耦合初雨调蓄处理设施的半地下污水处理厂设计案例

陈志真,林春晓,沈 丹,张宏伟

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北武汉 430010)

随着城市的不断发展和扩张,很多自然水体逐步转变为城市内河。同时,人类活动的增多,有机物、氮、磷等外源污染物超量排放,造成部分河道水体污染越来越严重,甚至发黑发臭[1]。国内近年来的研究[2-3]表明,除了污水直排带来的污染,初期雨水排放和合流污水溢流造成的污染也比较严重。因此,在污水处理厂的设计中,需要兼顾初期雨水及合流制污水的处理。本文以心圩江下游污水处理厂为例,介绍在水环境综合整治项目中污水处理厂的总体方案、主要设计参数、设计特点等,为同类项目提供借鉴。

1 工程概况

心圩江下游污水处理厂位于南宁市高新大道南侧、罗赖沟西侧,设计规模为6万m3/d。其纳污范围为13.82 km2,大部分区域为雨污分流排水体制,合流制区域仅占1.6%(图1)。但分流制区域存在较多的污水直排河道和雨污错混接问题,河道面临初期雨水及合流溢流污染的影响。因此,在污水处理厂设计建设中还兼顾了系统内初期雨水的调蓄和处理设施。

图1 项目初雨及污水收集服务范围

按照截流6.5 mm初雨量计算,调蓄池总容积为63 000 m3,利用潜污泵24 h排放至污水处理厂,则初雨收集处理量约为6万m3/d。设计3座调蓄池(编号X1、X2、X3),有效容积分别为18 000、30 000 m3和15 000 m3,其中X3调蓄池与污水处理厂合建。为做到污染物削减最大化,设计雨季3万m3/d的初雨可进入污水系统处理;雨季设计流量达9万m3/d,旱季设计流量达6万m3/d,峰值系数为1.5;一级强化处理系统设计流量为3万m3/d。因此,污水处理厂雨季总处理能力可达12万m3/d。

2 总体方案

2.1 设计水质

污水处理设计进水水质如表1所示,出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。初期雨水处理设计进出水水质如表2所示。

表1 污水处理设计进出水水质

表2 初期雨水处理设计进出水水质

2.2 污水处理厂建设形式

下游污水处理厂选址在罗赖沟以西,现状为市政公园,为心圩江景观带的重要节点。污水处理厂建设需要充分考虑与周边景观环境相融合。由于全地下污水处理厂比半地下型式的基坑更深,投资明显增多,全地下污水处理厂采光、通风条件相对较差,运行电费较半地下形式更高[4]。本项目采用半地下的建设形式,顶部及周边覆土充分绿化,以尽可能地还原绿地,降低对周边环境的影响,建设形式如图2所示[4]。

图2 半地下式污水处理厂[4]

2.3 工艺流程

为降低初期雨水对心圩江的污染,结合污水处理厂建设,在管网末端设初雨调蓄池,对初期雨水进行调蓄、储存、均质后,待雨季峰值过后,启泵均匀抽排至污水处理厂进行处理,保证污水处理厂运行稳定。在近期仍存在合流制溢流污染的情况下,利用调蓄池储存合流污水,避免对河道造成严重污染。

污水处理工艺流程:污水→粗格栅+污水泵房→细格栅+曝气沉砂池→改良厌氧缺氧好氧(AAO)生化池→矩形周进周出二沉池→中间提升泵房→加砂高速沉淀池→转盘滤池(预留)→紫外线消毒渠→接触消毒池→巴氏计量槽→尾水泵房→人工湿地→排放心圩江。

