長沙暮云污水處理及中水回用工程設計案例

張 星，周 琳

（1.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅蘭州 730000）

暮云位于湘江長沙段的上游，而湘江又是長沙市唯一的城市供水水源，隨著暮云片區的發展，污廢水排放量逐年增加，在污水處理廠（簡稱為污水廠）建設前，污水直排湘江，加劇了水體污染及水資源的緊缺。建設污水廠并將尾水作為再生水回用，可提高城市污水利用效率，合理利用水資源，減輕水污染，既是一項節水措施，也是一項治污措施［1］。長沙市暮云污水廠于2012年8月開工建設，2014年7月竣工，2014年9月試運行，2014年10月正式投產，其服務范圍包括暮云鎮分區、天心環保園分區、天心環保暮云協調區分區、大托分區、暮云鎮東部現有規劃尚未覆蓋的地區以及跳馬鄉西部部分地區。工程總規模為28.5×104m3／d，污水廠尾水考慮回用，作為城市綠化、道路澆灑及景觀用水。

1 工程規模

1.1 水量預測

采用人均綜合用水量指標法、建設用地綜合用水量指標法、人均綜合生活用水量指標法［2-3］三種方法預測暮云污水廠納污區規劃期末（2020年）污水量為28.5×104m3／d，現狀污水量為 4.4×104m3／d。

本工程中水回用對象的重點范圍為：城市綠化用水、沖洗道路用水及景觀環境用水。預測規劃期末綠化總需水量為3.78×104m3／d，道路沖洗總需水量為 1.68×104m3／d，景觀環境需水量為 2.16×104m3／d，則中水需水總量為 7.7×104m3／d。測算現狀中水需求量為30 058 m3／d。

1.2 水量平衡

暮云污水廠預留進一步深度處理空間，中水回用將逐步擴展到其他工業雜用水。根據在編的中水規劃，暮云區中水規模將達到4.5×104m3／d，中水規模將達到平衡或不夠的狀態。中水雨季排放的問題將依賴中水系統的建設，過渡階段可通過加大景觀環境用水回用量，提高景觀換水次數加以解決。

1.3 工程設計規模

根據暮云污水處理工程服務范圍內遠期污水量和中水需水量預測，結合現狀污水量、現狀中水需求量、工程建設周期及年限，確定本工程設計規模：一期污水處理及中水回用廠設計規模為4.0×104m3／d；遠期設計規模為 28.5×104m3／d。

1.4 廠址選擇

暮云污水廠規劃選址位于納污區下游非洪水淹沒區的暮云鎮三興村，廠址具有如下特點：①廠址南側有規劃城市道路，西側鄰近湘江，北側鄰近三興港排水管道；湘江邊和三興港排水管道邊建有防洪堤，廠址不受洪水威脅；②廠址靠近暮云工業園、天心環保工業園等工業園區，處理尾水便于回用，有利于污水資源化；③廠址處現狀為農田，不存在拆遷問題。廠區自然地形標高為33.50～35.60 m，廠外道路標高為33.99～34.21 m，污水廠設計地面標高平均為34.00 m。

2 進出水水質

2.1 污水廠進水水質

根據長沙市發改委對工程可行性研究報告的批復，本工程污水進廠水質如表1所示。

表1 暮云污水處理廠設計進水水質Tab.1 Influent Water Quality for Muyun WWTP

考慮到污水廠生物處理系統運行的穩定性與安全性，根據長沙市環保部門要求，工業廢水必須達到國家頒布的《污水排入城市下水道水質標準》（GJ 3082—1999）后，方可排入城市污水管網并進入污水廠。

2.2 污水廠出水水質

城市綠化、道路清掃及景觀用水等水質標準分別按《城市污水再生利用 城市雜用水水質》（GB／T 18920—2002）及《城市污水再生利用 景觀環境用水水質》（GB／T 18921—2002）執行［4-6］。同時根據《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002），城鎮污水處理廠出水若作為回用水，基本要求是必須達到一級A標準。設計出水水質取上述各項的最高標準，如表2所示。

