小型污水處理站工程初設

蔡強，孟薇，鄧啟家

（合肥通用環境控制技術有限責任公司，安徽 合肥 230000）

2017年6月，國家公布了修改的《水污染防治法》，加大了環境防治和污染處罰力度，生態可持續發展再次成為衡量幸福指標的重中之重。但是，一些老城區、棚戶區、零散村落等人口集中地，改造或新建污水管網收集難度較大，投資效益也不高；因此小型或者超小型污水處理站興起。小型污水處理站在確保處理效果的前提下，盡量減少了占地、降低了運行費用和一次投資，且隨著設備的更新換代和自動化水平的提高，污水處理站的操作、運行、管理也更加方便。本文以合肥市職教城污水處理站工程為例，簡要介紹一下小型污水處理站工程初設。

1 項目概況

職教城污水處理廠位于合肥市東北部的職教城中部景觀河道下游西側的綠地中，一期規模：5000m3/d。污水處理廠出水水質應達到國家標準《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中的一級A標準。污水處理采用曝氣生物濾池，三級處理采用微絮凝快速過濾池，污泥處理采用機械濃縮脫水。

2 設計方案

2.1 水量、水質

（1）設計水量為5000m3/d，變化系數1.2。

（2）設計進水水質（表1）。

2.2 處理出水標準（表2）

2.3 工藝流程

（1）工藝方案的選擇原則。①考慮受納水體的稀釋和自凈能力，滿足出水水質要求，盡量降低占地、運行費用和工程投資；②工藝先進可靠，對水質變化適應能力強，運行管理簡便、靈活、穩定；③工藝方案應有利于以后的擴建；④污水處理排出的污泥應易于處理和處置。

表1 mg/l

表2 mg/l

（2）工藝選擇。本次設計方案確定以水解沉淀+前置反硝化（DN）生物濾池+硝化（C/N）曝氣生物濾池+石英砂快濾池+消毒工藝作為本工程的主體工藝設計方案。

（3）工藝流程圖（圖1）。

圖1

2.4 工藝說明

本工程設計污水經粗格柵進提升泵房后由提升泵提升至水解沉淀池進行水解沉淀預處理，水解沉淀前設置微濾機進行去除小顆粒懸浮物，同時進行加藥攪拌后進水解沉淀池，對總磷進行去除，為提高沉淀效果增加斜管沉淀系統；水解池后設2級曝氣生物濾池，在第1級反硝化（DN）生物濾池中主要通過硝化液回流完成對總氮的去除，及部分氨氮的去除，在第2級C/N曝氣生物濾池中主要完成對氨氮硝化及部分COD、BOD的去除；曝氣生物濾池出水經過石英砂濾池進行進一步去除懸浮物及降低濁度，出水進入接觸消毒渠，消毒后進清水池進行回用。各濾池反沖洗排水及水解沉淀池污泥進入污泥濃縮池，上清液回流到提升泵水池參與預處理，污泥由污泥泵提升至污泥處理系統處理后泥餅外運。

3 主體處理構筑物設計

3.1 預處理

（1）粗格柵及格柵井。①土建部分：格柵井3×0.6m，深度根據污水管網標高確定。②主要設備性能參數：臺數：1臺；設備類型：回轉式格柵機；設備寬度：0.55m；格柵井寬：0.6m；柵條間隙：b=10mm。

（2）提升泵房。①土建部分。設置提升泵房用于提升污水以滿足后續處理流程要求。提升泵站（集水池）為地下式鋼筋混凝土結構，污水經泵提升后進入水解沉淀池。考慮到水量變化設計有效容積為1小時水量，集水池長10m、寬6m、深5.5m，有效水深3.5m（暫定污水進水管網標高地面以下2.0m）。集水池內設置2臺潛污泵（1用1備），采用超聲波液位儀控制開停。②主要設備。設備名稱：潛污泵單機流量：Q=220m3/h；水泵揚程H=15m；電機功率15kW；臺數2臺（1用1備）；電動葫蘆T=0.5噸，起吊高度10米，1臺。

