半地下箱体式MBR生化组合工艺工程设计案例分析

柳 岩，高海英，刘建军，李 坤，石 洁

(1.北京碧水源科技股份有限公司，北京 102206；2.北京久安建设投资集团有限公司，北京 102206)

近年来随着国家及各地方对污水处理厂出水水质标准及景观效果要求不断提高，对用地面积不断紧缩，地下或半地下箱体式配合MBR工艺形式污水处理厂迅速增加。目前国内已建和在建的全地下污水处理厂中多数采用MBR工艺[1-2]。随着MBR膜技术水平不断提高及价格越来越低，与箱体式结构形式配合优势愈加明显。但目前大量案例报道中，仅对案例工艺流程本身进行描述，对MBR工艺配合箱体式结构细节设计及问题分析等鲜有报道。本文主要介绍MBR工艺和箱体式结构形式选择，MBR箱体式结构细节设计及目前主要问题分析，为后续设计作为参考。

1 工程概况

陕西省政府于2015起启动新三年行动计划《渭河流域水污染防治巩固提高三年行动方案(2015—2017年)》。为彻底贯彻本方案要求，沣西新城渭河污水处理厂工程污水处理厂与沣西新城同步建设，改变了以往先污染再治理的观念，实现了排污与治污设施同步建设，从源头控制生态水体被污染的超前理念。

沣西新城渭河污水处理厂近期设计规模为3万m3/d，远期设计规模为6万m3/d，主要处理单元采用箱体式半地下形式。本次污水处理厂设计以海绵城市、绿色发展、节能环保、资源回收利用为理念，打造一个出水水质好、低碳节能、资源回收、环境友好的智慧污水厂。

2 进出水水质

2.1 进水水质及分析

随着经济的发展，人口规模的增加，人民生活水平的提高，本设计污水处理服务范围内经济构成和发展水平在不断地调整变化之中，会有许多不确定的因素。同时，该区域内目前对服务范围内的居民区生活污水现状调查有一定的困难，缺乏有针对性的污水水质资料统计。因此，准确预测污水处理厂的进水水质有相当的难度。参照陕西省内阎良区、武功县、渭南市等地污水处理厂的实际运行进水水质，考虑沣西新城发展情况，合理权衡近远期需求，确定污水处理厂的进水水质如表1所示。

表1 设计进水水质Tab.1 Design Influent Water Quality

(1)可生化性分析

本工程绝大部分进水为生活污水，设计进水水质CODCr=500 mg/L，BOD5=250 mg/L，从污水可生化性考虑，污水中BOD5/CODCr=0.50，可生化性好[3]。

(2)BOD5/TN

由于反硝化菌是在分解有机物的过程中进行反硝化脱氮，在不投加外来碳源条件下，污水中必须有足够的可利用有机物(碳源)，才能保证反硝化的顺利进行。一般认为，进入生物池的BOD5/TN>4，即可认为污水有足够的碳源供反硝化菌使用[3]。

本工程设计进水水质BOD5=250 mg/L，TN=45 mg/L，BOD5/TN=5.55，碳源相对充足[3]。

(3)BOD5/TP

一般认为，进行生物除磷的低限是BOD5/TP=20，有机基质不同对除磷也有影响。一般低分子易降解的有机物诱导磷释放的能力较强，高分子难降解的有机物诱导磷释放的能力较弱。而磷释放得越充分，其摄取量也就越大，本工程BOD5=250 mg/L，TP=4.5 mg/L，BOD5/TP=55.55，采用生物除磷工艺可以获得较好的除磷效果[3]。但常规的生物处理工艺出水TP要稳定低于0.3 mg/L是相当困难的，因此,在本工程设计中需采用生物法除磷与化学法除磷相结合的方法以强化除磷效果，以达到污水排放标准。

