楊仁凱，張 華，張 雙，董立春

(1.重慶大學化學化工學院，重慶 400044；2.重慶市排水有限公司，重慶 400020；3.重慶市三峽水務有限責任公司，重慶 400020)

污水排水量隨著城市化進程的推進以及工商業(yè)的發(fā)展而增長，很多地區(qū)現(xiàn)狀污水處理廠處理容量已無法滿足要求。同時，隨著“水十條”的實施，我國城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準日益嚴格，污水處理廠亟需提標擴能。目前，我國大部分污水處理廠排放標準執(zhí)行一級A標準，與此同時，越來越多的省市執(zhí)行了更加嚴格的標準，主要污染物排放指標與《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅳ類標準相當，甚至與Ⅲ類標準相當。根據(jù)住建部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2018年底，城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行一級A以上排水標準的數(shù)量占比達到62.19%。然而，污水處理廠的提標改造中發(fā)現(xiàn)，隨著城市的發(fā)展，污水處理廠鄰避效應越來越嚴重，周圍無新增用地，遷建成本又過高。因此，如何實現(xiàn)原址提標擴能、空間資源利用和環(huán)境友好最優(yōu)化，成為污水處理廠改造建設中的難點。地下式和半地下式污水處理廠因節(jié)約用地、環(huán)境友好，成為近幾年行業(yè)研究的熱點，我國已建成蕭山區(qū)錢江污水處理廠、廣州市石井凈水廠、河南省南三環(huán)等地下式和半地下式污水處理廠。

重慶市主城區(qū)核心區(qū)域某污水處理廠于1997年投運，處理規(guī)模為4.8×104m3/d，服務面積約為5 km2，服務人口約18萬，主要負責處理某核心城區(qū)的居民生活污水，根據(jù)當時的環(huán)保要求，未考慮脫氮除磷功能，且無消毒措施，出水氨氮、TN、TP不能滿足現(xiàn)行標準。該污水處理廠急需提標至《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，并擴能1.2×104m3/d。該廠所在區(qū)域投運之初尚屬郊區(qū)，周邊居民稀少，負荷率為90.00%，然而，經(jīng)過多年發(fā)展，該區(qū)域逐漸被居民區(qū)“包圍”。本文介紹了該污水處理廠在不增加用地的情況下，結(jié)合山地條件因地制宜，實現(xiàn)設備布置的最優(yōu)化。

1 改造思路

廠址所在地環(huán)境敏感度較高，土地資源緊張。地下(半地下)式污水處理廠處于室內(nèi)全封閉狀態(tài)，對周圍環(huán)境影響較小，特別適合在土地空間資源緊張、環(huán)境要求高的地區(qū)建設，也可以有效防止周邊土地貶值。從長遠看，也符合資源節(jié)約、人與自然和諧發(fā)展的科學發(fā)展觀要求。此次改造設計原則是“經(jīng)濟合理利用土地、工藝先進成熟穩(wěn)定、構(gòu)筑物布置盡量集中、豎向設計最少挖填”[1-2]。經(jīng)多方研討，決定利用山地地形特點進行原址提標擴能，改造為半地下式污水處理廠，即在坡地開挖后建成的建構(gòu)筑物存在臺階式地坪，由于臺階式地坪的存在，坡底層和坡頂層能形成各自通向路面的通道。臭氣經(jīng)過高濃度收集處理系統(tǒng)(生物復合濾池除臭工藝)、低濃度收集處理系統(tǒng)(活性炭吸附工藝)兩套除臭系統(tǒng)進行收集處理后，通過旁邊綜合辦公樓預留臭氣專用排放通道進行高空排放，排放高度約100 m。原設計抗浮能力不足，且部分原有構(gòu)筑物土建結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞，存在嚴重的安全隱患，因此，需對污水處理廠現(xiàn)有設施進行拆除，在污水處理廠原址就地重建。

1.1 設計進出水水質(zhì)

本工程污水處理廠尾水最終受納水體是嘉陵江，原處理工藝無法滿足現(xiàn)行標準，依據(jù)《重慶市創(chuàng)建國家環(huán)境保護模范城市規(guī)劃》要求，新建、現(xiàn)有污水處理廠出水水質(zhì)應達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級A標準。具體設計進、出水水質(zhì)及處理程度指標如表1所示。

表1 進、出水設計水質(zhì)Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

2 工藝流程

2.1 一級處理工藝

該廠現(xiàn)一級處理工藝為粗格柵-細格柵-除油曝氣沉砂池，考慮到工藝用地空間緊張、產(chǎn)生臭氣無增加、豐富的一級工藝運管經(jīng)驗、接收污水中大部分來自商圈的餐廚廢水等原因，同時，為有效降低改造成本，本次改造沿用原一級工藝。

2.2 二級處理工藝

通過對進水水質(zhì)進行可生化分析可知B/C較高，平均值約為0.55，可生化性較好；C/N平均值約為4.8，可采用生物脫氮；C/P平均值約為48，可采用生物除磷。綜上，本次提標擴能具備采用生物脫氮除磷工藝條件，TN、TP、SS去除是重點。通過運行經(jīng)驗和研究表明，無法滿足一級A排放標準的指標主要是TN、TP、SS[3]。

目前，用于城市污水脫氮除磷的工藝主要有活性污泥法和生物膜法兩大類。各種改良型AAO工藝是活性污泥法在地下式污水處理廠應用中的代表，由于其池形規(guī)整、脫氮效率高、較好管理等優(yōu)點被廣泛應用于地下式(半地下式)污水處理廠[4-9]。結(jié)合實際，本工程如果選擇改良型AAO工藝，需將常規(guī)的6 m有效水深提高至8 m，且現(xiàn)有用地無法滿足該工藝裝置的布置需求。

