耦合初雨調蓄處理設施的半地下污水處理廠設計案例

陳志真,林春曉,沈 丹,張宏偉

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北武漢 430010)

隨著城市的不斷發展和擴張,很多自然水體逐步轉變為城市內河。同時,人類活動的增多,有機物、氮、磷等外源污染物超量排放,造成部分河道水體污染越來越嚴重,甚至發黑發臭[1]。國內近年來的研究[2-3]表明,除了污水直排帶來的污染,初期雨水排放和合流污水溢流造成的污染也比較嚴重。因此,在污水處理廠的設計中,需要兼顧初期雨水及合流制污水的處理。本文以心圩江下游污水處理廠為例,介紹在水環境綜合整治項目中污水處理廠的總體方案、主要設計參數、設計特點等,為同類項目提供借鑒。

1 工程概況

心圩江下游污水處理廠位于南寧市高新大道南側、羅賴溝西側,設計規模為6萬m3/d。其納污范圍為13.82 km2,大部分區域為雨污分流排水體制,合流制區域僅占1.6%(圖1)。但分流制區域存在較多的污水直排河道和雨污錯混接問題,河道面臨初期雨水及合流溢流污染的影響。因此,在污水處理廠設計建設中還兼顧了系統內初期雨水的調蓄和處理設施。

圖1 項目初雨及污水收集服務范圍

按照截流6.5 mm初雨量計算,調蓄池總容積為63 000 m3,利用潛污泵24 h排放至污水處理廠,則初雨收集處理量約為6萬m3/d。設計3座調蓄池(編號X1、X2、X3),有效容積分別為18 000、30 000 m3和15 000 m3,其中X3調蓄池與污水處理廠合建。為做到污染物削減最大化,設計雨季3萬m3/d的初雨可進入污水系統處理;雨季設計流量達9萬m3/d,旱季設計流量達6萬m3/d,峰值系數為1.5;一級強化處理系統設計流量為3萬m3/d。因此,污水處理廠雨季總處理能力可達12萬m3/d。

2 總體方案

2.1 設計水質

污水處理設計進水水質如表1所示,出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。初期雨水處理設計進出水水質如表2所示。

表1 污水處理設計進出水水質

表2 初期雨水處理設計進出水水質

2.2 污水處理廠建設形式

下游污水處理廠選址在羅賴溝以西,現狀為市政公園,為心圩江景觀帶的重要節點。污水處理廠建設需要充分考慮與周邊景觀環境相融合。由于全地下污水處理廠比半地下型式的基坑更深,投資明顯增多,全地下污水處理廠采光、通風條件相對較差,運行電費較半地下形式更高[4]。本項目采用半地下的建設形式,頂部及周邊覆土充分綠化,以盡可能地還原綠地,降低對周邊環境的影響,建設形式如圖2所示[4]。

圖2 半地下式污水處理廠[4]

2.3 工藝流程

為降低初期雨水對心圩江的污染,結合污水處理廠建設,在管網末端設初雨調蓄池,對初期雨水進行調蓄、儲存、均質后,待雨季峰值過后,啟泵均勻抽排至污水處理廠進行處理,保證污水處理廠運行穩定。在近期仍存在合流制溢流污染的情況下,利用調蓄池儲存合流污水,避免對河道造成嚴重污染。

污水處理工藝流程:污水→粗格柵+污水泵房→細格柵+曝氣沉砂池→改良厭氧缺氧好氧(AAO)生化池→矩形周進周出二沉池→中間提升泵房→加砂高速沉淀池→轉盤濾池(預留)→紫外線消毒渠→接觸消毒池→巴氏計量槽→尾水泵房→人工濕地→排放心圩江。

