余姚小曹娥污水處理廠升級改造工程設(shè)計案例分析
余姚市小曹娥城市污水處理廠規(guī)劃遠期設(shè)計規(guī)模為30萬m³/d，其中已建一、二期工程的設(shè)計處理規(guī)模為15萬m³/d，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。近年來，隨著地區(qū)發(fā)展和人口增加，該污水處理廠已超負荷運行，最高日進水量達20.9萬m³/d，日均進水量大于15萬m³/d，頻次約26.7%，亟需進行改造擴容，本次三期改造工程擴建規(guī)模為7.5萬m³/d，工程建成后，本廠總設(shè)計規(guī)模達到22.5萬m³/d，出水執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)。遠期視本廠進水量增長情況和四類提標(biāo)要求，適時進行擴建和提標(biāo)。
1 污水處理廠現(xiàn)狀
1.1 現(xiàn)狀工藝流程及運行情況
該污水處理廠現(xiàn)狀工藝流程為進水高位井→綜合池→AAO生物反應(yīng)池→平流二沉池→穩(wěn)定塘→濾站→消毒池→排放（圖1）。污泥處理采用帶式濃縮脫水一體機，出泥含水率為80%。
該污水處理廠現(xiàn)狀出水基本可達到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，但由于該廠已超負荷運行，對出水的穩(wěn)定達標(biāo)造成威脅。
由表1可知，本廠出水NH3-N較低，出水TN主要為硝態(tài)氮，可加強反硝化效果，實現(xiàn)TN的進一步去除。
1.2 現(xiàn)狀主要構(gòu)、建筑物
該污水處理廠現(xiàn)狀主要構(gòu)筑物有進水高位井、綜合池、AAO生物反應(yīng)池及二沉池、穩(wěn)定塘、濾站、消毒池、鼓風(fēng)機房及變配電間、儲泥池、污泥濃縮脫水機房和加氯間等（表2）。本廠服務(wù)范圍內(nèi)的污水經(jīng)廠外污水泵站提升后進入廠內(nèi)進水高位井，經(jīng)進水高位井配水后接入綜合池，綜合池兼具沉砂、水解酸化的作用。
1.3 存在的問題
本改造工程面臨擴容、改造和預(yù)留遠期提標(biāo)條件三大目標(biāo)。結(jié)合現(xiàn)狀調(diào)研，主要存在以下問題。
（1）現(xiàn)狀生物反應(yīng)池停留時間較短
現(xiàn)狀生物反應(yīng)池工藝為AAO工藝，原按國標(biāo)一級B出水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，停留時間較短，約9.4 h。出水標(biāo)準(zhǔn)提升為一級A標(biāo)準(zhǔn)后，在目前進水水質(zhì)低于設(shè)計值，且深度處理段有穩(wěn)定塘和濾站的情況下，勉強達標(biāo)，但不利于穩(wěn)定達標(biāo)。
（2）二沉池負荷高
現(xiàn)狀進水水量已超過設(shè)計水量，造成現(xiàn)狀二沉池表面水力負荷較高（1.53 m³/㎡/h），時有漂泥現(xiàn)象產(chǎn)生。
（3）用地問題
該污水處理廠遠期設(shè)計規(guī)模為30萬m³/d，且按照浙江省和寧波市的相關(guān)文件要求，該廠遠期需按“四類水”出水標(biāo)準(zhǔn)進行提標(biāo)（CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP和SS分別達到30、6、1.5、10、0.3 mg/L和5 mg/L），本廠總用地面積僅191 600 ㎡，，用地緊張。本改造工程需預(yù)留遠期擴建和提標(biāo)的條件。
2 改造工程工藝設(shè)計
（1）針對現(xiàn)狀生物反應(yīng)池停留時間較短和二沉池負荷較高的問題，在廠區(qū)北側(cè)預(yù)留空地處新建一座Bardenpho生物反應(yīng)池及二沉池，減少現(xiàn)狀生物反應(yīng)池和二沉池的負荷，保證出水穩(wěn)定達標(biāo)。
（2）針對用地緊張，同時需為遠期預(yù)留擴建和提標(biāo)條件的問題，本改造工程總平面布置按照30萬m³/d進行統(tǒng)一布局，預(yù)留提標(biāo)至“準(zhǔn)Ⅳ類水”出水標(biāo)準(zhǔn)的用地。在污水處理工藝的選擇上考慮“準(zhǔn)Ⅳ類水”出水標(biāo)準(zhǔn)，通過新建Bardenpho生物反應(yīng)池，強化脫氮的同時降低現(xiàn)有生物反應(yīng)池負荷，從而提高CODCr、BOD5和氨氮的去除率，擬在深度處理段設(shè)置高效沉淀池和反硝化深床濾池，保證出水TN、TP、SS和CODCr的達標(biāo)，本次工程相應(yīng)預(yù)留深度處理設(shè)施用地。本工程遠期總體平面布置方案如圖2所示，圖中虛線所示范圍內(nèi)為本次工程新建構(gòu)筑物，直線框中為遠期新建構(gòu)筑物。為節(jié)約用地，生物反應(yīng)池與二沉池合建，二沉池采用占地較小的矩形周進周出二沉池；遠期新建的高效沉淀池擬采用加載體型高效沉淀池，增加設(shè)計表面負荷，減少占地。