表2 暮云污水廠設計出水水質Tab.2 Effluent Water Quality for Muyun WWTP

3 工藝流程

暮云污水廠的工藝流程如圖1所示。

污水：污水處理采用AAO生物脫氮除磷工藝，生物池采用鼓風曝氣氧化溝，深度處理采用混凝沉淀、過濾工藝，污水消毒采用液氯消毒。

污泥：剩余污泥經機械濃縮脫水后，外運進行集中處理或綜合利用。

臭氣：采用生物模塊濾床除臭工藝，如圖2所示。臭氣主要來源為粗、細格柵／脫水機房及污泥均質池。總除臭風量為8 100 m3／h。

4 總體布置

污水廠區總平按照28.5×104m3／d進行布置，一期工程位于廠區西南側。根據污水廠進、出水方向，主體水處理構筑物布置沿流程排列［7］，處理后出水進入城市中水回用管道系統總體布置如圖3所示。

圖1 暮云污水廠工藝流程圖Fig.1 Layout of Wastewater Treatment Processes for Muyun WWTP

圖2 生物除臭工藝流程圖Fig.2 Layout of Biological Deodorization Processes for Muyun WWTP

圖3 暮云污水廠遠期總平面圖Fig.3 General Layout Planning of Muyun WWTP

污水廠占地：一期為6.667×104m2；遠期為1.880 7×105m2。一期主要構（建）筑物如表3所示。

表3 一期主要構（建）筑物一覽表Tab.3 Main Structures＆ Buildings List of the First Scheme

續 表

5 一期主要處理構筑物及設計參數

5.1 一、二級處理部分

5.1.1 粗格柵間及進水提升泵房

進廠總管DN 2200，通過控制井（2.0 m×2.8 m×7.94 m）后流入粗格柵間，控制井預留遠期工藝水管DN 2200，近期設計工藝水管DN 800，粗格柵間和進水提升泵房合建。粗格柵間設計流量為2 350 m3／h，選用回轉式格柵除污機3臺，2用1備，單臺功率為1.5 kW，共用螺旋柵渣輸送機1臺，功率為2.2 kW。粗格柵設備寬度為0.8 m，柵條間隙為20 mm，柵前水深為1.48 m，安裝傾角為75°，柵槽溝寬為0.9 m，通過格柵的水頭損失為 0.2 m，柵后槽總高為7.8 m，柵槽總長度為 10.11 m，每日柵渣量為2.0 m3／d。

進水提升泵房集水池有效容積為115 m3，調節水量為1臺潛污泵9 min流量，根據泵房內液位控制水泵開停臺數。潛水排污泵共設4臺（3用1備），1臺變頻控制，單臺泵流量為785 m3／h，揚程為14～16 m，選用泵型號300 QW800-15-55，重量為 1 350 kg，功率為55 kW。

5.1.2 細格柵間及旋流沉砂池

細格柵間與旋流沉砂池合建。細格柵間設計流量為2 350 m3／h，進水井共分4格，長度為1.0 m，設置過水堰，單格堰寬為1.3 m。細格柵處理部分共設3組，2用1備，單組處理量為1 175 m3／h，柵槽有效寬度為0.88 m，渠道寬度為1.08 m，渠道水深為0.9 m，流速為0.42 m／s，進水渠道漸寬部分長度為0.78 m，柵條間隙為3 mm，過柵流速為0.85 m／s，過柵水頭損失為0.3 m，柵后槽總高為1.75 m，格柵總長度為6.78 m，每日柵渣量為2.0 m3／d。選用循環式齒耙清污機3臺（2用1備），單臺過柵流量為0.33 m3／s，安裝角度為 65°，單臺功率為 0.75 kW，無軸螺旋輸送機一臺，排渣能力為3 m3／h，功率為1.1 kW。

旋流式沉砂池共2座，每座直徑為3.65 m，池深為4.56 m，進水渠道流速為0.65 m／s，水力表面負荷為 112.35 m3／（m2·h），水力停留時間為 43 s。每座配套旋流除砂器1臺，葉輪直徑為1.2 m，功率為1.5 kW，砂水分離器1臺，處理能力為47 m3／h，功率為0.37 kW。旋流沉砂池配套鼓風機兩臺，流量 為 4.07 m3／min，風 壓 為 44.1 kPa，功 率 為5.0 kW。