2.2 出水水质要求

根据《陕西省西咸新区沣西新城市政工程专项规划——污水工程专项规划(修编)》，规划考虑渭河及沙河污水处理厂处理后的尾水进入新渭沙湿地公园进行处理排放，经该湿地处理后的水质达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅳ类标准，从而大幅提升河流的景观功能，改善河流周边环境质量，提高城市的文化和环境品位。

按照尾水排放的要求，结合目前国内污水处理厂的出水水质，北京、天津等地的高标准地方排放标准要求及城市杂用水、景观环境用水的要求等，确定本项目设计出水水质如表2所示，其余指标不低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准。

表2 设计出水水质Tab.2 Design Effluent Water Quality

3 工艺路线设计

3.1 处理难点分析及对应措施

由上节进水分析及出水要求可知，本项目主要处理要点及难点如下。

(1)进水SS较高，预处理中需要设置初次沉淀池。

(2)出水CODCr、氨氮要求含量低，并处于北方地区，需要考虑冬季污泥膨胀及单位污泥反应速率低等问题，应合理选择生化处理工艺最大程度避免上述问题。

(3)出水TP要求含量低，单采用生物除磷不能满足出水要求，需要增设化学除磷。

(4)出水要求SS为10 mg/L，而出水TP为0.3 mg/L，根据出水SS中TP含量3%计算，仅出水SS中的TP含量已经为0.3 mg/L，加上水中游离的TP，出水TP肯定不达标，所以实际出水SS需要稳定控制在10 mg/L以下。为满足上述需求，需要选择可靠的过滤工艺。

所选工艺路线，在确保整体工艺路线能够满足所有技术要求前提下，综合考虑经济、景观、用地规模、运行要求等因素，具体分析各处理单元确定。

3.2 预处理、生化及深度处理

预处理选用常规机械格栅及曝气沉砂池，由上述分析可知，需要增设初沉池。

进水基本为生活污水，由上节分析可知，进水可生化性较好，从有机物与氮磷比例来看适合生物脱氮除磷工艺。同时，由于出水TP的要求需要增设化学除磷及稳定高效过滤工艺，因此，选择AAO+MBR工艺作为生化及同步过滤单元[4]。

3.3 化学除磷

(1)投加点选择

化学预沉淀除磷在初沉池前投加化学药剂，沉淀物的排除在初沉池中。由于化学反应为综合反应，加药量增加，同时去除了污水中较多的有机物，对脱氮不利，一般不予推荐。同步沉淀可以利用剩余污泥同步排出化学沉淀的TP，利用膜池好氧环境排泥，避免传统二沉池等厌氧二次释磷问题，且不需要增加额外的构筑物，可以保证充分的混合和足够的混凝剂水解絮凝时间，目前应用比较广泛。后化学除磷可以使药剂得到充分的利用，但须增加混合、反应和固液分离设备和构筑物。本工程采用生化+膜同步过滤工艺，一般不再建设混凝沉淀单元，因此采用同步排泥除磷。

(2)药剂选择

本项目对除磷要求较高，且根据工程经验，当污水中的磷含量较低时，除磷药剂投加量与磷去除量的比值成倍数增大，所以所需除磷药剂投加浓度较大。常用的化学除磷药剂有铝盐和铁盐，铁盐投加较多时，一是会对膜丝产生较严重污染，二是会增加出水色度。所以，本项目适合选用目前运行最广泛的碱式氯化铝(PAC)作为除磷药剂。

3.4 消毒工艺

污水经MBR过滤后，SS及各微生物含量比常规砂过滤大幅度降低，达到相同的消毒效果所需消毒剂的量较少。本项目出水进入市政中水管网系统回用，采用副产物较少的紫外消毒工艺，同时附加少量次氯酸钠作为补氯。

3.5 工艺流程确认

由上述分析可知，针对本项目进水水质特点及出水水质要求，结合用地等方面因素，确定本污水处理工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图Fig.1 Process Flow Chart

