設(shè)計案例 | AAO-MBR工藝在湘湖污水廠提標(biāo)改造工程中的應(yīng)用

水處理網(wǎng)訊:01 工程背景

長沙市湘湖污水處理廠設(shè)計流量為14×104 m3/d，占地面積35 000 m2，現(xiàn)狀總設(shè)計規(guī)模為14×104 m3/d，出水標(biāo)準(zhǔn)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)狀污水經(jīng)粗、中、細(xì)三道格柵后，由提升泵站送至各級處理構(gòu)筑物。一級處理采用曝氣沉砂池，然后送入預(yù)處理兩側(cè)氧化溝和二沉池進(jìn)行二級處理。二級處理后出水未經(jīng)消毒直接由一根直徑1 m的管道排入廠外工作井，再利用倒虹管穿東西箱涵下部進(jìn)入其另外一側(cè)工作井，流入西箱涵，東西箱涵間的連通孔完全封閉，西箱涵內(nèi)是湘湖污水處理廠排放水，東箱涵是未經(jīng)處理的污水。處理后的尾水與未處理的污水混合后排入了三角塘排漬泵站集水池，最終進(jìn)入了瀏陽河，匯入湘江（圖1）。隨著湘江長沙綜合樞紐建成，湘江長沙段自凈能力隨之下降，其對長株潭庫區(qū)式飲用水安全已構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

一方面，湘湖污水處理廠原設(shè)計出水標(biāo)準(zhǔn)太低，已不滿足長沙市的污水排放整體需要，急需提標(biāo)改造；另一方面，湘湖污水處理廠建成時，所在區(qū)域?qū)俳紖^(qū)，周圍均為魚塘、荒地等，隨著城市的發(fā)展，廠區(qū)周圍已經(jīng)變成了高樓林立的城市商住區(qū)，環(huán)境十分敏感，惡臭及噪聲是制約污水處理廠運(yùn)營的首要因素。盡管運(yùn)營單位已對水、臭氣、噪聲及固廢的污染相應(yīng)的治理和控制措施，但運(yùn)營期生產(chǎn)的惡臭及噪聲對周邊環(huán)境仍存在一定程度的影響，必須進(jìn)一步強(qiáng)化惡臭及噪聲污染控制措施，加以有效治理。

02 提質(zhì)改造工程設(shè)計方案

2.1 工程規(guī)模及設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)

根據(jù)可行性研究論證，為確保出水水質(zhì)，長沙市湘湖污水處理廠設(shè)計流量恒定為14×104 m3/d，多余污水進(jìn)入三角塘污水提升泵站，提升至開福污水處理廠。

考慮到湘湖污水處理廠尾水除了排放至瀏陽河，還需回用到烈士公園年嘉湖和躍進(jìn)湖。因此，需同時滿足《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)和《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18921—2002）中的娛樂性景觀環(huán)境用水標(biāo)準(zhǔn)。為防止年嘉湖、躍進(jìn)湖發(fā)生富營養(yǎng)化現(xiàn)象，出水水質(zhì)還應(yīng)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）IV類標(biāo)準(zhǔn)。綜合以上標(biāo)準(zhǔn)，同時考慮到國內(nèi)其他類似項目出水標(biāo)準(zhǔn)，最終確定設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)如表1所示。

2.2 設(shè)計工藝流程

本工程選擇了“AAO+MBR”工藝作為長沙湘湖污水處理廠提標(biāo)改造工藝。污泥處理工藝采用離心濃縮脫水一體機(jī)，將污泥含水率處理到80%以下，根據(jù)環(huán)評要求柵渣、污泥等最終送長沙市政污泥處理中心處置。工藝流程如圖2所示。

綜合考慮設(shè)計水質(zhì)和現(xiàn)有的場地條件，設(shè)計前期基于活性污泥-厭氧消化（ASDM）動力學(xué)模型，采用Biowin軟件對整體工藝進(jìn)行了全流程的反復(fù)模擬，最終得到了既能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，同時電耗及藥耗均最省的工藝條件和運(yùn)行參數(shù)，并據(jù)此完成了優(yōu)化設(shè)計。