5.1.3 生化池

生化池由厭氧選擇池和AAO曝氣循環氧化池組成，其平面尺寸為94.5 m×36.9 m×7.0 m，有效水深為6.0 m。

（1）厭氧選擇池

共2座，單池平面尺寸為 36.9 m×8.0 m×7.0 m，有效水深為6.0 m，每組配有2臺攪拌器，單臺規格φ400（葉輪直徑），功率為4 kW，轉軸距池底600 mm。厭氧選擇池的水力停留時間：最大日最大時水量為1.5 h，平均日平均時水量為2.12 h。

（2）AAO曝氣循環生物池

曝氣循環生物池共2座，單座尺寸為86.2 m×36.9 m×7.0 m，有效水深為6.0 m，單座處理水量為1 175 m3／h。水力停留時間為20.6 h，總污泥齡為18 d，混合液懸浮物濃度為3 500 mg／L，活性污泥負荷（Ls）為 0.042 kg BOD5／（kg MLSS·d）。缺氧區溶解氧濃度為 0.5 mg／L，好氧區溶解氧濃度為2 mg／L。污泥回流比為 100%，混合液回流比為200%～400%。單池厭氧區有效容積為1 375 m3，缺氧區有效容積為2 178 m3，好氧區有效容積為12 068.57 m3。剩余污泥量為6 384.43 kg／d，最大需氧量 為 9 643.85 kg O2／d，擴散器上靜水壓為5.8 m，氧轉移效率為20%，好氧池最大供空氣量為163.61 m3／min。每座設潛水推進器10臺，其中缺氧區設置2臺潛水推流器，單臺規格：φ2 500（葉輪直徑），轉軸距池底1 316 mm，電機功率為4.5 kW；好氧區設置8臺潛水推流器，單臺規格：φ2 000（葉輪直徑），轉軸距池底 1 066 mm，電機功率為3.0 kW。混合液回流通道中設置內回流門1臺以控制污泥內回流量，規格：H＝4.25 m，N＝0.4 kW；設置潛水攪拌器1臺，作為污泥回流動力源，規格：φ400（葉輪直徑），轉軸距池底 600 mm，電機功率4.0 kW。出水設置出水調節堰門，調節出水水位，規格：L＝3.0 m，N＝0.55 kW，單池設置2臺。微孔曝氣器2 856個，直徑為215 mm，傳氧效率≥20%。

5.1.4 配水井及污泥提升泵房

配水井功能為向終沉池均勻配水，設計總流量為2 350 m3／h。污泥提升泵房為半地下式，設計最大回流比為100%，污泥回流量為1 834 m3／h；剩余污泥體積為941 m3／d，含水率為99.4% 。泵房集水池有效水深為3.62 m，有效容積為230.30 m3，相當于最大一臺泵運行16 min的容積。剩余污泥泵及回流污泥泵均采用潛水排污泵。潛水排污泵配套自動耦合裝置。剩余污泥泵流量為72 m3／h、揚程為12 m、功率為5.5 kW，共2臺（1用1備），回流污泥泵流量為855 m3／h、揚程為10 m、功率為45 kW，共3臺（2用1備），設置兩臺變頻控制，功率水泵配有過載過熱泄漏等常規保護，低水位循環水冷功能。

5.1.5 終沉池

終沉池共設2座，輻流式，直徑為38 m，最大單池設計流量為1 175 m3／h，表面水力負荷為1.04 m3／（m2·h），污泥回流量為100%。終沉池設計沉淀時間為2 h，有效水深為3.0 m，超高0.5 m，緩沖層及沉淀池污泥區高度共計1.62 m，池邊水深為4.5 m，沉淀池總高度為5.12 m。終沉池采用周進周出進出水方式，進出水槽寬度為漸變，進水槽寬度為350～1 000 mm，出水槽寬度為1 000～350 mm。采用中心傳動刮吸泥機，底部設有刮泥板和吸泥管，利用靜水壓力將污泥吸入污泥槽，從而排除池外，設計轉速為0.03 r／min，功率N＝0.37 kW。排渣堰門尺寸為500 mm×500 mm，同時配備QL型手動啟閉機。

5.1.6 鼓風機房及變配電室

設計鼓風機房一間。鼓風機共4套，3用1備，考慮4臺同時運行的工況，參數：Q＝65 m3／min，H＝7.0 m水柱，N＝110 kW。曝氣方式為連續曝氣，根據現場情況4臺風機輪流備用。

