沙 超，張瀚中

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

深圳市某污水處理廠一期、二期工程先后于2004 年和2012 年建成運行。一期建設(shè)規(guī)模6 萬m3/d，二期建設(shè)規(guī)模20 萬m3/d。近些年，一期、二期工程長期處于滿負(fù)荷運行狀態(tài)，且有污水溢流的問題。根據(jù)污水量預(yù)測，污水處理廠需擴容至40 萬m3/d。由于廠外預(yù)留擴建用地存在征地困難問題，因此考慮廠內(nèi)實現(xiàn)14 萬m3/d 的擴容改造工程，一期工程拆除現(xiàn)有6 萬m3/d 的污水、污泥處理設(shè)施，建設(shè)一套16 萬m3/d 的污水處理設(shè)施；二期工程由20 萬m3/d擴容改造至24 萬m3/d。項目提標(biāo)擴容施工期間，污水調(diào)配至下游的調(diào)蓄池和一級處理設(shè)施應(yīng)急處理，同時加快項目推進(jìn)速度，盡早投入運行，充分發(fā)揮項目工程效益。提標(biāo)擴容工程出水主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中的Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)（整體為準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)）。本文重點討論一期提標(biāo)擴容工程的設(shè)計方案。

1 污水廠現(xiàn)狀和提標(biāo)擴容要求

1.1 現(xiàn)狀概況

如圖1 所示，污水處理廠總占地面積約15.41 hm2，規(guī)劃處理總規(guī)模為40 萬m3/d。已建成一期工程6 萬m3/d 處理規(guī)模，占地面積約5.47 hm2。其中，生產(chǎn)區(qū)面積約4.2 hm2，主要構(gòu)（建）筑物包括進(jìn)水泵房、沉砂池、計量槽、CAST 反應(yīng)池、鼓風(fēng)機房、接觸池、加氯間、除磷加藥間、貯泥池、脫水機房，出水排放標(biāo)準(zhǔn)按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中的一級B 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。現(xiàn)狀二期工程設(shè)計規(guī)模20 萬m3/d，主要構(gòu)（建）筑物包括粗格柵及進(jìn)水泵房、細(xì)格柵及曝氣沉砂池、多模式AO 生反池、福流式二沉池、紫外線消毒渠、污泥離心脫水機房等。二期提標(biāo)擴容工程根據(jù)現(xiàn)狀設(shè)施復(fù)核，二級處理系統(tǒng)按照24 萬m3/d運行，深度處理新增反硝化生物濾池+ 磁混凝沉淀池組合工藝。此外，現(xiàn)狀廠區(qū)內(nèi)另單獨建成一套獨立于一期和二期工程的處理規(guī)模500 t/d（含水率80%計）的污泥板框脫水設(shè)施，用于廠內(nèi)及其他污水廠污泥的深度脫水。

圖1 污水處理廠用地情況

1.2 一期提標(biāo)擴容要求

本次提標(biāo)擴容需將一期提標(biāo)擴容建設(shè)規(guī)模16 萬m3/d，與二期提標(biāo)擴容建成后總處理規(guī)模40 萬m3/d。出水指標(biāo)CODCr、BOD5、NH3-N、TP 執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中的Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，糞大腸菌群數(shù)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中的一級A 標(biāo)準(zhǔn)，TN按不大于10 mg/L，SS 按不大于8 mg/L 執(zhí)行。一期提標(biāo)擴容系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余污泥利用廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀的二期離心脫水設(shè)施和單獨的板框脫水設(shè)施，污泥板框脫水后外運處置。根據(jù)對工程規(guī)模、工程目標(biāo)、污水處理廠用地情況分析、工程方案選擇原則，以及現(xiàn)狀處理工藝的評估，在方案設(shè)計中除提標(biāo)擴容要求，還需特別關(guān)注以下幾點[1]：