2.3 總體設(shè)計

長沙市湘湖污水處理廠處理規(guī)模為14萬m3/d，占地面積僅為33 000m2左右，場地面積十分緊張。為有效利用場地，在設(shè)計過程中首先盡量保留了廠區(qū)原有的建構(gòu)筑物，如傳達(dá)室、綜合樓等，減少重復(fù)建設(shè)；其次針對原有部分不滿足出水和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)建構(gòu)筑物進(jìn)行了升級改造，包括預(yù)處理、氧化溝和污泥脫水間、中控室等，使之發(fā)揮最大的效用，滿足提質(zhì)的要求；最后為保證出水達(dá)標(biāo)，工程以MBR工藝為核心，對現(xiàn)有二沉池進(jìn)行整體拆除，在用地上新建MBR構(gòu)筑物，集成了好氧池、膜池、鼓風(fēng)機(jī)房、泵房、設(shè)備間、加藥間等功能，同時新建接觸消毒池，滿足尾水回用要求。改造前實(shí)景圖和改造后的效果圖分別如圖3和圖4所示。

03 主要建、構(gòu)筑物設(shè)計參數(shù)

3.1 預(yù)處理改造

1）粗格柵改造

粗格柵平面尺寸為5.6 m×8.1 m，高度為4.9 m。粗格柵共分3渠道，改造工程將現(xiàn)狀3臺三索式50 mm格柵除污機(jī)改為20 mm回轉(zhuǎn)式格柵除污機(jī)，每格渠寬B=1.9 m，柵前水深為0.95 m，安裝角度a=70°，格柵間隙b=20 mm，柵條寬s=10 mm。

2）中格柵改造

中格柵平面尺寸為5.8 m×10.1 m，高度為4.9 m。中格柵共分4渠道，將現(xiàn)狀4臺15 mm循環(huán)式齒耙除污機(jī)改為6 mm回轉(zhuǎn)式格柵除污機(jī)，每格渠寬B=1.9 m，柵前水深為0.70 m，安裝角度a=70°，格柵間隙b=5 mm。

3）細(xì)格柵改造

細(xì)格柵平面尺寸為7.1 m×11.15 m，高度為1.5m。將現(xiàn)狀6 mm回轉(zhuǎn)式格柵改為3 mm孔板格柵，細(xì)格柵原有渠道維持不變，渠頂板設(shè)備安裝處開孔增大。每格渠寬B=2.1m，柵前水深1.5m，格柵間隙b=3mm。共配置4臺孔板格柵除污機(jī)，單臺功率1.5 kW，并配備2臺反沖洗水泵，單泵流量為36 m3/h，H=94 m，N=15 kW。工作時間按照1∶2~1∶4的開停比設(shè)置開、停時間。

4）膜格柵改造

將原有污泥回流泵房改造為膜格柵，細(xì)格柵平面尺寸為6.1 m×8.8 m，高度為2.2 m。共設(shè)4臺膜格柵，3用1備，單臺功率1.5 kW。每格渠寬B=1.4 m，柵前水深1.1 m，格柵間隙b=1 mm。并配備2臺反沖洗水泵，單泵流量36 m3/h，H=94 m，N=15 kW。工作時間按照1∶2~1∶4的開停比設(shè)置開、停時間。

3.2 氧化溝改造

將原有2座氧化溝均改造為厭氧-缺氧池，單座氧-缺氧池設(shè)計流量7萬m3/d，其中厭氧段停留時間為1.0 h，缺氧段停留時間為2.7 h，有效水深均為3.9 m。單座厭氧池共配備6臺高速潛水?dāng)嚢杵?，功?.7 kW，單座缺氧池共配備12臺低速潛水?dāng)嚢杵?，功?.3 kW，缺氧池到厭氧池污泥回流比為100%~200%。

3.3 MBR綜合構(gòu)筑物

將原有4座二沉池拆除，新建MBR綜合構(gòu)筑物兩座，MBR構(gòu)筑物設(shè)計如圖5所示。單座設(shè)計規(guī)模為7萬 m3/d，平面尺寸為82.34 m×38.18 m。包括好氧池、膜池、污泥回流泵房、綜合設(shè)備間、鼓風(fēng)機(jī)房及配電間。

