小孤山再生水廠工程設(shè)計(jì)案例與探討

陳 谷

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092)

大連市旅順口區(qū)龍頭街道北部區(qū)域內(nèi)污水已收集區(qū)的污水目前通過龍頭街道王家村泵站臨時(shí)進(jìn)入柏嵐子污水處理廠，但已收集區(qū)所占比例較少，尚有大量居民及企業(yè)所產(chǎn)生的污水基本處于散排狀態(tài)，就近排入了河道入海，且該區(qū)域?qū)υ偕么嬖谳^大需求，急需大量再生水回用至規(guī)劃燃?xì)怆姀S、綠化澆灑、洗車等，其中規(guī)劃新建的燃?xì)怆姀S需要1.5萬m3/d再生水作為冷卻水(預(yù)計(jì)2019年投產(chǎn))。因此，在解決地區(qū)污水出路和滿足地區(qū)再生水回用需求這兩大背景下開展了大連旅順小孤山再生水廠工程的方案設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)規(guī)模及水質(zhì)

根據(jù)污水量預(yù)測(cè)結(jié)果，小孤山再生水廠設(shè)計(jì)規(guī)模取3萬m3/d，高峰系數(shù)為1.53。

本工程出水水質(zhì)根據(jù)國家對(duì)新建再生水廠的排放要求(一級(jí)A及以上)，同時(shí)考慮到所在區(qū)域?qū)Νh(huán)境要求高，且采用全地下的集約化建設(shè)形式，后續(xù)提標(biāo)改造難度大。綜上，本工程擬執(zhí)行準(zhǔn)地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，即CODCr、BOD5、氨氮、TP執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)IV類標(biāo)準(zhǔn)，TN等其他指標(biāo)則執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示，其中進(jìn)水水質(zhì)參考大連市，尤其是旅順口區(qū)現(xiàn)狀污水處理廠的設(shè)計(jì)或?qū)嶋H進(jìn)水水質(zhì)。

表1 設(shè)計(jì)出水水質(zhì)

1.2 工藝方案及流程

本工程采用具有脫氮除磷功能的污水處理工藝，各處理環(huán)節(jié)采用的主要工藝方案如下：(1)預(yù)處理工藝：包括細(xì)格柵、沉砂池、膜格柵；(2)污水處理工藝：采用MBR工藝；(3)消毒工藝：采用次氯酸鈉消毒；(4)污泥處理：污泥經(jīng)離心濃縮脫水至含水率≤80%后外運(yùn)處置。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Treatment Processes

1.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)細(xì)格柵

新建細(xì)格柵渠1座，設(shè)計(jì)規(guī)模為3.0萬m3/d。主要用于去除污水中較大漂浮物，并攔截直徑>4 mm的固體物，以保證生物處理及污泥處理系統(tǒng)正常運(yùn)行。

(2)曝氣沉砂池

新建曝氣沉砂池1座，設(shè)計(jì)規(guī)模為3.0萬m3/d。主要用于去除污水中比重>2.65、粒徑≥0.2 mm的砂粒，使無機(jī)砂粒與有機(jī)物分離開來，便于后續(xù)生物處理，兼帶除油撇渣功能。

(3)膜格柵

膜格柵主要用于攔截直徑>1 mm的固體物，以保證后續(xù)膜系統(tǒng)正常運(yùn)行。每套膜格柵前后各設(shè)有閘門，作為檢修格柵時(shí)切斷水流用。

(4)MBR生物反應(yīng)池

新建AAO生物反應(yīng)池2座，設(shè)計(jì)規(guī)模為3.0萬m3/d，每座可單獨(dú)運(yùn)行。MBR生物反應(yīng)池采用AAO形式，主要是在提供足夠氧氣條件下，在生物反應(yīng)池中營造厭氧、缺氧、好氧環(huán)境，利用生物反應(yīng)池中大量繁殖的活性污泥，降解水中污染物，以達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。單座設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 AAO生物反應(yīng)池設(shè)計(jì)參數(shù)

