北海市红坎污水处理厂提标改造项目工程设计

吕文博，徐 静

（1.兰州市城市建设设计院，甘肃 兰州 730050；2.兰州工业学院，甘肃 兰州 730050）

1 工程概况

北海市红坎污水处理厂总处理规模为20万m3/d，分为两期建设。一期工程于2009年建成并投入使用，处理规模10万m3/d。二期工程于2015年建成并投入使用，处理规模10万m3/d。污水厂一、二期工程均采用氧化沟处理工艺，主要工艺流程为：粗格栅→进水提升泵房→细格栅→沉砂池→氧化沟→沉淀池→消毒→一、二期汇流井→出水提升泵房→深海排放。一、二期出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级B标准。

污水厂建成运行以来，由于进水水质不稳定，尤其是TN、TP高于设计进水水质，同时现状除磷加药点不能使药剂与污水充分混合，导致部分时段TN、TP出水不能达到标准。北海市紧邻海域，为响应国务院2015年印发的《水污染防治行动计划》，确保出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准，需对污水厂进行提标改造。

2 工艺介绍

2.1 设计水质

（1）污水厂进出水水质指标

污水厂进出水水质指标见表1。

表1 污水厂进出水水质指标

（2）因本工程为提标改造，深度处理进水水质应采用二级出水水质。由北海市红坎污水处理厂提供2012年至2014年的二级出水水质资料，见表2。

由表 2 可知，BOD5、CODcr、SS、NH3-N 指标基本能达到一级A标，出水各指标波动范围集中在表1所列最大值及最小值范围内；TN指标基本能达到一级B标，出水水质波动范围集中在9～30 mg/L；污水处理厂运行以来，TP指标一直未达到一级B标，出水水质波动范围集中在2.60～7.80 mg/L。通过对二级出水各污染指标的分析，深度处理进水水质各指标取值时综合考虑，通过概率分析，并结合污水厂现状出水综合考虑，深度处理具体进水水质指标见表3。

2.2 污水深度处理重点去除指标

通过对污水厂2012～2014年二级出水水质指标进行分析，出水水质 BOD5、CODcr、氨氮、SS 已基本满足一级A排放标准要求，从最大值来看，存在个别超标的数据，但超标数据出现几率均小于5%，从超标数值上来看，通过调整现状氧化沟曝气工艺段曝气量等运行条件即可以实现水质达标，但是需要增加曝气控制系统；出水水质总氮已达到一级B排放标准要求，但兼顾氨氮和总氮数据，发现出水氨氮浓度较低，因此超标的总氮基本上为其中的硝酸盐氮部分，超标数值在5 mg/L左右；出水总磷浓度超出一级A排放标准很多，大约在6 mg/L左右，是污水厂现在存在的主要问题。

表2 2012～2014年污水厂二级出水水质采集表

表3 污水厂深度处理进出水水质设计指标

因此，深度处理工艺选择需要重点考虑TN、TP指标去除。

2.3 深度处理工艺选择

城市三级处理的工艺一般可以分为基本的处理单元如混凝、沉淀（澄清、气浮）、过滤、消毒。在水质要求更高时需要采用中水处理单元技术有：活性炭吸附、反渗透、除氨、离子交换、折点加氯、电渗析、臭氧氧化等，以及近年来发展起来的活性砂过滤工艺、反硝化深床滤池、高密度澄清池、生物磁混凝高效沉淀技术、高效絮凝斜管沉淀工艺均能满足要求。

目前国内能够达到一级A标的工艺很多，对去除TP，上述工艺基本都能达到要求；对于去除TN，混凝沉淀过滤效果不佳，但反渗透、反硝化深床滤池工艺及后置反硝化生物滤池可以满足TN出水要求。

因此，本工程需要考虑化学除磷和反硝化脱氮。

2.4 工艺流程

根据上述分析，深度处理主体工艺采用BAF后置反硝化生物滤池技术+LHPS高效斜管沉淀池工艺。深度处理规模20万m3/d，深度处理厂进水从一期、二期二沉池出水总管上接入，通过超细格栅去除较小漂浮物，避免滤池和滤嘴很快堵塞，污水通过超细格栅后进入调节水池，由潜污泵提升进入后置反硝化生物滤池，污水经后置反硝化生物滤池将硝酸盐或亚硝酸盐还原为氮气或N2O后进入LHPS高效斜管沉淀池，使各类有机物和悬浮物有效去除，最后污水进入紫外线消毒渠消毒后排放或回用。总体工艺流程见图1。