而前置高密池與具有前置反硝化脫氮和硝化功能的兩級曝氣生物濾池工藝的組合形式具有占地面積小(普通活性污泥法的1/3)、有機負荷高、氧傳輸效率高、沒有污泥膨脹、能夠最大限度發(fā)揮原水BOD5作用、有效降低碳源費用等優(yōu)點。結(jié)合本工程用地緊張的先天條件限制，核心工藝最終選擇具有前置反硝化脫氮和硝化功能的兩級曝氣生物濾池工藝。

2.3 三級處理工藝

結(jié)合進水水質(zhì)及二級處理工藝，深度處理主要以去除SS為主，由于濾布濾池工程投資和運行費用低、管理方便，特別是具有占地面積小的突出優(yōu)勢，選擇濾布濾池作為深度處理。

2.4 消毒工藝

由于是地下式封閉污水處理廠，為進一步提高消防安全，避免使用氯氣、二氧化氯及其他強氧化劑(該類消毒藥品及制備原料均為危險化學品)，減少構(gòu)筑物數(shù)量，節(jié)省用地，消毒工藝采用紫外線消毒。

2.5 工藝流程

工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process Flow Diagram

3 主要工藝段運行參數(shù)

3.1 高效沉淀池

設3個高效沉淀池，單池尺寸為11.5 m×18.5 m，總池深為6.5 m，設計水量為1 250 m3/h，機械攪拌時間為3.0 min，中間反應區(qū)停留時間為2.5 min，快混反應區(qū)停留時間為10.0 min，推流區(qū)停留時間為4.0 min,污泥回流比為3%～5%。斜管直徑為80 mm，長度為750 mm，安裝角度為60°。

3.2 反硝化生物濾池

3.3 好氧硝化曝氣生物濾池

圖2 2020年污染物去除效果Fig.2 Effect of Pollutants Removal in 2020

3.4 濾布濾池

設濾布濾池1座，分2格，平面尺寸為8.0 m×11.3 m。單格設置轉(zhuǎn)盤式濾布微過濾器1套，每套設30個濾盤，濾盤直徑為2.4 m，單盤有效過濾面積為5.64 m2，設備有效過濾面積為169.20 m2，濾布網(wǎng)孔直徑為10 μm。反沖洗時間約占整個運行時間的1/3，即8 h/d。

4 運行效果

本改擴建工程總投資為2.4億元，于2019年完成環(huán)保驗收，目前已正式運行。2020年運行數(shù)據(jù)如圖2所示，該污水處理廠平均進水CODCr質(zhì)量濃度為265.3 mg/L，平均出水CODCr質(zhì)量濃度為11.5 mg/L，平均去除率為95.6%；平均進水BOD5質(zhì)量濃度為134.1 mg/L，平均出水BOD5質(zhì)量濃度為3.4 mg/L，平均去除率為97.5%；平均進水氨氮質(zhì)量濃度為19.70 mg/L，平均出水氨氮質(zhì)量濃度為0.08 mg/L，平均去除率為99.6%；平均進水TN質(zhì)量濃度為29.5 mg/L，平均出水TN質(zhì)量濃度為9.6 mg/L，平均去除率為67.5%；平均進水SS質(zhì)量濃度為236.7 mg/L，平均出水SS質(zhì)量濃度為4.1 mg/L，平均去除率為98.2%；平均進水TP質(zhì)量濃度為3.3 mg/L，平均出水TP質(zhì)量濃度為0.2 mg/L，平均去除率為93.9%。從運行數(shù)據(jù)得出，CODCr、BOD5、SS、TP經(jīng)常出現(xiàn)進水水質(zhì)超負荷現(xiàn)象，TN、氨氮幾乎未出現(xiàn)超設計指標現(xiàn)象。其中，TN去除率未達到設計去除率，主要原因在于實際進水TN過低，比設計值低41%。出水水質(zhì)均能穩(wěn)定達到一級A排放標準。

本工程廠區(qū)電耗為1 031萬kW·h/a，單價為0.6元/(kW·h)；乙酸鈉(冬季進水TN高、C/N較低時投加)耗量為2 377 t/a(20%溶液)，單價為1 600元/t；PAC耗量為3 311 t/a，單價為950元/t(10%溶液)；PAM耗量為44.5 t/a，單價為24 600元/t；自來水耗量為4.6萬t/a，單價為4.55元/t；生產(chǎn)運行成本為0.78元/t，運行費用為1 443.86萬元。

5 結(jié)論

(1)水處理廠改擴建充分考慮了重慶市山地城市空間特性，通過科學運用平面及立體空間布局，合理選擇工藝單元，集約化布置，實現(xiàn)噸水用地指標僅為0.36 m2/(m3·d)，遠低于國家規(guī)定城市污水處理廠規(guī)劃用地指標中同處理規(guī)模的指標[0.95～1.20 m2/(m3·d)]，以及50萬m3/d規(guī)模以上的指標要求[0.4～0.5 m2/(m3·d)]。

(2)廠界及周邊臭氣濃度接近于0，H2S含量均低于0.02 mg/m3，排放速率均值為2.5 kg/h，NH3含量均低于0.99 mg/m3，排放速率均值為0.15 kg/h，遠低于檢測標準限值。廠內(nèi)臭氣通過收集處理后高空排放，各項廢氣排放指標均低于GB 18918—2002一級標準，環(huán)境友好地實現(xiàn)了原址提標擴能運行。

(3)出水水質(zhì)穩(wěn)定達到并優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。為建設用地緊張、“廠群”矛盾和鄰避效應突出的污水處理廠，在不增加用地面積又實現(xiàn)原址提標擴能方面提供了較高的參考和借鑒價值。