周友飛，蔣欣源，胡維杰

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200092)

為貫徹“水十條”精神，全面提升區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量，優(yōu)化慈溪市西部污水處理系統(tǒng)，提高城市污水處理能力，保障城市可持續(xù)發(fā)展，在慈溪市新建某污水處理廠(一期)項(xiàng)目。項(xiàng)目占地面積為24 014 m2，一期擬建規(guī)模為4萬m3/d，遠(yuǎn)期擬建規(guī)模為8萬m3/d。

工程設(shè)計(jì)主要面臨進(jìn)水水量水質(zhì)波動(dòng)大、出水水質(zhì)要求高及規(guī)劃用地緊張三大主要技術(shù)難題。通過工藝方案比選及集約化廠區(qū)布局，在有限的土地范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。本文主要闡述了項(xiàng)目工藝流程的確定以及廠區(qū)的總體布局，并對多模式AAO生反池和磁混凝高效沉淀池工藝的單體設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1 設(shè)計(jì)水質(zhì)及工藝流程

綜合考慮現(xiàn)有進(jìn)水水質(zhì)、污水納管標(biāo)準(zhǔn)、典型水質(zhì)特點(diǎn)等多方面因素確定本工程的設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)。出水各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于國標(biāo)一級A標(biāo)準(zhǔn)，其中CODCr、BOD5、NH3-N及TP指標(biāo)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅳ類水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，具體設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

為保證污水廠出水的高水質(zhì)要求，本工程采用“預(yù)處理+二級生物處理+深度處理”的污水處理工藝流程。預(yù)處理采用粗/細(xì)格柵、曝氣沉砂池和初沉池；生物處理采用多模式AAO工藝；深度處理采用新型磁混凝高效沉淀池+反硝化深床濾池工藝；污泥處理采用濃縮+外運(yùn)方案。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Flow Chart of Wastewater Treatment Process

2 集約化廠區(qū)總體布局

按照《城市污水處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(ZBBZH/CW，修訂)中污水廠建設(shè)用地指標(biāo)的最低標(biāo)準(zhǔn)，4萬m3/d規(guī)模的污水廠(二級處理+深度處理)最小占地約48 000 m2。而本工程規(guī)劃用地為24 014 m2，只有標(biāo)準(zhǔn)用地面積的一半。在如此有限的用地范圍內(nèi)，要實(shí)現(xiàn)污水廠出水水質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，工程設(shè)計(jì)面臨較大的挑戰(zhàn)。

生物處理構(gòu)筑物是污水廠的核心單元，也是占地面積最大的單元。生物處理區(qū)的布置是關(guān)鍵，本項(xiàng)目的多模式AAO生反池采用矩形廊道式，為與生反池銜接，初沉池和二沉池均采用矩形平流式沉淀形式，三池合建，初沉池出水渠即生反池進(jìn)水渠，生反池出水渠直接連接二沉池總進(jìn)水渠，一體化布置，高度集約，節(jié)省用地的同時(shí)也降低了能耗。其次，深度處理區(qū)沉淀工藝采用新型磁混凝高效沉淀池，水力負(fù)荷大，停留時(shí)間短，沉淀效率高，最大限度節(jié)省占地。

污水廠總平布置如圖2所示。按功能區(qū)劃分為廠前區(qū)、污水處理區(qū)、污泥處理及輔助用房區(qū)三個(gè)主要功能區(qū)，其中污水處理區(qū)又可細(xì)分為預(yù)處理區(qū)、生物處理區(qū)、深度處理及出水區(qū)。廠前區(qū)集中布置在廠區(qū)東南角，且位于東南上風(fēng)向處，保證良好的工作環(huán)境。污泥處理及輔助用房區(qū)布置在廠區(qū)北側(cè)下風(fēng)向處。根據(jù)污水廠進(jìn)、出水方向，粗格柵及進(jìn)水泵房、細(xì)格柵及曝氣沉砂池布置于廠區(qū)西南側(cè)，初沉池、AAO生物反應(yīng)池與二沉池合建布置于廠區(qū)西側(cè)。高效沉淀池布置于廠區(qū)西北側(cè)，反硝化深床濾池、加氯接觸池及出水泵房布置于廠區(qū)北側(cè)。

圖2 污水廠廠區(qū)布局圖Fig.2 Layout of Wastewater Treatment Plant

3 高標(biāo)準(zhǔn)出水水質(zhì)組合工藝

3.1 多模式AAO生反池工藝設(shè)計(jì)

隨著截污納管等一系列水污染治理措施的穩(wěn)步推進(jìn)，原本直接排入自然水體的工業(yè)污水逐步納入城市污水管網(wǎng)，與人口增長帶來的生活污水增量相比，污水廠服務(wù)片區(qū)工業(yè)廢水所占的比例逐漸增大。通過對片區(qū)現(xiàn)有污水廠的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，污水廠進(jìn)水水質(zhì)經(jīng)常超過原有設(shè)計(jì)指標(biāo)，且水質(zhì)水量的波動(dòng)對污水處理廠的運(yùn)行造成了一定的沖擊。本工程進(jìn)水接自中橫線污水干管，與原污水處理系統(tǒng)連接，進(jìn)水必然存在工業(yè)廢水帶來的水量、水質(zhì)波動(dòng)問題。