图1 反硝化生物滤池+高效絮凝斜管沉淀池工艺流程图

因深度处理进水水质BOD5/TN≤1，属于碳源不足，反硝化难以彻底进行，为了提高反硝化效率，保证出水总氮达标，需要投加碳源，本工程采用投加乙酸钠，单位NO3-N去除量的碳源投加量为5.38（g/g）。除磷药剂采用三氯化铁，产生的剩余污泥由污泥泵输送至现状污泥浓缩池，然后进入脱水机房进行深度脱水，污泥含水率达到60%后，泥饼外运填埋。后置反硝化生物滤池产生的反冲洗废水，进入反冲洗废水池，由废水泵提升进入污水一级及二级处理系统进行处理。

3 工程设计[1-3]

核心处理单元及加药是深度处理部分的重点，直接影响处理成果，以下重点介绍本工程核心处理单元及加药部分设计情况。设计规模20万m3/d，设计流量：平均时流量8 333 m3/h，最大时流量10 833 m3/h（Kz=1.3）。

3.1 电磁流量计井

电磁流量计设在进入超细格栅渠的总进水管上。用于监测深度处理系统进水流量，并根据实际进水量确定碳源投加量。

电磁流量计井采用地下钢筋混凝土结构，平面尺寸：L×B=6.0 m×4.0 m，深4.0 m。内设DN1600电磁流量计1台，功率N=1.0 kW。

3.2 超细格栅与调节池

超细格栅与调节池合建。为保障生物滤池顺利工作，避免滤池和滤嘴频繁堵塞，在调节池前设置超细格栅。

超细格栅采用地下式钢筋混凝土结构，平面尺寸：L×B=20.0 m×7.0 m，单渠宽 2.0 m，渠深 4.0 m，每条渠道安装了1台栅隙2 mm的内进式网板超细格栅，安装角度90°，过栅损失0.2 m，栅前水深2.0 m，功率1.1 kW。为清除栅渣，配备无轴螺旋输送机1台，效长度为7 000 mm，功率为3.0 kW；配备螺旋压榨机1台，螺旋压榨机压榨能力不小于2.0 m3/d，功率为3.0 kW。超细格栅冲洗配套中压冲洗泵2台，1用1备，单台流量Q=6 m3/h，H=50 m，功率N=5.0 kW，高压冲洗泵2台，1用1备，单台流量Q=5 m3/h，H=100 m，功率N=7.5 kW。

调节池采用地下式钢筋混凝土结构，调节池面积436.5 m2，池深6.0 m，有效水深4.0 m，内设无堵塞潜水排污泵5台，4用1备，单泵流量2 800 m3/h，扬程10.0 m，功率110 kW。潜污泵配变频控制，配套电动单梁悬挂起重机一台，配套电动葫芦1套，起重量10 t，起吊高度10.0 m，配套功率15.0 kW。水泵根据调节池内液位，由PLC自动控制，水泵按顺序轮值运行，也可现场手动控制。

3.3 后置反硝化生物滤池

后置反硝化生物滤池是将二级出水中的硝酸盐或亚硝酸盐还原为氮气或N2O，是降低废水TN指标的核心处理单元。设计采用半地下式钢筋混凝土结构，1座10格，单格净尺寸：10.5 m×6.0 m，池深9.50 m，滤料采用陶粒。

设计参数：单格滤池面积63 m2，滤料厚度3 m，滤料尺寸4～8 mm，设计滤速13 m/h，强制滤速14 m/h（1格滤池反冲洗），反冲洗周期48 h，反冲洗水强度30 m3/m2.h，反冲洗气强度90 Nm3/m2.h，反冲洗中气洗6.0 min，气水联合洗15.0 min，清水漂洗5.0 min。