5.2 深度處理部分

5.2.1 污水深度處理提升泵房

泵房集水池有效水深為3.0 m，有效容積為128.64 m3，相當于最大一臺泵運行6.57 min的容積。潛污排水泵配套自動耦合裝置，設計流量為1 175 m3／h、揚程為8.0 m、功率為45 kW，共3 臺（2用1備），1臺泵變頻控制，水泵配有過載過熱泄漏等常規保護，低水位循環水冷功能。

5.2.2 高效沉淀池

混合池2座，單池尺寸為3.1 m×3.1 m×7.0 m，混合區有效總容積為59.58 m3，水力停留時間為3 min，每座設攪拌機1臺，功率為4.0 kW。混凝劑PAC投加量為20～30 mg／L。絮凝池2座，單池尺寸為5.4 m×5.4 m×7.0 m，混凝區有效總容積為177.88 m3，水力停留時間為9.08 min，每座設攪拌機1臺，功率為11.0 kW。絮凝劑PAM投加量為1.0 mg／L。高效沉淀池2座，直徑為12 m，總水深為6.0 m，總有效斜管面積為 200 m2，徑向流速為13.57 m／h，污泥含水率為 99%。配混合攪拌機2臺，總軸長為7 175 mm，電機功率為2.2 kW；絮凝慢速攪拌機2臺：總軸長為5 300 mm，電機功率為11 kW，攪拌機總排液量為12 997 m3／h；中心傳動濃縮刮泥機2臺：刮泥機直徑為φ12 m，刮板外緣線速度為2.5 m／min，電機功率為0.75 kW，中心驅動；污泥螺桿泵：Q＝50 m3／h，H＝20 m，N＝4.5 kW，減速馬達功率為11 kW，共6臺，其中4臺（污泥回流泵和備用泵）須變頻運行，2臺（污泥排放泵）工頻運行；斜管：斜長為1 m，安裝角度為60°。

5.2.3 轉盤過濾池

設置濾布轉盤及中心管，濾盤直徑3 m，共14組，反沖洗泵 3臺，Q＝50 m3／h，H＝7.0 m，N＝2.2 kW。共分兩組，單組處理能力為1 175 m3／h。

5.2.4 接觸池

接觸池設置1座，有效容積為1 424 m3，正常水深為3.5 m，接觸時間為53 min。

5.2.5 尾水中水回用出水泵房

采用濕式泵房，為鋼筋混凝土矩形集水池，深度為4.7 m。泵房內安裝3臺出水提升潛污泵，Q＝1 175 m3／h，H＝20 m，N＝132 kW，兩用一備。

5.2.6 加藥間

設計PAM投加量為1 mg／L，投加濃度為0.2%，平均投加干粉量40 kg／d；日投加溶液20 m3／d，選型自動泡藥裝置為1.7 kg／h；加藥螺桿泵2臺，一用一備，設計流量為 0.833 m3／h；設計儲存干粉藥劑PAM 30 d，設計堆藥尺寸為2.05 m×1.0 m。設計PAC投加量為30 mg／L，投加濃度為10%，平均投加干粉量 1 200 kg／d；投加溶液 12 m3／d；設計每天配藥次數兩次，溶液池2座，單座溶液池有效容積為3.0 m3，設計尺寸為 1.50 m×1.50 m×1.80 m，設計超高為0.35 m；溶藥罐一個，有效容積為1.6 m3，直徑為1 200 mm，高為1 450 mm；設計選用三臺計量泵，單臺設計計量為0.25 m3／h；兩用一備；設計儲存干粉藥劑PAC 30 d，設計堆藥尺寸為3.0 m×4.5 m；設計加氯量為 10 mg／L，日投加量為 400 kg／d，即16.67 kg／h；設計選型壁掛式加氯機2臺，一用一備，投加能力為 20 kg／h；液氯鋼瓶為 1 000 kg／個；800×2 020；設計氯庫儲存量為 17.5 d；共計氯瓶7個。