3.2 水解沉淀池

功能：截留污水中大部分懸浮污染物，將其中的有機污染物水解為可溶性有機物并對污水中有機物進行一定程度的降解；將生物處理系統產生的剩余污泥進行生物消化使其達到穩定狀態。

設計參數：表面負荷q=1.73m3/（m2·h），有效停留時間3小時，總高度7.5m。

（1）土建部分。水解沉淀池2座，單座尺寸長10.0m、寬6.0m、高7.5m。水解沉淀池內安裝有斜管系統，以提高沉淀性能。

（2）設備部分。排泥系統：1套；布水系統：1套；斜管系統：1套。

3.3 DN生物濾池

（1）工藝敘述。DN濾池主要截留污水中的SS并進行水解，對處理后污水中的硝態氮進行部分反硝化，同時降解污水中的有機污染物。

（2）主要設計參數。反硝化負荷：qDN=0.8kgNH3-N/m3濾料·d；硝化液回流比：190%；填料高度：3m；反沖洗周期：根據實際情況而定，一般24～36hr；水力停留時間：HRT=28min；反沖排水含SS量：600～650mg/L；反沖洗水強度：4～6L/m2·s； 反 沖 洗 氣 強 度：12～14L/m2·s；NO-3-N 的 去除量 =（45-15）×5000÷1000=150kg/d；V=150/0.8=187.5m3；S=V/H=187.5/3=62.5m2； 設 2格濾池，單格面積62.5/2=31.25m2；實際單池尺寸：5×7×6.5m，2座。

①土建部分。池體尺寸：5×7×6.5m，鋼筋混凝土結構，2座；填料形式：球形輕質多孔陶粒濾料；反沖形式：氣水聯合反沖洗；供氧形式：單孔膜曝氣器；供氧來源：羅茨鼓風機。②材料部分。球形輕質多孔生物濾料，性能參數：粒徑Φ4～6mm，數量：210m3；濾池專用防堵長柄濾頭，數量：2520套，性能參數：濾頭契型縫隙2.5mm，濾頭長度405mm；鵝卵石承托層，數量：21m3，尺寸參數：粒徑Φ8～16，16～32mm；標準濾板，數量：70塊，尺寸參數：960×960×102mm。

3.4 C/N級曝氣生物濾池

設計參數。反沖洗周期：根據實際情況而定，一般48～72hr；硝化負荷：0.65kgNH3-N/m3濾料·d；反沖洗水強度：4～6L/m2·s；反沖洗氣強度：12～14L/m2·s； 填 料 高 度：3m；V=5000×（45-5）/1000/0.65=307m3；S=V/H=307/3=102.3m2； 取 3 格濾池，單池面積S=102.3/3=34.1m2；實際單池尺寸5×7×6.3m，共3座。

土建部分：池體尺寸：5×7×6.3m；鋼筋混凝土結構：3座；填料形式：球形輕質多孔陶粒濾料；反沖形式：氣水聯合反沖洗；供氧形式：單孔膜曝氣器；供氧來源：羅茨鼓風機。

材料部分。球形輕質多孔生物濾料：性能參數：粒徑Φ3～5mm，數量：315m3；濾池專用單孔膜曝氣器：數量：4530套，性能參數：膜孔直徑Φ1.2mm；濾池專用防堵長柄濾頭：數量：3780套，性能參數：濾頭契型縫隙2.5mm，濾頭長度405mm；鵝卵石承托層：數量：32m3，尺寸參數：粒徑Φ8～16，16～32mm；標準濾板：數量：105塊，尺寸參數：960×960×102mm。

耗堿量計算如下。

由硝化總反應方程式：N H4

++1.8 6 O2+1.9 8 N O3-硝 化 細 菌0.0206C5H7O2N+0.98NO3-+1.04H2O+1.88H2CO3每氧化1mgNH4+-N為NO3

—-N，需要消耗堿7.07mg(以CaCO3計)，源水NH4+-N含量最高為45mg/l，需消耗總堿度282.8mg/l。

3.5 污泥處理

工藝過程的最終污泥由水解沉淀池及曝氣生物濾池反沖洗過程排出，每天排水含水率為99.4%的剩余污泥約77.5m3，剩余污泥排入污泥池，污泥池尺寸5m×4m×4.0m，上清夜回流至提升泵集水井，污泥由提升泵提升至污泥脫水系統脫水處理，出泥餅2.325t/d，含水率80%；泥餅干重0.465t/d。

