南方某氧化沟工艺污水厂的提标改造和扩建设计

肖 艳

(上海市政工程设计研究总院〈集团〉有限公司，上海 200092)

1 工程背景

南方某污水处理厂主要服务于该城市城西和老城片区中西部等片区，总服务面积约为69 km2。一期工程于2007年8月建成并投入运行，设计规模为5万m3/d，采用改良式DE氧化沟工艺，尾水排入海河，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[1]，污泥脱水处理后外运卫生填埋处置。

为进一步改善城市水生态环境，响应国家节能减排的工作要求，提高社会发展所需的生态容量，扩大城市建设生态空间，本文研究该污水处理厂的提标改造和扩建工程设计方案。参照国内外污水处理厂改造经验和技术要求[2-6]，拟将污水处理厂规模扩建至10万m3/d，并对原一期工程进行提标改造，全厂出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A排放标准。

2 设计参数

2.1 污水量预测

采用分项指标法预测该污水处理厂日处理污水量，分别预测综合生活用水量、工业用水量和市政及其他未预见水量等，然后相加得到总的用水量，最后综合折算确定污水量。

按照城市总体规划，2010年、2015年、2020年、2030年该污水处理厂所服务城市总人口分别为28万、48万、55万、70万人。结合城市实际供水情况，平均日综合生活用水定额取值为150～180 L/(人·d)；工业用水占综合生活用水的比例取值为10%，其他用水量如市政用水量、管网漏失水量、未预见水量等均按一定比例计算；生活污水量排放系数取值为0.85～0.9；污水收集率取值为85%～95%。综上，污水量预测如表1所示。

表1 污水量预测Tab.1 Prediction of Wastewater Quantity

注：(4+6)为“第4行+第6行”，其他类推

2.2 工程规模

根据污水量预测：该污水处理厂2020年、2030年的污水量分别约为10.14万、15.82万m3/d，与片区排水规划确定的污水处理厂规模一期(2010年前)5万m3/d、二期(2020年前)10万m3/d、三期(2030年前)15万m3/d基本匹配。

目前，该污水处理厂一期已建规模为5万m3/d，于2007年8月建成并投入运行，2013年平均日实际进水量已达4.85万m3/d，接近满负荷运行。为满足城市发展要求，开展污水处理厂扩建工程项目建设十分紧迫。结合污水量预测和片区排水规模，确定本次二期扩建规模为5万m3/d，建成后全厂污水处理总规模达到10万m3/d。

2.3 设计水质

2.3.1 设计进水水质

污水处理厂设计进水水质浓度的大小直接影响污水处理工艺方案及设计参数的选择。本文对比分析了该污水处理厂原一期工程设计进水水质和最近1年实际进水水质，如表2所示。

由表2可知，该污水处理厂一期工程实际进水水质显著低于设计进水水质。水质偏淡存在以下4方面原因：(1)城市排水管网建设仍不完善，部分管道与农灌渠贯通，管道内地下水渗入量偏大；(2)老城区虽然实施了雨污主干管分流，但很多工矿企业内部雨污分流不彻底，混接现象仍严重；(3)部分工矿企业自备水源供水能力大于市政供水能力，生产废水排放量大且回用率较低，直排入污水管网将水质冲淡；(4)生活污水大多经过化粪池预处理净化后进入污水管网。

表2 一期工程设计进水水质和实际进水水质对比Tab.2 Comparison of Design and Actual Influent Water Quality in the First Stage Project

本文又对比分析了城市内其他污水处理厂设计进水水质，如表3所示。

表3 城市内其他污水处理厂设计进水水质Tab.3 Design Influent Water Quality of Other WWTPs in the City

根据《室外排水设计规范》(GB 50013—2006)(2016年版)及1990年以来全国37座污水处理厂的调查资料，结合当地的实际情况，生活污水的BOD5按每人每日25～50 g、SS按每人每日40～65 g、TP按每人每日0.7～1.4 g、TN按每人每日5～11 g计算，则BOD5为74～147 mg/L，SS为117～191 mg/L，TP为2.1～4.1 mg/L，TN为14.7～32.4 mg/L。

综上，随着城市污水管网系统的逐步完善和污水处理提质增效行动方案的落实，该污水处理厂一期工程所采用的设计进水水质基本适宜远期实际水质。因此，本工程设计进水水质高值仍采用一期设计水质，为了适应现状，低值按照实际进水水质校核。

