青浦污水处理厂一二期提标改造工程设计方案

2018-06-27陈谷

城市道桥与防洪 2018年6期

陈谷

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

青浦污水处理厂一二期工程先后于1992年和1998年建成运行，自建成以来，青浦污水厂对青浦区内的水环境改善起到了至关重要的作用。随着人们对水环境保护意识不断提高，国家对环境要求也更加严格，同时根据环太湖流域统筹要求，青浦污水处理厂一二期工程亟须进行提标改造，进一步提高地区水环境质量，促进社会、经济、环境的协调发展。因此在上述大背景下开展了青浦污水处理厂一二期提标改造工程的方案设计。

1 污水厂现状及改造要求

1.1 污水厂现状概况

青浦污水处理厂位于青浦区中心的青浦新城内，青昆路两侧。一二期工程位于青昆路东侧，占地面积2.5 hm2；三期工程位于青昆路西侧，占地面积1.84 hm2。青浦污水处理厂总规模为3.5万m3/d，与本文相关的一二期工程（一二期规模1.5万m3/d）具体分述如下：一期规模为7 500 m3/d，采用SBR工艺，于1992年建成运行；升级至《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中一级B标准的改造已于2006年完成，改造后采用AAO工艺；二期规模为7 500 m3/d，采用氧化沟工艺，于1998年建成运行，出水执行《城市污水处理厂污水污泥排放标准》（CJ 3025-1993）排放标准（COD、BOD、SS相当于国标二级标准，氨氮不大于15 mg/L）；二期工程由于标准较低，目前处于停用状态。全厂污泥集中于三期污泥处理设施统一处理后外运。

1.2 该次提标改造要求

该次提标改造工程需要将出水标准提高至执行新版《城镇污水处理厂污染物排放标准》（征求意见稿）中的特别排放限值（优于一级A标准）。此外，鉴于是对现状运行中的污水处理厂进行改造，因此除提标要求，还需要特别注意以下要求[1]：

（1）充分利用已建处理设施，力求少改动，最大限度减少对污水厂正常运行的影响。

（2）尽量采用有节地特点的工艺或建设形式，以最大化土地价值。

（3）在改造中尽量维持全厂平面布局的合理统一。

1.3现状出水水质分析

根据青浦污水处理厂提供的出水水质资料，将污水厂现状出水水质与该次提标水质要求进行了对比和统计，具体见表1。

表1 现状出水水质与提标目标对比统计表 mg/L

与该次提标目标相比，除BOD5能直接达标外，其余指标均有不同程度的天数未能达到新标准，尤其是SS，基本还不能达到新标准5 mg/L。根据对现状水质的分析，该次提标改造需要将重点放在氮类污染物、SS和TP等污染物指标上。

2 改造难点及应对策略

2.1 改造难点分析

该次提标改造工程存在三方面难点：

（1）出水标准高。出水目标全面优于一级A标准，除TN优于一级A标准（TN≤10 mg/L）外，其他均执行地表Ⅳ类水标准。目前环保局对污水处理厂出水实施在线24 h监测，这就要求出水水质长期稳定、可靠。出水TN按10 mg/L控制，因此选择合理最佳的有针对性的生物处理工艺是工程设计的关键点，其中碳源的合理分配和氮的有效去除是该次工艺设计的核心。出水SS按5 mg/L控制，因此选择合理最佳的有针对性的深度处理工艺是工程设计的关键点，其中如何稳定保证出水SS是工艺设计的另一核心。

（2）不可影响现状运行。目前在运行的为一期工程，实际处理水量已满负荷达到7 500 m3/d。由于来水无法切换至其他地区污水厂，因此该工程需在保证现状一期工程正常运行的前提下，将现状1.5万m3/d规模处理设施完成提标。丝毫不可影响现状运行，对该次改造方案提出了较大难度。

