陳志真,林春曉,沈 丹,張宏偉

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北武漢 430010)

隨著城市的不斷發(fā)展和擴張,很多自然水體逐步轉變?yōu)槌鞘袃群?。同時,人類活動的增多,有機物、氮、磷等外源污染物超量排放,造成部分河道水體污染越來越嚴重,甚至發(fā)黑發(fā)臭[1]。國內近年來的研究[2-3]表明,除了污水直排帶來的污染,初期雨水排放和合流污水溢流造成的污染也比較嚴重。因此,在污水處理廠的設計中,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)境綜合整治項目中污水處理廠的總體方案、主要設計參數(shù)、設計特點等,為同類項目提供借鑒。

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、羅賴溝西側,設計規(guī)模為6萬m3/d。其納污范圍為13.82 km2,大部分區(qū)域為雨污分流排水體制,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混接問題,河道面臨初期雨水及合流溢流污染的影響。因此,在污水處理廠設計建設中還兼顧了系統(tǒng)內初期雨水的調蓄和處理設施。

圖1 項目初雨及污水收集服務范圍

按照截流6.5 mm初雨量計算,調蓄池總容積為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m3/d。設計3座調蓄池(編號X1、X2、X3),有效容積分別為18 000、30 000 m3和15 000 m3,其中X3調蓄池與污水處理廠合建。為做到污染物削減最大化,設計雨季3萬m3/d的初雨可進入污水系統(tǒng)處理;雨季設計流量達9萬m3/d,旱季設計流量達6萬m3/d,峰值系數(shù)為1.5;一級強化處理系統(tǒng)設計流量為3萬m3/d。因此,污水處理廠雨季總處理能力可達12萬m3/d。

2 總體方案

2.1 設計水質

污水處理設計進水水質如表1所示,出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。初期雨水處理設計進出水水質如表2所示。

表1 污水處理設計進出水水質

表2 初期雨水處理設計進出水水質

2.2 污水處理廠建設形式

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。污水處理廠建設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、通風條件相對較差,運行電費較半地下形式更高[4]。本項目采用半地下的建設形式,頂部及周邊覆土充分綠化,以盡可能地還原綠地,降低對周邊環(huán)境的影響,建設形式如圖2所示[4]。

圖2 半地下式污水處理廠[4]

2.3 工藝流程

為降低初期雨水對心圩江的污染,結合污水處理廠建設,在管網末端設初雨調蓄池,對初期雨水進行調蓄、儲存、均質后,待雨季峰值過后,啟泵均勻抽排至污水處理廠進行處理,保證污水處理廠運行穩(wěn)定。在近期仍存在合流制溢流污染的情況下,利用調蓄池儲存合流污水,避免對河道造成嚴重污染。

污水處理工藝流程:污水→粗格柵+污水泵房→細格柵+曝氣沉砂池→改良厭氧缺氧好氧(AAO)生化池→矩形周進周出二沉池→中間提升泵房→加砂高速沉淀池→轉盤濾池(預留)→紫外線消毒渠→接觸消毒池→巴氏計量槽→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+調蓄池→初雨泵房→細格柵+曝氣沉砂池→加砂高速沉淀池→轉盤濾池(預留)→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+高壓隔膜板框脫水機組成的污泥濃縮+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蓄池為南北向布置,調蓄池位于北側,靠近來水管道方向。污水處理車間位于南側,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,兩側布置處理構筑物,污泥脫水區(qū)位于西北角,預處理區(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生化池和矩形周進周出二沉池位于中間通道兩側。深度處理區(qū)的中間提升泵房、加砂高速沉淀池、加藥間等位于西側二沉池以南,轉盤濾池、紫外線消毒渠、尾水泵房等位于東側二沉池以南。管理區(qū)則位于車間南端,西側為辦公區(qū),東側為配電中心和中控室。

圖4 處理車間及初雨調蓄池布局

2.5 主要構筑物及參數(shù)