5.3 污泥處理部分

（1）均質池及污泥提升泵房

設計均質池體一座，有效容量為600 m3，水力停留時間為13.6 h。曝氣采用間歇曝氣，每隔20 min曝氣40 min。設有DN300放空管，設計無進泥情況下，放空時間約為2 h。配微孔曝氣器一套，微孔曝氣盤規格為φ215，數量180個，單個微孔曝氣盤曝氣量為 2.34 m3／（h·個）。

（2）污泥脫水機房

污泥脫水機房日處理量為1 074 m3／d，污泥含水率為99.4%，設計工作周期為16 h／d。污泥經過離心機脫水后，含水率達到 80%。污泥量為26.9 m3／d，污泥干重為 5 375 kg／d；設計污泥料倉四格，設計容積為17.5 m3；均勻布料；采用0.2%聚丙烯酰胺（陽離子型）對污泥進行調理，設計投加量為3.5 kg／t DS，投加濃度為 0.2%，共計 18.9 kg／d 干粉；0.2%溶液 9.44 m3／d，即 589 L ／h；PAM 加藥計量泵2臺，一用一備，設計計量流量為589 L／h；PAM堆放平臺為1 000 mm×1 000 mm×150 mm。

5.4 除臭

生物除臭裝置采用塔式，下層為布氣空間，中層為填料層，上層為氣體收集空間。臭氣經過生物除臭塔，其中臭氣成分被填料收集，并被生長在填料上的微生物作為營養物分解，最終分解成穩定的無機物如二氧化碳、水、硫酸、硝酸等物質，排出塔體。全廠除臭裝置共設2套，1＃除臭裝置位于粗格柵及提升泵房、細格柵及旋流沉砂池附近，收集該兩處的臭氣，設計除臭風量為3 900 m3／h；2＃除臭裝置位于污泥脫水機房及均質池附近，收集該兩處的臭氣，設計除臭風量為 4 200 m3／h。1＃生物除臭塔尺寸為4.0 m×3.0 m×3.3 m，設計除臭量為 3 900 m3／h；除臭風機1臺，P＝2 000 Pa，N＝4 kW；加藥泵1臺，N＝20 W。2＃生物除臭塔尺寸為4.0 m×3.0 m×3.3 m，設計除臭量為 4 200 m3／h；除臭風機 1臺，P＝2 000 Pa，N＝4 kW；加藥泵1臺，N＝20 W。

6 效益分析

一期工程總投資14 742.69萬元，單位水量處理總成本 1.46元／m3，單位水量經營成本0.98元／m3。建議污水處理收費 1.08元／m3，回用水價0.5元／m3，合計水價1.58元／m3。根據實際收費標準1.58元／m3計算，全年（正常年份）營業收入1.58×1 460＝2 306.8萬元。此收費標準能保證項目投資人通過運營期間獲得的現金流量收回投資并得到合理回報。

7 結論

長沙暮云污水處理廠自正式投產以來，已穩定運行2.5年，出水達到一級A標準并滿足回用要求。項目的建設大幅度地減少了長沙市暮云片區向湘江排入的污染負荷量，對保障湘江長沙段水環境質量以及飲用水的安全起到了至關重要的作用。項目的建設滿足了該地區社會經濟快速、持續發展的要求，對于改善和提高城市生態環境質量，保障人民的生活與健康安全，提升城市綜合實力與形象，為創建“兩型”社會奠定堅實基礎等方面都具有重大意義。

［1］彭澄瑤.城市水資源可持續規劃與水生態環境修復［D］.北京：北京工業大學，2011.

［2］孫慧修，郝以瓊，龍騰銳.排水工程上冊［M］.4版.北京：中國建筑工業出版社，2000：25-31.

［3］孫勇.我國城市人均綜合用水量預測方法研究［D］.上海：同濟大學，2008.

［4］楊清，劉琳，郭淑琴.天津雙林污水處理廠設計與IV類水排放標準改造探討［J］.中國給水排水，2016，32（8）：59-62.

［5］潘文琛，羅芳.鄭州陳三橋污水處理及再生回用工程設計實例［J］.中國水運，2015，15（8）：329-331.

［6］沈連峰，劉文霞，張建新，等.鄭州市五龍口污水處理廠中水回用工程［J］.給水排水，2007，33（5）：50-52.

［7］張自杰，林榮忱，金儒霖.排水工程下冊［M］.4版.北京：中國建筑工業出版社，2000：25-31，421-432.