长沙暮云污水处理及中水回用工程设计案例

张 星，周 琳

（1.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000）

暮云位于湘江长沙段的上游，而湘江又是长沙市唯一的城市供水水源，随着暮云片区的发展，污废水排放量逐年增加，在污水处理厂（简称为污水厂）建设前，污水直排湘江，加剧了水体污染及水资源的紧缺。建设污水厂并将尾水作为再生水回用，可提高城市污水利用效率，合理利用水资源，减轻水污染，既是一项节水措施，也是一项治污措施［1］。长沙市暮云污水厂于2012年8月开工建设，2014年7月竣工，2014年9月试运行，2014年10月正式投产，其服务范围包括暮云镇分区、天心环保园分区、天心环保暮云协调区分区、大托分区、暮云镇东部现有规划尚未覆盖的地区以及跳马乡西部部分地区。工程总规模为28.5×104m3／d，污水厂尾水考虑回用，作为城市绿化、道路浇洒及景观用水。

1 工程规模

1.1 水量预测

采用人均综合用水量指标法、建设用地综合用水量指标法、人均综合生活用水量指标法［2-3］三种方法预测暮云污水厂纳污区规划期末（2020年）污水量为28.5×104m3／d，现状污水量为 4.4×104m3／d。

本工程中水回用对象的重点范围为：城市绿化用水、冲洗道路用水及景观环境用水。预测规划期末绿化总需水量为3.78×104m3／d，道路冲洗总需水量为 1.68×104m3／d，景观环境需水量为 2.16×104m3／d，则中水需水总量为 7.7×104m3／d。测算现状中水需求量为30 058 m3／d。

1.2 水量平衡

暮云污水厂预留进一步深度处理空间，中水回用将逐步扩展到其他工业杂用水。根据在编的中水规划，暮云区中水规模将达到4.5×104m3／d，中水规模将达到平衡或不够的状态。中水雨季排放的问题将依赖中水系统的建设，过渡阶段可通过加大景观环境用水回用量，提高景观换水次数加以解决。

1.3 工程设计规模

根据暮云污水处理工程服务范围内远期污水量和中水需水量预测，结合现状污水量、现状中水需求量、工程建设周期及年限，确定本工程设计规模：一期污水处理及中水回用厂设计规模为4.0×104m3／d；远期设计规模为 28.5×104m3／d。

1.4 厂址选择

暮云污水厂规划选址位于纳污区下游非洪水淹没区的暮云镇三兴村，厂址具有如下特点：①厂址南侧有规划城市道路，西侧邻近湘江，北侧邻近三兴港排水管道；湘江边和三兴港排水管道边建有防洪堤，厂址不受洪水威胁；②厂址靠近暮云工业园、天心环保工业园等工业园区，处理尾水便于回用，有利于污水资源化；③厂址处现状为农田，不存在拆迁问题。厂区自然地形标高为33.50～35.60 m，厂外道路标高为33.99～34.21 m，污水厂设计地面标高平均为34.00 m。

2 进出水水质

2.1 污水厂进水水质

根据长沙市发改委对工程可行性研究报告的批复，本工程污水进厂水质如表1所示。

表1 暮云污水处理厂设计进水水质Tab.1 Influent Water Quality for Muyun WWTP

考虑到污水厂生物处理系统运行的稳定性与安全性，根据长沙市环保部门要求，工业废水必须达到国家颁布的《污水排入城市下水道水质标准》（GJ 3082—1999）后，方可排入城市污水管网并进入污水厂。

2.2 污水厂出水水质

城市绿化、道路清扫及景观用水等水质标准分别按《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB／T 18920—2002）及《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB／T 18921—2002）执行［4-6］。同时根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002），城镇污水处理厂出水若作为回用水，基本要求是必须达到一级A标准。设计出水水质取上述各项的最高标准，如表2所示。