3.6 反沖洗風機房、控制室

用于安裝反沖洗風機（設置于管廊內），PLC控制系統。

（1）土建部分。結構：鋼混結構；尺寸：10.0×5.0m。

（2）設備部分。曝氣風機：（C/N池）風量5.92m3/min，風壓0.06MPa，功率11kW，3臺（2用1備）；反沖洗風機：風量13.6m3/min，風壓0.06MPa，功率22kW，2臺；反沖洗水泵：反沖洗進水強度15m3/m2·h，1臺；回流水泵：Q=200m3/h，2臺。

3.7 反沖洗用清水池計算

反沖洗水量：Q=525m3/h。

每池每次沖洗10分鐘用水量：525/6=87.5m3。

反沖洗清水池尺寸：6m×5m×4.5m（有效水深3m）。

3.8 加藥間

加藥間設1套自動加藥系統，平面尺寸7m×4m。

4 主要自控系統設計

全廠工藝設備的控制設有三種方式：現場操作箱硬手動控制、PLC自動控制、中控室電腦鍵盤遠程控制（軟手動）。這三種控制方式互相補充，正常運行時是以PLC的自動控制為主，在必要的時候以硬手動或軟手動控制作為補充，如圖2。

圖2 控制系統結構圖

4.1 中控室

中央控制室通過工業以太網連接各個現場PLC站，為實現監控管理功能，中央控制室內要設置監控、管理計算機二套作為上位機，配置打印機打印各種報表和報警信息，同時配置大型投影儀或模擬顯示屏顯示全廠實時工況。

上位機分為操作員管理站和工程師管理站，均由一臺工業控制計算機組成。操作員管理站也是監控計算機，它始終在線，提供中文顯示的全部工藝流程圖，以中文方式在線報警，并將報警信息存檔、記錄，自動生成報表并打印，可顯示圖形/棒圖、趨勢和幫助，可進行實時和歷史數據分析，驅動模擬屏，發出遠程控制指令等；工程師管理站也是管理計算機，它與操作員計算機互為熱備，除具有操作員計算機的全部功能外，還可供具備一定管理權限的人員進行注冊、應用程序開發、工藝參數設定更改、數據庫組態報表格式的定義、編輯、歸檔和讀取文件、訪問等級和密碼的設定、系統管理功能等。投影儀或模擬屏由工程師計算機驅動，實時顯示全廠工藝狀態、工藝參數。

4.2 PLC控制站

作為污水處理的控制核心，選用的PLC控制器應在污水廠和其它工業系統中廣泛使用。系統應能在惡劣環境下長期可靠無故障運行，具有良好的擴展性、兼容性。

（1）進水井。進水井是污水廠的第一個構筑物，在進水井內設置幾條進水渠道和一條超越渠道，分別以自動閘板或閥門控制。井內設液位監測設備，及時將液位情況反應到PLC中，PLC可根據液位情況控制進水閘板的開啟，以保證工作格柵有適合的工作液位，并在必要時控制超越渠道上的自動閘板或閥門開啟，保證水廠的安全。

（2）格柵。格柵井內需要對格柵的啟停進行自動控制，否則會發生格柵堵塞，影響進水水量，甚至發生溢流情況。在格柵井中設液位差儀，通過格柵前后的液位差來反映格柵的堵塞情況，一旦液位差儀的差值達到了預先設定的數值，則格柵開啟，格柵在運行一段時間后停止。需要提到的是，格柵運行停止時，還應保持柵前柵后有一定的水位差，這樣可以提高格柵對水中雜質的攔截率。格柵一般會有配套的柵渣輸送設備和柵渣壓榨設備，這些設備都應隨著格柵的啟動而啟動，柵渣排入螺旋輸送機，然后進入螺旋壓實機。螺旋輸送機和壓實機隨任一粗格柵運行。當最后一臺粗格柵停止后，螺旋輸送機和壓實機繼續運行。螺旋輸送機在可調時間內將柵渣排空進入壓實機，壓實機在螺旋輸送機停止后，在可調時間內繼續運行。