2.3.2 设计出水水质

按照环保要求，该污水处理厂提标改造和扩建工程实施后，全厂10万m3/d出水水质执行一级A排放标准。对比现状实际出水和设计出水标准，如表4所示。

表4 现状实际出水水质和设计出水水质对比Tab.4 Comparison of Actual Effluent Quality and Design Effluent Quality

注：括号内的数值为水温≤12 ℃时的指标

由表4可知，该污水处理厂现状一期工程实际出水除SS偶有超标外，其余基本能够满足一级B标准。本工程执行一级A排放标准，需重点强化去除的水质指标为BOD5、SS、TN、TP。考虑到实际进水水质低于设计进水水质，本工程需对原有一期工程进行优化挖潜，同时，对目前一期工程已出现的问题一并整改，保证提标改造后一、二期工程良好衔接。

2.4 一期工程运行状况评估

2.4.1 一期工程工艺流程

现状一期工程污水污泥处理工艺流程如图1所示。

由图1可知：污水自流至提升泵房前的粗格栅，由提升泵房抽升后至细格栅，再经过渠道流至沉砂池；沉砂后经计量配水到预缺氧池、厌氧池、生物选择池再到DE氧化沟，然后经二沉池至加氯消毒池排放。

图1 一期工程污水污泥处理工艺流程Fig.1 Process Flow Chart of Wastewater and Sludge Treatment in the First Stage Project

2.4.2 一期工程运行至今存在的问题

基于一期工程历年运行水质、水量情况分析，结合现状处理设施和设备情况，存在问题如下。(1)现状DE氧化沟存在先天缺陷，污水易短流，硝酸盐易穿透，未经彻底生物降解便进入沉淀池沉淀出水，水质无法稳定保障。(2)现状DE氧化沟使用表面曝气机进行充氧，传氧效率低，设备故障率高，且配件不易获得，维修不便；一期污泥直接从污泥回流管引出，没有单独的剩余污泥管路，无法对排泥量进行控制。(3)储泥池容积仅为84 m3，经计算，储泥池停留时间仅为2.6 h，导致带式脱水机需长时间开启，不利于安排厂内工人作业。(4)现状沉砂池至一期DE氧化沟的管路存在问题，不易均匀分配水量，导致污水处理厂生产协调困难。

2.5 总体设计

2.5.1 设计方案

本工程污水处理总规模为10万m3/d，包括已建一期5万m3/d提标改造及二期扩建5万m3/d。针对本工程的重点、难点和一期工程存在的问题，总体设计思路如下。

(1)污水处理工艺

现状出水中BOD5、SS、TN、TP等指标距一级A标准仍有一定差距。按一级A标准对一期工程现状二级污水处理设施能力进行复核并优化改造，提出一期工程改造方案如下：① 增设内回流渠，促进生物脱氮，防止硝酸盐穿透和短流；②改为底部曝气，提高氧传质效率，节约电能，强化系统硝化能力；③ 近期污水水质偏淡，脱氮除磷碳源不足，本工程需设置补充碳源投加设施，确保TN、TP的稳定去除；④ 考虑到进水TP水质波动较大，为确保出水TP稳定达标，在二沉池增加辅助化学除磷设施同步沉淀，保证出水TP≤0.5 mg/L。

本项目二期扩建污水处理工艺选择需考虑全厂运行的整体性和管理的便捷性。采用优化后的DE氧化沟为主体工艺，与一期工艺一致，结合二期扩建预留用地，增大氧化沟HRT，降低污泥负荷，留有设计余量。

(2)深度处理工艺

结合一期实际运行情况，为避免本工程出水SS 超标，深度处理以物化处理为主，考虑到污水处理厂用地情况，结合处理指标要求，对深度处理工艺常用的4种过滤方式(V型滤池、活性砂滤池、滤布滤池、回转式过滤器)进行综合比选。考虑到回转式过滤器占地小、施工周期短、运行费用低、维护工作少、自耗水量低等优点，本工程推荐采用回转式过滤器，以进一步去除二沉池出水中的SS。结合运行单位意见，消毒工艺考虑运行管理的便捷性，拟采用紫外消毒联合氯消毒工艺。