（3）用地紧张、土地价值高。该工程需要在4 000 m2左右区域内新建原一二期总规模1.5万m3/d的处理设施，对该工程提出了极高的节地要求。

2.2 设计方案中的应对策略

2.2.1 工艺选择

针对高出水标准，该次设计方案对“预处理+膜生物反应器（MBR）工艺”和“预处理+二级生物处理+深度处理工艺”两种工艺路线进行了综合比较，主要考虑到高出水标准（尤其是SS需要更高级的膜工艺来实现）、处理效果稳定性需求、节地需求等，最终推荐采用MBR工艺作为该次主体工艺。为保证TN去除效果，该工程在生物反应池末端增设了后置缺氧段，届时可根据实际处理情况投加碳源来加强TN处理效果。

2.2.2 改造方案的巧妙设置

青浦污水处理厂一二期工程位于一个厂区内，该工程一二期用地内可分为厂前区、一二期预处理区、一期二级处理区、二期二级处理区、一二期出水区、一二期污泥处理区（闲置）这六大区域，具体分区如图1所示。

图1 一二期用地分区示意图

该次设计方案充分利用了二期工程目前闲置这个有利条件，在改造方案上进行了巧妙设计。为充分利用二期闲置条件，做到该次改造对现状运行的影响最小化，该工程对“方案一：利用现状，进行MBR改造”和“方案二：拆除二期，一二期合并新建”两种改造思路进行了比较分析。方案一需拆除现状一二期4座二沉池，原地新建MBR膜池，设备间、控制室和膜吹扫风机房等辅助设施，将传统生物反应池工艺调整为MBR工艺。方案二则拟先行拆除二期二级处理区，包括二期氧化沟及二沉池，然后在原地新建1.5万m3/d规模处理设施（一二期合建），如图2所示。该工程建设过程中，始终保证一期正常运行，做到对现状运行的影响最小。在该方案实施完毕后，厂区东南角的大片用地将闲置，可用于远期再度扩建。

图2 方案二改造平面布置示意图

方案一和方案二的比较见表2。

表2 改造方案比较表

方案二主要有以下优势：

（1）方案二土地利用效率高，能够空出7 700 m2用地，能够很好地应对将来地区发展带来的污水量增加。

（2）方案一中，为保证臭气处理达标，需对现状氧化沟进行加盖改造，但其建设年代久远，改造施工难度大、风险高。

（3）虽然方案二在工程总投资上高于方案一，但是由于废除了氧化沟的表曝系统，方案二在运行费用上反而比方案一更低。

综上各方面比较，该工程改造总体思路最终采用方案二---拆除二期，一二期合并新建。

2.2.3 半地下建设形式的应用

在根据现状限定条件确定改造总体思路后，该工程需要在现状二期二级处理用地上新建原一二期总规模1.5万m3/d的处理设施。这块区域有效面积仅为4 000 m2左右，对该工程提出了极高的节地要求。一方面，该工程采用的是MBR工艺，该工艺用膜组件替换了传统二沉池和深度处理部分，具有极大的节地特点；另一方面，该工程采用双层加盖半地下建设形式[2]，采用集约化布置，将所有处理构建筑物合建，水池层位于地下，上方则增设操作层厂房，如图3所示。

图3 半地下式双层加盖简图

在采取以上节地措施后，该工程成功在有限用地内布置下全规模处理设施，并释放出大量闲置用地，可考虑为远期地区水量增长做预留，大大提高了土地利用价值。

3 工程方案设计

3.1 设计水量及水质

该工程设计水量为1.5万m3/d，总变化系数取1.53。设计进、出水水质见表3。

表3 设计进、出水水质表

3.2 工艺方案及流程

该次提标改造工艺方案如下：

（1）预处理：采用沉砂池。

（2）二、三级处理：采用MBR工艺。

（3）污泥处理：采用重力浓缩+离心脱水机（利用三期）。

（4）消毒加药：采用次氯酸钠消毒。

该次一二期工程提标改造工艺流程如图4所示。

图4 污水处理工艺流程图

3.3 半地下布置特点

该次设计采用双层加盖半地下式建设形式，和地上式常规污水处理厂相比，其在总体布置上有如下特点：

（1）地下式污水处理厂双层加盖，大型设备的吊装困难，在设计时必须考虑足够的起吊及检修空间。

（2）各处理构筑物共壁建设，结构紧凑，构筑物间距小，检修空间狭小，必须考虑各个构筑物之间水、气、泥、药剂等各种管渠的合理布置，考虑检修、参观、运输通道的合理连通和设置。

