半地下組合式準四類出水污水廠擴建提標工藝設計

董長龍

（南京市市政設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210008）

0 引言

宜賓市南岸污水廠現狀處理規模5萬噸/天，出水標準為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A，進水高峰期已超負荷運行，暴雨時細格柵進水會發生溢流，擴建工程迫在眉睫。《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》（DB51/2311—2016）要求，自2020年1月1日起，現有城鎮污水處理廠直接向環境排放污水時，化學需氧量（CODCr）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）出水指標須按本標準執行。該出水標準除TN外，CODCr、BOD5、NH3-N、TP相當于《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）中的四類水標準，提標工程勢在必行。

宜賓市南岸污水廠為擴建提標預留的用地面積十分有限，且該廠位于宜賓市大溪口風景區和長江、岷江、金沙江交匯處，對廠區景觀要求很高，因此將該擴建提標建構筑物采用半地下組合式建設形式，既能充分節省占地，又便于在組合箱體頂部打造景觀，同時能控制建設成本。該文以宜賓市南岸污水廠半地下組合式擴建提標為例，通過對建設形式、工藝流程、平面和豎向設計、設計亮點、主要構筑物工藝設計、投資及運行成本等方面進行詳細闡述，為類似污水廠設計提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程規模

宜賓市南岸污水廠現狀規模5萬噸/天（即一期），規劃總規模10萬噸/天。該擴建工程規模5萬噸/天（即二期），提標工程規模10萬噸/天（即對一期和二期出水一并提標），中水回用工程規模1.5萬噸/天（即對提標出水進行回用）。

1.2 進、出水水質

根據宜賓市南岸污水廠近五年進水水質數據分析，現狀一期設計進水水質數值能夠覆蓋95%以上的實際進水水質，因此該擴建設計進水水質沿用現狀一期工程設計進水水質。

現狀一期工程設計出水水質為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A，實際出水能穩定達標。該提標工程設計出水水質按照《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》（DB51/2311—2016）準四類要求執行。該工程相關進、出水水質情況見表1。

表1 進、出水水質主要指標一覽表

1.3 建設形式

宜賓市南岸污水廠現狀一期工程采用傳統的地上分散式建設形式。現狀一期工程分兩次建設，一期一次工程位于廠區西北側，采用CASS工藝；一期二次工程將CASS工藝改造為改良A/A/O工藝，并在廠區西南側進行一級A提標，新建二沉池、高效沉淀池和濾布濾池等設施。

該二期擴建和提標工程位于廠區東側空地，除新建的總配水井、儲泥池和脫水機房位于一期范圍外，其余建構筑物均設置在東側空地。該空地占地面積24878m2，須新建5萬噸/天規模的一、二級處理流程和10萬噸/天規模的準四類提標流程，可建設用地面積十分有限，無法采用傳統分散式建設形式，采用組合式建設形式不僅可以解決占地有限的問題，還可以實現整體景觀打造，宜賓市南岸污水廠總平面分布圖如圖1所示。地上分散式、全地下組合式、半地下組合式建設形式對比見表2[1]。

圖1 宜賓市南岸污水廠總平面分布圖

表2 污水廠地上分散式、全地下組合式、半地下組合式建設形式對比

相比地上分散式，半地下組合式占地面積省，處理效果穩定，對環境影響較小且景觀效果較好[2]；相比全地下組合式[3]，半地下組合式建設和運行成本較低，施工相對方便，輔助生產建筑物位于地上中間層，運維便利。因此，該擴建提標建設形式采用半地下組合式，將水處理相關建構筑物合建在組合箱體中；總配水井設置在廠區西側總進水管處，位于現狀一期范圍內；二期儲泥池和脫水機房設置在現狀一期脫水機房東側，便于統一管理。

