分期建设规模差异较大的小型污水处理厂研究

2016-03-26周慕之

城市道桥与防洪 2016年12期

关键词：构筑物处理厂污泥

肖峻，周慕之

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030）

分期建设规模差异较大的小型污水处理厂研究

肖峻，周慕之

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030）

就分期建设规模差异较大的小型污水处理厂在工艺方案选择、构筑物设计、设备选择等方面需要注意的问题及原则进行了研究，有关经验可供相关专业人员参考。

小型污水处理厂；分期；设计

0 引言

随着全国城镇化建设的开展，小型污水处理厂的建设进度也日益加快。然而，这些小城镇由于历史原因和经济发展的不均衡，卫生设施基础欠账太多，现阶段污水管网收集率较低，污水量较小，与规划的污水量有较大的差距。同时，由于城镇的建设发展往往分期分步进行，城镇污水管网的建设与污水量的增加也将跟随城镇发展分步推进，故小型污水处理厂的建设需兼顾现状与规划，从工艺选择、构筑物设计等各方面考虑污水厂分期分步的建设。

由于国内外对大、中城市的污水处理工艺技术研究很多，但对需要分期建设的小型污水处理厂工艺选择及构筑物设计研究较少，为了更好的维护小城镇的生态环境，本文对分期规模具有较大差异的小型污水处理厂的设计提出若干思路，并以上海市某镇小型污水处理厂的设计为例，为今后分期实施小城镇污水处理厂的设计提供参考。

1 工艺方案的确定[1,2]

1.1 小型污水处理厂的定义

对于小型污水处理厂规模的划分，不同国家和地区有不同的标准。在欧洲国家一般认为服务于小区、宾馆等日处理能力在100～2 000人口当量污水的处理厂为小型污水处理厂。我国大陆和台湾地区则认为小型污水处理厂的规模应在10 000人口当量以下或4 000 m3/d以下。根据我国实际情况，按规模大体可划分为大型、中型和小型污水处理厂。规模超过100 000 m3/d是大型污水处理厂，一般建设在大城市；中型污水处理厂一般规模在50 000～100 000 m3/d，一般见于中小城市和经济发达的大城市郊县。小型污水处理厂一般规模小于50 000 m3/d，建于小城镇。

1.2 适合于小型污水处理厂的工艺方案选择

污水处理厂工艺方案的确定必须要满足小型污水处理厂的特点。

1.2.1 小型污水处理厂的特点

（1）小型污水处理厂一般见于小城镇，而小城镇的雨污水管网一般尚未完善，故污水处理的规模存在不确定性。

（2）小型污水处理厂由于负担的排水面积小，污水量少，一天内水量水质变化较大。

（3）一般要求自动化程度较高，以减少工作人员配置，降低运营成本。

（4）由于规模较小，一般不设污泥处理设施，剩余污泥外运处理。

1.2.2 小型污水处理厂工艺方案的确定

城市污水处理厂常用的工艺方法有：氧化沟系列、A/O系列、序批式反应器（SBR）系列。各个系列不断地发展、改进，形成了目前比较典型的工艺有：如ORBAL氧化沟工艺、CARROUSEL-2000氧化沟工艺、双沟式DE氧化沟工艺、三沟式T型氧化沟工艺、A/O工艺、A/A/O工艺、改良A/A/O工艺、倒置A/A/O工艺、SBR工艺、CASS（CAST）工艺、MSBR工艺、Unitank工艺等。

上述工艺中，从处理效果来看，均可满足要求。但每种使用范围和应用的边界条件也存在一定的差异。根据近年来国内外专家的论证与实际工程的运行情况，SBR和氧化沟工艺是公认的高效、简化的污水处理工艺，是中小型污水厂的首选工艺。

两种方法的优点为：

（1）反应属于完全混合型，具有较高的抗冲击负荷能力。

（2）一般不设初沉池，简化了工艺并且节省用地。

现对两种工艺进行比较，发现SBR法相对于氧化沟又具有一些优势：

第一，供氧利用率高。SBR采用鼓风曝气，氧化沟采用叶轮机械曝气，鼓风曝气的氧利用率较高。

第二，SBR法可以省去二沉池和回流污泥泵房，较之氧化沟法构筑物数量少，占地小，故基础投资小。

第三，SBR法可以间歇运行，具有较强的调节能力而无需调节池。

综上所述，SBR法更适应于小型污水处理厂。在SBR法中，除了传统的SBR工艺，还有诸多改良的工艺，比如ICEAS工艺、CASS工艺、UNITANK工艺等等。

传统的SBR工艺如果要连续进水，则需要对单一的SBR反应器配备一个较大的调节池。同样，如果需要增加后续处理，则需要较大容积的调节池。ICEAS工艺无法控制污泥膨胀，脱氮除磷效果一般。UNITANK工艺无专门的厌氧区，磷去除效果不理想，且池容利用率低。而CASS工艺是在ICEAS工艺的基础上开发出来的，它通过设置选择器、预反应区和污泥回流等措施控制了污泥膨胀、增大了有机物的去除率并起到了脱氮除磷的作用。同时，由于CASS工艺是三个池体的组合，故而创造了静止沉淀的条件，可以使污水有良好的分离作用。

