污水處理廠提標擴建工程工藝設計
一、工程概況
長三角地區(qū)某污水處理廠規(guī)劃設計總規(guī)模為8.0×104m3/d，其中一、二期工程設計規(guī)模均為2.0×104m3/d，分別于2011年和2015年建成，采用“粗格柵及進水泵房+細格柵及旋流沉砂池+水解酸化池+AAO生化池+氣水反沖洗濾池+紫外消毒渠”處理工藝(圖1)，服務面積為30km2，出水水質(zhì)執(zhí)行《城市污水處理廠污染物排放標準》(GB18918―2002)一級A標準。廠區(qū)占地面積為105400m2(一、二期工程占地面積為49100m2)。目前，該污水處理廠已達到滿負荷運行，根據(jù)規(guī)劃，2025年污水廠服務面積將達到64.3km2，現(xiàn)狀污水廠的處理能力無法滿足遠期需求。隨著《水污染防治行動計劃》的實施，污水廠尾水排放標準也在提高，根據(jù)該工程入河口設置論證報告，出水水質(zhì)將執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838―2002)準Ⅳ類標準。因此，需要對現(xiàn)狀污水廠進行提標和擴建。
二、現(xiàn)狀污水廠運行狀況分析
2.1 現(xiàn)狀水量水質(zhì)
一、二期工程設計進水量為4.0×104m3/d，主要接收生活污水和部分工業(yè)廢水，其中工業(yè)廢水約占20%。該污水處理廠2016年―2018年的進出水水質(zhì)如表1、表2所示。由表1、表2可知，該污水廠現(xiàn)狀運行效果較好，出水水質(zhì)穩(wěn)定達到一級A標準，滿足設計要求。
2.2 存在的問題
雖然污水廠現(xiàn)狀運行狀況較好，出水水質(zhì)穩(wěn)定達到一級A標準，但考慮到提標擴建的需要，仍存在一定問題。
(1)現(xiàn)狀一、二期工程已滿負荷運行，并多次出現(xiàn)進水量超過設計規(guī)模的情況。
(2)實際進水BOD5濃度遠低于設計值，碳源不足，無法滿足進一步脫氮除磷的需求。
(3)部分出水水質(zhì)指標提升至準Ⅳ類，現(xiàn)狀工藝無法確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達標。
三、提標擴建工藝思路
3.1 設計水質(zhì)水量
本工程設計總規(guī)模為8.0×104m3/d，包括現(xiàn)狀污水廠4.0×104m3/d規(guī)模提標改造和4.0×104m3/d規(guī)模擴建兩部分。以實際進水中各污染物90%累計頻率濃度值作為參考，同時考慮污水廠服務范圍內(nèi)管網(wǎng)建設的逐步完善及截污控源工程的實施，為進水污染物濃度提高留有一定的富余量?？紤]到實際進水BOD5濃度與原設計值相差較大，本次設計對原設計進水BOD5進行修正，其他指標與原設計值保持一致。同時，根據(jù)本工程入河口設置論證報告，出水水質(zhì)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838―2002)準Ⅳ類標準(COD、NH3-N、TP分別達到30、1.5、0.3mg/L，其余指標執(zhí)行一級A標準)。設計進出水水質(zhì)如表3所示。
3.2 提標擴建的原則
(1)在污水處理工藝選擇上遵循“先生物強化，后物化輔助”的原則，采用技術先進、高效節(jié)能、穩(wěn)妥可靠、布置緊湊、易于操作管理的處理工藝。
(2)充分利用已建處理構筑物，以減少占地面積、工程投資和運行成本。
(3)三期擴建工程處理工藝盡量與一、二期工程提標改造工藝保持一致，以利于工藝銜接和運行管理。
3.3 工藝思路
3.3.1 總體工藝思路