2.1 設(shè)計水質(zhì)
本改造工程的設(shè)計進、出水水質(zhì)表3所示。
2.2 改造工程工藝流程
本改造工程出水標(biāo)準(zhǔn)仍執(zhí)行國標(biāo)一級A標(biāo)準(zhǔn)，通過新建1座7.5萬m³/d的生物反應(yīng)池和矩形周進周出二沉池（與生物反應(yīng)池合建）實現(xiàn)污水廠擴容至22.5萬m³/d。改造后的工藝流程如圖3所示。
本著與污水處理廠現(xiàn)狀設(shè)施協(xié)調(diào)的原則，考慮遠期（“準(zhǔn)Ⅳ類水”出水標(biāo)準(zhǔn)）的深度脫氮要求，生物反應(yīng)池推薦采用具有強化脫氮功能的Bardenpho工藝。
Bardenpho工藝與常規(guī)AAO工藝相比，有利于強化脫氮，符合出水水質(zhì)要求，可充分利用進水中的碳源，節(jié)省碳源投加量。
進水首先在厭氧段進行釋磷反應(yīng)后進入前置缺氧段，好氧段1的混合液回流至前置缺氧段，回流混合液中的NO3--N在反硝化菌的作用下利用進水中的碳源在前置缺氧段中進行反硝化反應(yīng)。
前置缺氧段出水進入好氧段1，在其中進行含碳有機物的氧化，含氮有機物的氨化和氨氮的硝化。前置缺氧段中反硝化過程產(chǎn)生的氮氣也在好氧段1中因曝氣而吹脫釋出。
好氧段1出水進入搖擺段，搖擺段可作為缺氧段（脫氮）或者好氧段運行，作為缺氧段運行時，反硝化菌利用內(nèi)源代謝物質(zhì)進一步反硝化，此時可在該段投加碳源強化脫氮。當(dāng)冬天硝化效果較差時，搖擺段則可作為好氧段運行，以強化硝化效果。目前，該廠硝化效果較好，搖擺段作為缺氧段運行，由于出水TN能達到一級A標(biāo)準(zhǔn)，暫未在搖擺段中投加碳源。
搖擺段出水進入好氧段2，通過曝氣作用吹脫反硝化作用產(chǎn)生的氮氣，從而改善污泥沉降性能。同時，部分殘余的氨氮也可在本區(qū)被硝化。
2.3 工程設(shè)計
本工程主要新增的構(gòu)筑物有Bardenpho生物反應(yīng)池、矩形周進周出二沉池（與生物反應(yīng)池合建）、污泥濃縮池。改造的構(gòu)筑物有鼓風(fēng)機房、污泥濃縮脫水機房、濾站等。
（1）Bardenpho生物反應(yīng)池
Bardenpho生物反應(yīng)池設(shè)計處理水量為7.5萬m³/d，包括厭氧段、缺氧段1、好氧段1、搖擺段和好氧段2。其中，厭氧段停留時間為1.5 h，缺氧段1停留時間為6.2 h，好氧段1停留時間為9.2 h，搖擺段停留時為2.3 h，好氧段2停留時間為1.2 h。生物反應(yīng)池內(nèi)設(shè)計懸浮固體濃度為3 500 mg/L，設(shè)計泥齡為14 d，混合液回流比為100%~300%，污泥回流比為50%~100%。
厭氧段設(shè)4臺潛水?dāng)嚢杵鳎D(zhuǎn)速為462 r/min，葉輪直徑為650 mm，功率為7.5 kW；缺氧段1設(shè)16臺潛水推流器，轉(zhuǎn)速為63 r/min，葉輪直徑為1 600 mm，功率為3.0 kW；搖擺段底部設(shè)有板條式微孔曝氣器，同時設(shè)有8臺潛水推流器，轉(zhuǎn)速為56 r/min，葉輪直徑為2 000 mm，功率為4.0 kW。好氧段1和好氧段2設(shè)有板式微孔曝氣器約為2 300 m，單米供氣量為10m3/h。設(shè)有混合液回流泵10臺，單臺流量為1 563m³/h，揚程為1.0 m，功率為13kW；設(shè)有污泥回流泵6臺（4用2備），單臺流量為781m³/h，揚程為2.6 m，功率為11 kW。
（2）二沉池
二沉池采用矩形周進周出形式，與生物反應(yīng)池合建，設(shè)計處理水量為7.5萬m³/d，分為12格，單格尺寸為38.7 m×8.8 m×4.0 m（有效水深）。二沉池最大設(shè)計表面負荷為1.0m3/m2/h，停留時間為2.9 h。