顯然，應(yīng)對污水水質(zhì)、水量的波動(dòng)，單一的生物反應(yīng)運(yùn)行模式很難保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。項(xiàng)目采用多模式AAO工藝，通過池型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)進(jìn)水的水量、水質(zhì)特性和環(huán)境條件的變化靈活調(diào)整運(yùn)行模式，切換為常規(guī)AAO工藝模式、改良AAO工藝模式和倒置AAO工藝模式運(yùn)行。常規(guī)AAO法主要適用于污水處理廠進(jìn)水NH3-N和TP濃度較低的情況，按常規(guī)的脫氮除磷可滿足要求；改良AAO模式主要適用于進(jìn)水TP濃度較高而NH3-N濃度不高，需要強(qiáng)化除磷效果的情況；倒置AAO法主要適用于污水處理廠進(jìn)水NH3-N較高，需要強(qiáng)化生物脫氮處理效果的情況。

本項(xiàng)目AAO生反池功能分區(qū)如圖3所示。當(dāng)污水從A池進(jìn)入，外回流污泥從A池進(jìn)入，混合回流液從C池進(jìn)入，形成了A池和B池為厭氧池，C池和D池為缺氧池的常規(guī)AAO工藝；為避免混合回流液中的硝酸鹽對厭氧區(qū)產(chǎn)生不利影響，在厭氧池之前增設(shè)厭氧/缺氧調(diào)節(jié)池，形成改良AAO工藝，污水按比例從B池和A池流入，外回流污泥從A池進(jìn)入，混合回流液從C池進(jìn)入，A池為選擇池(厭/缺氧)，B池為厭氧池，C池和D池為缺氧池；調(diào)整污水進(jìn)入點(diǎn)，污水按比例從A池、D池分別進(jìn)入，外回流污泥從A池進(jìn)入，混合回流液從A池進(jìn)入，形成了A池、B池和C池為缺氧池，D池為厭氧池的倒置AAO工藝。

圖3 多模式AAO生反池功能分區(qū)圖Fig.3 Functional Partition of Multi-Mode AAO Tank

工程設(shè)AAO生物反應(yīng)池1座，分兩組，平行運(yùn)行，污水經(jīng)中間進(jìn)水渠通過電動(dòng)進(jìn)水調(diào)節(jié)堰門配水進(jìn)反應(yīng)區(qū)，進(jìn)水渠下方設(shè)回流污泥渠，通過內(nèi)回流渠道閘門分配至反應(yīng)區(qū)。本次多模式AAO按常規(guī)“厭氧、缺氧、好氧”的順序進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

每組生反池設(shè)計(jì)流量為0.231 m3/s，混合液懸浮固體平均濃度設(shè)計(jì)取值4.0 g/L。好氧區(qū)污泥齡取9.5 d，好氧池計(jì)算容積為7 769 m3，實(shí)際單組好氧池平面尺寸為50.4 m×20 m，有效水深為8 m，有效容積為7 865 m3，水力停留時(shí)間為9.44 h。缺氧池按生物脫氮設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)進(jìn)水總凱氏氮為47.5 mg/L，出水總氮為15 mg/L，缺氧池計(jì)算容積為3 854 m3，實(shí)際單組缺氧池平面尺寸為27.4 m×20 m，有效水深為8 m，有效容積為4 204 m3，水力停留時(shí)間為5.0 h。厭氧區(qū)設(shè)計(jì)停留時(shí)間為1.5 h，生反池總計(jì)停留時(shí)間為15.9 h。設(shè)計(jì)混合液回流比為300%，污泥外回流100%，混合液回流泵及外回流泵均采用潛水軸流泵，各4臺，兩用兩備，混合液回流單泵參數(shù)：Q=700 L/s，H=1.2 m，P=15.3 kW；外回流單泵參數(shù)：Q=231 L/s，H=4.0 m，P=15.7 kW。每格厭/缺氧池和缺/厭氧池配置潛水?dāng)嚢杵?臺，共計(jì)8臺，每臺功率為5.0 kW；每格缺氧池配置潛水?dāng)嚢杵?臺，共計(jì)8臺，每臺功率為4.0 kW。

3.2 深度處理單元工藝設(shè)計(jì)

3.3.1 磁混凝高效沉淀池

高效沉淀池集高效混合、提升絮凝、斜板(管)沉淀三個(gè)過程于一體，目前在污水深度處理工藝中已廣泛應(yīng)用，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：①混凝與沉淀時(shí)間短，占地面積小，處理效率高；②同步高效除磷、SS、COD，出水水質(zhì)穩(wěn)定；③通過沉淀區(qū)污泥回流，提高絮凝效果，降低藥耗。