進水營養(yǎng)物質(zhì)比例關系分析根據(jù)本工程的現(xiàn)狀進水水質(zhì)，BOD5/COD平均值為0.33，說明進水可生化性總體上較好，BOD5/TN的平均值為3，BOD5/TN<3的累積頻率為50%，表明進水碳源不足，需要額外投加碳源來滿足污水反硝化脫氮的需求，實際進水的BOD5/TP平均值為26.1，BOD5/TP≥20的累積頻率為72.7%，說明進水生物除磷效果尚可，因此，本工程可采用生物脫氮除磷工藝，同時為保證出水TP穩(wěn)定達標排放，考慮生物除磷和化學除磷相結合。
3.3.2 一、二期工程提標改造工藝方案
一、二期工程主導工藝為“AAO生化池+氣水反沖洗濾池”，實際出水的COD、NH3-N、TP的準Ⅳ類達標率分別為98.8%、93.8%、86.5%，表明現(xiàn)狀處理設施對COD、NH3-N的去除效果較好，但考慮到現(xiàn)狀進水水質(zhì)低于設計進水水質(zhì)，本次提標工程需要強化COD、NH3-N的去除，保證水量和水質(zhì)變化及冬季低溫條件下NH3-N和COD穩(wěn)定達標，現(xiàn)狀深度處理工藝缺少混凝沉淀單元，為確保TP及COD出水穩(wěn)定達到準Ⅳ類，本次提標考慮增加混凝沉淀工藝。而現(xiàn)狀進水BOD5濃度偏低且進水碳源不足，因此，本次提標工程需要考慮充分利用進水碳源并增加外碳源投加設施、提高內(nèi)回流比及污泥濃度來保證生物脫氮效果。同時，現(xiàn)狀生化池周邊已無可用之地，因此對生化池的改造無法擴大池容，需要對生化池內(nèi)部進行改造。
現(xiàn)狀生化池采用AAO工藝，將其改造為五段Bardenpho工藝簡單易行，同時五段Bardenpho工藝在處理城市生活污水時運行穩(wěn)定，基本不存在NO2-積累的困擾，硝化反應過程中產(chǎn)生的NO2-可以及時轉化為NO3-，因而脫氮效果較好。為強化NH3-N的去除，在無法增加好氧區(qū)池容的條件下，在好氧區(qū)增加懸浮填料，形成移動床生物膜反應器(MBBR)，懸浮填料較大的比表面積有利于微生物的附著生長，通過微生物的富集提高污泥濃度，反應器內(nèi)MLSS可高達30~40g/L，從而提高污染物去除效果?，F(xiàn)狀生化池改造后形成“Bardenpho-MBBR”工藝，目前該工藝已有較多工程實例且運行效果較好。深度處理增加高效沉淀池以強化TP、SS和COD的去除效果。改造后的工藝流程為“Bardenpho-MBBR+高效沉淀池+氣水反沖洗濾池+紫外消毒渠”。
3.3.3 三期擴建工藝方案
三期擴建工程規(guī)模為4.0×104m3/d，考慮到一、二期工程已經(jīng)運行多年，廠區(qū)運行管理已經(jīng)成熟，同時考慮一、二、三期工程的銜接，三期擴建工程工藝盡量與一、二期提標改造工程保持一致。一、二期工程分兩組，每組規(guī)模為2.0×104m3/d，三期擴建工程也設置成兩組，每組規(guī)模為2.0×104m3/d，可以獨立運行。由于一、二期工程粗格柵及進水泵房、尾水泵房、鼓風機房、加藥間、污泥濃縮脫水間土建規(guī)模均為8.0×104m3/d，本次擴建工程對上述單體僅增加4.0×104m3/d規(guī)模的設備安裝。
曝氣沉砂池具有水力停留時間較長、除砂效果好的優(yōu)勢，除砂工藝選擇曝氣沉砂池，由于進水中含有部分工業(yè)廢水，為提高進水的可生化性，仍設置水解酸化池。由于現(xiàn)狀AAO生化池運行效果較好，出水各項指標的平均值已經(jīng)達到準Ⅳ類設計要求，且污水廠運行管理人員已經(jīng)對該工藝相當熟悉，同時考慮到擴建工程用地面積較充裕，本次擴建工程生化池采用改良型AAO工藝，同時為強化對COD、NH3-N的去除，采取延長好氧區(qū)水力停留時間、提高內(nèi)回流比、投加碳源等措施強化生物脫氮除磷，保障出水水質(zhì)穩(wěn)定達標。深度處理與一、二期提標工程一致，采用“高效沉淀池+氣水反沖洗濾池+紫外消毒渠”工藝。