（3）污水提升系統。污水提升泵的啟停個數一般由設在池內的液位計所提供的液位數據判定，總的原則是根據水泵的累計工作時間，使每一臺水泵的工作條件大致相同。在水泵的出水管上應設置流量計來監測污水廠實際處理的污水流量，記錄每天的累計流量，同時還應設壓力測量儀，檢測出水壓力。污水提升池中可設pH、溫度、COD、氨氮、總磷等參數的檢測儀表，以了解污水廠進水的情況。

4.3 曝氣生物濾池的自控設計

（1）BAF工藝控制原理。生物濾池自動控制系統是BAF工藝自動化系統的核心控制環節，也是整個污水廠的主體工藝部分，下面以兩級BAF工藝來闡述控制原理。BAF的自控原理見圖3。

濾池狀態分為正常工作、反沖洗、備用、故障等幾種狀態，濾池上的在線儀表主要是溶解氧檢測儀表、流量計和濾池壓差檢測儀表。

①正常工作控制。濾池在正常工作狀態時，曝氣閥及進水調節閥開啟，其它閥門關閉，曝氣風機變頻運行，整個濾池自動運行。核心控制參數為濾速（控制水力負荷）、出水溶解氧（DO）水平及運行周期控制（保證生物活性）。

為使濾池的進水水量適當，并平均分配給每個濾池，最完善的控制方法是在每個濾池的進水支管上均設置自動調節閥門和流量計，根據每個濾池流量數據來控制進水支管上閥門的開啟程度，使進水流量與預先設定的流量相同，確保濾池在工藝設計工況（設計水力負荷）運行，但是這種控制方法由于安裝了過多的流量計，導致控制系統的成本較高。

圖3 BAF工藝自控原理圖

曝氣生物濾池的工藝曝氣控制十分重要，為了濾池的正常運行，應采取能夠盡量避免氣路堵塞、曝氣不均勻現象，并且一旦發生堵塞，能夠較方便清理的控制方法。推薦的控制方法是將風機與濾池做到一一對應，一臺風機只為一個濾池服務，這樣每個氣體流量計只顯示一臺風機的風量，在線式溶解氧儀和曝氣鼓風機組成閉環控制，使池內的溶解氧保持一定水平，當一個濾池曝氣出現堵塞時，可以方便地調節并且不會影響到系統內其他濾池的正常供氣。

②反沖洗控制。為保證生物活性，曝氣生物濾池需要進行定時反沖洗，正常情況下濾池反沖洗周期在24～48h比較合適，運行人員可以根據實際情況及時調整PLC中設定的數據。當載體間由于截留懸浮物的作用，導致濾床水頭損失增大，采用壓差計來測量濾池壓差的大小，作為濾池反沖的重要判斷指標。還有一種就是人為干預，產生一個反沖洗信號。

當濾池具備反沖洗條件時需停止正常工作，要排隊才能進入反沖洗工況（根據提出反沖洗申請的先后順序）。反沖洗程序為三段式沖洗：氣沖洗、氣水混合沖洗、水沖洗，其工藝過程：關進水調節閥——關閉曝氣鼓風機和鼓風機出口氣動閥門——開反沖洗排水閘板——開反沖洗進氣閥——啟動反沖洗鼓風機——開反沖洗水泵——開反沖洗進水閥——停反沖洗風機——關反沖洗進氣閥——開放氣閥——關放氣閥——開反沖洗水泵——關反沖洗進水閥——關反沖洗水泵——關反沖洗排水閘板——開進水閥——開曝氣進氣閥，此時濾池又開始正常工作。反沖洗周期、氣洗時間、氣水聯洗時間、水洗時間、排氣閥開啟時間均可由操作人員根據生產實際需要進行程序設定。當反沖洗狀態進行時，如出現進入反沖洗狀態的條件被破壞的情況，反沖洗工況自動停止。