(5)MBR膜池及膜設(shè)備間

生物池內(nèi)的混合液(500%)流入膜池進(jìn)水渠道內(nèi)，配送至每座膜池中。每座膜池內(nèi)均安裝大量膜組件，膜組件出水口通過總管連接，并接入對(duì)應(yīng)水泵的吸水口，靠水泵產(chǎn)生的真空抽吸力將膜池中的水經(jīng)濾膜壁吸入每根中空纖維膜的中心，匯集后排入濾后水干管，進(jìn)入后續(xù)處理單元。膜池及膜設(shè)備間主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 膜池設(shè)計(jì)參數(shù)

(6)污泥濃縮脫水機(jī)房

本工程設(shè)污泥濃縮脫水機(jī)房及污泥料倉1座，內(nèi)安裝有2套疊螺機(jī)，1用1備。濃縮脫水機(jī)房內(nèi)設(shè)進(jìn)泥泵、加藥設(shè)備等疊螺機(jī)附屬設(shè)備。脫水后污泥量為14.45 m3/d(80%含水率)。

1.1 投資及成本

工程總投資約為1.8億元，其中第一部分工程費(fèi)用約為1.5億元。建成后的總處理成本經(jīng)測(cè)算大約為1.5元/m3水。

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及特點(diǎn)分析

2.1 出水標(biāo)準(zhǔn)高

本工程的出水目標(biāo)全面優(yōu)于一級(jí)A，接近地表IV類水標(biāo)準(zhǔn)。目前環(huán)保局對(duì)污水處理廠出水實(shí)施在線24 h監(jiān)測(cè)，即要求出水水質(zhì)長期穩(wěn)定、可靠。因此,選擇合理最佳的有針對(duì)性的生物處理工藝是工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。本設(shè)計(jì)方案對(duì)“預(yù)處理+膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝”和“預(yù)處理+二級(jí)生物處理+深度處理工藝”兩種工藝路線進(jìn)行了綜合比較，主要考慮到高出水標(biāo)準(zhǔn) 、處理效果穩(wěn)定性需求、節(jié)地需求等，最終推薦采用MBR工藝作為主體工藝。

2.2 采用先進(jìn)工藝

MBR 膜生物反應(yīng)器是一種用膜分離取代傳統(tǒng)活性污泥法中二次沉淀池和深度處理設(shè)施的水處理技術(shù)。MBR工藝在國內(nèi)外已經(jīng)成功地應(yīng)用于城市污水與工業(yè)污水的處理[1-2]，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)出水水質(zhì)良好：能夠高效地進(jìn)行固液分離，出水水質(zhì)良好、穩(wěn)定，懸浮物和濁度接近于零，可直接回用。同時(shí)，與傳統(tǒng)生物處理工藝相比，其生物池的活性污泥濃度提高了2倍以上，因此，生化效率得到大大提高，出水水質(zhì)好。

(2)占地面積小：反應(yīng)器內(nèi)的微生物濃度高，大大提高容積負(fù)荷，減小了生化池容。膜生物反應(yīng)器可替代傳統(tǒng)污水處理工藝的曝氣、二沉、混凝、過濾等多個(gè)處理構(gòu)筑物，大大減少了對(duì)土地的占用。

(3)剩余污泥排放少：有機(jī)負(fù)荷低、泥齡長，污泥產(chǎn)率低。

(4)不受污泥膨脹的影響：取消了傳統(tǒng)二沉池，以膜過濾實(shí)現(xiàn)固液分離，避免了傳統(tǒng)工藝污泥膨脹對(duì)出水水質(zhì)的影響。

(5)氨氮去除率高：有利于增殖緩慢的硝化菌的截流、生長和繁殖，氨氮去除效果好。

(6)抗水質(zhì)沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)：由于具有很高的生物相濃度，抗沖擊負(fù)荷的能力很強(qiáng)，這對(duì)于保證水質(zhì)變化較大的合流制城市污水處理設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行，尤顯重要。