2 總體設計

2.1 工藝流程

宜賓市南岸污水廠現狀進水來自廠外污水泵站，進水已經過粗格柵預處理。現狀一期主體工藝采用細格柵及旋流沉砂池→改良A/A/O生化池→輻流二沉池→高效沉淀池→濾布濾池→接觸消毒池→巴氏計量槽→出水。該擴建主體工藝采用細格柵及曝氣沉砂池→多級A/O生化池→矩形二沉池→磁混凝沉淀池。該提標工藝采用反硝化濾池，進水來自現狀一期高效沉淀池出水和該擴建磁混凝沉淀池出水，反硝化濾池后接10萬噸/天規模的接觸消毒池和巴氏計量槽，流經1.5萬噸/天規模的回用水泵池后，經出水泵池和新建的尾水排放口排至污水廠南側的鳳凰溪。

該擴建產生的生化和物化污泥通過新建儲泥池和脫水機房單獨處理，現狀一期污泥處理系統維持不變。由于新建了10萬噸/天規模的接觸消毒池及出水設施，現狀一期接觸消毒池可改造為服務該半地下組合箱體的消防水池，一期巴氏計量槽和尾水排放口廢棄，排放口由直排長江改為鳳凰溪。一期濾布濾池考慮備用，當反硝化濾池進水能達到準四類水質標準時，一期濾布濾池出水和該擴建的磁混凝沉淀池出水可超越反硝化濾池直接進入接觸消毒池，以節約運營成本。該擴建提標后污水廠工藝流程如圖2所示。

圖2 宜賓市南岸污水廠擴建提標后工藝流程

2.2 平面布置

該擴建提標將水處理建構筑物集合在一座半地下組合箱體內，箱體分底層、中層和頂層共3層，每層實現不同的功能。

2.2.1 底層平面布置

底層為水處理構筑物組合層，包括細格柵及曝氣沉砂池、多級A/O生化池、矩形二沉池、磁混凝沉淀池、反硝化濾池、接觸消毒池、巴氏計量槽、回用水泵池和出水泵池，完成5萬/天規模擴建和10萬噸/天規模提標的水處理流程。各構筑物進出水通過渠道或短管銜接，充分節省占地和水頭損失。

2.2.2 中間層平面布置

中間層主要為附屬生產設施分布層，包括進出水儀表間、鼓風機房、變電所、加藥間和除臭裝置。同時該層還是組合箱體的操作檢修層，在中間層的頂部梁下布置有吊車、電纜橋架、消防水管和除臭風管等。

多級A/O生化池采用鋼筋混凝土加蓋，局部設置檢修孔，進水儀表間、鼓風機房、變電所、加藥間和除臭裝置設置在生化池加蓋區域，出水儀表間設置在接觸消毒池進水渠道頂部加蓋區域。

中間層整體位于地上，為鋼筋混凝土框架結構，四周無圍護，創造了良好的自然通風和采光條件。

2.2.3 頂層平面布置

頂層為景觀層，位于組合箱體屋頂，通過不同類型、層次的植物搭配，營造與周邊環境相協調的觀景面。同時在生化池上部的頂層區域打造景觀水渠，以組合箱體準四類回用水

為水源，在末端通過跌水方式跌入位于室外地面的假山，并通過假山底部水池收集水渠出水，最終經廠區污水管回至組合箱體進水，實現回用水循環復用。

頂層除景觀設施外，排水設施尤為關鍵。頂層排水主要有雨水和景觀綠化日常澆灌余水。頂層排水形式采用天溝外排水，沿屋頂低點設置多條排水長溝，匯集至組合池屋頂四周女兒墻下的天溝，最終經雨水斗和雨水立管實現外排。同時，在女兒墻上設置溢流口，以實現極端暴雨超量雨水排放。

半地下組合箱體內各建構筑物分布如圖3所示。

圖3 半地下組合箱體內建構筑物平面布置圖

2.3 豎向布置

2.3.1 設計室外地面高程

宜賓市南岸污水廠現狀廠區室外地面高程為280.50m，廠區五十年一遇洪水位為280.39m，百年一遇洪水位為280.90m。考慮到污水廠位于長江邊，且核心建構筑物采用半地下組合式建設形式，該擴建提標廠區室外地面高程按百年一遇洪水位設計，確定為281.00m。

