廣州蘿崗中心區水質凈化廠節地設計案例

胡新立，司徒菲，張 明，曹經綸，史志皓

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010；2.華中科技大學環境科學與工程學院，湖北武漢 430074)

根據住建部統計數據，截至2019年底，全國共有5 476座城鎮污水處理廠[1]。隨著我國對水污染防治問題的重視，污水處理廠排放標準日趨嚴格，城鎮污水處理廠由一級B排放標準提升至一級A標準，北京、江蘇、四川、云南等地先后制定了更加嚴格的排放標準，例如《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值》(DB 321072—2018)、四川省地方標準《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB 51/2311—2016)等，要求TN的排放量在10 mg/L以下。根據住建部數據，截至2019年底，2 913座城鎮污水處理廠執行一級A標準[1]，占全國城鎮污水處理廠總數的53.2%。隨著城市的發展和城市人口的擴張，商業地塊的增值壓縮了城市基礎設施建設的空間，污水處理需求的擴大與城市越來越有限的土地資源間的矛盾越發突出，有限的地下污水處理廠設計建造成為行業關注的熱點。除了節地型技術和工藝，污水處理廠設計中也重視構筑物的合理布置，進行疊合設計。地下式污水處理廠雖然占地面積小、環境影響小，但是建造成本較高、工藝較為復雜。因此，部分城市的污水處理廠仍采用地上式，在建設中會更加關注集約化設計[2-3]。

1 工程概況

蘿崗污水處理系統總服務面積為92.37 km2，服務范圍為廣深高速公路以北的南崗河流域，包括廣汕公路以北地區、蘿崗中心區、科學城東部地區，云埔工業區東北部以及開發區東區西北角的雞鳴坑水庫一帶地區。蘿崗中心區水質凈化廠建設于廣州市經濟技術開發區南崗河與廣深高速交界東北角，全廠總用地面積為103 900 m2，設計總規模為20萬m3/d，分期建設，首期工程設計規模為5萬m3/d(KZ=1.34)，已于2010年6月建成投產，中途沒有進行大的技術改造，初期經調試達標排放至今運行正常。目前二期在建。

2 工藝方案

2.1 設計水質

該廠尾水受納水體南崗河目標規劃為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)的Ⅲ類功能水域，根據環評，該廠出水水質應執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18919—2002)的一級A標準和廣東省標準《水污染物排放限值》(DB 44/26—2001)第二時段城鎮二級污水處理廠一級標準，且要求設計出水CODCr排放要求不高于38 mg/L。該廠主要設計進、出水水質及處理程度如表1所示。

表1 主要設計進、出水水質

2.2 工藝思路

該廠廠區面積為103 900 m2，按20萬m3/d規模布置，用地指標為0.52 m2/(m3·d)，遠小于規劃用地指標[根據《城市排水工程規劃規范》(GB 50318—2017)，城市污水處理廠規劃用地指標為0.81 m2/(m3·d)]，設計充分考慮用地緊張的實際特點，選用節地工藝以實現污水達標排放要求。

由表1可知，該污水廠SS去除率需達到96%以上，SS/BOD=1.25，常規沉淀工藝難以滿足要求，需要采用過濾深度工藝強化SS的去除效果。TN的去除依賴進水水質可生化性和有機物濃度，是污水廠設計中的重點。該污水處理廠進水B/C=0.5>0.45，可生化性好；BOD/TN=5>4，可滿足脫氮，二級生物處理采用活性污泥法。活性污泥法因處理效果好、出水水質穩定、運行經驗豐富等優點，在國內污水處理廠中廣泛應用。目前比較成熟的活性污泥法包括AAO工藝、氧化溝工藝、CAST工藝等[4-6]。工藝比選情況如表2所示。

表2 工藝比選情況

在過濾深度處理工藝中，目前常用的池型有V型濾池、轉盤濾池、活性砂濾池、深床濾池、高效纖維濾池和膜過濾等。高效纖維濾池以慧星式纖維材料作為濾元的重力式濾池，具有占地面積小、投資省、運行成本低、過濾速度快、出水效果好等優點，適用于本工程。因此，深度處理采用高效沉淀池+高效纖維濾池節地工藝，以保障物化指標的有效去除。

