胡新立，司徒菲，張 明，曹經(jīng)綸，史志皓

(1.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北武漢 430010；2.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

根據(jù)住建部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2019年底，全國共有5 476座城鎮(zhèn)污水處理廠[1]。隨著我國對水污染防治問題的重視，污水處理廠排放標準日趨嚴格，城鎮(zhèn)污水處理廠由一級B排放標準提升至一級A標準，北京、江蘇、四川、云南等地先后制定了更加嚴格的排放標準，例如《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 321072—2018)、四川省地方標準《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB 51/2311—2016)等，要求TN的排放量在10 mg/L以下。根據(jù)住建部數(shù)據(jù)，截至2019年底，2 913座城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行一級A標準[1]，占全國城鎮(zhèn)污水處理廠總數(shù)的53.2%。隨著城市的發(fā)展和城市人口的擴張，商業(yè)地塊的增值壓縮了城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的空間，污水處理需求的擴大與城市越來越有限的土地資源間的矛盾越發(fā)突出，有限的地下污水處理廠設(shè)計建造成為行業(yè)關(guān)注的熱點。除了節(jié)地型技術(shù)和工藝，污水處理廠設(shè)計中也重視構(gòu)筑物的合理布置，進行疊合設(shè)計。地下式污水處理廠雖然占地面積小、環(huán)境影響小，但是建造成本較高、工藝較為復(fù)雜。因此，部分城市的污水處理廠仍采用地上式，在建設(shè)中會更加關(guān)注集約化設(shè)計[2-3]。

1 工程概況

蘿崗污水處理系統(tǒng)總服務(wù)面積為92.37 km2，服務(wù)范圍為廣深高速公路以北的南崗河流域，包括廣汕公路以北地區(qū)、蘿崗中心區(qū)、科學(xué)城東部地區(qū)，云埔工業(yè)區(qū)東北部以及開發(fā)區(qū)東區(qū)西北角的雞鳴坑水庫一帶地區(qū)。蘿崗中心區(qū)水質(zhì)凈化廠建設(shè)于廣州市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)南崗河與廣深高速交界東北角，全廠總用地面積為103 900 m2，設(shè)計總規(guī)模為20萬m3/d，分期建設(shè)，首期工程設(shè)計規(guī)模為5萬m3/d(KZ=1.34)，已于2010年6月建成投產(chǎn)，中途沒有進行大的技術(shù)改造，初期經(jīng)調(diào)試達標排放至今運行正常。目前二期在建。

2 工藝方案

2.1 設(shè)計水質(zhì)

該廠尾水受納水體南崗河目標規(guī)劃為《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)的Ⅲ類功能水域，根據(jù)環(huán)評，該廠出水水質(zhì)應(yīng)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18919—2002)的一級A標準和廣東省標準《水污染物排放限值》(DB 44/26—2001)第二時段城鎮(zhèn)二級污水處理廠一級標準，且要求設(shè)計出水CODCr排放要求不高于38 mg/L。該廠主要設(shè)計進、出水水質(zhì)及處理程度如表1所示。

表1 主要設(shè)計進、出水水質(zhì)

2.2 工藝思路

該廠廠區(qū)面積為103 900 m2，按20萬m3/d規(guī)模布置，用地指標為0.52 m2/(m3·d)，遠小于規(guī)劃用地指標[根據(jù)《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB 50318—2017)，城市污水處理廠規(guī)劃用地指標為0.81 m2/(m3·d)]，設(shè)計充分考慮用地緊張的實際特點，選用節(jié)地工藝以實現(xiàn)污水達標排放要求。

由表1可知，該污水廠SS去除率需達到96%以上，SS/BOD=1.25，常規(guī)沉淀工藝難以滿足要求，需要采用過濾深度工藝強化SS的去除效果。TN的去除依賴進水水質(zhì)可生化性和有機物濃度，是污水廠設(shè)計中的重點。該污水處理廠進水B/C=0.5>0.45，可生化性好；BOD/TN=5>4，可滿足脫氮，二級生物處理采用活性污泥法。活性污泥法因處理效果好、出水水質(zhì)穩(wěn)定、運行經(jīng)驗豐富等優(yōu)點，在國內(nèi)污水處理廠中廣泛應(yīng)用。目前比較成熟的活性污泥法包括AAO工藝、氧化溝工藝、CAST工藝等[4-6]。工藝比選情況如表2所示。

表2 工藝比選情況

在過濾深度處理工藝中，目前常用的池型有V型濾池、轉(zhuǎn)盤濾池、活性砂濾池、深床濾池、高效纖維濾池和膜過濾等。高效纖維濾池以慧星式纖維材料作為濾元的重力式濾池，具有占地面積小、投資省、運行成本低、過濾速度快、出水效果好等優(yōu)點，適用于本工程。因此，深度處理采用高效沉淀池+高效纖維濾池節(jié)地工藝，以保障物化指標的有效去除。

