南方某氧化溝工藝污水廠的提標改造和擴建設計

肖 艷

(上海市政工程設計研究總院〈集團〉有限公司，上海 200092)

1 工程背景

南方某污水處理廠主要服務于該城市城西和老城片區中西部等片區，總服務面積約為69 km2。一期工程于2007年8月建成并投入運行，設計規模為5萬m3/d，采用改良式DE氧化溝工藝，尾水排入海河，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準[1]，污泥脫水處理后外運衛生填埋處置。

為進一步改善城市水生態環境，響應國家節能減排的工作要求，提高社會發展所需的生態容量，擴大城市建設生態空間，本文研究該污水處理廠的提標改造和擴建工程設計方案。參照國內外污水處理廠改造經驗和技術要求[2-6]，擬將污水處理廠規模擴建至10萬m3/d，并對原一期工程進行提標改造，全廠出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準。

2 設計參數

2.1 污水量預測

采用分項指標法預測該污水處理廠日處理污水量，分別預測綜合生活用水量、工業用水量和市政及其他未預見水量等，然后相加得到總的用水量，最后綜合折算確定污水量。

按照城市總體規劃，2010年、2015年、2020年、2030年該污水處理廠所服務城市總人口分別為28萬、48萬、55萬、70萬人。結合城市實際供水情況，平均日綜合生活用水定額取值為150～180 L/(人·d)；工業用水占綜合生活用水的比例取值為10%，其他用水量如市政用水量、管網漏失水量、未預見水量等均按一定比例計算；生活污水量排放系數取值為0.85～0.9；污水收集率取值為85%～95%。綜上，污水量預測如表1所示。

表1 污水量預測Tab.1 Prediction of Wastewater Quantity

注：(4+6)為“第4行+第6行”，其他類推

2.2 工程規模

根據污水量預測：該污水處理廠2020年、2030年的污水量分別約為10.14萬、15.82萬m3/d，與片區排水規劃確定的污水處理廠規模一期(2010年前)5萬m3/d、二期(2020年前)10萬m3/d、三期(2030年前)15萬m3/d基本匹配。

目前，該污水處理廠一期已建規模為5萬m3/d，于2007年8月建成并投入運行，2013年平均日實際進水量已達4.85萬m3/d，接近滿負荷運行。為滿足城市發展要求，開展污水處理廠擴建工程項目建設十分緊迫。結合污水量預測和片區排水規模，確定本次二期擴建規模為5萬m3/d，建成后全廠污水處理總規模達到10萬m3/d。

2.3 設計水質

2.3.1 設計進水水質

污水處理廠設計進水水質濃度的大小直接影響污水處理工藝方案及設計參數的選擇。本文對比分析了該污水處理廠原一期工程設計進水水質和最近1年實際進水水質，如表2所示。

由表2可知，該污水處理廠一期工程實際進水水質顯著低于設計進水水質。水質偏淡存在以下4方面原因：(1)城市排水管網建設仍不完善，部分管道與農灌渠貫通，管道內地下水滲入量偏大；(2)老城區雖然實施了雨污主干管分流，但很多工礦企業內部雨污分流不徹底，混接現象仍嚴重；(3)部分工礦企業自備水源供水能力大于市政供水能力，生產廢水排放量大且回用率較低，直排入污水管網將水質沖淡；(4)生活污水大多經過化糞池預處理凈化后進入污水管網。

表2 一期工程設計進水水質和實際進水水質對比Tab.2 Comparison of Design and Actual Influent Water Quality in the First Stage Project

本文又對比分析了城市內其他污水處理廠設計進水水質，如表3所示。

表3 城市內其他污水處理廠設計進水水質Tab.3 Design Influent Water Quality of Other WWTPs in the City

根據《室外排水設計規范》(GB 50013—2006)(2016年版)及1990年以來全國37座污水處理廠的調查資料，結合當地的實際情況，生活污水的BOD5按每人每日25～50 g、SS按每人每日40～65 g、TP按每人每日0.7～1.4 g、TN按每人每日5～11 g計算，則BOD5為74～147 mg/L，SS為117～191 mg/L，TP為2.1～4.1 mg/L，TN為14.7～32.4 mg/L。

綜上，隨著城市污水管網系統的逐步完善和污水處理提質增效行動方案的落實，該污水處理廠一期工程所采用的設計進水水質基本適宜遠期實際水質。因此，本工程設計進水水質高值仍采用一期設計水質，為了適應現狀，低值按照實際進水水質校核。

