半地下箱體式MBR生化組合工藝工程設計案例分析

柳 巖，高海英，劉建軍，李 坤，石 潔

(1.北京碧水源科技股份有限公司，北京 102206；2.北京久安建設投資集團有限公司，北京 102206)

近年來隨著國家及各地方對污水處理廠出水水質標準及景觀效果要求不斷提高，對用地面積不斷緊縮，地下或半地下箱體式配合MBR工藝形式污水處理廠迅速增加。目前國內已建和在建的全地下污水處理廠中多數采用MBR工藝[1-2]。隨著MBR膜技術水平不斷提高及價格越來越低，與箱體式結構形式配合優勢愈加明顯。但目前大量案例報道中，僅對案例工藝流程本身進行描述，對MBR工藝配合箱體式結構細節設計及問題分析等鮮有報道。本文主要介紹MBR工藝和箱體式結構形式選擇，MBR箱體式結構細節設計及目前主要問題分析，為后續設計作為參考。

1 工程概況

陜西省政府于2015起啟動新三年行動計劃《渭河流域水污染防治鞏固提高三年行動方案(2015—2017年)》。為徹底貫徹本方案要求，灃西新城渭河污水處理廠工程污水處理廠與灃西新城同步建設，改變了以往先污染再治理的觀念，實現了排污與治污設施同步建設，從源頭控制生態水體被污染的超前理念。

灃西新城渭河污水處理廠近期設計規模為3萬m3/d，遠期設計規模為6萬m3/d，主要處理單元采用箱體式半地下形式。本次污水處理廠設計以海綿城市、綠色發展、節能環保、資源回收利用為理念，打造一個出水水質好、低碳節能、資源回收、環境友好的智慧污水廠。

2 進出水水質

2.1 進水水質及分析

隨著經濟的發展，人口規模的增加，人民生活水平的提高，本設計污水處理服務范圍內經濟構成和發展水平在不斷地調整變化之中，會有許多不確定的因素。同時，該區域內目前對服務范圍內的居民區生活污水現狀調查有一定的困難，缺乏有針對性的污水水質資料統計。因此，準確預測污水處理廠的進水水質有相當的難度。參照陜西省內閻良區、武功縣、渭南市等地污水處理廠的實際運行進水水質，考慮灃西新城發展情況，合理權衡近遠期需求，確定污水處理廠的進水水質如表1所示。

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

(1)可生化性分析

本工程絕大部分進水為生活污水，設計進水水質CODCr=500 mg/L，BOD5=250 mg/L，從污水可生化性考慮，污水中BOD5/CODCr=0.50，可生化性好[3]。

(2)BOD5/TN

由于反硝化菌是在分解有機物的過程中進行反硝化脫氮，在不投加外來碳源條件下，污水中必須有足夠的可利用有機物(碳源)，才能保證反硝化的順利進行。一般認為，進入生物池的BOD5/TN>4，即可認為污水有足夠的碳源供反硝化菌使用[3]。

本工程設計進水水質BOD5=250 mg/L，TN=45 mg/L，BOD5/TN=5.55，碳源相對充足[3]。

(3)BOD5/TP

一般認為，進行生物除磷的低限是BOD5/TP=20，有機基質不同對除磷也有影響。一般低分子易降解的有機物誘導磷釋放的能力較強，高分子難降解的有機物誘導磷釋放的能力較弱。而磷釋放得越充分，其攝取量也就越大，本工程BOD5=250 mg/L，TP=4.5 mg/L，BOD5/TP=55.55，采用生物除磷工藝可以獲得較好的除磷效果[3]。但常規的生物處理工藝出水TP要穩定低于0.3 mg/L是相當困難的，因此,在本工程設計中需采用生物法除磷與化學法除磷相結合的方法以強化除磷效果，以達到污水排放標準。

