平潭坛南湾再生水厂设计研究

谢 滔

(福州城建设计研究院有限公司 福建福州 350000)

0 引言

2013年，平潭岛升格成平潭综合实验区，随着国家及福建省委、省政府对平潭发展的大力支持，平潭进入了发展的快车道。平潭岛拥有独特的自然景光及丰富的旅游资源，将被打造成国际知名的滨海度假新天地，尚品购物新天堂。平潭旅游业的高速发展，对平潭市政配套设施提出了更高的要求，平潭坛南湾再生水厂地处旅游度假区域内，其周边规划旅游景观用地，开发价值高，人群活动频繁，对周边环境要求高。平潭坛南湾再生水厂项目前期选址历经周折，都因征地原因而无所进展，历经多次协商及开会协调，终于于2016年年底落实用地，在方案研究的过程中，因周边环境要求极高，故设计成地下再生水厂。平潭岛雨热同季，旱雨季节分明，平潭岛用水资源严重不足。平潭坛南湾再生水厂出水可作为冲厕、绿化、道路保洁等用途，将缓解平潭用水资源不足的现状，有助于改善生态环境，实现水生态的良性循环，以助于实现平潭建设“生态宜居岛”和“国际旅游岛”的目标。

本文基此对平潭坛南湾再生水厂的设计过程进行总结，对坛南湾再生水厂的设计特点进行详细的分析。

1 工程概况

平潭坛南湾再生水厂设计总规模4.0万m3/d，一期设计规模1.0万m3/d，位于平潭综合实验区敖东镇建星村，占地2.83hm2，采用地下式污水厂的建设形式，采用“MBR膜工艺”为主体的生化污水处理工艺，“污泥浓缩池+离心脱水机+外运处置”的污泥处理处置工艺，“次氯酸钠消毒”的尾水消毒工艺。由于平潭综合实验区水资源缺乏，出水进行回用，作为城市冲厕及绿化使用。出水水质在满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB/T 18918-2002)一级A排放标准的基础上，还需同时满足《城市污水再生利用·城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)，《城市污水再生利用·景观环境用水水质》(GB/T 18921-2002)的要求。远期尾水一部分作为环岛路绿化用水及坛南湾周边建筑冲厕用水，用水总规模为2.0万m3/d，剩余尾水作为金井湾河道补水，补水规模为2.0万m3/d。

平潭坛南湾再生水厂相对于传统的出水水质为一级A的污水处理厂，采用全地埋式建设方式，节省占地面积，有别于传统污水厂的“大水池”模式，地面为景观绿化，提高了绿化率；配套有消臭处理、消毒处理等措施，避免了恶臭、噪音对周边环境的影响且不存在卫生防护距离等要求。平潭坛南湾再生水厂采用了新型的MBR工艺，地下空间集约组团式布置，工艺流程短，相对于传统的污水处理厂，减少了构筑物之间管道连接，减少了水头损失，降低了埋地深度。目前，自国内首座地下式污水处理厂广州京溪污水处理厂建设以来，国内已陆续建设数十座地下污水处理厂，地下式污水处理厂一般需采用集约化设计及选用占地较小的工艺，还需进行合理的交通组织设计及对地下空间进行合理的优化设计[1]，相对于国内现已建成的地下式污水处理厂，平潭坛南湾再生水厂在满足地下式污水处理厂的设计要求外，还拥有其相对独特的设计特点。

2 设计特点

2.1 地下分组式建设

根据《平潭坛南湾再生水厂组团控制性详细规划》，平潭坛南湾远期规划人口7.2万人(含本地人口5.4万人，旅游人口1.8万人)，根据人口及分项地块指标法测算远期污水量，平潭坛南湾再生水厂远期规模为4.0万m3/d，一期规模为1.0万m3/d，一期及远期规模相差较大，若一次性建设4万m3/d规模，土建投资太大，为符合坛南湾发展规划，节省坛南湾再生水厂建设成本，根据坛南湾再生水厂地质、用地及构筑物安全要求，坛南湾再生水厂地下水处理构筑物按近远期分2座单独建设，每座规模2万m3/d，两座处理构筑物间隔5m，当远期构筑物进行基坑开挖时，与远期构筑物相邻的近期构筑物侧墙可作为远期构筑物基坑的护壁，节省了远期构筑物的基坑支护费用，同时，可保证近期构筑物运行正常，地下交通流线如图1所示。

单座构筑物分2组，整体结构分为两层，负一层主要为控制室、 鼓风机房、臭气处理装置、风机房等生产性车间， 负二层主要为进水泵房、预处理区、污水处理池及综合管廊。

地下部分处理工段基本分为平行布置的2组，中间为6m的车道。依照入厂车道行进方向，车道左边依次布置预处理区、生物池、膜池及出水泵房；右边依次是控制室、生物池、膜池及出水泵房。车道下为综合管廊，处理间平面如图2所示。

图1 地下通道交通流线图

图2 处理间平面布置图

2.2 工艺路线选择

相对于传统污水处理厂，地下式污水处理厂土建费用高，主要体现在主体结构费用、基坑支护费用及基础处理费用，为减少土建费用，宜选用工艺流程短、占地较小的工艺。在出水达到回用水标准的要求下，传统的污水处理工艺在曝气池、二沉池之后还需增加混凝、沉淀、过滤等深度处理工艺，经消毒后出水方能达标，而国内已建成的大部分的地下式污水处理厂一般采用MBR膜处理工艺，MBR膜处理工艺在曝气池后增加MBR膜池，经消毒后水质能达到回用水标准，传统工艺及MBR膜工艺比较如图3所示。平潭坛南湾再生水厂选用了工艺流程短、占地面积小的MBR膜工艺，以减少土建费用。