2.3 工藝流程

本工程采用CAST生物池工藝+高效沉淀池+高效纖維濾池主體處理工藝。

廣州蘿崗中心區(qū)水質(zhì)凈化廠首期工程工藝流程如圖1所示。

圖1 首期工程工藝流程

2.4 廠區(qū)總體布置

該廠廠區(qū)首期工程布置于廠區(qū)西南側(cè)，設(shè)計中將細格柵、曝氣沉砂池、變配電室及生物除臭裝置布置在場地中部兼顧遠期發(fā)展，鼓風(fēng)機房布置距CAST生物池較近，CAST生物池布置在首期中央地帶，使得工藝流程順暢，并減小中遠期施工對已建成的廠前區(qū)、生產(chǎn)區(qū)的干擾影響，生化處理及污泥區(qū)布置緊湊，生產(chǎn)管線布置較短。廠區(qū)總平面布置如圖2所示。

圖2 蘿崗中心區(qū)水質(zhì)凈化廠廠區(qū)總平面布置圖

3 主體節(jié)地工藝設(shè)計

3.1 二級生物處理系統(tǒng)

CAST生物處理池按5萬m3/d設(shè)計，設(shè)計污泥負荷為0.12 kg BOD5/(kg MLVSS·d)，MLSS為4.0 g/L，污泥齡為20.4 d。CAST池共設(shè)2組，每組分2格池，單格的平面尺寸為64.6 m×29.3 m，單格貯水容積為2 083 m3，4格組合平面尺寸為120.2 m×64.6 m。生物池的設(shè)計停留時間HRT=20 h，其中選擇區(qū)停留時間為0.5 h，厭氧區(qū)停留時間為1.5 h，主反應(yīng)區(qū)停留時間為18.0 h。主反應(yīng)區(qū)內(nèi)采用盤式微孔曝氣器，每池設(shè)2 500個，單個出氣量為3.0～3.5 m3/h，設(shè)計充水比為23%，最大需氧量為AOR=13 829 kg O2/d，SOR=22 264 kg O2/d，設(shè)計供氣總量為15 256 m3/h。

主反應(yīng)區(qū)設(shè)置旋轉(zhuǎn)式潷水器，每格池設(shè)1臺，單臺Q=2 800 m3/h，N=1.5 kW。每格池設(shè)1臺污泥回流泵，Q=540 m3/h，H=10 m，N=30 kW。設(shè)計剩余污泥量為7.8 t DS/d，每格池設(shè)1臺剩余污泥泵，Q=30 m3/h，H=10 m，N=30 kW。

3.2 三級處理及消毒系統(tǒng)

(1)高效沉淀池

設(shè)計規(guī)模為5萬m3/d，按最大時流量計算，共設(shè)1組，每組2格。

高效沉淀池入口處設(shè)計流速為0.01 m/s，清水區(qū)上升流速為14 m/h。快速混凝攪拌反應(yīng)區(qū)的停留時間為2 min，單組池體有效容積為46.5 m3；快速混凝推流反應(yīng)池停留時間為10 min，單組池體有效容積為236.7 m3；沉淀/濃縮區(qū)單組平面尺寸為12.5 m×12.5 m，斜管區(qū)面積為215.5 m2?；炷齽?PAC)最大投加量為20 mg/L，日常投加量為8～20 mg/L，助凝劑(PAM)日常投加量為1 mg/L。

(2)高效纖維濾池

設(shè)計規(guī)模為5萬m3/d，按最大時流量計算，共設(shè)1座，共8格。

設(shè)1座高效纖維濾池，濾池共分為8格，單格平面尺寸為6.04 m×5.28 m，池深為3.7 m；濾池呈雙排對稱布置，中間為管廊，平面總尺寸為24.98 m×22.87 m。反沖洗泵房與高效纖維濾池合建，平面尺寸為8.00 m×22.87 m。具體設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表3 高效纖維濾池設(shè)計參數(shù)

(3)紫外線消毒渠

設(shè)計規(guī)模為5萬m3/d，按最大時流量計算，設(shè)1座。

污水處理廠出水消毒前常用的為液氯消毒和紫外線消毒，紫外線消毒占地面積小，該廠消毒工藝選用節(jié)地的紫外線消毒工藝。

消毒渠設(shè)1條渠道，分2格，其中1格為紫外線消毒渠，1格為超越渠，單格平面尺寸為7.20 m×1.26 m，深為2.37 m；設(shè)計參數(shù)：紫外穿透率≥65%；渠內(nèi)共設(shè)4座紫外模塊，紫外燈管160根，燈管采用低壓高輸出汞齊燈管，總能耗為17.6 kW。

3.3 污泥濃縮脫水機房

為節(jié)約用地，污泥濃縮脫水機房土建按遠期20萬m3/d規(guī)模建設(shè)，設(shè)備按首期5萬m3/d規(guī)模安裝。首期設(shè)計污泥總干固量為9.5 t DS/d，絮凝劑(PAM)投加量為3～4 kg/(t DS)。

