广州萝岗中心区水质净化厂节地设计案例

胡新立，司徒菲，张 明，曹经纶，史志皓

(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010；2.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉 430074)

根据住建部统计数据，截至2019年底，全国共有5 476座城镇污水处理厂[1]。随着我国对水污染防治问题的重视，污水处理厂排放标准日趋严格，城镇污水处理厂由一级B排放标准提升至一级A标准，北京、江苏、四川、云南等地先后制定了更加严格的排放标准，例如《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》(DB 321072—2018)、四川省地方标准《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB 51/2311—2016)等，要求TN的排放量在10 mg/L以下。根据住建部数据，截至2019年底，2 913座城镇污水处理厂执行一级A标准[1]，占全国城镇污水处理厂总数的53.2%。随着城市的发展和城市人口的扩张，商业地块的增值压缩了城市基础设施建设的空间，污水处理需求的扩大与城市越来越有限的土地资源间的矛盾越发突出，有限的地下污水处理厂设计建造成为行业关注的热点。除了节地型技术和工艺，污水处理厂设计中也重视构筑物的合理布置，进行叠合设计。地下式污水处理厂虽然占地面积小、环境影响小，但是建造成本较高、工艺较为复杂。因此，部分城市的污水处理厂仍采用地上式，在建设中会更加关注集约化设计[2-3]。

1 工程概况

萝岗污水处理系统总服务面积为92.37 km2，服务范围为广深高速公路以北的南岗河流域，包括广汕公路以北地区、萝岗中心区、科学城东部地区，云埔工业区东北部以及开发区东区西北角的鸡鸣坑水库一带地区。萝岗中心区水质净化厂建设于广州市经济技术开发区南岗河与广深高速交界东北角，全厂总用地面积为103 900 m2，设计总规模为20万m3/d，分期建设，首期工程设计规模为5万m3/d(KZ=1.34)，已于2010年6月建成投产，中途没有进行大的技术改造，初期经调试达标排放至今运行正常。目前二期在建。

2 工艺方案

2.1 设计水质

该厂尾水受纳水体南岗河目标规划为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅲ类功能水域，根据环评，该厂出水水质应执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18919—2002)的一级A标准和广东省标准《水污染物排放限值》(DB 44/26—2001)第二时段城镇二级污水处理厂一级标准，且要求设计出水CODCr排放要求不高于38 mg/L。该厂主要设计进、出水水质及处理程度如表1所示。

表1 主要设计进、出水水质

2.2 工艺思路

该厂厂区面积为103 900 m2，按20万m3/d规模布置，用地指标为0.52 m2/(m3·d)，远小于规划用地指标[根据《城市排水工程规划规范》(GB 50318—2017)，城市污水处理厂规划用地指标为0.81 m2/(m3·d)]，设计充分考虑用地紧张的实际特点，选用节地工艺以实现污水达标排放要求。

由表1可知，该污水厂SS去除率需达到96%以上，SS/BOD=1.25，常规沉淀工艺难以满足要求，需要采用过滤深度工艺强化SS的去除效果。TN的去除依赖进水水质可生化性和有机物浓度，是污水厂设计中的重点。该污水处理厂进水B/C=0.5>0.45，可生化性好；BOD/TN=5>4，可满足脱氮，二级生物处理采用活性污泥法。活性污泥法因处理效果好、出水水质稳定、运行经验丰富等优点，在国内污水处理厂中广泛应用。目前比较成熟的活性污泥法包括AAO工艺、氧化沟工艺、CAST工艺等[4-6]。工艺比选情况如表2所示。

表2 工艺比选情况

在过滤深度处理工艺中，目前常用的池型有V型滤池、转盘滤池、活性砂滤池、深床滤池、高效纤维滤池和膜过滤等。高效纤维滤池以慧星式纤维材料作为滤元的重力式滤池，具有占地面积小、投资省、运行成本低、过滤速度快、出水效果好等优点，适用于本工程。因此，深度处理采用高效沉淀池+高效纤维滤池节地工艺，以保障物化指标的有效去除。

