天津市某半地下式污水處理廠工程設計案例

楚小龍

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司天津分公司，天津 300300)

天津市某新建污水處理廠(一期)項目擬建規模為2萬m3/d，遠期總設計規模為8萬m3/d，分期采用“2萬m3/d+2萬m3/d+ 4萬m3/d” 3個半地下箱體布置，總占地面積約為90 000 m2。

該工程設計面臨三大難題：近遠期水量變化幅度大，出水水質要求高，用地不規則。針對近遠期水量變化幅度大，該工程采用3個半地下箱體布置，滿足不同階段污水量排放需求；同時，通過工藝方案比選及集約化廠區布置，在規劃用地不規則的前提下實現出水達標。本文主要闡述了污水廠型式及二級處理工藝。

1 進、出水水質及工藝流程

1.1 進、出水水質

根據該工程污水量預測結果，處理污水中大部分是居民及公共設施的生活用水，工業用水占比僅為5.3%。結合國家《污水排入城市下水道水質標準》(GB/T 31962—2015)和天津市地方《污水排放標準》(DB 12/356—2018)，同時考慮污水處理廠服務范圍內的實際情況，確定該工程近期設計進水水質如表1所示。

由表1可知：該工程BOD/COD=0.5，屬于好生化性污水；BOD/TN=3.57，一般認為，BOD/TN>4，即可認為污水有比較充足的碳源供反硝化菌利用，碳源略顯不足。為此該工程設置碳源投加系統，在進水BOD/TN較低時投加碳源，以確保TN的達標排放。BOD/TP=33.33，可采用生物除磷。

表1 工程設計進水水質Tab.1 Design Influent Water Quality

根據天津市《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(DB 12/599—2015)，“城鎮污水處理廠出水排入水環境，當設計規模≥10 000 m3/d時，執行A標準”的要求，該工程污水處理廠尾水排放執行天津市《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(DB 12/599—2015)中A標準。

該工程設計污水處理出水水質如表2所示。

表2 工程設計出水水質Tab.2 Design Effluent Water Quality

注：每年11月1日-次年3月31日執行括號內的排放限值

1.2 工藝流程

該工程生物處理采用改良型Bardenpho活性污泥工藝(圖1)，用于強化生物脫氮除磷，深度處理采用“高效沉淀池+深床濾池”進一步去除COD及SS。污泥處理采用污泥離心濃縮脫水一體機，消毒方案采用“用泥處理采消毒+輔助臭氧脫色”工藝，根據該工程不同構筑物及設備產生臭氣的特點，預處理構(建)筑物及生物反應池擬采用較成熟的生物濾池除臭工藝，污泥脫水機房采用“離子送風+生物濾池除臭”的組合方式。

圖1 污水處理廠工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of WWTP

2 方案設計

2.1 建設型式

隨著我國城市化水平和居民環境要求的提高，能夠與周邊環境協調、封閉性強、無二次污染的地下式(半地下、全地下)污水處理廠正在逐漸為城市污水治理工程建設提供新的思路。

該工程選址邊界西側與居住區域直線距離不足140 m，規劃環評要求“污水處理設施的衛生防護距離不小于200 m”，進一步降低了該工程可利用空間，該工程擬采用半地下式豎向布置型式。

污水處理池上部加雙層蓋，上部種植綠化。生產活動均位于密封的地下(圖2)。

圖2 半地下式雙層加蓋簡圖Fig.2 Sketch of Semi-Underground Double-Deck with Capping

相對于全地下式布局，半地下式布局池體均位于地下，上部空間無任何生產設施，景觀效果較好；設備可由生產區道路進出，安裝方便；生產區設人員出入通道，景觀區與生產區獨立分隔，互不影響；臭氣的密閉性好，對周圍環境無影響；基坑深度較小，箱體突出地面約7～8 m，節約工程投資；同時，消防要求較高，需設置多個防火分區、消防樓梯、疏散口。

2.2 生化處理方案

五段Bardenpho由二級AO脫氮系統組成，進水分兩路分別進入厭氧段(A)和第二個缺氧段(A2)，在工藝最前段設置厭氧除磷段。50%～70%進水首先在厭氧段與外回流污泥充分混合，污泥在厭氧區進行釋磷反應后，進入第一級缺氧段(A1)，利用污水中的碳源對內回流中的硝態氮進行反硝化，然后進入好氧區進行有機物降解、硝化和磷的吸收。另外一部分污水直接進入第二級缺氧區(A2)，與來自前級好氧硝化段的污水混合，為反硝化提供碳源，完成上一級進水產生的硝態氮的反硝化。第二級好氧段(O2)出水部分內回流至第一級缺氧區。

工藝流程如圖3所示。

圖3 五段Bardenpho工藝流程圖Fig.3 Flow Chart of Five-Stage Bardenpho Process

本工藝結合了AAO和多級AO工藝兩者的優點，主要特點如下。

(1)充分利用多級AO工藝順流反硝化的特點，大大減少內回流比例。

(2)優先利用碳源進行脫氮，強化系統脫氮效果。

(3)通過各段進水比例的調節，靈活應對水質變化。

該工程進水以生活污水為主，根據該工程出水水質要求，污水生化處理工藝需著重考慮TN的去除。“五段Bardenpho工藝”模擬自然界生物分解原理，創造適宜微生物生長的環境，分解有機污染物，是世界公認的先進高效工藝。除此以外，“五段Bardenpho工藝”具有節地、節能、高效、耐沖擊等優勢，脫氮除磷程度高，出水穩定可靠。同時，需結合天津地區污水處理的實際情況，并考慮后期的運營管理等因素。