2.3.2 底層豎向布置

半地下組合箱體進水位于細格柵，進水水位標高為285.60m，全程重力流流經擴建和提標構筑物。底層構筑物底板標高可分為5個區域：細格柵及曝氣沉砂池區域底板標高278.00m，生化池區域底板標高277.15m，二沉池區域底板標高279.00m，磁混凝沉淀池和反硝化濾池底板標高276.50m，接觸消毒池、回用水泵池和出水泵池區域底板標高274.40m。半地下組合箱體底板未統一標高主要是為了減小開挖深度和節省土方開挖量，從而降低支護和土方等造價。出水泵池水位標高為277.45m，擴建提標全程水頭損失為8.15m。

2.3.3 中間層豎向布置

中間層室內地坪標高即為底層構筑物頂板頂標高。由于該層為附屬生產設施和操作檢修層，為便于附屬設施布置、設備吊運和通風采光，中間層室內地坪均高于室外地面標高，層高為5.4m～6.8m。

2.3.4 頂層豎向布置

頂層地坪標高即為中間層頂板頂標高。組合箱體頂層標高向東側長江方向逐漸降低，以營造與區域環境相協調的觀景效果。頂層地坪標高可分為4個區域：細格柵及曝氣沉砂池、生化池區域頂層地坪標高292.40m，二沉池、磁混凝沉淀池、回用水泵池和出水泵池區域頂層地坪標高290.80m，接觸消毒池區域頂層地坪標高287.40m，反硝化濾池區域頂層地坪標高286.40m。

3 設計亮點

3.1 半地下組合式建設形式

該工程將擴建和提標10座水處理構筑物、7座附屬生產設施合建在半地下組合箱體中，占地面積僅13350m2，其中二級處理噸水占地面積僅0.18m2，深度處理噸水占地面積僅0.04m2。處理流程全程采用重力流，各單體之間進出水通過渠道或短管銜接，充分節省水頭損失從而控制組合箱體埋深，組合箱體埋深2.0m～6.6m。箱體中間層位于室外地面以上，采用無圍護的框架結構，自然通風和采光條件良好。

綜上所述，該工程半地下組合式污水廠建設形式在確保處理效果、滿足環境和景觀要求的前提下，節省了一次性投資和后期運營成本，創造了較為便利的運維條件。

3.2 超長不設縫水池結構設計

該工程半地下組合箱體平面尺寸較大，長、寬分別達到150m、100m，設計時考慮設置雙墻對整個箱體進行分隔，并實現了大型水池的不設縫設計，避免滲漏隱患，減少施工難度，增加結構剛度，提高結構抗震性能，協調結構不均勻沉降，提高結構布置的自由度。

3.3 改良多級A/O生化處理工藝

該工程針對出水高標準要求，對多級A/O工藝進行了改良，采用預缺氧區→厭氧區→缺氧區→好氧區→消氧區→后缺氧區→后好氧區的組合方式，以強化生物脫氮除磷效果。預缺氧區消除硝態氮對厭氧釋磷的不利影響；缺氧區池體采用導流型，實現循環水力流態；消氧區降低內回流混合液中的溶解氧，減少對缺氧區反硝化的影響；后缺氧區用來強化反硝化脫氮；后好氧區恢復好氧微生物活性，進一步去除殘余氨氮和有機物，避免二沉池浮泥。

該工程改良多級A/O工藝兼具改良A/A/O工藝和五段式巴頓甫工藝的優點[4]。在改良型A/A/O工藝基礎上增加了消氧區、后缺氧區和后好氧區，削弱了內回流對反硝化的影響，延長了反硝化過程，對TN去除有提升和保障作用；在五段式巴頓甫工藝基礎上增加了預缺氧區和消氧區，降低了內、外回流對生物脫氮的不利影響。該工程改良多級A/O工藝在后缺氧區也設置了曝氣設施，將根據進出水水質情況靈活運行，是一種強化的生物脫氮除磷工藝形式。

3.4 與區域風貌相協調的景觀設計

宜賓市南岸污水廠位于大溪口風景區和長江、岷江、金沙江三江交匯口，對景觀協調性要求較高。該工程將組合箱體屋頂逐漸坡向長江一側，以實現較好的觀景視角，在屋頂設置高低錯落的景觀植物、水渠等，利用組合箱體準四類出水為水源，并對景觀用水再收集和處理，實現回用水的循環復用，從而將該工程打造成具有濱江園林和科教特色的區域代表性污水廠。