提標擴建后的工藝流程如圖2所示。
四、工藝設計
4.1 一、二期提標改造構筑物設計
4.1.1 AAO生化池改造
現(xiàn)狀AAO生化池設計規(guī)模為4.0×104m3/d，分2座，單座尺寸L×B×H=58.7m×41.3m×6.3m，有效水深為5.5m，超高0.8m，設計水力停留時間為14h，其中厭氧區(qū)停留時間為1.5h，缺氧區(qū)停留時間為4.5h，好氧區(qū)停留時間為8h?？紤]到現(xiàn)狀生化池周邊已無可用之地，因此在保持現(xiàn)狀生化池池容不變的條件下，僅對生化池內(nèi)部進行改造。保持現(xiàn)狀AAO生化池厭氧區(qū)AP和缺氧區(qū)AN不變，在好氧區(qū)O后面增加后缺氧區(qū)和后好氧區(qū)，將三段APANO工藝改造為五段Bardenpho工藝(APAN1O1AN2O2)，O1區(qū)、AN2區(qū)、O2區(qū)停留時間分別為6、1h和1h，并在O1的第四、五格投加填料形成MBBR反應池，后缺氧區(qū)AN2增設攪拌器，可根據(jù)進、出水水質(zhì)調(diào)整運行模式，保證系統(tǒng)硝化和反硝化的效果，后好氧區(qū)O2進一步去除BOD5，在后缺氧區(qū)AN2設置外碳源投加點，進水碳源不足時投加外碳源。設計MLSS=3500mg/L，填料污泥濃度為10000mg/L，硝化速率為450gNH3-N/(m3?d)，填料投配料25%，填料比表面積為500m2/m3，污泥回流比為50%~100%，硝化液回流比為300%。增加內(nèi)回流泵6臺(Q=1300m3/h，H=1.5m，N=7.5kW)，懸浮填料為1.01×106m2(有效膜面積)，懸浮填料專用推流器8臺(N=3.5kW，葉輪直徑為1600mm)。
4.1.2 深度處理部分改造
現(xiàn)狀深度處理構筑物為V型濾池和紫外消毒渠，本次設計在現(xiàn)狀V型濾池之前新增中間提升泵房及高效沉淀池1座(合建)，規(guī)模為4.0×104m3/d，分2組，鋼筋混凝土結構，平面尺寸L×B=30.5m×28.6m，有效水深為6.85~7.2m。高效沉淀池機械混合時間為2min，絮凝反應時間為12min，分離區(qū)表面負荷為9.0m3/(m2?h)。設置潛水軸流泵3臺(Q=1133m3/h，H=3.5m，N=15kW，2用1備)，機械混合攪拌器2臺(500~1000s-1，N=15kW)，調(diào)速絮凝攪拌器4臺(30~60s-1，N=3kW)，中心傳動濃縮機2臺(Φ=11.3m，N=0.75kW)，污泥回流螺桿泵4臺(Q=42m3/h，H=10m，N=7.5kW，2用2備)，剩余污泥螺桿泵4臺(Q=15m3/h，H=20m，N=5.5kW，2用2備)。
4.2 三期擴建構筑物設計
4.2.1 細格柵及曝氣沉砂池
細格柵間和曝氣沉砂池合建，分2組，每組規(guī)模為2.0×104m3/d，地上式鋼筋混凝土結構，尺寸L×B×H=35.7m×9.3m×5.15m。每組設置格柵除污機1臺(B=1.2m，柵條間距為3mm，安裝角度為75°，N=1.5kW)，螺旋輸送機1臺(Q=2m3/h，L=3m，N=2.2kW)，螺旋壓榨機1臺(Q=2m3/h，L=3m，N=2.2kW)，鏈條式刮砂機1臺(B=0.6m，N=0.37kW，安裝角度為30°)，管式撇渣機1臺(DN300，N=0.37kW)，羅茨風機3臺(Q=11.0m3/min，H=0.04MPa，N=11kW，2用1備)。
4.2.2 水解酸化池