2.3 工艺流程

本工程采用CAST生物池工艺+高效沉淀池+高效纤维滤池主体处理工艺。

广州萝岗中心区水质净化厂首期工程工艺流程如图1所示。

图1 首期工程工艺流程

2.4 厂区总体布置

该厂厂区首期工程布置于厂区西南侧，设计中将细格栅、曝气沉砂池、变配电室及生物除臭装置布置在场地中部兼顾远期发展，鼓风机房布置距CAST生物池较近，CAST生物池布置在首期中央地带，使得工艺流程顺畅，并减小中远期施工对已建成的厂前区、生产区的干扰影响，生化处理及污泥区布置紧凑，生产管线布置较短。厂区总平面布置如图2所示。

图2 萝岗中心区水质净化厂厂区总平面布置图

3 主体节地工艺设计

3.1 二级生物处理系统

CAST生物处理池按5万m3/d设计，设计污泥负荷为0.12 kg BOD5/(kg MLVSS·d)，MLSS为4.0 g/L，污泥龄为20.4 d。CAST池共设2组，每组分2格池，单格的平面尺寸为64.6 m×29.3 m，单格贮水容积为2 083 m3，4格组合平面尺寸为120.2 m×64.6 m。生物池的设计停留时间HRT=20 h，其中选择区停留时间为0.5 h，厌氧区停留时间为1.5 h，主反应区停留时间为18.0 h。主反应区内采用盘式微孔曝气器，每池设2 500个，单个出气量为3.0～3.5 m3/h，设计充水比为23%，最大需氧量为AOR=13 829 kg O2/d，SOR=22 264 kg O2/d，设计供气总量为15 256 m3/h。

主反应区设置旋转式滗水器，每格池设1台，单台Q=2 800 m3/h，N=1.5 kW。每格池设1台污泥回流泵，Q=540 m3/h，H=10 m，N=30 kW。设计剩余污泥量为7.8 t DS/d，每格池设1台剩余污泥泵，Q=30 m3/h，H=10 m，N=30 kW。

3.2 三级处理及消毒系统

(1)高效沉淀池

设计规模为5万m3/d，按最大时流量计算，共设1组，每组2格。

高效沉淀池入口处设计流速为0.01 m/s，清水区上升流速为14 m/h。快速混凝搅拌反应区的停留时间为2 min，单组池体有效容积为46.5 m3；快速混凝推流反应池停留时间为10 min，单组池体有效容积为236.7 m3；沉淀/浓缩区单组平面尺寸为12.5 m×12.5 m，斜管区面积为215.5 m2。混凝剂(PAC)最大投加量为20 mg/L，日常投加量为8～20 mg/L，助凝剂(PAM)日常投加量为1 mg/L。

(2)高效纤维滤池

设计规模为5万m3/d，按最大时流量计算，共设1座，共8格。

设1座高效纤维滤池，滤池共分为8格，单格平面尺寸为6.04 m×5.28 m，池深为3.7 m；滤池呈双排对称布置，中间为管廊，平面总尺寸为24.98 m×22.87 m。反冲洗泵房与高效纤维滤池合建，平面尺寸为8.00 m×22.87 m。具体设计参数如表3所示。

表3 高效纤维滤池设计参数

(3)紫外线消毒渠

设计规模为5万m3/d，按最大时流量计算，设1座。

污水处理厂出水消毒前常用的为液氯消毒和紫外线消毒，紫外线消毒占地面积小，该厂消毒工艺选用节地的紫外线消毒工艺。

消毒渠设1条渠道，分2格，其中1格为紫外线消毒渠，1格为超越渠，单格平面尺寸为7.20 m×1.26 m，深为2.37 m；设计参数：紫外穿透率≥65%；渠内共设4座紫外模块，紫外灯管160根，灯管采用低压高输出汞齐灯管，总能耗为17.6 kW。

3.3 污泥浓缩脱水机房

为节约用地，污泥浓缩脱水机房土建按远期20万m3/d规模建设，设备按首期5万m3/d规模安装。首期设计污泥总干固量为9.5 t DS/d，絮凝剂(PAM)投加量为3～4 kg/(t DS)。