表2 暮云污水厂设计出水水质Tab.2 Effluent Water Quality for Muyun WWTP

3 工艺流程

暮云污水厂的工艺流程如图1所示。

污水：污水处理采用AAO生物脱氮除磷工艺，生物池采用鼓风曝气氧化沟，深度处理采用混凝沉淀、过滤工艺，污水消毒采用液氯消毒。

污泥：剩余污泥经机械浓缩脱水后，外运进行集中处理或综合利用。

臭气：采用生物模块滤床除臭工艺，如图2所示。臭气主要来源为粗、细格栅／脱水机房及污泥均质池。总除臭风量为8 100 m3／h。

4 总体布置

污水厂区总平按照28.5×104m3／d进行布置，一期工程位于厂区西南侧。根据污水厂进、出水方向，主体水处理构筑物布置沿流程排列［7］，处理后出水进入城市中水回用管道系统总体布置如图3所示。

图1 暮云污水厂工艺流程图Fig.1 Layout of Wastewater Treatment Processes for Muyun WWTP

图2 生物除臭工艺流程图Fig.2 Layout of Biological Deodorization Processes for Muyun WWTP

图3 暮云污水厂远期总平面图Fig.3 General Layout Planning of Muyun WWTP

污水厂占地：一期为6.667×104m2；远期为1.880 7×105m2。一期主要构（建）筑物如表3所示。

表3 一期主要构（建）筑物一览表Tab.3 Main Structures＆ Buildings List of the First Scheme

续 表

5 一期主要处理构筑物及设计参数

5.1 一、二级处理部分

5.1.1 粗格栅间及进水提升泵房

进厂总管DN 2200，通过控制井（2.0 m×2.8 m×7.94 m）后流入粗格栅间，控制井预留远期工艺水管DN 2200，近期设计工艺水管DN 800，粗格栅间和进水提升泵房合建。粗格栅间设计流量为2 350 m3／h，选用回转式格栅除污机3台，2用1备，单台功率为1.5 kW，共用螺旋栅渣输送机1台，功率为2.2 kW。粗格栅设备宽度为0.8 m，栅条间隙为20 mm，栅前水深为1.48 m，安装倾角为75°，栅槽沟宽为0.9 m，通过格栅的水头损失为 0.2 m，栅后槽总高为7.8 m，栅槽总长度为 10.11 m，每日栅渣量为2.0 m3／d。

进水提升泵房集水池有效容积为115 m3，调节水量为1台潜污泵9 min流量，根据泵房内液位控制水泵开停台数。潜水排污泵共设4台（3用1备），1台变频控制，单台泵流量为785 m3／h，扬程为14～16 m，选用泵型号300 QW800-15-55，重量为 1 350 kg，功率为55 kW。

5.1.2 细格栅间及旋流沉砂池

细格栅间与旋流沉砂池合建。细格栅间设计流量为2 350 m3／h，进水井共分4格，长度为1.0 m，设置过水堰，单格堰宽为1.3 m。细格栅处理部分共设3组，2用1备，单组处理量为1 175 m3／h，栅槽有效宽度为0.88 m，渠道宽度为1.08 m，渠道水深为0.9 m，流速为0.42 m／s，进水渠道渐宽部分长度为0.78 m，栅条间隙为3 mm，过栅流速为0.85 m／s，过栅水头损失为0.3 m，栅后槽总高为1.75 m，格栅总长度为6.78 m，每日栅渣量为2.0 m3／d。选用循环式齿耙清污机3台（2用1备），单台过栅流量为0.33 m3／s，安装角度为 65°，单台功率为 0.75 kW，无轴螺旋输送机一台，排渣能力为3 m3／h，功率为1.1 kW。

旋流式沉砂池共2座，每座直径为3.65 m，池深为4.56 m，进水渠道流速为0.65 m／s，水力表面负荷为 112.35 m3／（m2·h），水力停留时间为 43 s。每座配套旋流除砂器1台，叶轮直径为1.2 m，功率为1.5 kW，砂水分离器1台，处理能力为47 m3／h，功率为0.37 kW。旋流沉砂池配套鼓风机两台，流量 为 4.07 m3／min，风 压 为 44.1 kPa，功 率 为5.0 kW。