2.3 工藝流程

本工程采用CAST生物池工藝+高效沉淀池+高效纖維濾池主體處理工藝。

廣州蘿崗中心區水質凈化廠首期工程工藝流程如圖1所示。

圖1 首期工程工藝流程

2.4 廠區總體布置

該廠廠區首期工程布置于廠區西南側，設計中將細格柵、曝氣沉砂池、變配電室及生物除臭裝置布置在場地中部兼顧遠期發展，鼓風機房布置距CAST生物池較近，CAST生物池布置在首期中央地帶，使得工藝流程順暢，并減小中遠期施工對已建成的廠前區、生產區的干擾影響，生化處理及污泥區布置緊湊，生產管線布置較短。廠區總平面布置如圖2所示。

圖2 蘿崗中心區水質凈化廠廠區總平面布置圖

3 主體節地工藝設計

3.1 二級生物處理系統

CAST生物處理池按5萬m3/d設計，設計污泥負荷為0.12 kg BOD5/(kg MLVSS·d)，MLSS為4.0 g/L，污泥齡為20.4 d。CAST池共設2組，每組分2格池，單格的平面尺寸為64.6 m×29.3 m，單格貯水容積為2 083 m3，4格組合平面尺寸為120.2 m×64.6 m。生物池的設計停留時間HRT=20 h，其中選擇區停留時間為0.5 h，厭氧區停留時間為1.5 h，主反應區停留時間為18.0 h。主反應區內采用盤式微孔曝氣器，每池設2 500個，單個出氣量為3.0～3.5 m3/h，設計充水比為23%，最大需氧量為AOR=13 829 kg O2/d，SOR=22 264 kg O2/d，設計供氣總量為15 256 m3/h。

主反應區設置旋轉式潷水器，每格池設1臺，單臺Q=2 800 m3/h，N=1.5 kW。每格池設1臺污泥回流泵，Q=540 m3/h，H=10 m，N=30 kW。設計剩余污泥量為7.8 t DS/d，每格池設1臺剩余污泥泵，Q=30 m3/h，H=10 m，N=30 kW。

3.2 三級處理及消毒系統

(1)高效沉淀池

設計規模為5萬m3/d，按最大時流量計算，共設1組，每組2格。

高效沉淀池入口處設計流速為0.01 m/s，清水區上升流速為14 m/h。快速混凝攪拌反應區的停留時間為2 min，單組池體有效容積為46.5 m3；快速混凝推流反應池停留時間為10 min，單組池體有效容積為236.7 m3；沉淀/濃縮區單組平面尺寸為12.5 m×12.5 m，斜管區面積為215.5 m2。混凝劑(PAC)最大投加量為20 mg/L，日常投加量為8～20 mg/L，助凝劑(PAM)日常投加量為1 mg/L。

(2)高效纖維濾池

設計規模為5萬m3/d，按最大時流量計算，共設1座，共8格。

設1座高效纖維濾池，濾池共分為8格，單格平面尺寸為6.04 m×5.28 m，池深為3.7 m；濾池呈雙排對稱布置，中間為管廊，平面總尺寸為24.98 m×22.87 m。反沖洗泵房與高效纖維濾池合建，平面尺寸為8.00 m×22.87 m。具體設計參數如表3所示。

表3 高效纖維濾池設計參數

(3)紫外線消毒渠

設計規模為5萬m3/d，按最大時流量計算，設1座。

污水處理廠出水消毒前常用的為液氯消毒和紫外線消毒，紫外線消毒占地面積小，該廠消毒工藝選用節地的紫外線消毒工藝。

消毒渠設1條渠道，分2格，其中1格為紫外線消毒渠，1格為超越渠，單格平面尺寸為7.20 m×1.26 m，深為2.37 m；設計參數：紫外穿透率≥65%；渠內共設4座紫外模塊，紫外燈管160根，燈管采用低壓高輸出汞齊燈管，總能耗為17.6 kW。

3.3 污泥濃縮脫水機房

為節約用地，污泥濃縮脫水機房土建按遠期20萬m3/d規模建設，設備按首期5萬m3/d規模安裝。首期設計污泥總干固量為9.5 t DS/d，絮凝劑(PAM)投加量為3～4 kg/(t DS)。

