天津市某半地下式污水處理廠工程設(shè)計(jì)案例

楚小龍

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司天津分公司，天津 300300)

天津市某新建污水處理廠(一期)項(xiàng)目擬建規(guī)模為2萬m3/d，遠(yuǎn)期總設(shè)計(jì)規(guī)模為8萬m3/d，分期采用“2萬m3/d+2萬m3/d+ 4萬m3/d” 3個(gè)半地下箱體布置，總占地面積約為90 000 m2。

該工程設(shè)計(jì)面臨三大難題：近遠(yuǎn)期水量變化幅度大，出水水質(zhì)要求高，用地不規(guī)則。針對近遠(yuǎn)期水量變化幅度大，該工程采用3個(gè)半地下箱體布置，滿足不同階段污水量排放需求；同時(shí)，通過工藝方案比選及集約化廠區(qū)布置，在規(guī)劃用地不規(guī)則的前提下實(shí)現(xiàn)出水達(dá)標(biāo)。本文主要闡述了污水廠型式及二級處理工藝。

1 進(jìn)、出水水質(zhì)及工藝流程

1.1 進(jìn)、出水水質(zhì)

根據(jù)該工程污水量預(yù)測結(jié)果，處理污水中大部分是居民及公共設(shè)施的生活用水，工業(yè)用水占比僅為5.3%。結(jié)合國家《污水排入城市下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 31962—2015)和天津市地方《污水排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 12/356—2018)，同時(shí)考慮污水處理廠服務(wù)范圍內(nèi)的實(shí)際情況，確定該工程近期設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。

由表1可知：該工程BOD/COD=0.5，屬于好生化性污水；BOD/TN=3.57，一般認(rèn)為，BOD/TN>4，即可認(rèn)為污水有比較充足的碳源供反硝化菌利用，碳源略顯不足。為此該工程設(shè)置碳源投加系統(tǒng)，在進(jìn)水BOD/TN較低時(shí)投加碳源，以確保TN的達(dá)標(biāo)排放。BOD/TP=33.33，可采用生物除磷。

表1 工程設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)Tab.1 Design Influent Water Quality

根據(jù)天津市《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 12/599—2015)，“城鎮(zhèn)污水處理廠出水排入水環(huán)境，當(dāng)設(shè)計(jì)規(guī)模≥10 000 m3/d時(shí)，執(zhí)行A標(biāo)準(zhǔn)”的要求，該工程污水處理廠尾水排放執(zhí)行天津市《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 12/599—2015)中A標(biāo)準(zhǔn)。

該工程設(shè)計(jì)污水處理出水水質(zhì)如表2所示。

表2 工程設(shè)計(jì)出水水質(zhì)Tab.2 Design Effluent Water Quality

注：每年11月1日-次年3月31日執(zhí)行括號內(nèi)的排放限值

1.2 工藝流程

該工程生物處理采用改良型Bardenpho活性污泥工藝(圖1)，用于強(qiáng)化生物脫氮除磷，深度處理采用“高效沉淀池+深床濾池”進(jìn)一步去除COD及SS。污泥處理采用污泥離心濃縮脫水一體機(jī)，消毒方案采用“用泥處理采消毒+輔助臭氧脫色”工藝，根據(jù)該工程不同構(gòu)筑物及設(shè)備產(chǎn)生臭氣的特點(diǎn)，預(yù)處理構(gòu)(建)筑物及生物反應(yīng)池?cái)M采用較成熟的生物濾池除臭工藝，污泥脫水機(jī)房采用“離子送風(fēng)+生物濾池除臭”的組合方式。

圖1 污水處理廠工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of WWTP

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 建設(shè)型式

隨著我國城市化水平和居民環(huán)境要求的提高，能夠與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)、封閉性強(qiáng)、無二次污染的地下式(半地下、全地下)污水處理廠正在逐漸為城市污水治理工程建設(shè)提供新的思路。

該工程選址邊界西側(cè)與居住區(qū)域直線距離不足140 m，規(guī)劃環(huán)評要求“污水處理設(shè)施的衛(wèi)生防護(hù)距離不小于200 m”，進(jìn)一步降低了該工程可利用空間，該工程擬采用半地下式豎向布置型式。

污水處理池上部加雙層蓋，上部種植綠化。生產(chǎn)活動均位于密封的地下(圖2)。

圖2 半地下式雙層加蓋簡圖Fig.2 Sketch of Semi-Underground Double-Deck with Capping

相對于全地下式布局，半地下式布局池體均位于地下，上部空間無任何生產(chǎn)設(shè)施，景觀效果較好；設(shè)備可由生產(chǎn)區(qū)道路進(jìn)出，安裝方便；生產(chǎn)區(qū)設(shè)人員出入通道，景觀區(qū)與生產(chǎn)區(qū)獨(dú)立分隔，互不影響；臭氣的密閉性好，對周圍環(huán)境無影響；基坑深度較小，箱體突出地面約7～8 m，節(jié)約工程投資；同時(shí)，消防要求較高，需設(shè)置多個(gè)防火分區(qū)、消防樓梯、疏散口。

