西北地區某全地下式MBR工藝污水處理廠的設計與運行

陳志真，邱 明

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

隨著我國城鎮化進程的不斷發展，污水處理廠用地日趨緊張，而城市的擴張導致一些現狀或者新建的污水處理廠出現“鄰避效應”。在此背景下，全地下或半地下的地埋式污水處理廠不斷涌現，且有逐步增多的趨勢。地埋式污水處理廠具有用地節約、環境友好、景觀優美等特點，已成為國內設計和研究的熱點[1-2]。目前，我國已建或在建的地埋式污水處理廠達200余座，且尚有一批在策劃或設計中。

由于地下式污水處理廠布局緊湊、設計復雜程度較高、運行管理相對不便，其在設計和運行管理過程中仍有一些需要特別注意的地方。本文旨在通過介紹西北地區某全地下式污水處理廠的設計和運行，提出在設計及運行過程中的有關注意事項和建議，為類似項目的設計提供參考。

1 工程案例

1.1 工程概況

該項目設計規模為8萬m3/d，于2019年9月竣工投產。采用MBR工藝，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準。該工程的建設進一步提高了城市污染治理水平，保護城市水環境，符合環保政策，滿足城市總體規劃要求。

1.2 設計水質

根據現狀污水處理廠的進水水質數據，經分析后確定本工程進出水水質，具體如表1所示。

表1 設計進出水水質Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

1.3 項目用地和總體布置

項目廠址位于渭河大堤邊，地塊呈梯形，南側最寬處約為170 m，北側最窄處約為60 m，最長可利用長度約為350 m，如圖1所示。由于西側緊鄰現狀道路，為減小施工時對道路的影響，用地紅線退讓道路邊線8.5 m；為保證施工建設時不對東側河堤產生影響，距堤腳退讓15 m。紅線內用地面積約為3.43×104m2，單位用地面積為0.430 m2/m3。

圖1 廠址示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Plant Site

廠區辦公樓、中控室和機修車間位于地面層，布置在廠區北側；污水和污泥處理設施皆位于地下車間內，布置在廠區南部，地面層建設為運動休閑公園，如圖2所示。地下處理車間(含出入口)占地面積為1.75×104m2，單位占地面積為0.219 m2/m3。地下車間分2層，負一層主要為操作層和設備層，負二層主要為池體和通道，最大埋深為14.6 m。

圖2 污水處理廠總體布置圖 (數值單位：m)Fig.2 General Layout of WWTP (Unit: m)

1.4 工藝設計

污水處理主體工藝采用MBR工藝，利用膜池的泥水分離作用替代二沉池，同時提高生化段的污泥濃度，有效節省占地，節約土建成本；消毒環節采用工業級10%NaClO液體進行接觸消毒，其效果滿足出水水質要求；污泥處理采用全自動旋轉擠壓脫水機和高壓帶式連續深度脫水機兩段式工藝，泥餅含水率降低至60%后外運填埋處置，該工藝設備占地小、電耗低，臭味和噪音均低于常規脫水機，適應于全地下式污水處理廠[3]。具體工藝流程如圖3所示。此外，為保障車間內的工作環境和廠界臭氣濃度達標，設計了通風、除臭系統。為保證消防安全，地下車間內根據規范要求劃分11個防火分區，每個面積控制在2 000 m2以內，并配置了消火栓和自動噴淋系統，同時各房間內按要求配置了干粉滅火器，配電間采用氣體滅火系統。

1.5 污水處理車間平面

污水處理車間預處理區布置在南端，靠近進水干管，向北沿中間通道兩側布置2組生化池和2組膜池，鼓風機房、加藥間、消防泵房、風機房、脫水車間、配電間等分別布置在北部中間通道兩側。設計南北兩個出入口，與負一層中間通道連接，為車輛主要通道。設計5處直通地面樓梯間，作為人員進出和消防疏散通道(圖4)。

圖3 工藝流程圖Fig.3 Process Flow Diagram

1.6 主要構筑物及設計參數

①進水井。DN1200進水主干管主要沿城市河道北岸自上而下鋪設，由于河道平均坡降為0.3%～0.5%，至廠前污水管道埋深僅為5.4 m，污水可以自流進廠，但廠外水位標高高于廠區進水井設計水位標高，實際進水為承壓狀態。從節能角度考慮，未設計進水泵房，為了對進水流量進行靈活調控，設計前后兩座進水井，中間利用2根DN800鋼管連接，安裝流量計、電動偏心半球閥和水力浮球截止閥，利用水力浮球截止閥根據水位來調控進水流量，同時結合電磁流量計的測量結果利用電動偏心半球閥控制流量。為保障進水安全，在閥門附近設不間斷電源(UPS)，保證在全廠斷電停運時，可以控制閥門及時關閉。以上措施可保證全地下式污水處理廠進水流量的有效控制和安全。