③備用狀態。曝氣生物濾池系統在設計時都會按照比較保守的數據，加上污水廠進水水量的季節性變化也很大，因此經常會發生有濾池閑置備用的情況，這時，控制系統可根據每個濾池和設備閑置時間的多少而安排濾池的工作，讓每個濾池和設備都能獲得大致相同的檢修時間。沖洗曝氣器一般在濾池不工作、反沖洗進行前最合適。

④故障狀態。曝氣生物濾池在運行中若出現故障，應停電檢修。單個濾池的檢修不會影響其它濾池的正常運行，這也是采取DCS控制系統的優點體現。

4.4 系統結構和組成

本系統設計的結構為“分散控制、集中管理”，各單格濾池旁設分控柜（就地柜）一個，控制濾池的過濾及其閥門，包括反沖洗時的相關閥門。整個濾池設公共柜一個，安裝于反沖洗控制室，處理各分控柜的反沖洗申請，以及反沖洗設備的控制。各分控柜和公共柜通過工業控制網連接起來，實現數據的傳輸。如果全廠不設中控室，可在濾池附近室內（BAF中控室）設上位機監控站一臺，動態顯示濾池工藝工作狀況、設備運行狀況、反沖洗參數設置等；如果全廠設有中控室，這里的監控站可取消。系統結構見圖4。

圖4 濾池自控系統結構圖

系統由下列三部分組成。

（1）分控柜。亦稱就地控制柜，安裝于每格濾池旁。其主要功能為：對單格濾池進行污水過濾、曝氣控制及氣水反沖洗控制；顯示各閥門的開關狀況；動態顯示水位、水頭損失、溶氧率；顯示相關設備的工作狀態；對單格濾池的閥門實行自動控制，亦能對單個閥門進行手動操作；指示濾池的工作狀態；對有關故障進行聲光報警，聲音報警可以用開關控制。

（2）公共控制柜。簡稱公共柜，安裝于反沖洗控制室。其主要功能為：負責協調各格濾池反沖洗控制，以及設備內部間的網絡通訊；顯示反沖洗設備各閥門的開關狀況；顯示反沖洗設備的工作狀況；對反沖洗設備（反沖水泵、鼓風機等）及其出口閥門進行自動控制，亦能對單個進行手動操作；對有關故障進行聲光報警，聲音報警可以用開關控制。

（3）上位機監控站（可選）。安裝于BAF中控室。其主要功能為：動態監視各濾池的運行情況、相關設備及閥門的工作狀態；對反沖洗周期、濾池水位、水頭損失、反沖洗時間等參數進行設置；顯示有關參數的歷史曲線及棒狀圖；具有水位報警、通訊報警等，并為用戶提供進一步處理報警開發能力；報表管理：統計生成濾池運行情況的各種生產報表、報警報表等；打印功能：配置噴墨打印機一臺，打印各種報表及圖形。

4.5 控制方式和主要測控點

根據BAF工藝的要求，工藝設備的控制一般設有三種方式：現場操作箱硬手動控制；PLC自動控制；中控室電腦鍵盤遠程控制（軟手動），這三種控制方式互相補充。正常運行時是以PLC的自動控制為主，在必要時候以硬手動或軟手動控制作為補充，有時可根據個別需要在PLC站通過現場總線設HMI（人機界面）和連接遠程I/O，以便于現場人機對話。

主要測控點有：（1）數字I/O：曝氣機工作狀態；進出水閥、曝氣閥、排氣閥的開閉狀態；反沖洗水泵、反沖洗鼓風機啟停狀態；反沖洗水閥、氣閥開閉狀態。（2）模擬I/O：進水流量、進水閥閥位；濾床水頭損失、水位；溶氧率、曝氣量。

本廠采用的BAF工藝，無需二沉池，流程簡化，且抗沖擊負荷能力也較強，處理效果穩定。目前，小型污水處理站因占地面積、工程投資和運行費用等優勢，越來越普及，特別是在工業、人口小規模的聚集區有著突出的商業和環保效益。本文初略設計了污水處理站工程方案，包括工藝、土建、電氣自控等。