图3 传统工艺与MBR工艺比较

2.3 设备优化选型

2.3.1精细格栅的优化选型

在市政污处理领域，自从引进膜生物反应技术，对膜处理前端机械过滤就提出了极高的要求。在常规的污水处理工艺中，格栅主要用于去除一些较大的悬浮物及漂浮物，以减轻后续水处理工艺的处理负荷，并起到保护水泵、管道、仪表等作用。而膜处理装置则要求在任何工况条件下都必须将细小物质，例如头发和细小纤维物质，安全可靠地分离去除，传统的细格栅(栅距6mm至12mm)则无法满足膜处理装置的要求，而精细格栅(筛缝≤3mm)方能满足这一要求[2]。

精细格栅根据筛网的结构及水流方式，可分为水平式及垂直式安装。目前，大部分采用MBR膜工艺的地埋式污水处理厂预处理系统中精细格栅皆采用转鼓式精细格栅，该类格栅存在渠道浅、有效过栅面积小、占地面积大、条状栅条捕获率低、易缠绕等缺点，尤其对于地下式再生水厂，设备占地要求尽量小、安装及运行维护要求尽量简单，转鼓式精细格栅皆不能较好的满足上述要求。

平潭坛南湾再生水厂采用内进流垂直孔板式精细格栅(图5)，相对于转鼓式精细格栅(图6)，内进流垂直孔板式格栅没有液下轴承，安装维护简单、滤网孔隙率高，水头损失小、垂直安装使用灵活，占地面积小、反冲洗消耗水量小，运行能耗低等特点，更适用于地下式再生水厂占地尽量小、安装及维护尽量简单的要求，坛南湾再生水厂配置2台垂直孔板式精细格栅，渠宽B=2.0m，栅隙1.0mm，主体采用304不锈钢，主传动电机N=2.2kW，毛刷减速机N=0.75kW。

图4 转鼓式精细格栅

图5 垂直孔板式精细格栅

2.3.2MBR膜组件的优化选型

国内已建地下式污水处理厂MBR膜组件一般采用中空纤维膜，而平潭坛南湾再生水厂采用平板膜组件，平板膜组件由于其膜的物理性质，膜表面会形成一层非常薄的生物膜，大部分固体颗粒的截留主要由2种膜共同作用完成，一是被附着在膜表面的生物膜截留，二是由平板膜本身的物理膜截留，其中生物膜起主要作用。因此平板膜本身的物理膜被污染速度较慢，其恢复性清洗周期根据膜污染程度一般可达3～6个月一次，膜清洗药剂一般采用次氯酸钠溶液在线清洗，膜组件勿需吊离膜反应池；中空纤维膜在运行中也能形成一层生物膜，但由于中空纤维膜的密度很高，空气吹洗时，膜管互相碰撞，生物膜被破坏脱落，不能对颗粒截留起作用，故中空纤维膜颗粒截留主要是依靠物理膜的截留能力，膜污染速度较快，基本上几天就需进行维护性清洗，周期一般为一周两次，需将膜组件吊进酸洗池及碱洗池进行维护性清洗，每3个月还需进行恢复性清洗。

相对于中空纤维膜组件，由于平板膜可数月不清洗，平板膜MBR生物池中MLSS浓度可达到10 000～15 000mg/L，而中空纤维膜由于其主要依靠膜本身物理过滤，膜生物反应器内污泥浓度不宜过高，一般为8000mg/L，MLSS的提高可大规模缩小生物池容积。因此，平板膜生物反应器容积相较于中空纤维生物反应器膜要小得多，节省用地。表1为平板膜与中空纤维膜组件的比较。

表1 平板膜与中空纤维膜的比较

平潭坛南湾再生水厂采用MBR平板膜组件，膜通量25L/m2·h，共32组，每组含膜400片，单片面积1.4m2，单组膜面积580m2/组，相较于其他采用MBR中空纤维膜组件的地下式污水处理厂，占地面积更小，维护管理更简单，膜更换周期更长，建设及运营成本更低。

2.4 MBR膜起吊装置优化

MBR平板膜单个膜组件体积庞大，地下式污水处理厂地下空间受限，膜组件起吊设计成为地下污水处理厂设计的重点和难点。

广州京溪地下式污水厂及昆明第九、第十地下式污水处理厂采用中空纤维膜组件，重量约在3t～4t，受地下柱网限值，采用S型单轨葫芦，然而，S型单轨葫芦不同于电动单梁，其轨道在转弯处的起吊能力比直线段的起吊能力薄弱，并且5t的单轨葫芦吊车根据国家标准图集05G359-1～4无参考，需要进行专门结构设计、计算和加工，给设计和施工增加了难度，也给运行安全带来隐患[3]。

平潭坛南湾再生水厂采用MBR平板膜组件，单组膜组件加曝气框架干重约2.6t，湿重约5.4t，单组膜池廊道长为10m，经结构设计和计算，MBR膜池廊道内无需设计柱网，可采用电动单梁吊车，可参考国家标准图集05G359-1～4，运行安全。

3 结论

平潭坛南湾再生水厂采用全地下式建设方式，在满足集约化设计，合理的交通组织设计及对地下空间进行合理的优化设计的前提下，还采用了地下构筑物分组式设计，采用了占地更小及运行管理维护更加方便的垂直孔板精细格和MBR平板膜处理工艺，降低了平潭坛南湾再生水厂的建设、运营、维护成本。