二沉池主要設(shè)備有：非金屬鏈條刮泥刮渣機為12套，單套寬度為6.15 m，長度為38.7 m，功率為6.0 kW；配水渠閘門12套，B×H=500 mm×500 mm，功率為0.37 kW；配水渠排渣閘門12套，B×H=300 mm×1 100 mm；出水渠閘門12套，B×H=800 mm×800 mm；污泥渠閘門12套，B×H=700 mm×1 000 mm，功率為0.37 kW。
（3）污泥濃縮池
污泥濃縮池對全廠二沉池排放的剩余污泥進行重力濃縮，減少脫水污泥體積。本工程新建2座，遠期再新建2座，單座直徑為20 m。近期污泥固體負荷為57.7 kg/(m2?d)，濃縮時間為13.1 h。
污泥濃縮池主要設(shè)備有：懸掛式中心傳動污泥濃縮機2套，單套直徑為20 m，功率為1.5 kW；手動垂直可調(diào)堰門2套，B×H=1 000 mm×1 500 mm。
（4）改造鼓風(fēng)機房
現(xiàn)狀鼓風(fēng)機房現(xiàn)有鼓風(fēng)機7臺，其中羅茨風(fēng)機4臺，單臺風(fēng)量95m3/min，風(fēng)壓7.0 m，功率為160 kW；磁懸浮風(fēng)機3臺，單臺風(fēng)量108 m3/min，風(fēng)壓為7.0 m，功率為190 kW（變頻）。本改造工程新增4臺磁懸浮風(fēng)機替換羅茨風(fēng)機，單臺風(fēng)量為180 m3/min，風(fēng)壓為7.0 m，功率為300 kW（變頻）。
（5）改造濾站
現(xiàn)狀濾站的主要功能是進一步去除懸浮固體和TP，有6格廊道，單格尺寸為61.2 m×3.5 m×5.0 m，現(xiàn)有360旋轉(zhuǎn)濾床18套（單套最大處理能力約為450m3/h）。本改造工程保留利用濾站池體，對局部進行改造，增加2套直徑為2.5 m濾布轉(zhuǎn)盤過濾設(shè)備，單套最大處理能力約2 050m3/h，過濾面積為264m2。
新增的主要設(shè)備有：電動矩形閘門2套，B×H=1 600 mm×1 000 mm，功率為0.75 kW；反洗泵32臺，單臺流量為50m3/h，揚程為7.0 m，功率為2.2 kW；驅(qū)動電機2臺，功率為1.1 kW。
（6）改造加氯間
現(xiàn)狀加氯間內(nèi)有3臺制備能力20 kg/h的二氧化氯發(fā)生器，本工程改造后，設(shè)計規(guī)模達到22.5m³/d，設(shè)計加氯量取10 mg/L，需增加2臺制備能力20 kg/h的二氧化氯發(fā)生器，單臺功率9 kW。同時，相應(yīng)增加2臺鹽酸計量泵、2臺氯酸鈉計量泵、更換3臺動力水增壓泵（2用1備）。其中鹽酸計量泵和氯酸鈉計量泵單臺流量為35 L/min，P=0.17 MPa。增壓泵單臺流量為87m³/h，揚程為38 m，功率為15 kW。
3 運行效果分析
改造工程于2018年5月建成運行，至今各工藝單元運行良好，出水水質(zhì)可穩(wěn)定達到GB 18918—2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)。2018年6月~2019年1月，本改造工程新建二沉池出水水質(zhì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4所示。
從表中數(shù)據(jù)可以看出，改造工程新建的Bardenpho生物反應(yīng)池及二沉池出水主要水質(zhì)指標(biāo)能穩(wěn)定達到一級A標(biāo)準(zhǔn)。
4 經(jīng)濟技術(shù)分析
本改造工程總投資為16 757.30萬元，其中工程建設(shè)費用13 876.76萬元。單位處理成本1.28元/m³污水，單位經(jīng)營成本為0.86元/m³污水。
5 結(jié)語
（1）改造工程新建一座處理規(guī)模為7.5萬m³/d的生物反應(yīng)池及二沉池，并對部分現(xiàn)狀構(gòu)、建筑物進行改造，實現(xiàn)污水處理廠處理規(guī)模增至22.5萬m³/d，出水穩(wěn)定達到GB 18918—2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)。
（2）考慮遠期（“四類水”出水標(biāo)準(zhǔn)）的深度脫氮要求，生物反應(yīng)池推薦采用有利于強化脫氮的Bardenpho工藝。考慮廠區(qū)用地緊張，二沉池采用占地較小的矩形周進周出沉淀池，并與生物反應(yīng)池合建。
（3）改造工程總平面布置按照遠期處理規(guī)模30萬m³/d進行統(tǒng)一布局，并預(yù)留提標(biāo)至“四類水”出水標(biāo)準(zhǔn)的用地。
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