4 总平布局——布置形式选择

4.1 总布置形式选择

目前，污水处理厂构筑物布置形式较多，更加关注景观、除臭、保温等因素，主要布置形式分为传统的地上式布置形式与目前广泛采用的地下式布置形式两种。

根据本项目用地、投资情况，分别对本项目采用地上式及半地下箱体式两种方案进行说明比选，如表3所示。

表3 地上式及地下式布置投资及占地面积对比Tab.3 Comparison of Investment and Floor Area of Ground and Underground Layout

由表3可知，采用半地下箱体式布置方式比地上式投资更高，但占地面积较小。是否采用半地下箱体式布置应视周边的环境及项目本身的用地情况等综合决定。

本项目选址厂区北侧、西侧、南侧分别为西工大项目预留地块、交大创新港、湿地公园，因此，对环境要求比较高，故从周边环境来讲，本项目应采用地下式布置方式。

按照规划要求，本项目规划选址区域面积为49亩(32 666.67 m2)。采用地上式布置，难以满足用地要求，故应采用地下式布置。

4.2 不同地下式布置形式对比

构筑物地下式布置目前主要分为3种[5-10]：(1)构筑物顶部覆土，辅助车间基本位于地上，设备操作及巡检等在上部，各车间布置分散；(2)构筑物位于地下二层，主要辅助车间布置在地下一层，地面层覆土，除了办公楼，整体结构基本都位于地面层以下，地面以上一马平川；(3)构筑物位于地下，辅助车间位于地上，但所有构筑物及辅助车间布置在同一个钢砼箱体内，地面以上只有一个箱体，顶部可覆土。各布置方式对比如表4所示。

表4 不同构筑物布置形式对比Tab.4 Comparison of Layout Forms of Different Structures

综上所述，从上部空间可利用性及景观效果、人员进出、设备吊装、对周围环境影响、对操作人员的影响、生产区和景观区管理交通、工程投资、运行费用等多个方面进行了对比分析，本污水处理厂采用双层加盖的构筑物半地下式布局方式，全厂除综合楼外，其余所有建构筑物组团布置，并采用半地下式的布置方式，所有建构筑物的总体建设，构成了地下箱体。

4.3 本工程与同类工程箱体吨水占地对比

因不同项目用地红线形状不同及箱体外闲置空地大小不同，加之一般工程设计会将红线范围用地全部纳入污水处理厂范围，而地下或者半地下箱体包括了全部工艺流程及辅助车间等建构筑物，故此类污水处理厂箱体的吨水占地才能反映出实际占地水平。

本工程半地下箱体吨水占地为0.206 m2/m3。其他箱体式污水处理厂吨水占地如表5所示。

表5 箱体式污水处理厂单位用地对比Tab.5 Land Use Comparison of Box Type WWTP Per Unit of Purified Water

由表5相关工程案例对比可知，传统工艺箱体吨水占地较大，MBR工艺吨水占地较小。本项目出水标准为地表“准Ⅳ类”，出水标准优于上述案例，但吨水占地不大，仅为0.206 m2/m3。

5 单元设计

5.1 主体单元——生化+MBR设计

本单元设计规模：土建按6万t/d建设，设备按3万t/d配置。

5.1.1 系统回流设计

本单元设置膜池至好氧池、好氧池至缺氧池、缺氧池至厌氧池三级回流。

膜池至好氧池回流主要作用：一是回流污泥至好氧前端，补充污泥提高污泥浓度；二是将膜池内混合液中大量溶解氧回流至好氧池前端，相应好氧池内曝气量而节约能耗。此段回流比设计为500%。