从分期建设的角度考虑污水工艺的选择。分期建设的污水厂近远期建设规模和水质要求都会有相应的变化，故污水处理工艺的选择需考虑到水质提升的要求及对处理工艺的构筑物容积利用率高低。建议采用占地少，且能够适应将来不断提高的出水标准的工艺。

综上所述，CASS工艺作为一种改良的SBR工艺，具有较好的脱氮除磷、防止污泥膨胀的效果，且可以通过改造CASS四格轮流运行的模式来调配污水量，更适用于分期建设差异较大的小型污水处理厂。

2 构筑物设计

2.1 污水厂处理单元分组的确定

污水处理厂处理单元的组数需根据污水处理厂的分期规模来确定。但是当分期规模的差异较大时，如完全按照分期规模来确定构筑物的设计规模，必然导致构筑物数目过多，厂区内管线复杂，运行管理工作量巨大，得不偿失。另外，为了降低小型污水处理厂的建设成本，提高厂区运行管理、设备维护的便捷性，处理单元分组不宜过多。

综上所述，分期规模差异较大的小型污水处理厂处理单位的分组应主要以远期处理规模为分组依据，同时兼顾各期不同的处理规模进行设置，分组组数建议少于4组。设计人员应灵活设置分组，分组后每组处理单元的设计规模可以和近期规模不同。

2.2 分期建设污水处理构筑物的设计思路

一般情况下，污水处理构筑物的设计规模应与处理单元分组的设计规模相对应。即如果处理单元分两组，每组处理能力为10 000 m3/d，则每个分组的污水处理构筑物的处理规模也应为10 000 m3/d。但是，当小型污水处理厂分期规模差异较大时，为达到各个分期的处理水量，污水处理构筑物也需进行分期建设。为达到分期建设的目的，设计人员可从以下几方面对污水处理构筑物进行改造，达到分期建设的目的。

（1）改变构筑物或管渠尺寸

污水处理构筑物的设计过程中，一般以控制污水流速来确定构筑物或管渠的大小尺寸。当污水处理构筑物需要分期建设时，可以采用临时改变构筑物或管渠尺寸来保证各期适宜的污水流速。可以通过临时措施，从宽度和高度上改变构筑物的尺寸；可以通过预留接口，预留渐扩、渐缩管的方法改变管道管径，从而使处理的污水流速满足各个分期的要求。

（2）改变构筑物使用时间

除了流速以外，还可以通过改变构筑物的使用时间来达到不同规模的使用要求。当构筑物作处理污水用时，使用时间越短，流量越小，更适宜近期小规模流量。当构筑物做储存污水或污泥用时，使用时间越长，流量越大，更适宜远期大规模流量。

（3）改变构筑物使用性质

除了上述两种方法外，设计者还可以大胆改变构筑物的使用性质，来达到分期建设的目的。比如，可将部分污水处理构筑物的容积改变为污水调节池，或者将远期待使用的构筑物作为调节池用。

（4）选择合适的设备

污水处理厂内设备的安装必须与各个阶段的分期规模相匹配，并充分考虑设备的保留利用，以降低建设成本。设计者在污水厂设备的选型过程中可以采用以下几种方式，达到分期建设污水处理厂的目的。

a.分期安装，大小配备

设备的安装需根据各期不同的建设规模确定，分期分批进行安装。当分期规模差异较大时，可根据各期不同情况，搭配使用大流量设备与小流量设备，达到处理目的。

b.选择变频设备

随着科技的发展，许多设备可采用变频调速，这样既节约了能源，又可达到不同分期的要求。

c.必要时更换设备

并不是所有的设备都适合分期使用，一些设备，如阀门，不适合分期分批安装。设计人员在必要时需更换设备，从而满足使用的需要。

（5）其他需要注意的问题

a.预留分期建设接口

污水处理厂的分期建设会牵涉构筑物、管渠、厂区土建、设备安装等各个方面。设计者务必在设计时充分考虑以上因素，为后期的建设提供方便。

b.最不利的工况计算

对于分期建设的污水处理厂，最不利工况的计算应考虑各期的最不利工况中的极值，从而保证污水处理厂各个分期均能达到处理要求。

c.均匀分配流量

均匀分配污水量、风量是污水处理构筑物设计的关键，当污水处理厂分期规模差异较大时，特别是当有大流量与小流量设备搭配使用时，需合理设计，保证各个处理构筑物能够均匀分布水量及风量。

3 设计实例

3.1 工程简介

本污水处理厂服务于上海郊区某集镇镇区，根据现状污水量及规划城镇污水量确定污水处理厂第一阶段设计规模为1 500 m3/d，第二阶段设计规模为6 000 m3/d，第三阶段（远期）建设规模为12 000 m3/d。污水处理厂用地较宽裕，第一阶段用地控制为10 300 m3，第一阶段处理后的尾水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中的一级B标准，第二、第三阶段用地控制为13 300 m2，处理后的尾水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中的一级A标准。