5.1.3 生化池

生化池由厌氧选择池和AAO曝气循环氧化池组成，其平面尺寸为94.5 m×36.9 m×7.0 m，有效水深为6.0 m。

（1）厌氧选择池

共2座，单池平面尺寸为 36.9 m×8.0 m×7.0 m，有效水深为6.0 m，每组配有2台搅拌器，单台规格φ400（叶轮直径），功率为4 kW，转轴距池底600 mm。厌氧选择池的水力停留时间：最大日最大时水量为1.5 h，平均日平均时水量为2.12 h。

（2）AAO曝气循环生物池

曝气循环生物池共2座，单座尺寸为86.2 m×36.9 m×7.0 m，有效水深为6.0 m，单座处理水量为1 175 m3／h。水力停留时间为20.6 h，总污泥龄为18 d，混合液悬浮物浓度为3 500 mg／L，活性污泥负荷（Ls）为 0.042 kg BOD5／（kg MLSS·d）。缺氧区溶解氧浓度为 0.5 mg／L，好氧区溶解氧浓度为2 mg／L。污泥回流比为 100%，混合液回流比为200%～400%。单池厌氧区有效容积为1 375 m3，缺氧区有效容积为2 178 m3，好氧区有效容积为12 068.57 m3。剩余污泥量为6 384.43 kg／d，最大需氧量 为 9 643.85 kg O2／d，扩散器上静水压为5.8 m，氧转移效率为20%，好氧池最大供空气量为163.61 m3／min。每座设潜水推进器10台，其中缺氧区设置2台潜水推流器，单台规格：φ2 500（叶轮直径），转轴距池底1 316 mm，电机功率为4.5 kW；好氧区设置8台潜水推流器，单台规格：φ2 000（叶轮直径），转轴距池底 1 066 mm，电机功率为3.0 kW。混合液回流通道中设置内回流门1台以控制污泥内回流量，规格：H＝4.25 m，N＝0.4 kW；设置潜水搅拌器1台，作为污泥回流动力源，规格：φ400（叶轮直径），转轴距池底 600 mm，电机功率4.0 kW。出水设置出水调节堰门，调节出水水位，规格：L＝3.0 m，N＝0.55 kW，单池设置2台。微孔曝气器2 856个，直径为215 mm，传氧效率≥20%。

5.1.4 配水井及污泥提升泵房

配水井功能为向终沉池均匀配水，设计总流量为2 350 m3／h。污泥提升泵房为半地下式，设计最大回流比为100%，污泥回流量为1 834 m3／h；剩余污泥体积为941 m3／d，含水率为99.4% 。泵房集水池有效水深为3.62 m，有效容积为230.30 m3，相当于最大一台泵运行16 min的容积。剩余污泥泵及回流污泥泵均采用潜水排污泵。潜水排污泵配套自动耦合装置。剩余污泥泵流量为72 m3／h、扬程为12 m、功率为5.5 kW，共2台（1用1备），回流污泥泵流量为855 m3／h、扬程为10 m、功率为45 kW，共3台（2用1备），设置两台变频控制，功率水泵配有过载过热泄漏等常规保护，低水位循环水冷功能。

5.1.5 终沉池

终沉池共设2座，辐流式，直径为38 m，最大单池设计流量为1 175 m3／h，表面水力负荷为1.04 m3／（m2·h），污泥回流量为100%。终沉池设计沉淀时间为2 h，有效水深为3.0 m，超高0.5 m，缓冲层及沉淀池污泥区高度共计1.62 m，池边水深为4.5 m，沉淀池总高度为5.12 m。终沉池采用周进周出进出水方式，进出水槽宽度为渐变，进水槽宽度为350～1 000 mm，出水槽宽度为1 000～350 mm。采用中心传动刮吸泥机，底部设有刮泥板和吸泥管，利用静水压力将污泥吸入污泥槽，从而排除池外，设计转速为0.03 r／min，功率N＝0.37 kW。排渣堰门尺寸为500 mm×500 mm，同时配备QL型手动启闭机。