好氧池末端至缺氧池前端的回流主要作用是回流硝化液至缺氧池进行反硝化作用脱氮。根据进水水质TN指标及出水TN要求，考虑适当设计余量，此段回流比设计为300%。

缺氧池末端至厌氧池前端回流主要作用：一是补充污泥，保证污泥与进水充分混合；二是回流污泥进行厌氧释磷，为后续好氧过量吸磷积蓄能量。此段回流比设计为200%。

5.1.2 各段污泥浓度设计

根据MBR膜系统特点可知，泥水分离不需要经过沉淀过程，完全通过过滤完成。所以生化+MBR系统内部污泥浓度可增至较高水平，不用担心污泥因浓度较高而导致沉淀效果差等问题。设计膜池污泥质量浓度MLSS=10 000 mg/L，则根据产水及回流比例，好氧池前端污泥质量浓度约为8 000 mg/L，缺氧池约为7 000 mg/L，厌氧池约为5 000 mg/L。

5.1.3 各段停留时间计算

生化反应池中各池的停留时间均需要在进水水质及出水要求及设计最不利水温基础上进行核算。厌氧池的水力停留时间根据规范及经验设计为1.5 h。缺氧池水力停留时间根据设计最不利条件下反硝化速率及池内污泥浓度确定为4 h。好氧池水力停留时间需要在设计最不利条件下考虑污泥龄及硝化速率两方面因素，确定为6 h。

5.1.4 半地下箱体内膜系统设计

(1)膜系统池体尺寸设计

膜系统需要根据膜组器尺寸、清洗吊装及各运行过程进行设计。由半地下箱体式污水处理厂结构形式需要，箱体内部布置纵横交错结构支撑柱，根据结构柱间尺寸进行各廊道膜池体及管廊布置，同时反馈结构专业各膜廊道所需尺寸，合理调整结构柱距，满足功能及结构要求前提下，寻求经济最优[10,13]。膜系统示意如图2所示。

注：标高单位为m，长度单位为mm图2 膜系统示意图Fig.2 Schematic Diagram of Membrane System

膜组器长度为2 620 mm，组器两边距池开口各留100 mm用于安装导杆支架，则池口为2 820 mm。管廊用于安装产水管道及空气擦洗管道，取1 200 mm净宽，管廊壁取200 mm，膜廊道壁取500 mm，则各膜廊道开口比廊道过流宽度小550 mm。膜廊道净宽为2 820+550=3 370 mm，一般取整为3 400 mm。膜廊道长度根据组器数量及间隔需求布置即可。

半地下箱体式水厂结构柱网布置比较关键，与工艺条件有关的主要影响因素是各构筑物与相关柱网的空间相对位置。膜池如单廊道跨度设置一个柱距，则柱距过密，并且管廊处因柱子占用一定空间，导致管廊过宽，膜廊道开孔小而内部过流截面大，土建造成经济浪费。两个廊道跨度可作为一个柱网间距。取廊道宽度为3 400 mm，池壁厚为500 mm，则两个廊道一个柱网，柱中心间距为7 800 mm，结构、工艺可行，经济合理。

(2)设备参数

设计平均膜通量：17.6 L/(m2·h)，近期总曝气量为175 m3/min，气水比为8.4∶1。产水按照产7 min、停1 min运行，期间曝气擦洗持续进行。产水泵设计上考虑适当余量，单台参数流量为250 m3/h，10 m扬程，近期共8条廊道。清洗过程只有每周一次的加药反洗，无清水反洗。加药清洗系统设置CIP清洗泵、加药泵等设备，通过时序控制依次对各廊道进行清洗。CIP泵流量为125 m3/h，扬程为11 m，分为次氯酸钠清洗与柠檬酸清洗，加药质量浓度次氯酸钠为500 mg/L(小洗，1周/次)，3 000 mg/L(大洗，4周/次)；柠檬酸为8 000 mg/L(3～6月/次)。

5.2 其他单元设计

5.2.1 预处理

粗格栅：间隙为20 mm，单台过水能力为0.51 m3/s，数量：2台。提升泵：Q=910 m3/h，H=15 m，数量3台(2用1备)。细格栅：间隙4 mm，单台过水能力为0.51 m3/s，数量：2台(1用1备)，网板式内进流格栅。曝气沉砂池：停留时间为7 min，曝气强度为0.2 m3空气/(m3污水)。