2.3.2 設計出水水質

按照環保要求，該污水處理廠提標改造和擴建工程實施后，全廠10萬m3/d出水水質執行一級A排放標準。對比現狀實際出水和設計出水標準，如表4所示。

表4 現狀實際出水水質和設計出水水質對比Tab.4 Comparison of Actual Effluent Quality and Design Effluent Quality

注：括號內的數值為水溫≤12 ℃時的指標

由表4可知，該污水處理廠現狀一期工程實際出水除SS偶有超標外，其余基本能夠滿足一級B標準。本工程執行一級A排放標準，需重點強化去除的水質指標為BOD5、SS、TN、TP。考慮到實際進水水質低于設計進水水質，本工程需對原有一期工程進行優化挖潛，同時，對目前一期工程已出現的問題一并整改，保證提標改造后一、二期工程良好銜接。

2.4 一期工程運行狀況評估

2.4.1 一期工程工藝流程

現狀一期工程污水污泥處理工藝流程如圖1所示。

由圖1可知：污水自流至提升泵房前的粗格柵，由提升泵房抽升后至細格柵，再經過渠道流至沉砂池；沉砂后經計量配水到預缺氧池、厭氧池、生物選擇池再到DE氧化溝，然后經二沉池至加氯消毒池排放。

圖1 一期工程污水污泥處理工藝流程Fig.1 Process Flow Chart of Wastewater and Sludge Treatment in the First Stage Project

2.4.2 一期工程運行至今存在的問題

基于一期工程歷年運行水質、水量情況分析，結合現狀處理設施和設備情況，存在問題如下。(1)現狀DE氧化溝存在先天缺陷，污水易短流，硝酸鹽易穿透，未經徹底生物降解便進入沉淀池沉淀出水，水質無法穩定保障。(2)現狀DE氧化溝使用表面曝氣機進行充氧，傳氧效率低，設備故障率高，且配件不易獲得，維修不便；一期污泥直接從污泥回流管引出，沒有單獨的剩余污泥管路，無法對排泥量進行控制。(3)儲泥池容積僅為84 m3，經計算，儲泥池停留時間僅為2.6 h，導致帶式脫水機需長時間開啟，不利于安排廠內工人作業。(4)現狀沉砂池至一期DE氧化溝的管路存在問題，不易均勻分配水量，導致污水處理廠生產協調困難。

2.5 總體設計

2.5.1 設計方案

本工程污水處理總規模為10萬m3/d，包括已建一期5萬m3/d提標改造及二期擴建5萬m3/d。針對本工程的重點、難點和一期工程存在的問題，總體設計思路如下。

(1)污水處理工藝

現狀出水中BOD5、SS、TN、TP等指標距一級A標準仍有一定差距。按一級A標準對一期工程現狀二級污水處理設施能力進行復核并優化改造，提出一期工程改造方案如下：① 增設內回流渠，促進生物脫氮，防止硝酸鹽穿透和短流；②改為底部曝氣，提高氧傳質效率，節約電能，強化系統硝化能力；③ 近期污水水質偏淡，脫氮除磷碳源不足，本工程需設置補充碳源投加設施，確保TN、TP的穩定去除；④ 考慮到進水TP水質波動較大，為確保出水TP穩定達標，在二沉池增加輔助化學除磷設施同步沉淀，保證出水TP≤0.5 mg/L。

本項目二期擴建污水處理工藝選擇需考慮全廠運行的整體性和管理的便捷性。采用優化后的DE氧化溝為主體工藝，與一期工藝一致，結合二期擴建預留用地，增大氧化溝HRT，降低污泥負荷，留有設計余量。

(2)深度處理工藝

結合一期實際運行情況，為避免本工程出水SS 超標，深度處理以物化處理為主，考慮到污水處理廠用地情況，結合處理指標要求，對深度處理工藝常用的4種過濾方式(V型濾池、活性砂濾池、濾布濾池、回轉式過濾器)進行綜合比選?？紤]到回轉式過濾器占地小、施工周期短、運行費用低、維護工作少、自耗水量低等優點，本工程推薦采用回轉式過濾器，以進一步去除二沉池出水中的SS。結合運行單位意見，消毒工藝考慮運行管理的便捷性，擬采用紫外消毒聯合氯消毒工藝。