(3)污泥处理工艺

根据环保要求，本工程污泥处理仍采用机械浓缩脱水工艺，将污泥脱水至含水率≤80%后外运处置。本工程仅新增储泥池，并扩建脱水处理能力，增加设备。

2.5.2 工艺流程

根据总体设计方案，确定本工程工艺流程如图2所示。

图2 本工程污水污泥处理工艺流程Fig.2 Process Flow Chart of Wastewater and Sludge Treatment in the Project

3 工程设计

3.1 粗格栅及进水泵房

粗格栅井为已建构筑物，土建设备按10万m3/d已在一期工程一次建成，本次利用原有构筑物和设备，不作调整。提升泵房为已建构筑物，土建按10万m3/d建成，设备按5万m3/d配置。本次需增加设备以满足二期扩建需求，新增4台泵，3用1库备。Q=900 m3/h，H=15 m，N=58 kW。

3.2 细格栅及旋流沉砂池

细格栅及旋流沉砂池为已建构筑物，组合在一起，土建设备按10万m3/d在一期工程中一次建成。经复核设备设施处理能力以及本次扩建需求，本工程不作调整。

3.3 改良型DE氧化沟

3.4 回流污泥泵房

本次新建二期工程回流污泥泵房1座，平面尺寸为9.85 m×11.45 m，深为6.2 m，单座服务2座改良式DE氧化沟，回流污泥经潜污泵提升至选择区，剩余污泥则经管路直接输送至新建储泥池。最大回流比R=100%，可33%、66%、100%运行。设置回流污泥泵5台，4用1备，单泵设计参数：Q=521 m3/h，H=6.00 m，配套电机N=22 kW。

3.5 二沉池

一期已建二沉池2座，本次二期工程新建二沉池2座，平面尺寸φ=42 m，池总深为5.30 m，钢筋砼结构。采用周边进水、周边出水圆形辐流式沉淀池，周边水深为4.50 m。排泥采用单管吸、刮泥机和电动套筒阀排泥，排泥量由电动套筒排泥阀进行调节。在理论回流比R=100%的情况下，排泥浓度为0.8%。设计平均表面负荷为q=0.75 m3/(m2·h)，安装单管刮吸泥机2套，周边线速为1～2 m/min，N=0.75 kW。

3.6 回转式过滤器及紫外线消毒池

本工程深度处理单元由回转式过滤器和紫外线消毒池共同组成，2座单体合建，平面尺寸为 24.6 m×12.2 m，钢筋砼结构。其中，回转式过滤器设计正常滤速为200 m/h，采用R200微过滤器 5套，单套处理量Q=1 083.3 m3/h，总机功率N=3.7 kW，厂家配套提供控制柜、驱动装置及反冲洗系统等。考虑总变化系数KZ=1.3，紫外线消毒池设计流量为13万m3/d，分2组，每组装机N=24 kW，各包括15个模块，每个模块8根灯管，共安装紫外线灯管120只。设计紫外剂量>20 mJ/cm2，穿透率为65%。设计消毒指标：总大肠杆菌群数低于1 000个/L。厂家配套紫外线灯管控制系统、穿透率监视系统、自动清洗系统和液压系统等。紫外线消毒池后设置厂内中水回用泵。

3.7 补充碳源投加间

本次新增补充碳源投加间1座，平面尺寸为16.5 m×6 m，层高为6 m，框架结构。内设碳源投加装置，投加点设置在改良式DE氧化沟进水口。投加碳源按C/N=4计，乙酸投加量为35 mg/L。原液浓度为99.8%，投加浓度为10%，1 d按配置4次溶液考虑。投加间内设置原液罐1台，φ×H=3.5 m×2.8 m，玻璃钢材质；设置原液输送泵1台，Q=50 m3/h，H=10 m，N=3 kW，UPVC，选用化工耐腐蚀泵；设置原液投加泵2台，Q=5 m3/h，H=10 m，N=0.75 kW，UPVC，选用化工耐腐蚀泵。设置溶解罐1台，φ×H=2.0 m×2.0 m，玻璃钢材质，并配套搅拌机1台，N=0.75 kW；设置投加计量泵2台，Q=1 800 L/h，H=0.35 MPa，N=0.75 kW，配套提供脉冲阻尼器、泄压阀、背压阀、Y型过滤器、流量计各2个。