目前国内常用的有带式浓缩脱水一体机和离心浓缩脱水一体机，该厂选用占地面积小、操作环境较好的离心浓缩脱水一体机。

机房内包括离心浓缩脱水一体机2台，1用1备，单台处理能力为62 m3/h，进泥含水率为99.2%，出泥含水率为80%，脱水后污泥运往增城垃圾填埋场填埋；污泥进料螺杆泵2台，单台流量为40～80 m3/h，扬程为0.2～0.4 MPa；每台进料泵前设污泥切割机，单台流量为65 m3/h；药剂计量泵2台，1用1备，单台流量为0.4～1 m3/h，扬程为0.2～0.4 MPa；脱水泥饼水平有轴螺旋输送机1台，功率为7.5 kW。

4 工艺运行效果

4.1 设计进水实际进水水质对比

萝岗中心区水质净化厂实际运行期间处理水量为5万m3/d，满负荷运行，将该厂2018年1月—2020年5月各项进水水质指标进行逐月的分析，如图3所示。将其平均值与设计进水水质指标进行了对比分析，如表3所示。

由图3和表3可知，进水的各项水质污染指标每月均有上下波动，最高值与最低值相差较大。对比可知，除BOD5偏差较大外，其他各项设计进水水质指标偏差均在10%以内，与实际进水水质数据高度吻合，说明设计进水水质预测较为准确。

图3 萝岗中心水质净化厂进水水质污染指标分析

表4 设计进水及实际进水平均水质对比

4.2 运行效果及达标分析

自萝岗中心区水质净化厂于2010年6月投入使用，出水水质稳定达标，下面对萝岗中心区水质净化厂2018年1月—2020年5月出水CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP等几项主要水质污染指标进行逐月的分析，具体分析如图4所示。

如图4所示，萝岗水质净化厂出水现状出水水质较好，CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP平均浓度分别为13.7、1.7、5.93、0.57、3.89 mg/L及0.14 mg/L，均已达到设计出水水质。整体上看，该厂在满负荷运行的状态下，尽管实际进水水质每月波动幅度较大，但出水水质始终稳定达标，说明本工艺具有较好的抗冲击负荷能力。

图4 萝岗中心水质净化厂运行水质污染指标分析

该厂实际进水BOD/TN为3.8，碳氮比较低，对脱氮过程会造成不利影响[4]，但在实际运行过程中工艺对TN的处理效果比较稳定，进水TN浓度较高的月份出水TN仍可稳定达标。

5 技术经济指标

广州萝岗中心区水质净化厂首期工程工程费用为13 668.51 万元，建设工程其他费用为1 686.18万元，基本预备费为1 228.38万元，工程静态投资为16 583.07万元。单位水量投资为2 733.70元/m3，工程经营成本为0.69元/m3，处理总成本为1.13元/m3，单位水量电耗为0.229 kW·h/(m3·d)。工程用地指标为0.52 m2/(m3·d)，低于地上污水厂一般的占地指标0.8～1 m2/(m3·d)[2]。

6 结论

(1)萝岗中心区水质净化厂首期工程采用CAST生物处理池+高效沉淀池+高效纤维滤池处理节地工艺，工艺抗冲击负荷能力较强，对各污染物的去除效果良好，系统运行稳定，实际出水水质稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18919—2002)的一级A标准和广东省标准《水污染排放限值》(DB 44/26—2001)第二时段城镇二级污水处理厂一级标准(CODCr≤38 mg/L)，本工程的建成大大减少了排入南岗河的污染物排放总量，有效改善了萝岗中心区城市环境。

(2)本工程选用占地面积小的CAST生物处理工艺、紫外消毒设备和浓缩脱水一体机，取消浓缩池，采用脱水机房设置为2层，部分构筑物等措施节约占地面积。项目占地面积指标为0.52 m2/(m3·d)，低于地上污水厂一般的占地指标0.8～1 m2/(m3·d)，为工程用地面积有限的污水处理厂设计提供了相当的参考和借鉴价值。