1）好氧池

好氧池單座平面尺寸為37.70 m×36.25 m，有效水深為6.0 m，有效停留時間為2.4 h。好氧池采用管式曝氣器。每座好氧池設(shè)管式曝氣器1 216根，兩個系列共2 432根。單根曝氣量為7.2 m3/h。好氧池至缺氧池污泥回流量為300%。

2）MBR膜池

MBR膜池共2座，單座總尺寸為45.46 m×31.85 m，包括了配水渠、膜池、回流渠和清洗池。池深為5 m，有效水深為3.7 m。其中配水渠為39.6 m×2.1 m，回流渠尺寸為39.6 m×1.5 m，膜池共分為8格，單格尺寸為26.65 m×4.6 m，清洗池共分為3格，包括水洗，酸洗和堿洗。

單座膜池共8個系列，其中6列安裝10個膜組件，2列安裝9個膜組件，膜組件采用PVDF中空纖維膜，單臺膜組件設(shè)計處理量為897.5 m3/d，膜設(shè)計通量為17.81 L/（m3·h）。膜池膜吹掃風(fēng)量為849.6 Nm3/min，氣水比為8.7∶1，BOD5污泥負(fù)荷為0.098 kg BOD5/(kg MLSS∙d)。膜池至好氧池污泥回流量為400%。

3）污泥回流泵房

污泥回流泵房共兩座，單座總尺寸為10.9 m×8.51 m，共設(shè)有8臺回流泵，包括膜池至好氧池回流泵4臺，單泵設(shè)計參數(shù)為：Q=2 910 m3/h，H=0.5 m，N=18.5 kW；好氧池至缺氧池回流泵4臺，單泵設(shè)計參數(shù)為：Q=2 190 m3/h，H=3.0 m，N=37 kW。

4）綜合設(shè)備間

MBR膜設(shè)備間為兩層鋼砼+框架結(jié)構(gòu)，平面尺寸為44.5 m×6.61 m。上層設(shè)置MBR系統(tǒng)中控室及清洗加藥裝置，包括次氯酸鈉、檸檬酸貯存裝置及投加裝置。

下層設(shè)置產(chǎn)水泵、剩余污泥泵及其他輔助設(shè)備，產(chǎn)水泵共設(shè)9臺，8用1冷備，均設(shè)變頻，單臺泵Q=493 m3/h，H=11~13 m，N=22 kW；剩余污泥泵共設(shè)4臺，3用1備，單臺泵Q=80m3/h，H=20 m，N=11 kW。

5）鼓風(fēng)機(jī)房

鼓風(fēng)機(jī)房及配電間合建，置于好氧池上方，平面尺寸為38.46 m×7.8 m，共設(shè)2座。每座均設(shè)置曝氣風(fēng)機(jī)和膜吹掃風(fēng)機(jī)。單座設(shè)置曝氣風(fēng)機(jī)3臺，1大2小，互為備用，其中大鼓風(fēng)機(jī)Q=146 m3/m，H=7.5 m，N=223 kW，小鼓風(fēng)機(jī)Q=73 m3/m，H=7.5 m，N=112 kW；膜吹掃風(fēng)機(jī)共設(shè)置4臺，2大2小，其中1臺大鼓風(fēng)機(jī)與2臺小鼓風(fēng)機(jī)互為備用，大鼓風(fēng)機(jī)Q=213 m3/min，H=4.5 m，N=223 kW，小鼓風(fēng)機(jī)Q=106.5 m3/min，H=4.5 m，N=112 kW。

3.4 接觸消毒池/加藥間/出水提升泵房

本工程接觸消毒池、加藥間與出水提升泵房合建，共設(shè)1座，設(shè)計規(guī)模為14萬m3/d。接觸消毒池設(shè)計與出水提升泵站合建，總平面尺寸為25.05 m×23.35 m，池高4.9 m，有效水深4.0 m，有效容積為2 300 m3，池內(nèi)接觸時間為23.66 min，考慮尾水排放管內(nèi)接觸時間7.12min，總接觸時間為30.78 min。出水提升泵站共設(shè)4臺潛水泵，3用1備，單臺水泵設(shè)計參數(shù)為Q=2 000 m3/h，H=16 m，N=132 kw。