初期雨水处理工艺流程:初期雨水→粗格栅+调蓄池→初雨泵房→细格栅+曝气沉砂池→加砂高速沉淀池→转盘滤池(预留)→紫外线消毒渠→接触消毒池→排放心圩江。

污泥处理采用由叠螺浓缩机+高压隔膜板框脱水机组成的污泥浓缩+脱水处理单元。脱水后的泥饼含水率降低至60%以下,然后车载外运处置。

工艺流程如图3所示。

图3 工艺流程

2.4 总体布局

污水处理车间与初雨调蓄池为南北向布置,调蓄池位于北侧,靠近来水管道方向。污水处理车间位于南侧,总体尺寸L×B=196.00 m×99.10 m,如图4所示。车行通道位于车间中间,两侧布置处理构筑物,污泥脱水区位于西北角,预处理区位于东北角,环境较差区域集中布置,更利于臭气的收集和处理。两组改良AAO生化池和矩形周进周出二沉池位于中间通道两侧。深度处理区的中间提升泵房、加砂高速沉淀池、加药间等位于西侧二沉池以南,转盘滤池、紫外线消毒渠、尾水泵房等位于东侧二沉池以南。管理区则位于车间南端,西侧为办公区,东侧为配电中心和中控室。

图4 处理车间及初雨调蓄池布局

2.5 主要构筑物及参数

(1)初雨调蓄池

调蓄池设在污水处理车间北侧,与厂区进水泵房合建,为全地下式构筑物。调蓄池有效容积为15 000 m3,池体L×B=63.50 m×44.40 m,深度为12.80 m。最大排空时间为12 h。调蓄池内安装水力冲洗门8套。

(2)粗格栅、进水泵房

粗格栅、进水泵房与初雨调蓄池合建,分污水和初雨泵房。污水泵房前安装2道孔隙20 mm的粗格栅,渠道宽度为1.0 m,集水池有效容积为95 m3,设潜污泵3台,2用1备,变频控制;雨水泵房前安装2道孔隙为20 mm的粗格栅,渠道宽度为2.5 m,初雨系统设潜污泵2台,1用1备,变频控制。

(3)细格栅间及曝气沉砂池

细格栅采用内进流式网板格栅除污机,此类型细格栅过流量大,截污率高,克服了传统栅条型细格栅(包括转鼓细格栅)毛发、纤维缠绕的弊端[5]。设4条格栅渠道,其中初雨系统1条,污水系统3条渠道,2道机械细格栅,1道人工格栅(细格栅检修时使用)。细格栅孔隙为3 mm,渠道宽度为1.9 m,栅前水深为1.6 m;人工格栅栅隙为30 mm,格栅宽度为0.9 m。

曝气沉砂池为矩形池体,利用水下穿孔曝气管,使污水保持涡流状态。将污水中相对密度为2.65、粒径0.2 mm以上的砂粒沉积下来去除,以保证后续工艺的正常运行。池体分为3格,其中用于污水系统2格,初雨系统1格。单格净空L×B=19.00 m×4.00 m,有效水深为2.90 m。污水系统停留时间为6.2 min,水平流速为0.042 m/s;初雨系统停留时间为4.6 min,水平流速为0.06 m/s。

在曝气沉砂池雨、污出水渠的中隔墙处设一道2 m宽下开式调节堰门,运行中可根据巴氏计量槽显示的流量来调节进入污水系统的初雨水量。

(4)改良AAO生化池

改良AAO生化池由选择池、厌氧池、缺氧池、好氧区串联组成。设计水温为15 ℃,污泥质量浓度为3 200 mg/L,污泥负荷为0.059 kg BOD5/(kg MLSS·d),总名义停留时间为15.2 h,其中选择区为0.60 h,厌氧区为1.56 h,缺氧区为5.1 h,好氧区为7.9 h。设计气水比为4.6∶1.0,硝化液回流比为200%～300%,污泥回流比为50%～100%。生化池2座,单座L×B=77.5 m×44.5 m,有效水深为6.0 m。

(5)矩形周进周出二沉池

该池型表面水力负荷高、布置紧凑、节省占地,适合在地下式污水处理厂内使用。本项目设计2座,共8格,单座L×B=34.55 m×45.00 m,有效水深为4 m,设计表面负荷为1.33 m3/(m2·h),校核表面负荷为1.47 m3/(m2·h),在设计标准允许范围内。