2.2 出水水質要求

根據《陜西省西咸新區灃西新城市政工程專項規劃——污水工程專項規劃(修編)》，規劃考慮渭河及沙河污水處理廠處理后的尾水進入新渭沙濕地公園進行處理排放，經該濕地處理后的水質達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅳ類標準，從而大幅提升河流的景觀功能，改善河流周邊環境質量，提高城市的文化和環境品位。

按照尾水排放的要求，結合目前國內污水處理廠的出水水質，北京、天津等地的高標準地方排放標準要求及城市雜用水、景觀環境用水的要求等，確定本項目設計出水水質如表2所示，其余指標不低于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準。

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

3 工藝路線設計

3.1 處理難點分析及對應措施

由上節進水分析及出水要求可知，本項目主要處理要點及難點如下。

(1)進水SS較高，預處理中需要設置初次沉淀池。

(2)出水CODCr、氨氮要求含量低，并處于北方地區，需要考慮冬季污泥膨脹及單位污泥反應速率低等問題，應合理選擇生化處理工藝最大程度避免上述問題。

(3)出水TP要求含量低，單采用生物除磷不能滿足出水要求，需要增設化學除磷。

(4)出水要求SS為10 mg/L，而出水TP為0.3 mg/L，根據出水SS中TP含量3%計算，僅出水SS中的TP含量已經為0.3 mg/L，加上水中游離的TP，出水TP肯定不達標，所以實際出水SS需要穩定控制在10 mg/L以下。為滿足上述需求，需要選擇可靠的過濾工藝。

所選工藝路線，在確保整體工藝路線能夠滿足所有技術要求前提下，綜合考慮經濟、景觀、用地規模、運行要求等因素，具體分析各處理單元確定。

3.2 預處理、生化及深度處理

預處理選用常規機械格柵及曝氣沉砂池，由上述分析可知，需要增設初沉池。

進水基本為生活污水，由上節分析可知，進水可生化性較好，從有機物與氮磷比例來看適合生物脫氮除磷工藝。同時，由于出水TP的要求需要增設化學除磷及穩定高效過濾工藝，因此，選擇AAO+MBR工藝作為生化及同步過濾單元[4]。

3.3 化學除磷

(1)投加點選擇

化學預沉淀除磷在初沉池前投加化學藥劑，沉淀物的排除在初沉池中。由于化學反應為綜合反應，加藥量增加，同時去除了污水中較多的有機物，對脫氮不利，一般不予推薦。同步沉淀可以利用剩余污泥同步排出化學沉淀的TP，利用膜池好氧環境排泥，避免傳統二沉池等厭氧二次釋磷問題，且不需要增加額外的構筑物，可以保證充分的混合和足夠的混凝劑水解絮凝時間，目前應用比較廣泛。后化學除磷可以使藥劑得到充分的利用，但須增加混合、反應和固液分離設備和構筑物。本工程采用生化+膜同步過濾工藝，一般不再建設混凝沉淀單元，因此采用同步排泥除磷。

(2)藥劑選擇

本項目對除磷要求較高，且根據工程經驗，當污水中的磷含量較低時，除磷藥劑投加量與磷去除量的比值成倍數增大，所以所需除磷藥劑投加濃度較大。常用的化學除磷藥劑有鋁鹽和鐵鹽，鐵鹽投加較多時，一是會對膜絲產生較嚴重污染，二是會增加出水色度。所以，本項目適合選用目前運行最廣泛的堿式氯化鋁(PAC)作為除磷藥劑。

3.4 消毒工藝

污水經MBR過濾后，SS及各微生物含量比常規砂過濾大幅度降低，達到相同的消毒效果所需消毒劑的量較少。本項目出水進入市政中水管網系統回用，采用副產物較少的紫外消毒工藝，同時附加少量次氯酸鈉作為補氯。

3.5 工藝流程確認

由上述分析可知，針對本項目進水水質特點及出水水質要求，結合用地等方面因素，確定本污水處理工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart

4 總平布局——布置形式選擇

4.1 總布置形式選擇

目前，污水處理廠構筑物布置形式較多，更加關注景觀、除臭、保溫等因素，主要布置形式分為傳統的地上式布置形式與目前廣泛采用的地下式布置形式兩種。

根據本項目用地、投資情況，分別對本項目采用地上式及半地下箱體式兩種方案進行說明比選，如表3所示。

表3 地上式及地下式布置投資及占地面積對比Tab.3 Comparison of Investment and Floor Area of Ground and Underground Layout

由表3可知，采用半地下箱體式布置方式比地上式投資更高，但占地面積較小。是否采用半地下箱體式布置應視周邊的環境及項目本身的用地情況等綜合決定。

本項目選址廠區北側、西側、南側分別為西工大項目預留地塊、交大創新港、濕地公園，因此，對環境要求比較高，故從周邊環境來講，本項目應采用地下式布置方式。

按照規劃要求，本項目規劃選址區域面積為49畝(32 666.67 m2)。采用地上式布置，難以滿足用地要求，故應采用地下式布置。

4.2 不同地下式布置形式對比

構筑物地下式布置目前主要分為3種[5-10]：(1)構筑物頂部覆土，輔助車間基本位于地上，設備操作及巡檢等在上部，各車間布置分散；(2)構筑物位于地下二層，主要輔助車間布置在地下一層，地面層覆土，除了辦公樓，整體結構基本都位于地面層以下，地面以上一馬平川；(3)構筑物位于地下，輔助車間位于地上，但所有構筑物及輔助車間布置在同一個鋼砼箱體內，地面以上只有一個箱體，頂部可覆土。各布置方式對比如表4所示。

表4 不同構筑物布置形式對比Tab.4 Comparison of Layout Forms of Different Structures

綜上所述，從上部空間可利用性及景觀效果、人員進出、設備吊裝、對周圍環境影響、對操作人員的影響、生產區和景觀區管理交通、工程投資、運行費用等多個方面進行了對比分析，本污水處理廠采用雙層加蓋的構筑物半地下式布局方式，全廠除綜合樓外，其余所有建構筑物組團布置，并采用半地下式的布置方式，所有建構筑物的總體建設，構成了地下箱體。

4.3 本工程與同類工程箱體噸水占地對比

因不同項目用地紅線形狀不同及箱體外閑置空地大小不同，加之一般工程設計會將紅線范圍用地全部納入污水處理廠范圍，而地下或者半地下箱體包括了全部工藝流程及輔助車間等建構筑物，故此類污水處理廠箱體的噸水占地才能反映出實際占地水平。

本工程半地下箱體噸水占地為0.206 m2/m3。其他箱體式污水處理廠噸水占地如表5所示。

表5 箱體式污水處理廠單位用地對比Tab.5 Land Use Comparison of Box Type WWTP Per Unit of Purified Water

由表5相關工程案例對比可知，傳統工藝箱體噸水占地較大，MBR工藝噸水占地較小。本項目出水標準為地表“準Ⅳ類”，出水標準優于上述案例，但噸水占地不大，僅為0.206 m2/m3。

5 單元設計

5.1 主體單元——生化+MBR設計

本單元設計規模：土建按6萬t/d建設，設備按3萬t/d配置。

5.1.1 系統回流設計

本單元設置膜池至好氧池、好氧池至缺氧池、缺氧池至厭氧池三級回流。

膜池至好氧池回流主要作用：一是回流污泥至好氧前端，補充污泥提高污泥濃度；二是將膜池內混合液中大量溶解氧回流至好氧池前端，相應好氧池內曝氣量而節約能耗。此段回流比設計為500%。

好氧池末端至缺氧池前端的回流主要作用是回流硝化液至缺氧池進行反硝化作用脫氮。根據進水水質TN指標及出水TN要求，考慮適當設計余量，此段回流比設計為300%。

缺氧池末端至厭氧池前端回流主要作用：一是補充污泥，保證污泥與進水充分混合；二是回流污泥進行厭氧釋磷，為后續好氧過量吸磷積蓄能量。此段回流比設計為200%。

5.1.2 各段污泥濃度設計

根據MBR膜系統特點可知，泥水分離不需要經過沉淀過程，完全通過過濾完成。所以生化+MBR系統內部污泥濃度可增至較高水平，不用擔心污泥因濃度較高而導致沉淀效果差等問題。設計膜池污泥質量濃度MLSS=10 000 mg/L，則根據產水及回流比例，好氧池前端污泥質量濃度約為8 000 mg/L，缺氧池約為7 000 mg/L，厭氧池約為5 000 mg/L。