4 主要構筑物工藝設計

4.1 細格柵及曝氣沉砂池

細格柵及曝氣沉砂池1座，設計規模5萬噸/天。細格柵分3格，在每條進水渠道內設置回轉式中格柵和階梯孔板細格柵，用以截留污水中細小雜物。回轉式中格柵柵條間距為6mm，階梯孔板細格柵孔徑為3mm。在格柵后安裝無軸螺旋輸送器，安裝角度為5°，將柵渣送至下部柵渣裝運平臺。曝氣沉砂池分2格，最大停留時間5min，水平流速0.06m/s，每格配置1套橋式洗砂機。

4.2 多級A/O生化池

多級A/O生化池1座，設計規模5萬噸/天，分獨立2組。總水力停留時間16.5h，其中預缺氧區0.5h、厭氧區1.5h、缺氧區4.0h、好氧區8.3h、消氧區0.5h、后缺氧區0.5h、后好氧區1.2h。污泥外回流比為50%～100%，回流點位于預缺氧區；混合液內回流比最大為200%，起點位于消氧區，穿墻回流泵提升后經渠道送至缺氧區。生化池采用多點進水，預缺氧區進水流量占10%～30%，缺氧區進水流量占70%～90%，采用下開式堰門調節進水流量。預缺氧區、厭氧區和后缺氧區設置潛水攪拌器，缺氧區設置潛水推流器，好氧區和消氧區設置微孔盤式曝氣盤。

4.3 矩形二沉池

矩形二沉池1座，設計規模5萬噸/天，分獨立4組。矩形周進周出二沉池為圓形周進周出二沉池的改進型式，進出水為側進側出，運行原理與圓形周進周出二沉池一致。該設計二沉池平均流量表面負荷0.8m3/（m2·h），有效水深4.6m，每格配套鏈式刮泥機、液壓排泥管和旋轉撇渣器等。

4.4 磁混凝沉淀池

磁混凝沉淀池1座，設計規模5萬噸/天，分獨立2組。磁混凝沉淀技術是在常規混凝沉淀工藝中加入磁粉，使之與顆粒物絮凝結合成一體，加強絮凝效果，提高沉淀效率，強化分離過程，磁粉可以通過磁鼓回收循環使用。該設計每組磁混凝沉淀池包括混合池、磁混凝池、絮凝池和斜管沉淀池，其中混合時間1.5min，磁混凝時間1.5min，絮凝時間3min，沉淀池平均流量表面負荷12.8m3/（m2·h），最大流量表面負荷16.6m3/（m2·h）。

4.5 反硝化濾池

反硝化濾池1座，設計規模10萬噸/天。通過投加碳源，反硝化濾池可實現脫氮和過濾兩種功能。該設計反硝化濾池分8格，單格面積81m2，平均流量濾速6.4m/h，最大流量濾速8.3m/h，反硝化容積負荷0.55kgNO3-N/（m3·d）。反沖洗過程采用氣沖-氣水聯合沖-水沖三階段，每階段分別為5min、15min、5min，氣沖強度92m/h，水沖強度15m/h。

5 投資及運行成本

該工程總投資約3.6億元，建安費約2.6億元，其中半地下組合箱體建安費約1.1億元，其地基處理、基坑支護及降排水費用約2500萬元。建成后，該工程單位運營成本約1.48元/噸水。

6 結語

宜賓市南岸污水廠擴建提標采用半地下組合式建設形式，充分節省了占地和造價，單位建設用地面積僅0.22m2/噸水，同時利用自然通風和采光以節能降耗，并在組合箱體屋頂打造了與區域環境相協調的多元景觀，實現了回用水的循環復用。該工程采用改良多級A/O生化處理工藝和磁混凝沉淀池、反硝化濾池深度處理工藝確保出水水質達到地方準四類標準，為用地緊張、高出水標準和景觀要求的類似污水廠設計提供借鑒。