2.2 生化處理方案

五段Bardenpho由二級AO脫氮系統(tǒng)組成，進(jìn)水分兩路分別進(jìn)入?yún)捬醵?A)和第二個(gè)缺氧段(A2)，在工藝最前段設(shè)置厭氧除磷段。50%～70%進(jìn)水首先在厭氧段與外回流污泥充分混合，污泥在厭氧區(qū)進(jìn)行釋磷反應(yīng)后，進(jìn)入第一級缺氧段(A1)，利用污水中的碳源對內(nèi)回流中的硝態(tài)氮進(jìn)行反硝化，然后進(jìn)入好氧區(qū)進(jìn)行有機(jī)物降解、硝化和磷的吸收。另外一部分污水直接進(jìn)入第二級缺氧區(qū)(A2)，與來自前級好氧硝化段的污水混合，為反硝化提供碳源，完成上一級進(jìn)水產(chǎn)生的硝態(tài)氮的反硝化。第二級好氧段(O2)出水部分內(nèi)回流至第一級缺氧區(qū)。

工藝流程如圖3所示。

圖3 五段Bardenpho工藝流程圖Fig.3 Flow Chart of Five-Stage Bardenpho Process

本工藝結(jié)合了AAO和多級AO工藝兩者的優(yōu)點(diǎn)，主要特點(diǎn)如下。

(1)充分利用多級AO工藝順流反硝化的特點(diǎn)，大大減少內(nèi)回流比例。

(2)優(yōu)先利用碳源進(jìn)行脫氮，強(qiáng)化系統(tǒng)脫氮效果。

(3)通過各段進(jìn)水比例的調(diào)節(jié)，靈活應(yīng)對水質(zhì)變化。

該工程進(jìn)水以生活污水為主，根據(jù)該工程出水水質(zhì)要求，污水生化處理工藝需著重考慮TN的去除?！拔宥蜝ardenpho工藝”模擬自然界生物分解原理，創(chuàng)造適宜微生物生長的環(huán)境，分解有機(jī)污染物，是世界公認(rèn)的先進(jìn)高效工藝。除此以外，“五段Bardenpho工藝”具有節(jié)地、節(jié)能、高效、耐沖擊等優(yōu)勢，脫氮除磷程度高，出水穩(wěn)定可靠。同時(shí)，需結(jié)合天津地區(qū)污水處理的實(shí)際情況，并考慮后期的運(yùn)營管理等因素。

因此，該工程二級處理工藝采用“五段Bardenpho工藝”。

2.3 方案總結(jié)

該工程具有以下三大難題。首先，用地不規(guī)則。該工程用地位于三角地帶，規(guī)劃占地面積約為90 000 m2，實(shí)際扣除環(huán)評要求的退線區(qū)域，污水處理設(shè)施占地面積約為57 700 m2。傳統(tǒng)地上廠土地利用率偏低，無法滿足本項(xiàng)目占地需求，因此，考慮集約化程度高的地下廠型式，同時(shí)考慮造價(jià)問題，選用半地下型式。

其次，該工程近遠(yuǎn)期水量變化幅度大。該工程遠(yuǎn)期規(guī)模為80 000 m3/d，根據(jù)地塊整體開發(fā)計(jì)劃，近期水量為20 000 m3/d，中期水量為40 000 m3/d，近期根據(jù)實(shí)際需求最小系列5 000 m3/d，單一半地下箱體無法滿足如此大的水量波動。因此，該工程考慮采用3個(gè)半地下箱體布置，滿足不同階段不同污水量排放的需求。

第三，出水水質(zhì)要求高。該工程污水處理廠尾水排放執(zhí)行天津市《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 12/599—2015)中A標(biāo)準(zhǔn)，其各項(xiàng)指標(biāo)值均達(dá)到地表Ⅳ類質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。為滿足出水水質(zhì)要求，該工程二級處理工藝選用脫氮除磷程度高、出水穩(wěn)定可靠的五段Bardenpho工藝。

3 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

該工程土建按照20 000 m3/d實(shí)施，其中粗格柵、細(xì)格柵、曝氣沉砂池、高效沉淀池按照2個(gè)系列(單系列10 000 m3/d)布置，初沉池、生反池、二沉池、深床濾池按照4個(gè)系列(單系列5 000 m3/d)布置；設(shè)備根據(jù)水量情況設(shè)置，最小進(jìn)水規(guī)模按照5 000 m3/d考慮，后期通過增加或更換設(shè)備達(dá)到20 000 m3/d。