（3）大部分的构（建）筑物集中布置在一个埋地的大型空间内，必须考虑必要的消防设施、消防通道。

（4）地下密闭空间有可能会引起H2S等有毒有害气体的积聚，对有害气体的检测及通风要求较高，通风管道较多。

（5）地下污水处理厂双层加盖，上层盖板需有较多的梁柱支撑。梁柱的布置会直接影响构筑物的设计，结构和各专业的密切配合至关重要。

（6）地下管线众多，纵横交错，必须统筹考虑，以免发生干涉。

3.4 主要单体工艺设计

3.4.1 粗格栅及进水泵房

仅对现状粗格栅及进水泵房进行水泵更换及相应管路改造，将进水提升后输送至细格栅进水渠。

3.4.2 细格栅

去除污水中较大漂浮物，并拦截直径大于4 mm的固体物，以保证生物处理及污泥处理系统正常运行。新建细格栅渠一座，设计规模为1.5万m3/d。

3.4.3 曝气沉砂池

曝气沉砂池主要用于去除污水中比重大于2.65、粒径不小于0.2 mm的砂粒，使无机砂粒与有机物分离开来，便于后续生物处理，兼带除油撇渣功能。该工程新建曝气沉砂池一座，设计规模为1.5万 m3/d。

3.4.4 膜格栅

膜格栅主要用于拦截直径大于1 mm的固体物，以保证后续膜系统正常运行。每套膜格栅前后各设有闸门，作为检修格栅时切断水流用。

3.4.5 AAO生物反应池

AAO生物反应池主要是在提供足够氧气的条件下，在生物反应池中营造厌氧、缺氧、好氧环境，利用生物反应池中大量繁殖的活性污泥，降解水中污染物，以达到净化水质的目的。该工程新建AAO生物反应池一座，设计规模为1.5万m3/d，分两组，每组可单独运行。单座设计参数见表4。

表4 AAO生物反应池设计参数

3.4.6 膜池及膜设备间

MBR工艺可以维持很高的MLSS。生物池内的混合液（500%）流入膜池进水渠道内，配送至每座膜池中。每座膜池内均安装有大量膜组件，膜组件出水口通过总管连接，并接入对应水泵的吸水口，靠水泵产生的真空抽吸力将膜池中的水经过滤膜壁吸入每根中空纤维膜的中心，汇集后排入滤后水干管，进入后续处理单元。由于微滤膜近乎百分之百的菌种隔离作用，可使曝气池中的生物浓度达到10 000 mg/L以上，这样不仅提高了曝气池抗冲击负荷的能力，而且大大减少了所需的曝气池容积。膜池的另一端设出水堰，膜池内混合液通过该出水堰溢流至混合液回流渠道中，在该渠道内设置对应每MBR生物池设置循环泵，将混合液回流至MBR生物池中。

通过在膜箱的底部采用大气泡曝气产生紊流，冲刷中空纤维的表面，减少污染物在膜表面聚集，同时减少了化学清洗的次数。在膜工作时，自动进行松弛，以延长膜的使用寿命和保证达到稳定的出水流量。在连续工作一段时间后，系统要进行维护性清洗和CIP化学清洗，即采用化学药剂（柠檬酸、次氯酸钠等）对膜进行清洗，以更好地去除膜表面附着的污染物，恢复膜通量。

膜池及膜设备间主要设计参数见表5。