采用上向流復合式水解反應池，池體自上而下依次分為出水收集區(qū)、配水區(qū)、沉淀耦合反應區(qū)、污泥反應區(qū)和布水區(qū)，沉淀耦合反應區(qū)安裝傾斜平板填料促進泥水分離，同時作為載體富集微生物，配水區(qū)通過配水軟管與布水區(qū)相連，采用多點布水器進行配水。水解酸化池設計規(guī)模為4.0×104m3/d，設置2座，單座規(guī)模為2.0×104m3/d，半地上式鋼筋混凝土結構，尺寸L×B×H=30.5m×30.5m×6.8m(地下為0.75m)，有效水深為6.0m，HRT=4h，COD容積負荷為1.35kgCOD/(m3?d)。每座水解酸化池設置污泥泵2臺(Q=50m3/h，H=15m，N=5.5kW)，多點布水器32套(Q=30~50m3/h)，固定床平板填料140套(填料尺寸為4.0m×2.0m×1.5m，傾角為60°)。
4.2.3 改良型AAO生化池
由于NH3-N的出水標準提升至準Ⅳ類，考慮到現(xiàn)狀AAO生化池好氧區(qū)停留時間偏短，無法保證出水NH3-N穩(wěn)定達標，為強化NH3-N的去除效果，本次設計好氧區(qū)停留時間延長至10.7h，由于進水碳源不足，增加了碳源投加裝置，碳源采用乙酸鈉，最大投加量為60mg/L，同時，為提高系統(tǒng)的脫氮效果，將內(nèi)回流比設置為200%~300%。在好氧區(qū)后端增設攪拌器，根據(jù)需要可調(diào)為后缺氧區(qū)和消氧區(qū)的運行模式。新增2座改良型AAO生化池，單座規(guī)模為2.0×104m3/d，鋼筋混凝土結構，尺寸L×B×H=61.0m×42.0m×6.5m，有效水深為6.0m，設計MLSS=3500mg/L，污泥負荷為0.069kgBOD5/(kgMLSS?d)，泥齡為15d，污泥回流比為50%~100%，內(nèi)回流比為200%~300%，總停留時間為17.7h，其中預缺氧區(qū)停留時間為1.0h，厭氧區(qū)停留時間為1.5h，缺氧區(qū)停留時間為4.5h，好氧區(qū)停留時間為10.7h，厭氧區(qū)設置低速潛水推流器4臺(N=2.2kW，葉輪直徑為2300mm)，預缺氧區(qū)設置低速潛水推流器4臺(N=1.7kW，葉輪直徑為2500mm)，缺氧區(qū)設置低速潛水推流器6臺(N=2.2kW，葉輪直徑為2300mm)，好氧區(qū)末端設置內(nèi)回流泵3臺(Q=840m3/h，H=1.5m，N=7.5kW)。
4.2.4 配水井及污泥泵房
配水井和污泥泵房合建，設計規(guī)模為4.0×104m3/d，設置1座，半圓形布置，半地下式鋼筋混凝土結構，尺寸L×B×H=14.5m×8.5m×6.5m，設置污泥回流泵4臺(2大2小，小泵Q=420m3/h，H=6.0m，N=18.5kW，大泵Q=840m3/h，H=6.0m，N=37kW)，剩余污泥泵4臺(Q=100m3/h，H=6.0m，N=5.5kW，2用2備)。
4.2.5 二沉池
考慮到出水水質(zhì)要求較高，二沉池采用表面水力負荷較高的周邊進水、周邊出水輻流式沉淀池，設置2座周進周出輻流式二沉池，單座二沉池規(guī)模為2.0×104m3/d，鋼筋混凝土結構，池徑為38m，池邊水深為4.3m，超高0.5m，設計平均表面負荷為0.70m3/(m2?h)，沉淀時間為3h。每座二沉池設置1臺中心傳動單管吸泥機(周邊線速度≤3m/min，N=0.55kW)。
4.2.6 中間提升泵房及高效沉淀池
中間提升泵房與高效沉淀池合建，設置1座，設計規(guī)模為4.0×104m3/d，鋼筋混凝土結構，平面尺寸L×B=28.6m×30.5m，有效水深為6.85~7.2m。高效沉淀池機械混合時間為2min，絮凝反應時間為12min，分離區(qū)表面負荷為9.0m3/(m2?h)。設置潛水軸流泵3臺(Q=1133m3/h，H=3.5m，N=15kW，2用1備)，機械混合攪拌器2臺(500~1000s-1，N=15kW)，絮凝攪拌器4臺(30~60s-1，N=3kW)，中心傳動濃縮機2臺(Φ=11.3m，N=0.75kW)，污泥回流螺桿泵4臺(Q=42m3/h，H=10m，N=7.5kW，2用2備)，剩余污泥螺桿泵4臺(Q=15m3/h，H=20m，N=5.5kW，2用2備)。