目前國內(nèi)常用的有帶式濃縮脫水一體機和離心濃縮脫水一體機，該廠選用占地面積小、操作環(huán)境較好的離心濃縮脫水一體機。

機房內(nèi)包括離心濃縮脫水一體機2臺，1用1備，單臺處理能力為62 m3/h，進泥含水率為99.2%，出泥含水率為80%，脫水后污泥運往增城垃圾填埋場填埋；污泥進料螺桿泵2臺，單臺流量為40～80 m3/h，揚程為0.2～0.4 MPa；每臺進料泵前設(shè)污泥切割機，單臺流量為65 m3/h；藥劑計量泵2臺，1用1備，單臺流量為0.4～1 m3/h，揚程為0.2～0.4 MPa；脫水泥餅水平有軸螺旋輸送機1臺，功率為7.5 kW。

4 工藝運行效果

4.1 設(shè)計進水實際進水水質(zhì)對比

蘿崗中心區(qū)水質(zhì)凈化廠實際運行期間處理水量為5萬m3/d，滿負荷運行，將該廠2018年1月—2020年5月各項進水水質(zhì)指標進行逐月的分析，如圖3所示。將其平均值與設(shè)計進水水質(zhì)指標進行了對比分析，如表3所示。

由圖3和表3可知，進水的各項水質(zhì)污染指標每月均有上下波動，最高值與最低值相差較大。對比可知，除BOD5偏差較大外，其他各項設(shè)計進水水質(zhì)指標偏差均在10%以內(nèi)，與實際進水水質(zhì)數(shù)據(jù)高度吻合，說明設(shè)計進水水質(zhì)預(yù)測較為準確。

圖3 蘿崗中心水質(zhì)凈化廠進水水質(zhì)污染指標分析

表4 設(shè)計進水及實際進水平均水質(zhì)對比

4.2 運行效果及達標分析

自蘿崗中心區(qū)水質(zhì)凈化廠于2010年6月投入使用，出水水質(zhì)穩(wěn)定達標，下面對蘿崗中心區(qū)水質(zhì)凈化廠2018年1月—2020年5月出水CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP等幾項主要水質(zhì)污染指標進行逐月的分析，具體分析如圖4所示。

如圖4所示，蘿崗水質(zhì)凈化廠出水現(xiàn)狀出水水質(zhì)較好，CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP平均濃度分別為13.7、1.7、5.93、0.57、3.89 mg/L及0.14 mg/L，均已達到設(shè)計出水水質(zhì)。整體上看，該廠在滿負荷運行的狀態(tài)下，盡管實際進水水質(zhì)每月波動幅度較大，但出水水質(zhì)始終穩(wěn)定達標，說明本工藝具有較好的抗沖擊負荷能力。

圖4 蘿崗中心水質(zhì)凈化廠運行水質(zhì)污染指標分析

該廠實際進水BOD/TN為3.8，碳氮比較低，對脫氮過程會造成不利影響[4]，但在實際運行過程中工藝對TN的處理效果比較穩(wěn)定，進水TN濃度較高的月份出水TN仍可穩(wěn)定達標。

5 技術(shù)經(jīng)濟指標

廣州蘿崗中心區(qū)水質(zhì)凈化廠首期工程工程費用為13 668.51 萬元，建設(shè)工程其他費用為1 686.18萬元，基本預(yù)備費為1 228.38萬元，工程靜態(tài)投資為16 583.07萬元。單位水量投資為2 733.70元/m3，工程經(jīng)營成本為0.69元/m3，處理總成本為1.13元/m3，單位水量電耗為0.229 kW·h/(m3·d)。工程用地指標為0.52 m2/(m3·d)，低于地上污水廠一般的占地指標0.8～1 m2/(m3·d)[2]。

6 結(jié)論

(1)蘿崗中心區(qū)水質(zhì)凈化廠首期工程采用CAST生物處理池+高效沉淀池+高效纖維濾池處理節(jié)地工藝，工藝抗沖擊負荷能力較強，對各污染物的去除效果良好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實際出水水質(zhì)穩(wěn)定達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18919—2002)的一級A標準和廣東省標準《水污染排放限值》(DB 44/26—2001)第二時段城鎮(zhèn)二級污水處理廠一級標準(CODCr≤38 mg/L)，本工程的建成大大減少了排入南崗河的污染物排放總量，有效改善了蘿崗中心區(qū)城市環(huán)境。

(2)本工程選用占地面積小的CAST生物處理工藝、紫外消毒設(shè)備和濃縮脫水一體機，取消濃縮池，采用脫水機房設(shè)置為2層，部分構(gòu)筑物等措施節(jié)約占地面積。項目占地面積指標為0.52 m2/(m3·d)，低于地上污水廠一般的占地指標0.8～1 m2/(m3·d)，為工程用地面積有限的污水處理廠設(shè)計提供了相當(dāng)?shù)膮⒖己徒梃b價值。