（1）充分考慮目前用地情況，盡量采用有節(jié)地特點的工藝或建設(shè)形式，以滿足擴容需求。

（2）考慮周邊居民區(qū)、綠地、河道等環(huán)境特點，工程建設(shè)充分考慮景觀布局，打造優(yōu)美的廠區(qū)環(huán)境。

2 提標(biāo)擴容重點、難點和應(yīng)對措施

2.1 重點、難點分析

（1）全廠提標(biāo)及擴建用地緊張

現(xiàn)狀一期工程生產(chǎn)設(shè)施用地約4.2 hm2，本次提標(biāo)需要建設(shè)一套16 萬m3/d 的污水處理設(shè)施，用地指標(biāo)為0.26 hm2/（萬m3/d）。提標(biāo)擴容完成后，項目總規(guī)模40 萬m3/d，用地指標(biāo)為0.38 hm2/（萬m3/d）。根據(jù)《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》（GB 50318—2017），規(guī)劃用地指標(biāo)一般為0.92 hm2/（萬m3/d）。因此，本項目用地非常緊張，一期提標(biāo)擴容必須采用特別節(jié)地的工藝組合。

（2）出水標(biāo)準(zhǔn)高

本次工程出水水質(zhì)主要水質(zhì)指標(biāo)要求達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中的準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，同時要求出水水質(zhì)長期穩(wěn)定、可靠。因此，選擇合理最佳的、有針對性的生物處理工藝和深度處理工藝是工程設(shè)計的關(guān)鍵點。

（3）建設(shè)型式要求高

項目周邊有居民區(qū)、市政道路、河道和高爾夫球場，周邊環(huán)境敏感。按照市政府提出的“去工業(yè)化”“花園型”廠站的理念，要求建設(shè)滿足“公眾休閑”“科普教育”“工業(yè)旅游”等要素的現(xiàn)代化污水處理廠，水廠定位較高，難度較大。

2.2 設(shè)計方案的應(yīng)對策略

（1）工藝選擇

針對本工程工程用地特別緊張、出水水質(zhì)要求高、環(huán)境要求高等特點，此次設(shè)計方案優(yōu)選出“預(yù)處理+ 多段AO 生物反應(yīng)池+ 雙層二沉池+ 深度處理工藝”和“預(yù)處理+A2/O+MBR 膜處理工藝”兩組工藝路線進(jìn)行綜合比較?？紤]到多段AO 管理、運行成本等均優(yōu)于MBR 工藝，確定采用多段AO 工藝作為本次的主體工藝。

一期提標(biāo)擴容工程各處理環(huán)節(jié)采用的主要工藝方案如下：

a.預(yù)處理：粗格柵及進(jìn)水泵房、細(xì)格柵及曝氣沉砂池。

b.二級處理：多段AO 生物反應(yīng)池＋雙層二沉池工藝。

c.深度處理及消毒工藝：磁混凝沉淀池+ 紫外線消毒+輔助加氯消毒工藝技術(shù)。

d.為了節(jié)省用地，方案將生物反應(yīng)池和二沉池合建為一體化構(gòu)筑物。工藝流程如圖2 所示。

圖2 一期提標(biāo)擴容工藝流程圖

（2）建設(shè)型式

為契合當(dāng)前深圳市建設(shè)現(xiàn)代化花園型廠站的需求，考慮深圳市城市用地緊張的現(xiàn)狀，本次提標(biāo)擴容工程考慮在合建的生物反應(yīng)池和二沉池構(gòu)筑物頂部增加上蓋屋面，屋面覆土作為屋頂公園，架設(shè)天橋與廠外連接。項目建成后，屋頂花園對公眾開放，打造市政設(shè)施用地縱向綜合利用的典范。廠區(qū)總平面圖布置中考慮完善的參觀通道，景觀設(shè)計中對“科普教育”“工業(yè)旅游”等內(nèi)容精心設(shè)計，體現(xiàn)污水廠的特色。

3 工程方案設(shè)計

3.1 設(shè)計規(guī)模和水質(zhì)

本設(shè)計規(guī)模為16 萬m3/d，總變化系數(shù)KZ=1.3，設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

表1 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì) 單位：mg/L

3.2 主要單體工藝設(shè)計

（1）預(yù)處理

新建粗格柵及進(jìn)水泵房、細(xì)格柵及曝氣沉砂池各1 座，設(shè)計規(guī)模16 萬m3/d。其中，細(xì)格柵采用3 mm 孔徑的網(wǎng)板細(xì)格柵，曝氣沉砂池高峰停留時間8.4 min。