初期雨水處理工藝流程:初期雨水→粗格柵+調蓄池→初雨泵房→細格柵+曝氣沉砂池→加砂高速沉淀池→轉盤濾池(預留)→紫外線消毒渠→接觸消毒池→排放心圩江。

污泥處理采用由疊螺濃縮機+高壓隔膜板框脫水機組成的污泥濃縮+脫水處理單元。脫水后的泥餅含水率降低至60%以下,然后車載外運處置。

工藝流程如圖3所示。

圖3 工藝流程

2.4 總體布局

污水處理車間與初雨調蓄池為南北向布置,調蓄池位于北側,靠近來水管道方向。污水處理車間位于南側,總體尺寸L×B=196.00 m×99.10 m,如圖4所示。車行通道位于車間中間,兩側布置處理構筑物,污泥脫水區位于西北角,預處理區位于東北角,環境較差區域集中布置,更利于臭氣的收集和處理。兩組改良AAO生化池和矩形周進周出二沉池位于中間通道兩側。深度處理區的中間提升泵房、加砂高速沉淀池、加藥間等位于西側二沉池以南,轉盤濾池、紫外線消毒渠、尾水泵房等位于東側二沉池以南。管理區則位于車間南端,西側為辦公區,東側為配電中心和中控室。

圖4 處理車間及初雨調蓄池布局

2.5 主要構筑物及參數

(1)初雨調蓄池

調蓄池設在污水處理車間北側,與廠區進水泵房合建,為全地下式構筑物。調蓄池有效容積為15 000 m3,池體L×B=63.50 m×44.40 m,深度為12.80 m。最大排空時間為12 h。調蓄池內安裝水力沖洗門8套。

(2)粗格柵、進水泵房

粗格柵、進水泵房與初雨調蓄池合建,分污水和初雨泵房。污水泵房前安裝2道孔隙20 mm的粗格柵,渠道寬度為1.0 m,集水池有效容積為95 m3,設潛污泵3臺,2用1備,變頻控制;雨水泵房前安裝2道孔隙為20 mm的粗格柵,渠道寬度為2.5 m,初雨系統設潛污泵2臺,1用1備,變頻控制。

(3)細格柵間及曝氣沉砂池

細格柵采用內進流式網板格柵除污機,此類型細格柵過流量大,截污率高,克服了傳統柵條型細格柵(包括轉鼓細格柵)毛發、纖維纏繞的弊端[5]。設4條格柵渠道,其中初雨系統1條,污水系統3條渠道,2道機械細格柵,1道人工格柵(細格柵檢修時使用)。細格柵孔隙為3 mm,渠道寬度為1.9 m,柵前水深為1.6 m;人工格柵柵隙為30 mm,格柵寬度為0.9 m。

曝氣沉砂池為矩形池體,利用水下穿孔曝氣管,使污水保持渦流狀態。將污水中相對密度為2.65、粒徑0.2 mm以上的砂粒沉積下來去除,以保證后續工藝的正常運行。池體分為3格,其中用于污水系統2格,初雨系統1格。單格凈空L×B=19.00 m×4.00 m,有效水深為2.90 m。污水系統停留時間為6.2 min,水平流速為0.042 m/s;初雨系統停留時間為4.6 min,水平流速為0.06 m/s。

在曝氣沉砂池雨、污出水渠的中隔墻處設一道2 m寬下開式調節堰門,運行中可根據巴氏計量槽顯示的流量來調節進入污水系統的初雨水量。

(4)改良AAO生化池

改良AAO生化池由選擇池、厭氧池、缺氧池、好氧區串聯組成。設計水溫為15 ℃,污泥質量濃度為3 200 mg/L,污泥負荷為0.059 kg BOD5/(kg MLSS·d),總名義停留時間為15.2 h,其中選擇區為0.60 h,厭氧區為1.56 h,缺氧區為5.1 h,好氧區為7.9 h。設計氣水比為4.6∶1.0,硝化液回流比為200%～300%,污泥回流比為50%～100%。生化池2座,單座L×B=77.5 m×44.5 m,有效水深為6.0 m。

(5)矩形周進周出二沉池

該池型表面水力負荷高、布置緊湊、節省占地,適合在地下式污水處理廠內使用。本項目設計2座,共8格,單座L×B=34.55 m×45.00 m,有效水深為4 m,設計表面負荷為1.33 m3/(m2·h),校核表面負荷為1.47 m3/(m2·h),在設計標準允許范圍內。