5.1.6 鼓风机房及变配电室

设计鼓风机房一间。鼓风机共4套，3用1备，考虑4台同时运行的工况，参数：Q＝65 m3／min，H＝7.0 m水柱，N＝110 kW。曝气方式为连续曝气，根据现场情况4台风机轮流备用。

5.2 深度处理部分

5.2.1 污水深度处理提升泵房

泵房集水池有效水深为3.0 m，有效容积为128.64 m3，相当于最大一台泵运行6.57 min的容积。潜污排水泵配套自动耦合装置，设计流量为1 175 m3／h、扬程为8.0 m、功率为45 kW，共3 台（2用1备），1台泵变频控制，水泵配有过载过热泄漏等常规保护，低水位循环水冷功能。

5.2.2 高效沉淀池

混合池2座，单池尺寸为3.1 m×3.1 m×7.0 m，混合区有效总容积为59.58 m3，水力停留时间为3 min，每座设搅拌机1台，功率为4.0 kW。混凝剂PAC投加量为20～30 mg／L。絮凝池2座，单池尺寸为5.4 m×5.4 m×7.0 m，混凝区有效总容积为177.88 m3，水力停留时间为9.08 min，每座设搅拌机1台，功率为11.0 kW。絮凝剂PAM投加量为1.0 mg／L。高效沉淀池2座，直径为12 m，总水深为6.0 m，总有效斜管面积为 200 m2，径向流速为13.57 m／h，污泥含水率为 99%。配混合搅拌机2台，总轴长为7 175 mm，电机功率为2.2 kW；絮凝慢速搅拌机2台：总轴长为5 300 mm，电机功率为11 kW，搅拌机总排液量为12 997 m3／h；中心传动浓缩刮泥机2台：刮泥机直径为φ12 m，刮板外缘线速度为2.5 m／min，电机功率为0.75 kW，中心驱动；污泥螺杆泵：Q＝50 m3／h，H＝20 m，N＝4.5 kW，减速马达功率为11 kW，共6台，其中4台（污泥回流泵和备用泵）须变频运行，2台（污泥排放泵）工频运行；斜管：斜长为1 m，安装角度为60°。

5.2.3 转盘过滤池

设置滤布转盘及中心管，滤盘直径3 m，共14组，反冲洗泵 3台，Q＝50 m3／h，H＝7.0 m，N＝2.2 kW。共分两组，单组处理能力为1 175 m3／h。

5.2.4 接触池

接触池设置1座，有效容积为1 424 m3，正常水深为3.5 m，接触时间为53 min。

5.2.5 尾水中水回用出水泵房

采用湿式泵房，为钢筋混凝土矩形集水池，深度为4.7 m。泵房内安装3台出水提升潜污泵，Q＝1 175 m3／h，H＝20 m，N＝132 kW，两用一备。

5.2.6 加药间

设计PAM投加量为1 mg／L，投加浓度为0.2%，平均投加干粉量40 kg／d；日投加溶液20 m3／d，选型自动泡药装置为1.7 kg／h；加药螺杆泵2台，一用一备，设计流量为 0.833 m3／h；设计储存干粉药剂PAM 30 d，设计堆药尺寸为2.05 m×1.0 m。设计PAC投加量为30 mg／L，投加浓度为10%，平均投加干粉量 1 200 kg／d；投加溶液 12 m3／d；设计每天配药次数两次，溶液池2座，单座溶液池有效容积为3.0 m3，设计尺寸为 1.50 m×1.50 m×1.80 m，设计超高为0.35 m；溶药罐一个，有效容积为1.6 m3，直径为1 200 mm，高为1 450 mm；设计选用三台计量泵，单台设计计量为0.25 m3／h；两用一备；设计储存干粉药剂PAC 30 d，设计堆药尺寸为3.0 m×4.5 m；设计加氯量为 10 mg／L，日投加量为 400 kg／d，即16.67 kg／h；设计选型壁挂式加氯机2台，一用一备，投加能力为 20 kg／h；液氯钢瓶为 1 000 kg／个；800×2 020；设计氯库储存量为 17.5 d；共计氯瓶7个。