（2）多段AO 生物反應(yīng)池

本工程采用無內(nèi)回流多段AO 工藝，確保CODCr、BOD5、NH3-N、TN 等指標(biāo)達(dá)到本次出水的要求。本工程新建多段AO 生物反應(yīng)池1 座，設(shè)計規(guī)模為16 萬m3/d，分2 池，每池可單獨運行。本項目多段AO 本身對總氮處理效果較好，根據(jù)計算結(jié)果，本次生物反應(yīng)池不設(shè)置內(nèi)回流設(shè)施，主要設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 多段AO 生物反應(yīng)池設(shè)計參數(shù)

（3）雙層二沉池

本工程用地特別緊張，常規(guī)的福流式二沉池、平流沉淀池、周進(jìn)周出矩形二沉池均無法滿足本項目表面水力負(fù)荷的要求。因此，本項目考慮采用雙層矩形二沉池沉淀工藝。本次新建雙層二沉池共10 格，按照有效面積折算，高峰表面負(fù)荷為1.4 m3/（m2·h），在規(guī)范允許的負(fù)荷范圍內(nèi)。

（4）磁混凝沉淀池

為進(jìn)一步去除SS 和TP，本項目深度處理采用節(jié)地的磁混凝沉淀工藝。磁混凝澄清池集合多種沉淀技術(shù)特點，沉淀效率高，出水水質(zhì)穩(wěn)定、優(yōu)異，占地面積小，抗沖擊能力強。磁混凝沉淀池1 座4 組，集合混凝池、磁粉投加池、絮凝池和沉淀池，沉淀區(qū)域峰值表面負(fù)荷為19.1 m3/（m2·h），平均表面負(fù)荷為14.7 m3/（m2·h）。

3.3 豎向綜合開發(fā)和景觀設(shè)計

本項目對生物反應(yīng)池和二沉池一體化構(gòu)筑物1.68 萬m2的操作層實施加蓋，操作層四周敞開，廠區(qū)場坪設(shè)計標(biāo)高35.50 m，頂蓋公園覆土后標(biāo)高46.50 m，廠外現(xiàn)狀人行天橋處對應(yīng)地坪標(biāo)高37.20 m。本次方案考慮直接由廠外架設(shè)約40 m 長人行天橋經(jīng)廠內(nèi)通至頂蓋公園，廠外天橋與現(xiàn)狀跨路人行天橋順接，頂蓋公園建設(shè)市民水處理文化宣傳區(qū)，將本項目打造成定點水文化教育展示基地，向市民展示污水處理過程，提升節(jié)約用水、愛護(hù)生態(tài)環(huán)境的資源保護(hù)意識，使其成為宣傳城市水文化知識的重要載體和窗口。

同時，本工程綠化設(shè)計以改善凈水廠生態(tài)環(huán)境與提高凈水廠對外形象為出發(fā)點，以美化環(huán)境為主要手段，將凈水廠設(shè)計成一個集文化、生態(tài)、景觀、休閑為一體的綠化空間，打造綠樹成陰、鳥語花香、環(huán)境優(yōu)美的園林式廠區(qū)環(huán)境。針對場地狹小、布置緊湊的特點，本項目沿建（構(gòu)）筑物四周狹長空地設(shè)置綠帶，沿主要的參觀通道設(shè)置長條形宣傳柵欄，宣傳污水收集、處理過程，本工程工藝特色等；在建筑的立面和裸露管道設(shè)主題涂鴉，起到協(xié)調(diào)遮擋作用；在粗格柵及進(jìn)水泵房相對面積較大的綠地設(shè)置雨水花園和生態(tài)步道，打造特色海綿科普空間。

3.4 投資和成本

工程投資概算為52 165 萬元。其中，工程費用45 358 萬元，單位處理成本1.49 元/m3，單位經(jīng)營成本1.03 元/m3。

3.5 實際運行效果

本次提標(biāo)擴容改造工程于2019 年主體通水達(dá)標(biāo)運行以來，各項出水指標(biāo)均能穩(wěn)定達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)要求。2019 年11 月至2020 年7 月，污水處理廠實際進(jìn)出水水質(zhì)和污染物去除率見表3。