(3)污泥處理工藝

根據環保要求，本工程污泥處理仍采用機械濃縮脫水工藝，將污泥脫水至含水率≤80%后外運處置。本工程僅新增儲泥池，并擴建脫水處理能力，增加設備。

2.5.2 工藝流程

根據總體設計方案，確定本工程工藝流程如圖2所示。

圖2 本工程污水污泥處理工藝流程Fig.2 Process Flow Chart of Wastewater and Sludge Treatment in the Project

3 工程設計

3.1 粗格柵及進水泵房

粗格柵井為已建構筑物，土建設備按10萬m3/d已在一期工程一次建成，本次利用原有構筑物和設備，不作調整。提升泵房為已建構筑物，土建按10萬m3/d建成，設備按5萬m3/d配置。本次需增加設備以滿足二期擴建需求，新增4臺泵，3用1庫備。Q=900 m3/h，H=15 m，N=58 kW。

3.2 細格柵及旋流沉砂池

細格柵及旋流沉砂池為已建構筑物，組合在一起，土建設備按10萬m3/d在一期工程中一次建成。經復核設備設施處理能力以及本次擴建需求，本工程不作調整。

3.3 改良型DE氧化溝

3.4 回流污泥泵房

本次新建二期工程回流污泥泵房1座，平面尺寸為9.85 m×11.45 m，深為6.2 m，單座服務2座改良式DE氧化溝，回流污泥經潛污泵提升至選擇區，剩余污泥則經管路直接輸送至新建儲泥池。最大回流比R=100%，可33%、66%、100%運行。設置回流污泥泵5臺，4用1備，單泵設計參數：Q=521 m3/h，H=6.00 m，配套電機N=22 kW。

3.5 二沉池

一期已建二沉池2座，本次二期工程新建二沉池2座，平面尺寸φ=42 m，池總深為5.30 m，鋼筋砼結構。采用周邊進水、周邊出水圓形輻流式沉淀池，周邊水深為4.50 m。排泥采用單管吸、刮泥機和電動套筒閥排泥，排泥量由電動套筒排泥閥進行調節。在理論回流比R=100%的情況下，排泥濃度為0.8%。設計平均表面負荷為q=0.75 m3/(m2·h)，安裝單管刮吸泥機2套，周邊線速為1～2 m/min，N=0.75 kW。

3.6 回轉式過濾器及紫外線消毒池

本工程深度處理單元由回轉式過濾器和紫外線消毒池共同組成，2座單體合建，平面尺寸為 24.6 m×12.2 m，鋼筋砼結構。其中，回轉式過濾器設計正常濾速為200 m/h，采用R200微過濾器 5套，單套處理量Q=1 083.3 m3/h，總機功率N=3.7 kW，廠家配套提供控制柜、驅動裝置及反沖洗系統等?？紤]總變化系數KZ=1.3，紫外線消毒池設計流量為13萬m3/d，分2組，每組裝機N=24 kW，各包括15個模塊，每個模塊8根燈管，共安裝紫外線燈管120只。設計紫外劑量>20 mJ/cm2，穿透率為65%。設計消毒指標：總大腸桿菌群數低于1 000個/L。廠家配套紫外線燈管控制系統、穿透率監視系統、自動清洗系統和液壓系統等。紫外線消毒池后設置廠內中水回用泵。

3.7 補充碳源投加間

本次新增補充碳源投加間1座，平面尺寸為16.5 m×6 m，層高為6 m，框架結構。內設碳源投加裝置，投加點設置在改良式DE氧化溝進水口。投加碳源按C/N=4計，乙酸投加量為35 mg/L。原液濃度為99.8%，投加濃度為10%，1 d按配置4次溶液考慮。投加間內設置原液罐1臺，φ×H=3.5 m×2.8 m，玻璃鋼材質；設置原液輸送泵1臺，Q=50 m3/h，H=10 m，N=3 kW，UPVC，選用化工耐腐蝕泵；設置原液投加泵2臺，Q=5 m3/h，H=10 m，N=0.75 kW，UPVC，選用化工耐腐蝕泵。設置溶解罐1臺，φ×H=2.0 m×2.0 m，玻璃鋼材質，并配套攪拌機1臺，N=0.75 kW；設置投加計量泵2臺，Q=1 800 L/h，H=0.35 MPa，N=0.75 kW，配套提供脈沖阻尼器、泄壓閥、背壓閥、Y型過濾器、流量計各2個。