②粗、細格柵及曝氣沉砂池。粗、細格柵各設2臺，粗格柵采用反撈式，柵隙為20 mm，格柵寬度為1.2 m；細格柵為回轉式，間隙為5 mm，格柵寬度為1.8 m；考慮檢修超越工況，設人工格柵1道，寬度為1.2 m，柵隙為30 mm；曝氣沉砂池分2格，設計停留時間為6.5 min。

③膜格柵。膜格柵是指設在MBR工藝段前的超細格柵，用于去除1 mm以上的雜質和顆粒物，保護后續的膜組件。采用內進流孔板式格柵，數量為4臺(3用1備)，過濾孔直徑為1 mm。配套沖洗水箱及中壓、高壓沖洗系統，中壓沖洗系統與格柵同時起停，沖洗水泵出口壓力為0.8 MPa，與格柵一對一配置，高壓泵出口壓力為10 MPa，定時啟停，可較徹底地清除中壓沖洗系統難以去除的污染物，確保網孔再生，達到格柵系統長期穩定可靠工作的目的。柵渣進入高排水型螺旋壓榨機壓榨至含水率≤50%后外運，為確保膜格柵穩定運行，壓榨機設置2臺，1用1備，直徑為0.35 m，Q=3 m3/h。

圖4 地下車間負一層平面布置圖Fig.4 Layout Plan of Negative One Layer of Underground Workshop

④改良AAO生化池。為避免膜池回流污泥高溶解氧對生物脫氮的影響，生化段采用UCT工藝逐級回流模式，即高濃度混合液從膜池回流至好氧池前端，回流比為150%～450%；從好氧池末端回流混合液至缺氧池起端，回流比為200%～400%；從缺氧池末端回流混合液至厭氧池，回流比為100%～200%。為充分利用進水中的碳源，強化脫氮效果，設計采用厭氧、缺氧池兩點進水方式，以減少反硝化脫氮過程外加碳源的量，降低運行費用。

生化池最低計算水溫為12 ℃，水深為6 m，停留時間為10.9 h(厭氧池1.6 h，缺氧池2.7 h，好氧池6.6 h)。厭氧區、缺氧區和好氧區污泥質量濃度分別為2 100、5 000 mg/L和8 000 mg/L，污泥負荷為0.107 kg BOD5/(kg MLSS·d)。

⑤膜池。采用浸沒式聚偏氟乙烯(PVDF)超濾中空纖維膜，過濾孔徑≤0.1 μm。為保證運行安全，設計膜通量為14.5 L/(m2·h)，取較低值；膜池分為多格，在一格設備故障或者膜組件清洗條件下，其他格可以擴大產水量，從而不影響整體產水規模。為減小占地和土建尺寸，采用雙層膜組件，膜組件總高度達4.65 m，設計中將膜池頂板局部抬高0.5 m，以增大凈空高度，保證膜組件能夠順利吊出。

設計2座膜池，每池分為12格，共24格，水深為4.2 m。配套產水泵為臥式單級離心泵，單泵流量為410 m3/h，共14臺，其中庫存備用2臺。

⑥接觸消毒池。超濾膜對細菌的去除率可以達到6log，對病毒的去除率達到4log，因此，MBR工藝出水糞大腸桿菌指標理論上滿足要求。但在實際運行過程中，會出現一定程度的斷絲現象，可能造成出水糞大腸菌群數超標，因此，后續仍設置了接觸消毒池，投加藥劑為質量分數為10%的液體NaClO，設計投加量為6 mg/L，接觸時間為40 min。

⑦尾水多途徑再生利用。尾水經消毒后進入污水源熱泵站，將污水中的能量充分回收，用于廠區和周邊居民區的供暖和制冷。回水進入尾水泵房，一部分用于廠區設備、地面沖洗和綠化，一部分用于周邊市政綠化，剩余部分作為景觀水利用水泵提升補至城市河道。泵房采用臥式單級雙吸離心泵，配置4臺大泵，3用1備，單泵Q=1 456 m3/h，變頻；配置1臺小泵，Q=416 m3/h，用于調節流量。