目前國內常用的有帶式濃縮脫水一體機和離心濃縮脫水一體機，該廠選用占地面積小、操作環境較好的離心濃縮脫水一體機。

機房內包括離心濃縮脫水一體機2臺，1用1備，單臺處理能力為62 m3/h，進泥含水率為99.2%，出泥含水率為80%，脫水后污泥運往增城垃圾填埋場填埋；污泥進料螺桿泵2臺，單臺流量為40～80 m3/h，揚程為0.2～0.4 MPa；每臺進料泵前設污泥切割機，單臺流量為65 m3/h；藥劑計量泵2臺，1用1備，單臺流量為0.4～1 m3/h，揚程為0.2～0.4 MPa；脫水泥餅水平有軸螺旋輸送機1臺，功率為7.5 kW。

4 工藝運行效果

4.1 設計進水實際進水水質對比

蘿崗中心區水質凈化廠實際運行期間處理水量為5萬m3/d，滿負荷運行，將該廠2018年1月—2020年5月各項進水水質指標進行逐月的分析，如圖3所示。將其平均值與設計進水水質指標進行了對比分析，如表3所示。

由圖3和表3可知，進水的各項水質污染指標每月均有上下波動，最高值與最低值相差較大。對比可知，除BOD5偏差較大外，其他各項設計進水水質指標偏差均在10%以內，與實際進水水質數據高度吻合，說明設計進水水質預測較為準確。

圖3 蘿崗中心水質凈化廠進水水質污染指標分析

表4 設計進水及實際進水平均水質對比

4.2 運行效果及達標分析

自蘿崗中心區水質凈化廠于2010年6月投入使用，出水水質穩定達標，下面對蘿崗中心區水質凈化廠2018年1月—2020年5月出水CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP等幾項主要水質污染指標進行逐月的分析，具體分析如圖4所示。

如圖4所示，蘿崗水質凈化廠出水現狀出水水質較好，CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP平均濃度分別為13.7、1.7、5.93、0.57、3.89 mg/L及0.14 mg/L，均已達到設計出水水質。整體上看，該廠在滿負荷運行的狀態下，盡管實際進水水質每月波動幅度較大，但出水水質始終穩定達標，說明本工藝具有較好的抗沖擊負荷能力。

圖4 蘿崗中心水質凈化廠運行水質污染指標分析

該廠實際進水BOD/TN為3.8，碳氮比較低，對脫氮過程會造成不利影響[4]，但在實際運行過程中工藝對TN的處理效果比較穩定，進水TN濃度較高的月份出水TN仍可穩定達標。

5 技術經濟指標

廣州蘿崗中心區水質凈化廠首期工程工程費用為13 668.51 萬元，建設工程其他費用為1 686.18萬元，基本預備費為1 228.38萬元，工程靜態投資為16 583.07萬元。單位水量投資為2 733.70元/m3，工程經營成本為0.69元/m3，處理總成本為1.13元/m3，單位水量電耗為0.229 kW·h/(m3·d)。工程用地指標為0.52 m2/(m3·d)，低于地上污水廠一般的占地指標0.8～1 m2/(m3·d)[2]。

6 結論

(1)蘿崗中心區水質凈化廠首期工程采用CAST生物處理池+高效沉淀池+高效纖維濾池處理節地工藝，工藝抗沖擊負荷能力較強，對各污染物的去除效果良好，系統運行穩定，實際出水水質穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18919—2002)的一級A標準和廣東省標準《水污染排放限值》(DB 44/26—2001)第二時段城鎮二級污水處理廠一級標準(CODCr≤38 mg/L)，本工程的建成大大減少了排入南崗河的污染物排放總量，有效改善了蘿崗中心區城市環境。

(2)本工程選用占地面積小的CAST生物處理工藝、紫外消毒設備和濃縮脫水一體機，取消濃縮池，采用脫水機房設置為2層，部分構筑物等措施節約占地面積。項目占地面積指標為0.52 m2/(m3·d)，低于地上污水廠一般的占地指標0.8～1 m2/(m3·d)，為工程用地面積有限的污水處理廠設計提供了相當的參考和借鑒價值。