(6)中间提升泵房

采用湿式泵房,采用4台潜水轴流泵,3用1备,变频控制。

(7)加砂高速沉淀池

设加砂高速沉淀池1座,分3格,其中2格用于污水系统,一格用于初期雨水一级强化处理。污水系统:混凝区停留时间为2.1～3.2 min,絮凝区停留时间为3.6～5.3 min,沉淀区直径为8 m,上升流速为32.0～48.8 m/h,污泥循环率为6.2%～8.7%。雨水系统:混凝区停留时间为2.7 min,絮凝区停留时间为4.5 min,沉淀区直径为8 m,上升流速为26.9 m/h,污泥循环率为5.3%～5.7%。系统投加的微砂粒径为100～150 μm,平均补充量为2 mg/L。

主要设备。设置微砂循环泵9台,单台流量为60 m3/h,扬程为18 m;水力旋流器9台,单台流量为60 m3/h;刮泥机3台,单台直径为7.8 m,功率为4 kW。

由于初雨系统为间歇运行,在雨季来临前,可将池体提前调试启动,以准备应对雨季流量。在处理间歇期,可定期开启循环泵和刮泥机等设备,避免微砂板结。

(8)转盘滤池-紫外线消毒渠-接触消毒池

为节约占地,将转盘滤池、紫外线消毒渠、接触消毒池、巴氏计量槽、尾水泵房组合布置。

转盘滤池分3格,其中2格用于污水处理,1格用于初雨处理。滤布孔隙为10 μm,盘片直径为2.6 m。污水系统共48片,过滤面积为365 m2,设计滤速为10.3 m/h;初雨系统共16片,过滤面积为121.6 m2,滤速为10.3 m/h。土建尺寸L×B×H=16.1 m×10.3 m×3.3 m。

紫外线消毒渠分2条渠道,土建L×B×H=11.6 m×9.0 m×3.15 m。设计紫外透光率(UVT)为65%,紫外消毒剂量42 mJ/m2,采用低压紫外灯管,发射波长为254 nm。为保证消毒效果,在紫外线消毒渠后设接触消毒池,补投成品次氯酸钠溶液,接触时间为15 min。

(9)鼓风机房

鼓风机房位于生化池顶,采用高效节能的磁悬浮鼓风机,2用1备。单台风机能力为130 m3/min,供气增压为75 kPa。

(10)加药间

加药间内设有混凝剂(10%液体PAC)、絮凝剂(粉末状阴离子PAM)和乙酸钠储罐及投加设施。总L×B=26.3 m×12.8 m。

①PAC、PAM投加

PAC投加于加砂高速沉淀池进水端,污水系统PAC投药量为8 mg/L(以Al2O3计),初雨系统PAC投药量为10 mg/L(以Al2O3计)。PAM投加于加砂高速沉淀池絮凝区,污水系统最大投加量为0.8 mg/L,初雨系统最大投加量1.0 mg/L。

②碳源投加。采用20%液体乙酸钠作为外加碳源,应对进水水质碳氮比(C/N)失衡的情况,乙酸钠设计投加量为38 mg/L,投加点位于缺氧池的进水端。设隔膜计量泵4台,2用2备。

③次氯酸钠投加。采用10%液体次氯酸钠作为消毒剂,平均投加量为5.0 mg/L(以有效氯计)。设隔膜计量泵2套,1用1备。

(11)污泥脱水车间

设计绝干污泥量旱季为8 t/d,雨季为15.8 t/d,采用加药调理+叠螺浓缩机+高压板框脱水工艺。剩余污泥含水率约为99.2%,湿污泥量旱季为1 005 m3/d,雨季为1 975 m3/d。经叠螺机浓缩后,含水率降低至约97%,湿污泥量旱季为267 t/d,雨季为528 t/d。加药调理后,输送至板框压滤机脱水,泥饼含水率降至60%及以下外运处置。主要设备:污泥进料泵(转子泵)2台;污泥浓缩机2台;低压进料泵2台;高压进料泵2台;板框压滤机2台,单台过滤面积为450 m2。压滤机工作一个批次4 h,旱季一台工作,每天4个批次,雨季2台同时工作,每天4个批次。