初沉池选用矩形平流形式，设置2座，每座2格。设计表面负荷：qmax=4.0 m3/(m2·h)，停留时间为0.9 h。刮泥设备选用链条刮泥机，每格1套，近期设置2套。为避免纤维状物质对MBR膜的缠绕，保证MBR膜池的稳定工作及出水，初沉池后设置膜格栅，采用网板内进流格栅，栅隙为1 mm，单台过水能力为0.51 m3/s，近期数量：2台(1用1备)。

5.2.2 消毒及再生水

紫外消毒：剂量20 mJ/cm2、紫外线透射率>65%，根据已运行水厂试验及运行经验，次氯酸钠有效氯补氯量：1～2 mg/L。

再生水单元：回用水泵：Q=910 m3/h，H=30 m，数量2台，1用1备。

5.2.3 辅助车间

鼓风机房：设置好氧池鼓风机及膜擦洗鼓风机，好氧池鼓风机Q=140 Nm3/min，H=79 kPa，1用1备，远期增加1台。

加药间设置碳源投加及除磷药剂投加系统。由水质分析可知，进水碳源充足，日常运行无需额外投加碳源，设置碳源投加用于水质恶劣时应急，确保出水达标。除磷加药投加浓度为10%的PAC，投加量为22 mg/L，投加点设置在好氧池靠近末端。

污泥脱水系统采用高压隔膜板框压榨机，单台压榨面积为500 m2，运行周期为4 h，数量2台。污泥量：4.8 t DS/d，污泥含水率：<60%。

5.3 总体平面布置

本着深入贯彻政府的政策方针，合理安排土地利用，最大程度发挥景观优势，根据上述布置形式选择及各工艺单体设计，最终确定厂区布置，如图3所示。

图3 厂区平面布置图Fig.3 Layout Chart of Plant

6 运行分析

6.1 处理效果

本项目2020年调试完毕正式运行，运行期间各项指标均达到设计出水标准，具体指标如表6所示。由表6可知，出水SS较低，一定程度上保证了出水TP指标，氨氮指标在冬季与夏季均达到出水标准要求且较低，符合MBR工艺的出水特点。

表6 实际运行进出水水质Tab.6 Actual Operation Water Quality of Influent and Effluent

6.2 存在问题分析

(1)MBR膜组器起吊问题分析

本项目各廊道顶部设置连续S型电动葫芦轨道用于膜组器起吊。由于轨道连续，距离离线清洗池较远膜组器起吊时，电动葫芦负载运行距离较长，导致电动葫芦发热，容易烧毁运行电机。为解决此问题，在各廊道尾端，垂直于各廊道方向增加一个轨道小车，运行时将所要起吊膜组器吊至轨道小车，由小车移至目标位置。

(2)膜池各廊道污泥浓度不均问题

一般运行时控制各廊道产水量相同，由于各廊道进水可能出现不均匀情况，随着时间累积导致各廊道污泥浓度出现一定差异。各廊道污泥浓度的差异，造成不同廊道内的膜组器污染速率及跨膜压差不同，给运行造成较大影响。为解决此问题，运行过程中需要调整各廊道回流堰板高度一致，保证各廊道回流液流量一致。由于各廊道产水基本一致，保证回流液流量一致，则各廊道进水流量即基本一致，按此运行各廊道污泥浓度差异较小，可最大程度保证均匀性。

7 结语

(1)在占地较少、出水要求较严格的情况下，半地下箱体式污水处理厂能够满足建设要求，并且在经济投资上较全地下式低，可以作为推荐结构形式。

(2)AAO-MBR生化组合工艺能够满足各污染物降解需求，尤其在SS及氨氮指标具有明显优势。并且构筑物规模和数量较少，配合箱体式结构，能够进一步减少用地面积，相对降低土建投资。

(3)箱体式MBR工艺设计中，需要充分结合运行实际情况，注重细节研究，保证出水达标的同时考虑后续运行提供灵活方便并留有一定调节措施。