3.1 預(yù)處理單元

預(yù)處理區(qū)域作為一個(gè)結(jié)構(gòu)分區(qū)布置在一起，包括進(jìn)水井、粗格柵及進(jìn)水泵房、細(xì)格柵及曝氣沉砂池、初沉池。粗格柵井中安裝2臺回轉(zhuǎn)式格柵除污機(jī)，格柵寬度為0.8 m，柵條間隙為20 mm，安裝角度為75°。進(jìn)水泵房設(shè)置2臺潛水離心泵(變頻，一用一備)，單泵流量Q=310 m3/h，揚(yáng)程H=13 m，功率N=18.5 kW，遠(yuǎn)期更換為大泵。細(xì)格柵渠道內(nèi)設(shè)置2臺轉(zhuǎn)鼓式格柵除污機(jī)，寬度為1 m，柵條間隙為6 mm。曝氣沉砂池安裝兩套桁車泵吸式吸砂機(jī)，近期高峰設(shè)計(jì)流量停留時(shí)間為9.28 min，水量達(dá)到10 000 m3/d，高峰停留時(shí)間為4.64 min。初沉池設(shè)置兩池(四格)，安裝一套非金屬鏈板式刮泥機(jī)，表面負(fù)荷為3.5 m3/(m2·h)，沉淀時(shí)間為0.97 h。

3.2 二級處理單元

生反池共設(shè)置兩座，4個(gè)系列，單系列處理規(guī)模為5 000 m3/s。厭氧、缺氧、好氧、缺氧和好氧段停留時(shí)間分別為1.0、5.0、10.8、4.0 h和1.0 h，污泥負(fù)荷為0.119 kg BOD5/(kg MLSS)。池內(nèi)設(shè)置有680套盤式微孔曝氣器和8臺潛水?dāng)嚢杵?。設(shè)計(jì)內(nèi)回流比為400%，外回流比為100%。

二沉池設(shè)置兩座，四個(gè)系列，高峰流量時(shí)表面負(fù)荷為0.99 m3/(m2·h)，設(shè)置2套非金屬鏈板式刮泥機(jī)，采用套筒閥排泥。設(shè)有2臺剩余污泥泵(變頻，1用1備)，單泵流量Q=22 m3/h，揚(yáng)程H=15 m。

3.3 深度處理單元

該工程深度處理單元為“高效沉淀池+深床濾池”組合，其中，高效沉淀池中快混池(兩組)尺寸為1.8 m×1.57 m，有效水深為7 m，停留時(shí)間為1.91 min；絮凝池(兩組)尺寸為7.5 m×3.3 m，有效水深為7 m，停留時(shí)間為16.8 min；沉淀池兩座，直徑為8.5 m，沉淀時(shí)間為28 min。

深床濾池可進(jìn)一步截留SS，并通過微絮凝原理具備除TP功能，同時(shí)具備生物脫氮功能，混合池尺寸為2.7 m×7.7 m，內(nèi)設(shè)攪拌器2臺。濾池區(qū)設(shè)置四格，單格凈尺寸為11.91 m×3.68 m，設(shè)計(jì)濾速為7.07 m。

3.4 污泥處理單元

污泥處理單元由儲泥池及污泥濃縮脫水機(jī)房組成。儲泥池一座兩池，共配備2臺潛水?dāng)嚢杵?。脫水機(jī)房配備兩套污泥濃縮脫水一體機(jī)，一用一備，預(yù)留一臺機(jī)位，遠(yuǎn)期增設(shè)一臺。該工程污泥由初沉池、二沉池、高效沉淀池污泥組成，經(jīng)脫水機(jī)處理后泥餅含水率低于80%。脫水機(jī)房內(nèi)還設(shè)置了絮凝劑制備輸送等裝置，用于污泥濃縮脫水。

4 工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

該工程總投資為28 775.96萬元，其中工程費(fèi)用為23 366.69萬元。國內(nèi)半地下式污水處理廠噸水投資約為4 500～5 500元(出水水質(zhì)為國標(biāo)一級A)，該工程約為常規(guī)半地下式污水廠的兩倍，主要原因如下。

(1)維護(hù)費(fèi)用較高，場地現(xiàn)狀為魚塘，魚塘多為淤泥質(zhì)土，換填及基坑支護(hù)費(fèi)用高；

(2)該工程分期實(shí)施，除半地下箱體分三期實(shí)施外，其余均在本次工程范圍，如綜合樓、出水及回用水泵房等，一期投資比例偏大。

5 工藝設(shè)計(jì)總結(jié)

(1)針對該工程近遠(yuǎn)期水量變化幅度大的問題，結(jié)合區(qū)域地塊開發(fā)規(guī)劃，創(chuàng)造性地提出“2+2+4”的三期建造方案，從而解決了污水廠遠(yuǎn)期規(guī)模大、近期水量小的難題。

(2)二級處理采用“五段Bardenpho工藝”，通過在進(jìn)水渠設(shè)置閘門，可以根據(jù)進(jìn)水水量、水質(zhì)的變化以及生反池內(nèi)環(huán)境條件的變化靈活地調(diào)整運(yùn)行模式，穩(wěn)定脫氮除磷效果；深度處理采用“高效沉淀池+深床濾池”進(jìn)一步去除COD及SS，同時(shí)，深床濾池預(yù)留反硝化模塊進(jìn)一步確保出水各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到天津市《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 12/599—2015)中A標(biāo)準(zhǔn)。