4.2.7 氣水反沖洗濾池及反沖洗泵房
氣水反沖洗濾池與反沖洗泵房合建，設置1座，設計規(guī)模為4.0×104m3/d，鋼筋混凝土結構。濾池平面尺寸L×B=36.1m×28.8m，分2組，每組3格，分兩側對稱布置，中間為管廊，單格濾池面積為70m2，設計濾速約為4.0m/h。采用先氣沖洗、再氣水同時沖洗、最后水沖洗，同時表面橫向水掃洗持續(xù)全過程。氣沖強度為15L/(s?m2)，歷時3min，水沖強度為8L/(s?m2)，歷時6min。反沖洗泵房尺寸L×B×H=22.3m×7.3m×5.3m(地下2.7m)，設置反沖洗水泵3臺(Q=882m3/h，H=10m，N=45kW，2用1備)，羅茨鼓風機3臺(Q=31.5m3/min，H=0.05MPa，N=45kW，2用1備)。
4.2.8 紫外消毒渠
設計1座紫外消毒渠，規(guī)模為4.0×104m3/d，分兩格，鋼筋混凝土結構，尺寸L×B×H=11.0m×4.0m×5.0m(地下2.2m)，設置80根UV3000PLUS燈管(N=15kW)，紫外穿透率≥65%。
五、經(jīng)濟技術指標
本工程預計總投資為16896.57萬元，其中工程費為14010.77萬元，工程建設其他費用為1489.71萬元，工程預備費為775.02萬元，建設期貸款利息為580.73萬元，鋪地流動資金為40.34萬元。單位處理水經(jīng)營成本為1.21元/t，單位處理水總成本為2.02元/t。
六、結論
(1)該污水處理廠提標擴建工程設計總規(guī)模為8.0×104m3/d，分為一、二期提標改造和三期擴建兩部分，其中一、二期提標改造規(guī)模為4.0×104m3/d，三期擴建規(guī)模為4.0×104m3/d。
(2)考慮到現(xiàn)狀廠區(qū)構筑物已經(jīng)運行多年，廠區(qū)運行管理人員對現(xiàn)狀工藝流程較為熟悉并積累了豐富的經(jīng)驗，且考慮到現(xiàn)狀提標改造工程與三期擴建工程的銜接問題，三期擴建工程工藝流程基本與現(xiàn)狀提標改造工程工藝流程一致。
(3)本工程在現(xiàn)狀系統(tǒng)運行效果分析的基礎上，以充分利用現(xiàn)狀構筑物為原則，綜合考慮廠區(qū)現(xiàn)狀構筑物分布、用地情況等因素，對提標改造部分生化池和擴建部分生化池作了不同處理。在現(xiàn)狀生化池周邊已無可用之地的條件下，保持現(xiàn)狀AAO生化池池容不變，通過生化池內(nèi)部改造將現(xiàn)狀AAO生化池改造為“Bardenpho-MBBR”生化池，并通過外加碳源、增加內(nèi)回流比等措施保證生化池脫氮除磷效果，而擴建部分用地充足，采用了改良型AAO生化池，與現(xiàn)狀AAO生化池相比，增加了預缺氧區(qū)、延長了好氧區(qū)停留時間、增加了內(nèi)回流比、補充了外加碳源，通過上述措施強化生化池處理效果，確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達標。
(4)該工程的實施不僅可以改善當?shù)氐娜司迎h(huán)境，也有利于吸引外部投資，生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益顯著。（來源：中機國際工程設計研究院有限責任公司華東分院）
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