(6)中間提升泵房

采用濕式泵房,采用4臺潛水軸流泵,3用1備,變頻控制。

(7)加砂高速沉淀池

設加砂高速沉淀池1座,分3格,其中2格用于污水系統,一格用于初期雨水一級強化處理。污水系統:混凝區停留時間為2.1～3.2 min,絮凝區停留時間為3.6～5.3 min,沉淀區直徑為8 m,上升流速為32.0～48.8 m/h,污泥循環率為6.2%～8.7%。雨水系統:混凝區停留時間為2.7 min,絮凝區停留時間為4.5 min,沉淀區直徑為8 m,上升流速為26.9 m/h,污泥循環率為5.3%～5.7%。系統投加的微砂粒徑為100～150 μm,平均補充量為2 mg/L。

主要設備。設置微砂循環泵9臺,單臺流量為60 m3/h,揚程為18 m;水力旋流器9臺,單臺流量為60 m3/h;刮泥機3臺,單臺直徑為7.8 m,功率為4 kW。

由于初雨系統為間歇運行,在雨季來臨前,可將池體提前調試啟動,以準備應對雨季流量。在處理間歇期,可定期開啟循環泵和刮泥機等設備,避免微砂板結。

(8)轉盤濾池-紫外線消毒渠-接觸消毒池

為節約占地,將轉盤濾池、紫外線消毒渠、接觸消毒池、巴氏計量槽、尾水泵房組合布置。

轉盤濾池分3格,其中2格用于污水處理,1格用于初雨處理。濾布孔隙為10 μm,盤片直徑為2.6 m。污水系統共48片,過濾面積為365 m2,設計濾速為10.3 m/h;初雨系統共16片,過濾面積為121.6 m2,濾速為10.3 m/h。土建尺寸L×B×H=16.1 m×10.3 m×3.3 m。

紫外線消毒渠分2條渠道,土建L×B×H=11.6 m×9.0 m×3.15 m。設計紫外透光率(UVT)為65%,紫外消毒劑量42 mJ/m2,采用低壓紫外燈管,發射波長為254 nm。為保證消毒效果,在紫外線消毒渠后設接觸消毒池,補投成品次氯酸鈉溶液,接觸時間為15 min。

(9)鼓風機房

鼓風機房位于生化池頂,采用高效節能的磁懸浮鼓風機,2用1備。單臺風機能力為130 m3/min,供氣增壓為75 kPa。

(10)加藥間

加藥間內設有混凝劑(10%液體PAC)、絮凝劑(粉末狀陰離子PAM)和乙酸鈉儲罐及投加設施。總L×B=26.3 m×12.8 m。

①PAC、PAM投加

PAC投加于加砂高速沉淀池進水端,污水系統PAC投藥量為8 mg/L(以Al2O3計),初雨系統PAC投藥量為10 mg/L(以Al2O3計)。PAM投加于加砂高速沉淀池絮凝區,污水系統最大投加量為0.8 mg/L,初雨系統最大投加量1.0 mg/L。

②碳源投加。采用20%液體乙酸鈉作為外加碳源,應對進水水質碳氮比(C/N)失衡的情況,乙酸鈉設計投加量為38 mg/L,投加點位于缺氧池的進水端。設隔膜計量泵4臺,2用2備。

③次氯酸鈉投加。采用10%液體次氯酸鈉作為消毒劑,平均投加量為5.0 mg/L(以有效氯計)。設隔膜計量泵2套,1用1備。

(11)污泥脫水車間

設計絕干污泥量旱季為8 t/d,雨季為15.8 t/d,采用加藥調理+疊螺濃縮機+高壓板框脫水工藝。剩余污泥含水率約為99.2%,濕污泥量旱季為1 005 m3/d,雨季為1 975 m3/d。經疊螺機濃縮后,含水率降低至約97%,濕污泥量旱季為267 t/d,雨季為528 t/d。加藥調理后,輸送至板框壓濾機脫水,泥餅含水率降至60%及以下外運處置。主要設備:污泥進料泵(轉子泵)2臺;污泥濃縮機2臺;低壓進料泵2臺;高壓進料泵2臺;板框壓濾機2臺,單臺過濾面積為450 m2。壓濾機工作一個批次4 h,旱季一臺工作,每天4個批次,雨季2臺同時工作,每天4個批次。