主要设备：滤料体积2 000 m3，滤嘴10×3 500个，电动闸板10台，压力指示传送器10台，空气分布装置10套，阻止滤料流失装置10套，硝酸氮在线1台，磷酸根在线1台。配套防滤料流失装置10套，L=6.0 m，材质为不锈钢和PPH；空气布气装置10套，L=10.5 m，材质为不锈钢；电动闸板B×H=600mm×600mm，10套，单套配套功率N=1.0kW；配套滤板540块（单池54块）。

3.4 LHPS高效斜管沉淀池

LHPS（Lamellare High Performance Settller）组合反应器，是将混凝区，絮凝区，沉淀浓缩区和斜管分离区的组合体。LHPS是集混凝、絮凝、沉淀、浓缩功能于一体，它代替功能单一的沉淀池，比传统的工艺大大缩小了体积和占地面积，并且将各类有机物和悬浮物有效去除。

设计采用半地下式钢筋混凝土结构，共设置4座高效斜管沉淀池，单座净尺寸B×L×H=15 m×23 m×7.4 m。设计参数：混凝停留时间3 min，絮凝停留时10 min，沉淀池的面积225 m2×4，上升流速9.2 m/h，安装斜管的面积140 m2×4，斜管上升流速4.9 m/h。配套主要设备：混凝搅拌器4台，单台功率N=15 kW，絮凝搅拌器4台，单台功率15 kW（配有变频器），导流桶4个，斜管面积140 m2，集油管4根（DN300，L=15 m），刮泥机4台（直径15 m，0.75 kW），回流污泥泵 8 台，Q=110 m3/h，H=2 bar，剩余污泥泵5台，Q=25 m3/h，H=3 bar，泥位计4台，pH计1台，污泥流量计4台。

3.5 加药间

LHPS组合反应器混凝、絮凝阶段需分别投加混凝剂与絮凝剂，以提高沉淀效果。设计框架结构加药间一座，平面尺寸L×B=17.1 m×8.6 m，层高7.0 m。

混凝剂采用聚合聚合FeCl3，设计药剂投加量10.5 mg/L。混凝剂投加单元配置50 m3聚合聚合FeCl3储罐2个，配套投加计量泵4台（3用1备），单台泵流量Q=200 L/h，H=20 m，功率N=5.5 kW。

絮凝剂采用聚丙烯酰胺（PAM），设计投加量0.5 mg/L。絮凝剂投加单元配置PAM一体化加药机2台，制备容积4 000 L/台，配套功率N=4.0 kW；配套螺杆泵5台（4用1备），单台投加量Q=1500L/h，H=20 m，功率N=7.5 kW。

混凝剂与絮凝剂分别对应投加至LHPS组合反应器混凝、絮凝单元。

3.6 碳源投加间

深度处理进水水质BOD5/TN≤1，属于碳源不足，反硝化难以彻底进行，为了使反硝化进行，保证出水总氮达标，需要投加碳源。因本工程所在地冬季平均水温在20℃以上，因此水温对反硝化影响较小。不同外加碳源对系统的反硝化影响不同，即使外加碳源投加量相同，反硝化效果也不同。常用的外加快速碳源的技术经济分析见表4。

经分析对比，虽然投加甲醇成本较乙酸、乙酸钠要低，但甲醇属于易爆高危化学品，运行操作中存在不安全因素，乙酸对使用环境及出水PH值有影响。该项目因碳源单位投加量比较少，同时考虑药剂存储及使用的安全性，外加碳源采用乙酸钠。

乙酸钠投加在后置反硝化生物滤池，设计投加量500 L/h。设计框架结构碳源投加间一座，平面尺寸L×B=4.5 m×8.6 m，层高7.0 m。配置乙酸钠溶解装置2套，配套电机功率N=3.0 kW；配套乙酸钠投加泵3台（2用1备，变频调速），单台泵流量Q=500 L/h，H=20 m，功率 N=2.2 kW。

4 结 论

通过对北海红坎污水处理厂现状二级处理出水结果分析，确定污水厂深度处理主体工艺采用BAF后置反硝化生物滤池技术+LHPS高效斜管沉淀池工艺；通过对外加碳源的对比分析，确定外加碳源采用乙酸钠，以确保反硝化效率。并对深度处理工艺中核心单元BAF后置反硝化生物滤池、LHPS高效斜管沉淀池及加药系统按以上工程参数进行设计。设计参数及相关经验可供相关工程技术人员在污水厂设计时进行参考和借鉴。