因此，該工程二級處理工藝采用“五段Bardenpho工藝”。

2.3 方案總結

該工程具有以下三大難題。首先，用地不規則。該工程用地位于三角地帶，規劃占地面積約為90 000 m2，實際扣除環評要求的退線區域，污水處理設施占地面積約為57 700 m2。傳統地上廠土地利用率偏低，無法滿足本項目占地需求，因此，考慮集約化程度高的地下廠型式，同時考慮造價問題，選用半地下型式。

其次，該工程近遠期水量變化幅度大。該工程遠期規模為80 000 m3/d，根據地塊整體開發計劃，近期水量為20 000 m3/d，中期水量為40 000 m3/d，近期根據實際需求最小系列5 000 m3/d，單一半地下箱體無法滿足如此大的水量波動。因此，該工程考慮采用3個半地下箱體布置，滿足不同階段不同污水量排放的需求。

第三，出水水質要求高。該工程污水處理廠尾水排放執行天津市《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(DB 12/599—2015)中A標準，其各項指標值均達到地表Ⅳ類質量標準。為滿足出水水質要求，該工程二級處理工藝選用脫氮除磷程度高、出水穩定可靠的五段Bardenpho工藝。

3 主要構筑物設計

該工程土建按照20 000 m3/d實施，其中粗格柵、細格柵、曝氣沉砂池、高效沉淀池按照2個系列(單系列10 000 m3/d)布置，初沉池、生反池、二沉池、深床濾池按照4個系列(單系列5 000 m3/d)布置；設備根據水量情況設置，最小進水規模按照5 000 m3/d考慮，后期通過增加或更換設備達到20 000 m3/d。

3.1 預處理單元

預處理區域作為一個結構分區布置在一起，包括進水井、粗格柵及進水泵房、細格柵及曝氣沉砂池、初沉池。粗格柵井中安裝2臺回轉式格柵除污機，格柵寬度為0.8 m，柵條間隙為20 mm，安裝角度為75°。進水泵房設置2臺潛水離心泵(變頻，一用一備)，單泵流量Q=310 m3/h，揚程H=13 m，功率N=18.5 kW，遠期更換為大泵。細格柵渠道內設置2臺轉鼓式格柵除污機，寬度為1 m，柵條間隙為6 mm。曝氣沉砂池安裝兩套桁車泵吸式吸砂機，近期高峰設計流量停留時間為9.28 min，水量達到10 000 m3/d，高峰停留時間為4.64 min。初沉池設置兩池(四格)，安裝一套非金屬鏈板式刮泥機，表面負荷為3.5 m3/(m2·h)，沉淀時間為0.97 h。

3.2 二級處理單元

生反池共設置兩座，4個系列，單系列處理規模為5 000 m3/s。厭氧、缺氧、好氧、缺氧和好氧段停留時間分別為1.0、5.0、10.8、4.0 h和1.0 h，污泥負荷為0.119 kg BOD5/(kg MLSS)。池內設置有680套盤式微孔曝氣器和8臺潛水攪拌器。設計內回流比為400%，外回流比為100%。

二沉池設置兩座，四個系列，高峰流量時表面負荷為0.99 m3/(m2·h)，設置2套非金屬鏈板式刮泥機，采用套筒閥排泥。設有2臺剩余污泥泵(變頻，1用1備)，單泵流量Q=22 m3/h，揚程H=15 m。

3.3 深度處理單元

該工程深度處理單元為“高效沉淀池+深床濾池”組合，其中，高效沉淀池中快混池(兩組)尺寸為1.8 m×1.57 m，有效水深為7 m，停留時間為1.91 min；絮凝池(兩組)尺寸為7.5 m×3.3 m，有效水深為7 m，停留時間為16.8 min；沉淀池兩座，直徑為8.5 m，沉淀時間為28 min。

深床濾池可進一步截留SS，并通過微絮凝原理具備除TP功能，同時具備生物脫氮功能，混合池尺寸為2.7 m×7.7 m，內設攪拌器2臺。濾池區設置四格，單格凈尺寸為11.91 m×3.68 m，設計濾速為7.07 m。

3.4 污泥處理單元

污泥處理單元由儲泥池及污泥濃縮脫水機房組成。儲泥池一座兩池，共配備2臺潛水攪拌器。脫水機房配備兩套污泥濃縮脫水一體機，一用一備，預留一臺機位，遠期增設一臺。該工程污泥由初沉池、二沉池、高效沉淀池污泥組成，經脫水機處理后泥餅含水率低于80%。脫水機房內還設置了絮凝劑制備輸送等裝置，用于污泥濃縮脫水。

4 工程經濟指標

該工程總投資為28 775.96萬元，其中工程費用為23 366.69萬元。國內半地下式污水處理廠噸水投資約為4 500～5 500元(出水水質為國標一級A)，該工程約為常規半地下式污水廠的兩倍，主要原因如下。

(1)維護費用較高，場地現狀為魚塘，魚塘多為淤泥質土，換填及基坑支護費用高；

(2)該工程分期實施，除半地下箱體分三期實施外，其余均在本次工程范圍，如綜合樓、出水及回用水泵房等，一期投資比例偏大。

5 工藝設計總結

(1)針對該工程近遠期水量變化幅度大的問題，結合區域地塊開發規劃，創造性地提出“2+2+4”的三期建造方案，從而解決了污水廠遠期規模大、近期水量小的難題。

(2)二級處理采用“五段Bardenpho工藝”，通過在進水渠設置閘門，可以根據進水水量、水質的變化以及生反池內環境條件的變化靈活地調整運行模式，穩定脫氮除磷效果；深度處理采用“高效沉淀池+深床濾池”進一步去除COD及SS，同時，深床濾池預留反硝化模塊進一步確保出水各項指標達到天津市《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(DB 12/599—2015)中A標準。