磁混凝高效沉淀池工藝是在常規(guī)高效混凝沉淀工藝中添加磁粉，使磁粉與混凝絮體有效結(jié)合，大大增加了混凝絮體的密度，加快了絮體的沉降速度。顯然，絮體沉降速度的提高可使沉淀區(qū)負(fù)荷增大，沉淀池面積可大大縮小。普通高效沉淀池水力負(fù)荷一般控制在12～18 m3/(m2·h)，磁混凝高效沉淀池工藝的水力負(fù)荷可達(dá)20～40 m3/(m2·h)[3]，相同流量下，后者占地較前者大為減小。本工程因占地緊張，磁混凝高效沉淀池自然是不二之選。再者，因混凝絮體密度及沉降速度增大，沉淀池藥劑(PAC、PAM)投加量大大降低，運(yùn)行藥耗費(fèi)用大大降低。相關(guān)研究顯示[3]，在某污水廠一級A提標(biāo)改造中試中，PAC投加量僅為5.2 mg/L，PAM投加量為0.45 mg/L，藥劑及磁粉費(fèi)用不足0.02元/t水，由此可見，磁混凝工藝帶來的日常運(yùn)行藥劑費(fèi)用的節(jié)省是相當(dāng)可觀的。

圖4 磁混凝沉淀池工藝流程圖Fig.4 Flow Chat of Magnetic Coagulation Sedimentation Tank

本工程磁混凝高效沉淀池工藝的流程如圖4所示。二沉池出水進(jìn)入磁混凝沉淀池，整個(gè)沉淀池分為磁混區(qū)和沉淀區(qū)兩個(gè)功能區(qū)。污水經(jīng)快速混合、磁粉混合及絮凝反應(yīng)后進(jìn)入沉淀區(qū)，在沉淀池實(shí)現(xiàn)泥水分離，沉淀污泥部分回流至磁粉混合區(qū)，剩余污泥經(jīng)磁分離裝置進(jìn)行磁粉回收后進(jìn)入后續(xù)污泥處理設(shè)施。磁分離裝置的設(shè)置解決了磁混凝技術(shù)應(yīng)用中磁粉的流失問題，常見的磁粉回收裝置有轉(zhuǎn)鼓型、格柵型、帶型等，本工程采用轉(zhuǎn)鼓型磁粉分離裝置，可實(shí)現(xiàn)磁粉回收率99%以上[4]，少量流失磁粉通過分離裝置進(jìn)行外加補(bǔ)充，與回收磁粉一起進(jìn)入磁粉混合區(qū)。參比類似項(xiàng)目的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，磁粉補(bǔ)充量不大于5 mg/L，對于4萬m3/d規(guī)模污水廠，磁粉補(bǔ)充量約為0.2 t/d，按磁粉價(jià)格3 000元/t考慮，磁粉補(bǔ)充費(fèi)用約0.015元/t水。

本工程設(shè)沉淀池共兩座，對稱布置，并行運(yùn)行，單池設(shè)計(jì)流量為0.322 m3/s。單池快混池及磁粉混合池平面尺寸均為2.5 m×2.5 m，有效水深為7.0 m，停留時(shí)間均為2.3 min；絮凝區(qū)平面尺寸為3.2 m×3.2 m，有效水深為7.0 m，絮凝時(shí)間分別為3.6 min?；炷齾^(qū)每格設(shè)置攪拌器，變頻控制，攪拌速度沿進(jìn)水方向逐漸降低，保證混凝效果。沉淀區(qū)采用斜管沉淀形式，斜管長1.5 m，高1.3 m，傾角為60°，斜管區(qū)上部清水區(qū)高1 m，沉淀區(qū)水力停留時(shí)間為5.1 min，加上混凝區(qū)停留時(shí)間，高效沉淀池HRT總計(jì)為13.3 min。沉淀區(qū)表面尺寸為6.7 m 6.5 m，設(shè)計(jì)表面水力負(fù)荷為27 m3/(m2·h)。

3.3.2 反硝化深床濾池

4 工藝設(shè)計(jì)總結(jié)

(1)在狹小的用地范圍內(nèi)，通過構(gòu)筑物一體化布置形式，最大限度節(jié)省占地，實(shí)現(xiàn)了用地少、出水水質(zhì)高的目標(biāo)。

(2)二級生物處理段采用多模式AAO工藝，通過池型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)進(jìn)水的水量、水質(zhì)特性和環(huán)境條件的變化靈活調(diào)整運(yùn)行模式，穩(wěn)定脫氮除磷效果。

(3)深度處理段磁混凝高效沉淀池工藝水力負(fù)荷高，停留時(shí)間短，占地極小，藥耗少，可實(shí)現(xiàn)同步高效去除磷、SS和COD；與反硝化深床濾池工藝聯(lián)用，確保出水各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于國標(biāo)一級A標(biāo)準(zhǔn)，其中CODCr、BOD5、NH3-N及TP指標(biāo)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅳ類水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。