(1)初雨調蓄池

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

(2)粗格柵、進水泵房

粗格柵、進水泵房與初雨調蓄池合建,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,設潛污泵3臺,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)設潛污泵2臺,1用1備,變頻控制。

(3)細格柵間及曝氣沉砂池

細格柵采用內進流式網板格柵除污機,此類型細格柵過流量大,截污率高,克服了傳統(tǒng)柵條型細格柵(包括轉鼓細格柵)毛發(fā)、纖維纏繞的弊端[5]。設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道機械細格柵,1道人工格柵(細格柵檢修時使用)。細格柵孔隙為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)。將污水中相對密度為2.65、粒徑0.2 mm以上的砂粒沉積下來去除,以保證后續(xù)工藝的正常運行。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)停留時間為6.2 min,水平流速為0.042 m/s;初雨系統(tǒng)停留時間為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一道2 m寬下開式調節(jié)堰門,運行中可根據(jù)巴氏計量槽顯示的流量來調節(jié)進入污水系統(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。設計水溫為15 ℃,污泥質量濃度為3 200 mg/L,污泥負荷為0.059 kg BOD5/(kg MLSS·d),總名義停留時間為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。設計氣水比為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)矩形周進周出二沉池

該池型表面水力負荷高、布置緊湊、節(jié)省占地,適合在地下式污水處理廠內使用。本項目設計2座,共8格,單座L×B=34.55 m×45.00 m,有效水深為4 m,設計表面負荷為1.33 m3/(m2·h),校核表面負荷為1.47 m3/(m2·h),在設計標準允許范圍內。

(6)中間提升泵房

采用濕式泵房,采用4臺潛水軸流泵,3用1備,變頻控制。

(7)加砂高速沉淀池

設加砂高速沉淀池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強化處理。污水系統(tǒng):混凝區(qū)停留時間為2.1～3.2 min,絮凝區(qū)停留時間為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)停留時間為2.7 min,絮凝區(qū)停留時間為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,平均補充量為2 mg/L。

主要設備。設置微砂循環(huán)泵9臺,單臺流量為60 m3/h,揚程為18 m;水力旋流器9臺,單臺流量為60 m3/h;刮泥機3臺,單臺直徑為7.8 m,功率為4 kW。

由于初雨系統(tǒng)為間歇運行,在雨季來臨前,可將池體提前調試啟動,以準備應對雨季流量。在處理間歇期,可定期開啟循環(huán)泵和刮泥機等設備,避免微砂板結。

(8)轉盤濾池-紫外線消毒渠-接觸消毒池

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

轉盤濾池分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,過濾面積為365 m2,設計濾速為10.3 m/h;初雨系統(tǒng)共16片,過濾面積為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。設計紫外透光率(UVT)為65%,紫外消毒劑量42 mJ/m2,采用低壓紫外燈管,發(fā)射波長為254 nm。為保證消毒效果,在紫外線消毒渠后設接觸消毒池,補投成品次氯酸鈉溶液,接觸時間為15 min。

(9)鼓風機房

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

(10)加藥間

加藥間內設有混凝劑(10%液體PAC)、絮凝劑(粉末狀陰離子PAM)和乙酸鈉儲罐及投加設施。總L×B=26.3 m×12.8 m。

①PAC、PAM投加

PAC投加于加砂高速沉淀池進水端,污水系統(tǒng)PAC投藥量為8 mg/L(以Al2O3計),初雨系統(tǒng)PAC投藥量為10 mg/L(以Al2O3計)。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,應對進水水質碳氮比(C/N)失衡的情況,乙酸鈉設計投加量為38 mg/L,投加點位于缺氧池的進水端。設隔膜計量泵4臺,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)。設隔膜計量泵2套,1用1備。