5.1.3 各段停留時間計算

生化反應池中各池的停留時間均需要在進水水質及出水要求及設計最不利水溫基礎上進行核算。厭氧池的水力停留時間根據規范及經驗設計為1.5 h。缺氧池水力停留時間根據設計最不利條件下反硝化速率及池內污泥濃度確定為4 h。好氧池水力停留時間需要在設計最不利條件下考慮污泥齡及硝化速率兩方面因素，確定為6 h。

5.1.4 半地下箱體內膜系統設計

(1)膜系統池體尺寸設計

膜系統需要根據膜組器尺寸、清洗吊裝及各運行過程進行設計。由半地下箱體式污水處理廠結構形式需要，箱體內部布置縱橫交錯結構支撐柱，根據結構柱間尺寸進行各廊道膜池體及管廊布置，同時反饋結構專業各膜廊道所需尺寸，合理調整結構柱距，滿足功能及結構要求前提下，尋求經濟最優[10,13]。膜系統示意如圖2所示。

注：標高單位為m，長度單位為mm圖2 膜系統示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Membrane System

膜組器長度為2 620 mm，組器兩邊距池開口各留100 mm用于安裝導桿支架，則池口為2 820 mm。管廊用于安裝產水管道及空氣擦洗管道，取1 200 mm凈寬，管廊壁取200 mm，膜廊道壁取500 mm，則各膜廊道開口比廊道過流寬度小550 mm。膜廊道凈寬為2 820+550=3 370 mm，一般取整為3 400 mm。膜廊道長度根據組器數量及間隔需求布置即可。

半地下箱體式水廠結構柱網布置比較關鍵，與工藝條件有關的主要影響因素是各構筑物與相關柱網的空間相對位置。膜池如單廊道跨度設置一個柱距，則柱距過密，并且管廊處因柱子占用一定空間，導致管廊過寬，膜廊道開孔小而內部過流截面大，土建造成經濟浪費。兩個廊道跨度可作為一個柱網間距。取廊道寬度為3 400 mm，池壁厚為500 mm，則兩個廊道一個柱網，柱中心間距為7 800 mm，結構、工藝可行，經濟合理。

(2)設備參數

設計平均膜通量：17.6 L/(m2·h)，近期總曝氣量為175 m3/min，氣水比為8.4∶1。產水按照產7 min、停1 min運行，期間曝氣擦洗持續進行。產水泵設計上考慮適當余量，單臺參數流量為250 m3/h，10 m揚程，近期共8條廊道。清洗過程只有每周一次的加藥反洗，無清水反洗。加藥清洗系統設置CIP清洗泵、加藥泵等設備，通過時序控制依次對各廊道進行清洗。CIP泵流量為125 m3/h，揚程為11 m，分為次氯酸鈉清洗與檸檬酸清洗，加藥質量濃度次氯酸鈉為500 mg/L(小洗，1周/次)，3 000 mg/L(大洗，4周/次)；檸檬酸為8 000 mg/L(3～6月/次)。

5.2 其他單元設計

5.2.1 預處理

粗格柵：間隙為20 mm，單臺過水能力為0.51 m3/s，數量：2臺。提升泵：Q=910 m3/h，H=15 m，數量3臺(2用1備)。細格柵：間隙4 mm，單臺過水能力為0.51 m3/s，數量：2臺(1用1備)，網板式內進流格柵。曝氣沉砂池：停留時間為7 min，曝氣強度為0.2 m3空氣/(m3污水)。