3.8 化學除磷加藥間

化學除磷加藥間為廠內已建構筑物，平面尺寸為20.25 m×17.8 m，層高為4.3 m，框架結構。內設加藥裝置，投加點設置在二沉池進水管前(內回流泵開啟時)，去除污水中超標的磷含量。設計鋁鹽投加量為15～25 mg/L，加藥間內一期設置自動投藥裝置2套，每套制備能力為28 kg/h；二期新增1套，制備能力為50 kg/h，N=2.2 kW。PAC藥液投加泵(單螺桿泵)2臺，1用1備，Q=0.5 m3/h，P=0.3 MPa，N=1.5 kW。

3.9 鼓風機房及變電所

鼓風機房與變電所和機修間合建，平面尺寸為37.33 m×12.20 m，層高為7.00 m，設計最大供風量為250 m3/min，風壓約為7 m(海拔為1 507 m，濕度為80%，溫度為20 ℃)，選用離心鼓風機3臺，2用1備，單臺風量Q=3 375～7 500 Nm3/h，風量調節范圍為45%～100%。鼓風機配套提供空氣過濾器、減震器、消聲器等設備。

3.10 儲泥池

一期工程已建儲泥池1座，因原有儲泥池容積不足，本次新建儲泥池2座，儲泥池A尺寸L×B×H=11.15 m ×7.7 m×4.5 m，儲泥池B尺寸L×B×H=16.15 m×8.2 m×4.5 m?？傇O計停留時間為12 h，潷水后污泥含水率約為99.3%。每座儲泥池設置潛水攪拌器2臺，N=7.5 kW，每2臺附1套可旋轉吊架；套筒式潷水器2套；干式污泥泵2臺，Q=30～40 m3/h，H=20 m，N=7.5 kW，設置于儲泥池頂部。

3.11 污泥脫水機房

一期已建污泥脫水機房平面尺寸為12.00 m×31.5 m，層高為7.4 m，框架結構。一期已建2套帶式濃縮脫水機一體機，帶寬為1.5 m，1用1備，二期增加1套，帶寬為2.5 m，處理能力：Q=50 m3/h，N=7.5 kW，含空壓機、混合器、加藥泵、反沖洗水泵。設計進泥含固率為0.4%～0.8%，出泥含固率為20%。本工程建成后一二期總污泥外運量為60 t/d。

污泥進泥泵一期已有2臺，1用1備，二期新增1臺，設計流量：Q=30～60 m3/h，H=0.30 MPa，N=11 kW。新增絮凝劑制備裝置1套，干粉制備能力為8～10 kg/h，N=3.0 kW。污泥濃縮投藥量為污泥干質的2%～4%，污泥脫水投藥量為污泥干質的3%～5%，調制濃度為0.5%，投加濃度為0.1%。

4 運行效果分析

本工程于2017年3月竣工驗收，投運后進水水質滿足設計要求，出水水質穩定達到一級A標準。2020年1月—4月出水水質如表5所示。

表5 工程運行后出水水質Tab.5 Effluent Water Quality after Project Operation

5 技術經濟分析

本工程投資概算為12 639萬元。其中：建安工程費用為5 595萬元，設備購置費為4 472萬元。污水單位處理成本為0.85元/(m3污水)，單位處理可變成0.51元/(m3污水)。

6 結論

(1)本文研究了南方某氧化溝工藝污水處理廠的提標改造和擴建設計方案，對一期工程5萬m3/d氧化溝運行存在的問題逐一梳理并采用了針對性的改造設計；新增二期工程5萬m3/d污水生物處理規模，采用改良后的DE氧化溝工藝，便于一二期工程的統一管理和有序銜接；同時，在二沉池增加輔助化學除磷設施同步沉淀，保證出水TP≤0.5 mg/L。

(2)本工程出水執行GB 18918—2002一級A排放標準，對照一期工程現狀進出水水質運行狀況分析，全廠新增10萬m3/d的深度處理規模，采用回轉式過濾器加強去除二沉池出水SS；采用紫外線消毒聯合加氯消毒工藝，保證消毒指標的穩定達標。

(3)本工程對原有構筑物進行了最大程度的利用保留，大大節約了土地和工程投資，為相似污水處理廠的改擴建設計提供了借鑒，經提標改造和擴建工程后，污水處理廠總處理規模為10萬m3/d，改造后運行效果良好，改善了河道水生態環境，實現環境效益、社會效益和經濟效益協調統一。