污泥脱水药剂为PAM和三氯化铁,投加量分别为4 kg/(t DS)和80 kg/(t DS)。

(12)除臭设计

根据除臭部位和臭气浓度分为污泥区、西区、东区及调蓄池4个子系统,设计除臭总风量为14.5万m3/h,具体如表3所示。采用密封负压抽吸方式进行臭气收集,经生物除臭装置净化后有组织排放,排放口高度大于15 m,厂界大气污染物排放达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)二级标准。

表3 除臭系统设计风量

3 设计特点

(1)本项目半地下污水处理厂与初雨调蓄处理设施耦合设置,将污水治理与初期雨水和合流制溢流污染控制相结合,达到了最大削减入河污染负荷、保护心圩江水环境的目标。污水处理车间和调蓄池顶部覆土绿化,四周放坡后与周边有效衔接,景观效果好,与心圩江景观带整体环境协调统一。因此,项目具有良好的环境效益和社会效益。

(2)半地下式污水处理厂布置集约紧凑,节省占地。污水处理车间及附属建筑占地面积为1.93 hm2,单位占地为0.32 m2/(m3·d-1);厂区红线内总用地面积为3.74 hm2,以6万m3/d规模计,占地指标为0.62 m2/(m3·d-1),与城市污水处理工程项目建设标准相比,仅为该标准用地指标的41.3%。

(3)污水处理采用改良AAO工艺,设计多点进水,能够充分利用进水中的碳源进行反硝化脱氮,使出水TN降至较低水平,同时节约了外加碳源量;生化池各段内部均为完全混合池型,利用推流器作用使池内水流循环,增强了系统抗冲击负荷能力,确保出水水质稳定。

(4)污水深度处理和初雨处理一级强化采用加砂高速沉淀池,该池型系统加载了微砂作为介质,增强了絮凝、沉淀效果,具有耐冲击负荷能力强、出水水质好、占地节省等特点,且启动速度快,适合初期雨水系统间歇运行工况[6]。本项目转盘滤池设备并未采购安装,仅预留了位置,实际运行出水水质稳定达到了设计要求。

(5)注重节能设计及节能型产品的使用。生化池空气支管设线性调节阀和空气流量计,可根据出水溶解氧和氨氮指标调节曝气风量,以达到节能目的;鼓风机选用磁悬浮鼓风机,变频控制,节约能耗。经统计运行电耗为0.33 kW·h/m3,为同类项目较低水平[7-8]。

4 运行效果

项目于2021年6月竣工投产,目前已接近满负荷运行。由2022年1月—6月的运行数据(表4)可知,进水水质最高值已经达到甚至超过设计值,而出水水质达到并优于一级A排放标准。目前,全流域治理后的心圩江水环境已得到显著改善,河道水质优于地表Ⅳ类水标准,部分指标达到Ⅱ、Ⅲ类指标。2021年、2022年心圩江污染物氨氮平均质量浓度分别为0.38、0.36 mg/L,污染物CODCr平均质量浓度分别为16.25、12.92 mg/L[9]。

表4 实际运行进出水水质

5 总结

(1)在水环境综合治理项目中,可将污水处理厂与初雨调蓄池及一级强化处理设施耦合设置,这样既可节省占地,又便于统一运行管理,集中调度。在提高流域污水处理水平的同时,可有效应对初期雨水及合流溢流污染问题。

(2)与全地下污水处理厂相比,采用半地下建设形式可节省投资;同时污水处理车间顶部及周边覆土区域充分绿化,或通过建筑及景观设计优化,可做到与周边景观环境较好地融合统一。

(3)采用“改良AAO生化池→矩形周进周出二沉池→加砂高速沉淀池→紫外线/次氯酸钠联合消毒”组合工艺,系统抗冲击负荷能力强,技术稳定可靠,操作管理便利,运行能耗较低,实际运行出水水质达到并优于国标一级A排放标准。

(4)地下式污水处理厂较传统地面式污水处理厂能耗高,在污水处理设计中更应注重低碳节能设计,使系统能耗处于较低水平。