⑧加藥間。設有乙酸鈉、PAC、NaClO、HCl和NaOH 5種藥劑，其中乙酸鈉為反硝化碳源，PAC用于化學除磷，采用固體溶解后投加，平均投加量為18 mg/L，后3種主要為膜池化學清洗用藥劑，NaClO也兼做消毒劑。

⑨鼓風機房。采用單級離心鼓風機，生化池曝氣風機和膜池氣洗風機各3臺，均為2用1備。其中生化池供氣量為436 m3/min，風壓為0.07 MPa，膜池供氣量為340 m3/min，風壓為0.046 MPa。

⑩脫水車間。項目采用兩段式污泥深度脫水工藝，即第一段利用全自動旋轉擠壓脫水機，將污泥含水率降低至80%，第二段利用高壓帶式連續深度脫水機，將污泥含水率降低至60%以下。主體設備設3套，2用1備，連續運行，單套處理能力為0.42 t DS/h。該組合工藝具有占地節省、對層高要求低、運行功率小、噪音低、臭味小的特點，適合在地下式污水處理廠中應用[3]。

2 運行效果

對2020年7月1日—2021年3月初的運行數據進行分析，可知進水CODCr質量濃度一般為200.0～600.0 mg/L，TN質量濃度一般為20.0～50.0 mg/L，氨氮質量濃度一般為20.00～40.00 mg/L，TP質量濃度一般為1.00～3.00 mg/L，CODCr、TN和氨氮高值均超出設計值。從平均進水水質來看，僅CODCr濃度超出設計值較多，TN、TP、SS濃度均低于設計值，氨氮濃度與設計值接近。進水B/C在0.22～0.33，C/N失衡，進水水質平均值如表2所示。盡管進水CODCr含量較高，波動很大，但出水質量濃度可穩定在30.0 mg/L以下，這得益于MBR工藝高污泥濃度和耐沖擊負荷的特點。出水TN質量濃度在10.0 mg/L左右，氨氮質量濃度低于5.00 mg/L，TP質量濃度低于0.50 mg/L。各項出水指標滿足或優于設計一級A排放標準，具體如圖5～圖8所示。

表2 實際進出水水質Tab.2 Actual Water Quality of Influent and Effluent

圖5 進出水CODCr含量及去除效果Fig.5 CODCr Content of Influent and Effluent and Removal Effect

圖6 進出水TN含量及去除效果Fig.6 TN Content of Influent and Effluent and Removal Effect

圖7 進出水氨氮含量及去除效果Fig.7 Ammonia Nitrogen Content of Influent and Effluent and Removal Effect

圖8 進出水TP含量及去除效果Fig.8 TP Content of Influent and Effluent and Removal Effect

3 運行費用

項目運行費用組成主要為電力和藥劑，其中藥劑主要用于化學除磷、污泥脫水、膜清洗及消毒和碳源投加等過程。2020年7月1日—2021年3月初，項目處理污水量為50 495 m3/d，藥劑和電力消耗如表3和圖9所示。

表3 運行費用Tab.3 Operation Cost

圖9 運行費用分析Fig.9 Analysis of Operation Cost

經計算，項目運行費用(電費+藥劑費)為0.985元/t，單位電耗為0.621 kW·h/t，運行費用中電費占比為46.07%，碳源投加占比為30.18%，膜清洗及消毒占比為9.03%，污泥脫水和化學除磷分別占比為8.83%和5.89%。

與同類污水處理廠對比，該廠電耗相對較高[4-5]。分析其原因：項目采用MBR工藝，膜池需要持續曝氣攪動來避免膜污染和堵塞，增加了能耗[6]；由于全地下式污水處理廠對通風除臭要求高，通風、除臭、照明等非直接生產電耗占比約為35%，明顯高于地面式污水處理廠；此外，處理量尚未達到設計規模，也導致單位電耗較高。

化學除磷藥劑PAC(固體，質量分數為30%)的投加量為29 mg/L，折合質量分數為10%的液體質量濃度為87 mg/L，這與常規工藝中深度處理混凝沉淀單元的PAC平均投加量接近。所耗藥劑中碳源在成本中占比高，達30%，分析其原因主要有3個，一是進水C/N失衡，為保證出水TN達標，需要在缺氧區補充碳源；二是生化池曝氣量控制不佳，出水溶解氧質量濃度常在3～4 mg/L，高溶解氧的混合液回流到缺氧區后會消耗一部分碳源；三是設計采用厭氧、缺氧池兩點進水，目的是充分利用進水中的碳源進行反硝化脫氮，但實際運行只從厭氧池進水。另外，現場運行過程中沒有根據水質變化及時對碳源投加量做出調節，造成一定的浪費，在今后的運行管理中尚有較大的優化空間。