初沉池選用矩形平流形式，設置2座，每座2格。設計表面負荷：qmax=4.0 m3/(m2·h)，停留時間為0.9 h。刮泥設備選用鏈條刮泥機，每格1套，近期設置2套。為避免纖維狀物質對MBR膜的纏繞，保證MBR膜池的穩定工作及出水，初沉池后設置膜格柵，采用網板內進流格柵，柵隙為1 mm，單臺過水能力為0.51 m3/s，近期數量：2臺(1用1備)。

5.2.2 消毒及再生水

紫外消毒：劑量20 mJ/cm2、紫外線透射率>65%，根據已運行水廠試驗及運行經驗，次氯酸鈉有效氯補氯量：1～2 mg/L。

再生水單元：回用水泵：Q=910 m3/h，H=30 m，數量2臺，1用1備。

5.2.3 輔助車間

鼓風機房：設置好氧池鼓風機及膜擦洗鼓風機，好氧池鼓風機Q=140 Nm3/min，H=79 kPa，1用1備，遠期增加1臺。

加藥間設置碳源投加及除磷藥劑投加系統。由水質分析可知，進水碳源充足，日常運行無需額外投加碳源，設置碳源投加用于水質惡劣時應急，確保出水達標。除磷加藥投加濃度為10%的PAC，投加量為22 mg/L，投加點設置在好氧池靠近末端。

污泥脫水系統采用高壓隔膜板框壓榨機，單臺壓榨面積為500 m2，運行周期為4 h，數量2臺。污泥量：4.8 t DS/d，污泥含水率：<60%。

5.3 總體平面布置

本著深入貫徹政府的政策方針，合理安排土地利用，最大程度發揮景觀優勢，根據上述布置形式選擇及各工藝單體設計，最終確定廠區布置，如圖3所示。

圖3 廠區平面布置圖Fig.3 Layout Chart of Plant

6 運行分析

6.1 處理效果

本項目2020年調試完畢正式運行，運行期間各項指標均達到設計出水標準，具體指標如表6所示。由表6可知，出水SS較低，一定程度上保證了出水TP指標，氨氮指標在冬季與夏季均達到出水標準要求且較低，符合MBR工藝的出水特點。

表6 實際運行進出水水質Tab.6 Actual Operation Water Quality of Influent and Effluent

6.2 存在問題分析

(1)MBR膜組器起吊問題分析

本項目各廊道頂部設置連續S型電動葫蘆軌道用于膜組器起吊。由于軌道連續，距離離線清洗池較遠膜組器起吊時，電動葫蘆負載運行距離較長，導致電動葫蘆發熱，容易燒毀運行電機。為解決此問題，在各廊道尾端，垂直于各廊道方向增加一個軌道小車，運行時將所要起吊膜組器吊至軌道小車，由小車移至目標位置。

(2)膜池各廊道污泥濃度不均問題

一般運行時控制各廊道產水量相同，由于各廊道進水可能出現不均勻情況，隨著時間累積導致各廊道污泥濃度出現一定差異。各廊道污泥濃度的差異，造成不同廊道內的膜組器污染速率及跨膜壓差不同，給運行造成較大影響。為解決此問題，運行過程中需要調整各廊道回流堰板高度一致，保證各廊道回流液流量一致。由于各廊道產水基本一致，保證回流液流量一致，則各廊道進水流量即基本一致，按此運行各廊道污泥濃度差異較小，可最大程度保證均勻性。

7 結語

(1)在占地較少、出水要求較嚴格的情況下，半地下箱體式污水處理廠能夠滿足建設要求，并且在經濟投資上較全地下式低，可以作為推薦結構形式。

(2)AAO-MBR生化組合工藝能夠滿足各污染物降解需求，尤其在SS及氨氮指標具有明顯優勢。并且構筑物規模和數量較少，配合箱體式結構，能夠進一步減少用地面積，相對降低土建投資。

(3)箱體式MBR工藝設計中，需要充分結合運行實際情況，注重細節研究，保證出水達標的同時考慮后續運行提供靈活方便并留有一定調節措施。