加藥間位于接觸消毒池上部，消毒劑采用了二氧化氯，投加量為8 mg/L；化學(xué)除磷采用固體堿式氯化鋁（PAC）投加藥劑，設(shè)計最大投加量為30.0 mg/L；外加碳源采用乙酸鈉，考慮到本項目對TN的去除要求較高，設(shè)計乙酸鈉最大投加量為30.0 mg/L。

3.5 貯泥池

新建的貯泥池為地下式鋼筋砼池，平面尺寸9.0 m×9.0 m，有效水深為5 m，有效容積為405 m3，池內(nèi)安裝有潛水?dāng)嚢铏C(jī)，污泥脫水時實(shí)施攪拌，使脫水效果穩(wěn)定。池內(nèi)還安裝有超聲波泥位計，在中控室及脫水間顯示貯泥量，并可在泥位最高時間停開進(jìn)泥泵，在低水位時停開攪拌機(jī)。

3.6 污泥脫水間改造

污泥處理先前采用帶式干化機(jī)，提表改造后，原有帶機(jī)能夠滿足污泥脫水量的要求，但污泥產(chǎn)生的臭氣問題沒有辦法得到妥善的解決，為此采用離心脫水機(jī)代替現(xiàn)有的帶機(jī)。共設(shè)計4臺臥式螺旋沉降脫水機(jī)，3用1備，工作時間按12 h設(shè)計，單臺脫水機(jī)Q=60 m3/h，N=66 kW。

3.7 除臭系統(tǒng)

鑒于湘湖污水處理廠用地緊張，本工程將臭氣分散就地處理，共設(shè)置6處。

1#除臭系統(tǒng)：主要針對預(yù)處理間產(chǎn)生的臭氣，設(shè)置一套植物液除臭設(shè)備，處理風(fēng)量為6 200 m3/h。

2#除臭系統(tǒng)：主要針對污泥脫水間內(nèi)脫水機(jī)和貯泥池產(chǎn)生的臭氣，設(shè)計一套植物液除臭系統(tǒng)，處理風(fēng)量為4 500 m3/h。

3#除臭系統(tǒng)：分別針對厭氧/缺氧池產(chǎn)生的臭氣，單座厭氧/缺氧池總處理風(fēng)量為13 000 m3/h。設(shè)備放置在厭氧池體的房間內(nèi)，由于房間尺寸有限，故設(shè)計兩套生物過濾除臭設(shè)備，分別放置在池體上的兩個房間，單套處理風(fēng)量為6 500 m3/h，可獨(dú)立運(yùn)行。兩套設(shè)備共用一個排氣筒。

4#生物除臭設(shè)備：主要針對兩座MBR綜合構(gòu)筑物產(chǎn)生的臭氣，共設(shè)計兩套生物除臭設(shè)備，處理風(fēng)量為43 000 m3/h。為節(jié)省用地，設(shè)備放置在好氧池體上面。

04 綠色設(shè)計理念在污水廠設(shè)計中的討論

（1）考慮污水廠的性質(zhì)和周邊的環(huán)境，以環(huán)境保護(hù)和體現(xiàn)植物群落生態(tài)效應(yīng)為主，以水文化教育展示基地為輔，在廠區(qū)的主入口處特意設(shè)計一處長沙窯陶罐水景，突出長沙窯陶罐和污水回用相結(jié)合的文化；將經(jīng)過處理后的水重復(fù)利用到景觀設(shè)計中，直接對外展示水處理的成果，設(shè)計參觀路線，讓大眾了解整個污水處理的工藝，提倡節(jié)約用水和保護(hù)環(huán)境；植物主要以本土植物為主，同時注重多樣性的配合，營造出多形式，多層次，多組合的植物配置，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的平衡。

（2）景觀綠化設(shè)計中，以“資源節(jié)約，環(huán)境友好”為主題，貫徹低影響開發(fā)的“海綿城市”理念，采用了綠化屋面、垂直綠化、生態(tài)停車場等一系列設(shè)計，特別是對氧化溝進(jìn)行加蓋覆土。在氧化溝上形成了城市的“小游園”，體現(xiàn)生態(tài)、美觀、人與自然充分融合的理念。通過低影響開發(fā)“海綿城市”設(shè)計理念的應(yīng)用，一方面對建筑物起保溫、隔熱作用，另一方面可有效減少屋面徑流總量和徑流污染負(fù)荷。整個廠區(qū)建成之后與周邊環(huán)境融為一體，將污水處理廠設(shè)施對周邊環(huán)境的影響降至最低。提標(biāo)改造后的實(shí)景如圖6所示。