5.3 污泥处理部分

（1）均质池及污泥提升泵房

设计均质池体一座，有效容量为600 m3，水力停留时间为13.6 h。曝气采用间歇曝气，每隔20 min曝气40 min。设有DN300放空管，设计无进泥情况下，放空时间约为2 h。配微孔曝气器一套，微孔曝气盘规格为φ215，数量180个，单个微孔曝气盘曝气量为 2.34 m3／（h·个）。

（2）污泥脱水机房

污泥脱水机房日处理量为1 074 m3／d，污泥含水率为99.4%，设计工作周期为16 h／d。污泥经过离心机脱水后，含水率达到 80%。污泥量为26.9 m3／d，污泥干重为 5 375 kg／d；设计污泥料仓四格，设计容积为17.5 m3；均匀布料；采用0.2%聚丙烯酰胺（阳离子型）对污泥进行调理，设计投加量为3.5 kg／t DS，投加浓度为 0.2%，共计 18.9 kg／d 干粉；0.2%溶液 9.44 m3／d，即 589 L ／h；PAM 加药计量泵2台，一用一备，设计计量流量为589 L／h；PAM堆放平台为1 000 mm×1 000 mm×150 mm。

5.4 除臭

生物除臭装置采用塔式，下层为布气空间，中层为填料层，上层为气体收集空间。臭气经过生物除臭塔，其中臭气成分被填料收集，并被生长在填料上的微生物作为营养物分解，最终分解成稳定的无机物如二氧化碳、水、硫酸、硝酸等物质，排出塔体。全厂除臭装置共设2套，1＃除臭装置位于粗格栅及提升泵房、细格栅及旋流沉砂池附近，收集该两处的臭气，设计除臭风量为3 900 m3／h；2＃除臭装置位于污泥脱水机房及均质池附近，收集该两处的臭气，设计除臭风量为 4 200 m3／h。1＃生物除臭塔尺寸为4.0 m×3.0 m×3.3 m，设计除臭量为 3 900 m3／h；除臭风机1台，P＝2 000 Pa，N＝4 kW；加药泵1台，N＝20 W。2＃生物除臭塔尺寸为4.0 m×3.0 m×3.3 m，设计除臭量为 4 200 m3／h；除臭风机 1台，P＝2 000 Pa，N＝4 kW；加药泵1台，N＝20 W。

6 效益分析

一期工程总投资14 742.69万元，单位水量处理总成本 1.46元／m3，单位水量经营成本0.98元／m3。建议污水处理收费 1.08元／m3，回用水价0.5元／m3，合计水价1.58元／m3。根据实际收费标准1.58元／m3计算，全年（正常年份）营业收入1.58×1 460＝2 306.8万元。此收费标准能保证项目投资人通过运营期间获得的现金流量收回投资并得到合理回报。

7 结论

长沙暮云污水处理厂自正式投产以来，已稳定运行2.5年，出水达到一级A标准并满足回用要求。项目的建设大幅度地减少了长沙市暮云片区向湘江排入的污染负荷量，对保障湘江长沙段水环境质量以及饮用水的安全起到了至关重要的作用。项目的建设满足了该地区社会经济快速、持续发展的要求，对于改善和提高城市生态环境质量，保障人民的生活与健康安全，提升城市综合实力与形象，为创建“两型”社会奠定坚实基础等方面都具有重大意义。

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