由于采用微濾濾膜分離技術(shù)進(jìn)行固液分離，不僅保障出水SS低，且大大提高了生物反應(yīng)器中的生物濃度和種群數(shù)量，特別是像硝化菌這類不易形成菌膠團(tuán)的細(xì)菌被截留，使得生物降解效率得到提高。因此，膜生物反應(yīng)器不單純是生物處理與膜分離技術(shù)的簡單疊加，具有“1+1>2”的效應(yīng)。

2.3 全地下集約化布置

面對(duì)傳統(tǒng)污水處理廠建設(shè)的用地、環(huán)保等諸多問題，地下污水處理廠提供了一種全新的選擇思路。地下污水處理廠建設(shè)的必要性和可行性已通過許多工程實(shí)踐得以證明：具有良好的防護(hù)性、密閉性和熱穩(wěn)定性，能更好地解決污水處理車間隔音、隔臭和隔熱(保溫)問題，能最大限度地利用土地資源，可與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益[3]。

根據(jù)不同的形式，地下式污水廠可分為半地下(操作層在地上，水池在地下)和全地下(操作層和水池都在地下)。這兩種形式的頂蓋上均可作對(duì)外開放利用，如圖2所示。

圖2 半地下和全地下布置示意圖Fig.2 Layout of Semi Underground and Full Underground Types

經(jīng)比較，半地下建設(shè)雖然在工程投資及處理成本方面有一定優(yōu)勢(shì)，但其整體的景觀效果與全地下相比還是相差較多。本工程地處東雞冠山風(fēng)景區(qū)入口處，且位于區(qū)域主要道路南側(cè)，土地價(jià)值高，環(huán)境敏感要求標(biāo)準(zhǔn)高，亟需一種景觀效果能達(dá)到最佳的建設(shè)形式。因此，本次小孤山再生水廠最終推薦采用全地下建設(shè)形式。除綜合樓、變電所和門衛(wèi)外，其余生產(chǎn)性建、構(gòu)筑物均集約化布置于一個(gè)大箱體內(nèi)，包括細(xì)格柵及曝氣沉砂池、膜格柵池、MBR生物反應(yīng)池、MBR膜池、MBR膜設(shè)備間、鼓風(fēng)機(jī)房、儲(chǔ)泥池、污泥濃縮脫水機(jī)房等。集約化箱體內(nèi)的所有水處理構(gòu)筑物均設(shè)加蓋，利于除臭。集約化箱體尺寸約為120 m×57 m，并在內(nèi)部設(shè)置中央通道，上部可走車輛，如圖3所示。

圖3 全地下箱體平面布置示意圖Fig.3 Sketch Map of Full Underground Box

2.4 深基坑設(shè)計(jì)

本工程為全地下水廠，采用集約化設(shè)計(jì)，水處理構(gòu)筑物基本均位于設(shè)計(jì)地面標(biāo)高以下，相應(yīng)基坑需要考慮整體開挖及施工操作。開挖較淺的區(qū)域可考慮采用放坡開挖，開挖較深的區(qū)域需考慮圍護(hù)開挖。其中，污水泵房基坑開挖深度為16.6 m，擬先行開挖施工，采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁+內(nèi)支撐進(jìn)行基坑支護(hù)開挖。其他區(qū)域中生物反應(yīng)池開挖深度較大，達(dá)到8.5 m，采用上部放坡開挖+下部鉆孔灌注樁結(jié)合擋土板的支護(hù)方式，剩余區(qū)域開挖深度均在5.5 m以內(nèi)，采用放坡開挖或分層放坡開挖。坑內(nèi)采用管井降水，管井布置間距按照20 m控制。