05 水質(zhì)處理效果

長沙市湘湖污水處理廠提質(zhì)改造后，于2016年12月正式投入運(yùn)行，2017年1月~12月的平均進(jìn)出水水質(zhì)如表2所示。

06 綜合效益分析總結(jié)

（1）項目節(jié)地

本工程總用地面積為34 991.54 m2，用地指標(biāo)為0.25 m2/（m3∙d），僅為《城市污水處理工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》[2001]中采用二級生化+深度處理工藝的污水廠建設(shè)用地指標(biāo)0.80~0.95 m2/（m3·d）的25~30%，節(jié)約用地超77 000 m2，節(jié)省土地費(fèi)用超1.7億元。

（2）項目節(jié)能

本項目提質(zhì)改造后，處理污水的電耗為0.46 kW∙h/m3，而目前國內(nèi)現(xiàn)有的污水處理廠采用膜處理工藝的，處理污水的電耗均為0.50~0.60 kW∙h/m3，本項目能耗屬于合理偏低范疇。項目年最少節(jié)能200萬kW∙h/a，年節(jié)約電費(fèi)160萬元。

（3）項目節(jié)水

本工程出水經(jīng)深度處理后可選擇性回用作為長沙市烈士公園年嘉湖和躍進(jìn)湖秋冬枯水季節(jié)補(bǔ)給用水，大大減少秋冬季兩湖對自來水補(bǔ)給的依賴，年均節(jié)水量保守估計約為400萬m3左右。

（4）項目節(jié)材

本工程設(shè)計方案中，充分利用了原有設(shè)施，如：傳達(dá)室、綜合樓、預(yù)處理、氧化溝和污泥脫水間、中控室等，節(jié)約投資約8 000萬元。同時，整個項目中PAC及碳源投加量均控制在30 mg/L以下，相對于同類出水水質(zhì)的其他項目（PAC及碳源投加量均為50 mg/L左右），此兩種藥劑均節(jié)約了20 mg/L左右。PAC及碳源年均節(jié)約用量1 000 t左右，合計約為250萬元左右。

（5）環(huán)境效益

長沙市湘湖污水處理廠提質(zhì)改造將使排入瀏陽河的污染物大大降低，14萬m3/d規(guī)模建成投運(yùn)后預(yù)計污染物質(zhì)每年的削減量為：化學(xué)需氧量CODCr減少：13 100 t/a；生化需氧量BOD5減少：4 740 t/a；總懸浮物SS減少：8 320 t/a；TN減少：960噸/年；TP減少：140 t/a 。

（6）生態(tài)景觀效益

本工程不僅對湘湖污水處理廠進(jìn)行了全廠全范圍的除臭降噪，同時還從整體上提升了廠區(qū)景觀環(huán)境，使污水處理廠變?yōu)榱顺侵谢▓@，大大提升了周圍群眾的生活質(zhì)量。

07 結(jié)論

長沙市湘湖污水處理廠提標(biāo)改造工程采用“AAO+MBR”工藝，探索了污水處理廠的新的設(shè)計方法，充分體現(xiàn)了“綠色、循環(huán)、低碳”的綠色市政設(shè)計理念。在項目用地極為有限、周邊環(huán)境敏感、出水要求嚴(yán)格的條件下，實(shí)現(xiàn)了提標(biāo)改造、尾水再生回用、全廠除臭降噪，整體景觀優(yōu)化的目標(biāo)。實(shí)測運(yùn)行數(shù)據(jù)表明設(shè)施運(yùn)行穩(wěn)定，處理效果和出水水質(zhì)優(yōu)于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。本工程不僅提供了一座環(huán)境友好和生態(tài)美觀的新型“綠色”現(xiàn)代化污水處理廠的典型案例，同時可為類似的改造項目提供重要的借鑒方法和經(jīng)驗(yàn)。

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