綜合考慮后采用AAO-MBR 工藝， 改造工程充分利用現(xiàn)有生化池和二沉池池容， 將二沉池改造為好氧池， 并新建1 座膜設(shè)備車間， 在現(xiàn)有構(gòu)筑物和用地范圍基礎(chǔ)上實現(xiàn)污水處理規(guī)模翻倍和出水水質(zhì)提標， 實際運行出水效果遠優(yōu)于設(shè)計要求。

（2） 本工程改造過程中， 進行分步改造施工，改造過程中， 沒有降低現(xiàn)狀污水處理負荷， 滿足了不停水擴容提標改造要求， 可為類似提標改造工程項目的設(shè)計及運行提供借鑒。