3 全地下污水廠設(shè)計(jì)要點(diǎn)討論

3.1 高程布置

全地下集約化箱體分兩層，地下一層為操作檢修層，地下二層則為水池層。膜池區(qū)域因?yàn)槟そM件起吊要求，層高需達(dá)到7.5 m，而其他區(qū)域則僅需5.5 m。另廠區(qū)范圍內(nèi)，現(xiàn)狀地坪由西到東呈現(xiàn)從高到低的地勢(shì)走向，現(xiàn)狀標(biāo)高約為71.00～68.00 m，因此，廠區(qū)地坪設(shè)計(jì)標(biāo)高自南向北采用72.00～70.00 m。根據(jù)箱體內(nèi)不同層高要求和廠區(qū)地坪設(shè)計(jì)情況，本工程巧妙地將不同層高要求消納在地坪標(biāo)高漸變過程中，即將層高要求較高的膜池區(qū)域布置于廠區(qū)南側(cè)下方，層高要求較低區(qū)域則布置于廠區(qū)北側(cè)下方。以上高程布置可在一定程度上減少全地下箱體的整體埋深，從而降低造價(jià)。

3.2 進(jìn)出通道設(shè)置

為保證全地下箱體進(jìn)出口能形成環(huán)路，本工程分別在箱體南側(cè)和北側(cè)各設(shè)置一處通道出入口，通過坡道逐漸爬升至地面。進(jìn)出通道寬6 m，以消防車可以進(jìn)入來進(jìn)行設(shè)計(jì)，坡度≤1∶8。

3.3 消防設(shè)計(jì)

一體化構(gòu)筑物內(nèi)主要生產(chǎn)構(gòu)筑物均為污水、污泥凈化處理的蓄水或盛水構(gòu)筑物，在正常生產(chǎn)情況下，一般不易發(fā)生火災(zāi)，只有在操作失誤、違反規(guī)程、管理不當(dāng)及其他非常生產(chǎn)情況或意外事故狀態(tài)下，才可能由各種因素導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生。國家尚未對(duì)工業(yè)用途的大型地下箱體給出消防分區(qū)的要求，本工程參考國內(nèi)已建的地下污水處理廠的消防分區(qū)劃分方式，對(duì)本工程中地下箱體消防分區(qū)進(jìn)行了劃分。整個(gè)地下箱體共劃分了5個(gè)防火分區(qū)，每個(gè)防火分區(qū)面積按≤2 000 m2控制。全地下箱體內(nèi)設(shè)置了室內(nèi)消火栓系統(tǒng)和自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。

3.4 應(yīng)急設(shè)計(jì)

本工程污水廠采用全地下建設(shè)形式，在安全運(yùn)行方面要求較高。因此，擬采取以下多方面措施，從而保證整個(gè)全地下箱體的安全運(yùn)行。

(1)應(yīng)對(duì)臨時(shí)停電

全廠設(shè)置兩路電源，確保用電安全。全地下再生水廠若臨時(shí)停電或出現(xiàn)緊急故障后，容易被上來水淹沒。本工程出于安全考慮，擬于進(jìn)水端設(shè)置1道斷電自閉式閘門。若發(fā)生緊急情況，能夠及時(shí)隔斷來水，避免地下箱體被污水淹沒。

(2)防洪設(shè)計(jì)

本工程于廠區(qū)設(shè)置排洪溝，確保廠區(qū)排澇安全，同時(shí)于地下通道末端設(shè)排澇泵房2座，確保整個(gè)地下空間的排澇安全。

4 結(jié)語

(1)針對(duì)高出水標(biāo)準(zhǔn)，本工程采用MBR這種較為先進(jìn)的工藝作為小孤山再生水廠的主體工藝，可以保持出水有效且穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

(2)巧妙結(jié)合現(xiàn)狀地形和地下箱體高程需求進(jìn)行豎向設(shè)計(jì)，節(jié)約了埋設(shè)和投資。

(3)采用全地下建設(shè)形式，最大程度地節(jié)約了用地，同時(shí)確保了地面的景觀效果，使土地價(jià)值最大化。

(4)結(jié)合了先進(jìn)工藝和全地下建設(shè)形式，為國內(nèi)污水廠等類似工程提供了思路和案例參考。