表3 提標(biāo)擴容后進(jìn)出水水質(zhì)及平均污染物去除率 單位：mg/L

4 設(shè)計探討

本項目在4.2 hm2用地條件下，采用節(jié)地工藝實現(xiàn)16 萬m3/d 規(guī)模的污水處理設(shè)施的設(shè)計和建設(shè)任務(wù)，出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，并在污水廠的豎向綜合開發(fā)方面也有所探索。本項目的建設(shè)案例為類似情況污水廠提標(biāo)擴容工程提供了工程借鑒，設(shè)計和運維中的一些心得體會供同類項目討論。

4.1 工藝選取方面

多段AO 生物反應(yīng)池作為強化脫氮的相對新型工藝，近年來用于大型污水廠的案例越來越多，其處理效果得到充分的驗證，總氮的去除通過二級處理實現(xiàn)是相對經(jīng)濟合理的方案[2]。本項目根據(jù)計算，多段AO 未設(shè)置內(nèi)回流設(shè)施，節(jié)省了一定的土建和設(shè)備投資。同時，外回流采用多點回流，可根據(jù)實際運行需要靈活調(diào)節(jié)每一段的污泥濃度，目前項目整體運行良好，出水總氮達(dá)標(biāo)可靠。二沉池受用地限制，采用了雙層二沉池工藝。該工藝目前在國內(nèi)大型污水廠的應(yīng)用案例不多，實際運行效果尚可，但是耐水力和固體沖擊能力相對一般，下層刮泥設(shè)備的檢修維護(hù)等方面較麻煩。此外，矩形二沉池多格水池配水均勻方面需妥善考慮。如果設(shè)置進(jìn)水自由堰，則增大系統(tǒng)的水頭損失，并引起跌水曝氣，建議設(shè)置進(jìn)水可調(diào)節(jié)淹沒堰，根據(jù)實際情況靈活調(diào)控。

4.2 污水廠土地縱向綜合利用方面

深圳市作為“大灣區(qū)”中心城市、改革開放先行示范區(qū)，建設(shè)用地不足是其面臨的較大挑戰(zhàn)。因此，深圳市市政設(shè)施特別強調(diào)節(jié)地和土地的綜合開發(fā)。本項目在6 萬m3/d 污水廠用地上實現(xiàn)提標(biāo)擴容，已經(jīng)充分地節(jié)省了用地。同時，充分響應(yīng)政府的號召，探索了土地縱向利用的可行性。本方案將生物反應(yīng)池和二沉池的上部空間開發(fā)為屋頂公園綠化，與相關(guān)部門配合，打造公共開放的休閑娛樂空間，可供部分項目參照。此外，目前的豎向綜合開發(fā)形式尚較為單一，基本是考慮作為市政公園等進(jìn)行利用。隨著半地下或全地下污水廠的建設(shè)案例逐漸增多，亟須各地政府整合資源，制定政策、規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)等，實現(xiàn)用地的最大化綜合利用，為城市發(fā)展貢獻(xiàn)寶貴的土地資源。

5 結(jié)語

（1）本工程采用多段AO 工藝、雙層二沉池、磁混凝沉淀池等較先進(jìn)的節(jié)地工藝對污水廠進(jìn)行提標(biāo)擴容，可以保持出水有效且穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

（2）本工程在用地緊張的情況下，結(jié)合節(jié)地工藝和部分一體化建設(shè)形式，在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)了16 萬m3/d 污水處理設(shè)施的建設(shè)內(nèi)容，工程占地僅4.2 hm2，充分發(fā)揮了土地價值。

（3）本工程通過土地縱向綜合利用和景觀設(shè)計優(yōu)化，一改污水廠在城市環(huán)境中孤立存在的特點，將寶貴的土地資源綜合利用、污水廠的環(huán)境品質(zhì)提升與周邊的居住環(huán)境進(jìn)行有效互補。