3.8 化学除磷加药间

化学除磷加药间为厂内已建构筑物，平面尺寸为20.25 m×17.8 m，层高为4.3 m，框架结构。内设加药装置，投加点设置在二沉池进水管前(内回流泵开启时)，去除污水中超标的磷含量。设计铝盐投加量为15～25 mg/L，加药间内一期设置自动投药装置2套，每套制备能力为28 kg/h；二期新增1套，制备能力为50 kg/h，N=2.2 kW。PAC药液投加泵(单螺杆泵)2台，1用1备，Q=0.5 m3/h，P=0.3 MPa，N=1.5 kW。

3.9 鼓风机房及变电所

鼓风机房与变电所和机修间合建，平面尺寸为37.33 m×12.20 m，层高为7.00 m，设计最大供风量为250 m3/min，风压约为7 m(海拔为1 507 m，湿度为80%，温度为20 ℃)，选用离心鼓风机3台，2用1备，单台风量Q=3 375～7 500 Nm3/h，风量调节范围为45%～100%。鼓风机配套提供空气过滤器、减震器、消声器等设备。

3.10 储泥池

一期工程已建储泥池1座，因原有储泥池容积不足，本次新建储泥池2座，储泥池A尺寸L×B×H=11.15 m ×7.7 m×4.5 m，储泥池B尺寸L×B×H=16.15 m×8.2 m×4.5 m。总设计停留时间为12 h，滗水后污泥含水率约为99.3%。每座储泥池设置潜水搅拌器2台，N=7.5 kW，每2台附1套可旋转吊架；套筒式滗水器2套；干式污泥泵2台，Q=30～40 m3/h，H=20 m，N=7.5 kW，设置于储泥池顶部。

3.11 污泥脱水机房

一期已建污泥脱水机房平面尺寸为12.00 m×31.5 m，层高为7.4 m，框架结构。一期已建2套带式浓缩脱水机一体机，带宽为1.5 m，1用1备，二期增加1套，带宽为2.5 m，处理能力：Q=50 m3/h，N=7.5 kW，含空压机、混合器、加药泵、反冲洗水泵。设计进泥含固率为0.4%～0.8%，出泥含固率为20%。本工程建成后一二期总污泥外运量为60 t/d。

污泥进泥泵一期已有2台，1用1备，二期新增1台，设计流量：Q=30～60 m3/h，H=0.30 MPa，N=11 kW。新增絮凝剂制备装置1套，干粉制备能力为8～10 kg/h，N=3.0 kW。污泥浓缩投药量为污泥干质的2%～4%，污泥脱水投药量为污泥干质的3%～5%，调制浓度为0.5%，投加浓度为0.1%。

4 运行效果分析

本工程于2017年3月竣工验收，投运后进水水质满足设计要求，出水水质稳定达到一级A标准。2020年1月—4月出水水质如表5所示。

表5 工程运行后出水水质Tab.5 Effluent Water Quality after Project Operation

5 技术经济分析

本工程投资概算为12 639万元。其中：建安工程费用为5 595万元，设备购置费为4 472万元。污水单位处理成本为0.85元/(m3污水)，单位处理可变成0.51元/(m3污水)。

6 结论

(1)本文研究了南方某氧化沟工艺污水处理厂的提标改造和扩建设计方案，对一期工程5万m3/d氧化沟运行存在的问题逐一梳理并采用了针对性的改造设计；新增二期工程5万m3/d污水生物处理规模，采用改良后的DE氧化沟工艺，便于一二期工程的统一管理和有序衔接；同时，在二沉池增加辅助化学除磷设施同步沉淀，保证出水TP≤0.5 mg/L。

(2)本工程出水执行GB 18918—2002一级A排放标准，对照一期工程现状进出水水质运行状况分析，全厂新增10万m3/d的深度处理规模，采用回转式过滤器加强去除二沉池出水SS；采用紫外线消毒联合加氯消毒工艺，保证消毒指标的稳定达标。

(3)本工程对原有构筑物进行了最大程度的利用保留，大大节约了土地和工程投资，为相似污水处理厂的改扩建设计提供了借鉴，经提标改造和扩建工程后，污水处理厂总处理规模为10万m3/d，改造后运行效果良好，改善了河道水生态环境，实现环境效益、社会效益和经济效益协调统一。