污泥脫水藥劑為PAM和三氯化鐵,投加量分別為4 kg/(t DS)和80 kg/(t DS)。

(12)除臭設計

根據除臭部位和臭氣濃度分為污泥區、西區、東區及調蓄池4個子系統,設計除臭總風量為14.5萬m3/h,具體如表3所示。采用密封負壓抽吸方式進行臭氣收集,經生物除臭裝置凈化后有組織排放,排放口高度大于15 m,廠界大氣污染物排放達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)二級標準。

表3 除臭系統設計風量

3 設計特點

(1)本項目半地下污水處理廠與初雨調蓄處理設施耦合設置,將污水治理與初期雨水和合流制溢流污染控制相結合,達到了最大削減入河污染負荷、保護心圩江水環境的目標。污水處理車間和調蓄池頂部覆土綠化,四周放坡后與周邊有效銜接,景觀效果好,與心圩江景觀帶整體環境協調統一。因此,項目具有良好的環境效益和社會效益。

(2)半地下式污水處理廠布置集約緊湊,節省占地。污水處理車間及附屬建筑占地面積為1.93 hm2,單位占地為0.32 m2/(m3·d-1);廠區紅線內總用地面積為3.74 hm2,以6萬m3/d規模計,占地指標為0.62 m2/(m3·d-1),與城市污水處理工程項目建設標準相比,僅為該標準用地指標的41.3%。

(3)污水處理采用改良AAO工藝,設計多點進水,能夠充分利用進水中的碳源進行反硝化脫氮,使出水TN降至較低水平,同時節約了外加碳源量;生化池各段內部均為完全混合池型,利用推流器作用使池內水流循環,增強了系統抗沖擊負荷能力,確保出水水質穩定。

(4)污水深度處理和初雨處理一級強化采用加砂高速沉淀池,該池型系統加載了微砂作為介質,增強了絮凝、沉淀效果,具有耐沖擊負荷能力強、出水水質好、占地節省等特點,且啟動速度快,適合初期雨水系統間歇運行工況[6]。本項目轉盤濾池設備并未采購安裝,僅預留了位置,實際運行出水水質穩定達到了設計要求。

(5)注重節能設計及節能型產品的使用。生化池空氣支管設線性調節閥和空氣流量計,可根據出水溶解氧和氨氮指標調節曝氣風量,以達到節能目的;鼓風機選用磁懸浮鼓風機,變頻控制,節約能耗。經統計運行電耗為0.33 kW·h/m3,為同類項目較低水平[7-8]。

4 運行效果

項目于2021年6月竣工投產,目前已接近滿負荷運行。由2022年1月—6月的運行數據(表4)可知,進水水質最高值已經達到甚至超過設計值,而出水水質達到并優于一級A排放標準。目前,全流域治理后的心圩江水環境已得到顯著改善,河道水質優于地表Ⅳ類水標準,部分指標達到Ⅱ、Ⅲ類指標。2021年、2022年心圩江污染物氨氮平均質量濃度分別為0.38、0.36 mg/L,污染物CODCr平均質量濃度分別為16.25、12.92 mg/L[9]。

表4 實際運行進出水水質

5 總結

(1)在水環境綜合治理項目中,可將污水處理廠與初雨調蓄池及一級強化處理設施耦合設置,這樣既可節省占地,又便于統一運行管理,集中調度。在提高流域污水處理水平的同時,可有效應對初期雨水及合流溢流污染問題。

(2)與全地下污水處理廠相比,采用半地下建設形式可節省投資;同時污水處理車間頂部及周邊覆土區域充分綠化,或通過建筑及景觀設計優化,可做到與周邊景觀環境較好地融合統一。

(3)采用“改良AAO生化池→矩形周進周出二沉池→加砂高速沉淀池→紫外線/次氯酸鈉聯合消毒”組合工藝,系統抗沖擊負荷能力強,技術穩定可靠,操作管理便利,運行能耗較低,實際運行出水水質達到并優于國標一級A排放標準。

(4)地下式污水處理廠較傳統地面式污水處理廠能耗高,在污水處理設計中更應注重低碳節能設計,使系統能耗處于較低水平。