考虑到该项目有脱氮除磷的要求，且水量又小，故污水处理采用CASS工艺，污水消毒采用紫外线消毒；污泥处理采用浓缩脱水后外运处置。项目污水处理流程为粗格栅及进水泵房→细格栅及旋流沉砂池→CASS生物反应池→紫外线消毒渠→出水计量井。污泥处理流程为储泥池→污泥浓缩脱水机房及污泥堆棚。

3.2 构筑物设计规模及分组

考虑到近远期的结合，规模的协调统一，部分构筑物一期考虑单组（双格）运行，远期工程实施后可确保所有单体构筑物能满足多组运行，大大提高了运行的可靠性。根据远期处理规模，并考虑分期实施，各主要构筑物分组情况如下：

粗格栅及进水泵房：进水泵房一座，设双舱粗格栅渠，每舱中设2台粗格栅。第一阶段土建按12 000 m3/d建设，粗格栅按6 000 m3/d安装，水泵按1 500 m3/d安装。

细格栅及沉砂池：分两组，每组各两个细格栅及沉砂池。第一阶段土建按6 000 m3/d建设，设备按6 000 m3/d安装。第一阶段考虑单组（双格）运行。第三阶段另外新建一组细格栅及沉砂池。

CASS生物反应池：分四组，每组四格。第一阶段建设一组，土建按3 000 m3/d建设，设备安装两格。第二阶段另增加一组。第三阶段增加两组。

紫外线消毒渠：共一组（另设超越渠）。第一阶段土建按12 000 m3/d建设，设备按3 000 m3/d安装。第一阶段考虑单组（另设超越渠）运行。第二阶段另外加装消毒设备，第三阶段再增加设备。

出水计量井：共一组。土建按12 000 m3/d建设，设备按3 000 m3/d安装。

鼓风机房：土建按12 000 m3/d建设，第一阶段设备按3 000 m3/d安装。

储泥池：分两组。第一阶段按污水处理量6 000 m3/d建设一座，第二阶段不变，第三阶段增加一座。

污泥浓缩脱水一体机房：机房土建按污水处理量12 000 m3/d建设。

污泥堆棚：第一阶段土建按污水处理量12000m3/d建设。

3.3 设备选择

粗格栅及进水泵房：粗格栅按6 000 m3/d安装，分2套。水泵按1 500 m3/d安装，第一阶段安装两台2小泵，其中1台变频，1台备用。第二阶段增加2台大泵，1台安装在现场，1台库存备用，2台小泵常用。第三阶段在另外一组泵房中增加3台大泵，其中2用1备。

细格栅及沉砂池：细格栅及沉砂池按6 000 m3/d安装，细格栅安装两组。第一阶段、第二阶段不变。第三阶段新建另外一组细格栅及沉砂池，设备也按6 000 m3/d安装。

CASS生物反应池：第一阶段设置一组处理单元，每组四格，其中两格作为反应池，另两格作为调节池使用。日均处理水量为1 500 m3/d，但单格处理池由于调节水量后流量增加，故单格设备按照3 000 m3/d安装。第二阶段原两格调节池安装设备后作反应池使用，另增加一组，处理水量共6 000 m3/d。第三阶段增加两组，共4组处理单元，处理水量共12 000 m3/d。

紫外线消毒渠：共一组，第一阶段砌筑挡流墙，缩减渠道宽度，设备按3 000 m3/d安装。第二阶段敲除部分挡流墙，拓宽渠道，再安装一组设备，处理流量达到6 000 m3/d，第三阶段去除余下挡流墙，再增加紫外线消毒设备，处理流量达到12 000 m3/d。

出水计量井：第一阶段电磁流量计按3 000 m3/d安装。第二阶段、第三阶段均需根据流量更换电磁流量计。

鼓风机房：第一阶段，鼓风机按照3 000 m3/d安装，两用一备，共三台小风机。第二阶段将其中一台小风机改为一台大风机，另外新安装一台大风机，共两台小风机，两台大风机，其中一台大风机备用。第三阶段再增加两台大风机，共四台大风机，两台小风机，其中一台大风机备用。

储泥池：分两组。第一阶段安装一套潜水搅拌器，第二阶段改变污泥设计停留时间，设备不变，第三阶段新建一座储泥池，并增加一套搅拌器。

污泥浓缩脱水一体机房：带式污泥浓缩脱水机安装两台，第一阶段一用一备，第二阶段不变，第三阶段增加一台，两用一备。

3.4 管线预留

考虑到第二、第三阶段污水厂升级改造的需要，故本工程预留了扩建后的污水管、场地雨水管、污泥管、工艺管线的接口，方便后期工程衔接。

通过构筑物的设计和设备的选择，该污水处理厂能够满足1 500 m3/d、6 000 m3/d、12 000 m3/d，三个阶段流量的处理要求。