4 設計與運行中應注意的問題及建議

(1)進水安全控制。地下式污水處理廠進水的安全控制非常重要，一方面需要根據管網來水流量變化調節進廠流量，另一方面需要考慮避免突然停電或者關鍵設備失效導致的污水漫灌風險。對于重力流進水和提升進水都應考慮流量調節和限制措施，還應考慮事故狀態下能夠安全有效截斷來水[7]。設計中可采用閘門、電動閘閥、球閥、速閉閥門以及多種措施相結合的方式，可考慮UPS的使用，確保進水安全可控。進水控制應采用穩定可靠的設備，閘門應采用正向受力形式，反向受力形式不宜用于主要控制環節，避免因設備質量等原因導致廠區淹水。

(2)預處理格柵設備選型。MBR工藝前端一般設置超細格柵去除1 mm以上的雜質，以減輕膜污染。為有效保護膜組件，不宜設超細格柵的超越管，可以考慮溢流措施。在實際運行中發現，超細格柵攔截的雜質較多，濾網堵塞概率高，頻繁地沖洗導致運行壓力大。因此，建議采用柵隙為3～5 mm孔板式細格柵，以減輕超細格柵運行壓力，有條件的宜在粗、細格柵之間再設置一道中格柵。此外，超細格柵配套的關鍵設備例如高排水壓榨機應設在線備用，以避免設備故障影響格柵沖洗甚至導致停產。

(3)生化池設計。為便于臭氣的收集和處理，保證地下車間內的工作環境，生化池一般采用池頂加蓋的方式。可在生化池頂安裝除臭、加藥等設備，做到地下空間的有效利用。但池頂加蓋也帶來了一系列問題，例如生化池內設備檢修和更換不便、日常巡視中對活性污泥性狀和曝氣狀態的觀察不便、取樣點不足等問題。建議在設計中應注重考慮運行管理因素，預留足夠的觀察孔、設備檢修孔和取樣孔。

此外，生化池底部一般為廠區最低點，不宜設置放空管道及閥門，否則存在設備或管道破損導致廠區被淹的風險。在有放空檢修的需求時，可采用移動泵抽排至鄰池的方式。為提高運行安全性，減少放空時間，廠區生化池可以設多組。

(4)膜通量設計。關于MBR工藝膜通量，一般可以根據各個膜廠家的建議值選擇。需要注意的是，溫度對超濾系統產水的影響比較明顯[8]，溫度升高導致水黏度降低，黏滯性小，此時產水量增加；反之則產水量減少，故超濾膜在冬季和夏季產水差異很大。因此，在設計過程中應注意溫度校正，從安全角度考慮，設計膜通量應該取設計最低溫度校正后的值，并留有充分余量。

(5)膜組件清洗。膜組件離線清洗方式可分原位離線清洗和專用清洗池清洗。考慮實際運行因素，污水成分復雜、膜污染程度不可控，在膜通量下降的情況下，采用原位離線清洗一定程度上會影響膜池產水量，在膜池分格數量少的情況影響尤為嚴重。因此，建議小規模污水處理廠設計單獨的化學離線清洗池，以減輕離線清洗對產水量的影響。

(6)運行成本控制。本項目中藥劑費和電費為成本控制的兩個關鍵點，其中藥劑費與運營管理水平關系最大。以優化碳源投加為例，在運行中應控制生化池曝氣量在1～2 mg/L，啟用兩點進水方式，充分利用進水中的碳源進行反硝化脫氮，同時應根據水質情況優化運行參數，合理控制藥劑投加量，避免浪費，造成成本升高。另外，應注意設備的保養與維護，提高設備運行效率，降低能耗和成本。

5 結語

(1)全地下式污水處理廠采用MBR工藝，布局緊湊，節約用地，地下處理車間(含出入口)占地面積約為17 533.33 m2，單位占地面積為0.219 m2/m3。

(2)為保障進水安全，進水管道采用雙管，利用流量計、電動偏心半球閥和水力浮球截止閥調節控制流量；設置UPS，保證在全廠失電時，可以控制閥門及時關閉，提高了項目運行的穩定性和安全性。

(3)在設備選型和設計參數選擇方面，應結合運行管理因素進行設計和優化，提高運行的穩定性。

(4)設計中應注意節能降耗和運行成本控制。優先考慮利用進水中的碳源進行反硝化脫氮，減少碳源投加，合理控制藥劑投加量，注意設備的保養與維護等，以上均是節能降耗和控制運行成本的有效措施。