(11)污泥脫水車間

設計絕干污泥量旱季為8 t/d,雨季為15.8 t/d,采用加藥調理+疊螺濃縮機+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。經疊螺機濃縮后,含水率降低至約97%,濕污泥量旱季為267 t/d,雨季為528 t/d。加藥調理后,輸送至板框壓濾機脫水,泥餅含水率降至60%及以下外運處置。主要設備:污泥進料泵(轉子泵)2臺;污泥濃縮機2臺;低壓進料泵2臺;高壓進料泵2臺;板框壓濾機2臺,單臺過濾面積為450 m2。壓濾機工作一個批次4 h,旱季一臺工作,每天4個批次,雨季2臺同時工作,每天4個批次。

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)除臭設計

根據(jù)除臭部位和臭氣濃度分為污泥區(qū)、西區(qū)、東區(qū)及調蓄池4個子系統(tǒng),設計除臭總風量為14.5萬m3/h,具體如表3所示。采用密封負壓抽吸方式進行臭氣收集,經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到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)二級標準。

表3 除臭系統(tǒng)設計風量

3 設計特點

(1)本項目半地下污水處理廠與初雨調蓄處理設施耦合設置,將污水治理與初期雨水和合流制溢流污染控制相結合,達到了最大削減入河污染負荷、保護心圩江水環(huán)境的目標。污水處理車間和調蓄池頂部覆土綠化,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)調統(tǒng)一。因此,項目具有良好的環(huán)境效益和社會效益。

(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)紅線內總用地面積為3.74 hm2,以6萬m3/d規(guī)模計,占地指標為0.62 m2/(m3·d-1),與城市污水處理工程項目建設標準相比,僅為該標準用地指標的41.3%。

(3)污水處理采用改良AAO工藝,設計多點進水,能夠充分利用進水中的碳源進行反硝化脫氮,使出水TN降至較低水平,同時節(jié)約了外加碳源量;生化池各段內部均為完全混合池型,利用推流器作用使池內水流循環(huán),增強了系統(tǒng)抗沖擊負荷能力,確保出水水質穩(wěn)定。

(4)污水深度處理和初雨處理一級強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,增強了絮凝、沉淀效果,具有耐沖擊負荷能力強、出水水質好、占地節(jié)省等特點,且啟動速度快,適合初期雨水系統(tǒng)間歇運行工況[6]。本項目轉盤濾池設備并未采購安裝,僅預留了位置,實際運行出水水質穩(wěn)定達到了設計要求。

(5)注重節(jié)能設計及節(jié)能型產品的使用。生化池空氣支管設線性調節(jié)閥和空氣流量計,可根據(jù)出水溶解氧和氨氮指標調節(jié)曝氣風量,以達到節(jié)能目的;鼓風機選用磁懸浮鼓風機,變頻控制,節(jié)約能耗。經統(tǒng)計運行電耗為0.33 kW·h/m3,為同類項目較低水平[7-8]。

4 運行效果

項目于2021年6月竣工投產,目前已接近滿負荷運行。由2022年1月—6月的運行數(shù)據(jù)(表4)可知,進水水質最高值已經達到甚至超過設計值,而出水水質達到并優(yōu)于一級A排放標準。目前,全流域治理后的心圩江水環(huán)境已得到顯著改善,河道水質優(yōu)于地表Ⅳ類水標準,部分指標達到Ⅱ、Ⅲ類指標。2021年、2022年心圩江污染物氨氮平均質量濃度分別為0.38、0.36 mg/L,污染物CODCr平均質量濃度分別為16.25、12.92 mg/L[9]。

表4 實際運行進出水水質

5 總結

(1)在水環(huán)境綜合治理項目中,可將污水處理廠與初雨調蓄池及一級強化處理設施耦合設置,這樣既可節(jié)省占地,又便于統(tǒng)一運行管理,集中調度。在提高流域污水處理水平的同時,可有效應對初期雨水及合流溢流污染問題。

(2)與全地下污水處理廠相比,采用半地下建設形式可節(jié)省投資;同時污水處理車間頂部及周邊覆土區(qū)域充分綠化,或通過建筑及景觀設計優(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)抗沖擊負荷能力強,技術穩(wěn)定可靠,操作管理便利,運行能耗較低,實際運行出水水質達到并優(yōu)于國標一級A排放標準。

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