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案例:小汤山再生水厂工程设计

       小汤山再生水厂位于北京市昌平区小汤山镇,总服务面积70km2,一期设计规模为7万m3/d,污水采用多段A2/O+浸没式超滤膜+臭氧+次氯酸钠消毒工艺,污泥采用离心脱水处理,臭气采用生物除臭。出水主要用于城市杂用水及景观用水。

01设计水质及工艺流程

       小汤山再生水厂的进水水质主要依据小汤山污水处理厂2013年1~11月实测的进水水质,并结合《污水排入城镇下水道水质标准》(CJ343-2010)确定;出水水质根据《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB11/890-2012)规定的新(改、扩)建城镇污水处理设施基本控制项目排放限值B标准,《城市污水再利用城市杂用水水质》(GB/T18920-2002)和《城市污水再利用景观环境用水水质》(GB/T18921-2002)标准确定,主要出水指标(BOD5、COD、NH3-N、TP)可到地表水Ⅳ类水体标准。进出水水质见表1。

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       该水厂主要去除有机物、悬浮物、氮、磷等污染物,同时改善出水色度。原水可生化性好,碳源丰富,可采用生物脱氮除磷工艺,深度处理采用浸没式超滤膜+臭氧消毒,进一步去除悬浮物及色度。工艺流程见图1。4

       选择经济、合理、安全的技术方案及高效、实用的工艺设备,实现污水再生水利用、节能减排的目标;合理布局,节约用地,与周边环境相协调,同时考虑近、远期合理衔接;通过节能产品应用、景观提升等方式,打造集生产、产品推广、青少年科普教育、生态恢复、再生水的运用展示于一体的再生水厂。

02设计难点及特点

       根据《城市污水处理工程项目建设标准》(建标〔2001〕77号),小汤山再生水厂建设规模类别为Ⅳ类(5万~10万m3/d),工程允许的建设用地面积为7.6~9.6hm2,而小汤山再生水厂实际批复用地仅6.19hm2,用地紧张。该水厂是第一批执行《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB11/890-2012)的水厂,出水部分指标达地表水Ⅳ类水体标准,可用于城市杂用水及景观用水,水质要求高。因此小汤山再生水厂将占地面积小、出水水质高作为方案比选的主要条件,将MBR与多段式A2/O生物池+超滤膜两个方案在占地、成本、处理效果等几方面进行比选,经济指标比较见表2。

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       MBR方案投资低,占地面积小,但成本及电耗高,出水水质保障率低;A2/O生物池+超滤膜方案投资高,对于6.19hm2占地面积而言布局稍显紧凑,但考虑到该工程出水水质要求高,选取该方案可保证出水水质,运行稳定,且运行费用低。因此,小汤山再生水厂选取多段式A2/O生物池+超滤膜工艺。

       生物处理采用多段式A2/O生物池,生物池采用多段进水,可充分利用碳源,同时对污染物负荷进行平摊,提高系统抗冲击能力。生物池前端设置完整A2/O段,具备完整生物除磷脱氮功能,设置后置缺氧段,引入原水作为碳源,进一步进行反硝化,氮去除率可达80%~85%。此外,由于污泥经过交替的缺氧、好氧,较好的抑制了污泥膨胀发生的概率,提高了沉淀池的效率,使得污泥回流比降低至50%。

       浸没式超滤膜适应低水温运行工况,跨膜压差小,运行费用低,可进一步降低水中悬浮物,此外,对细菌、大肠杆菌等微生物具有较强的去除能力。臭氧脱色的出水感观效果好,水体透亮,接近正常的天然河水。该水厂污水经二级处理后,采用浸没式超滤膜+臭氧深度处理,从厂区布局上尽可能少占地,从技术上保证出水水质稳定达标、安全回用。

       小汤山再生水厂目标是打造花园式再生水厂,可作为青少年科普活动基地。整个水厂分为生产区和生态区,生态区运用自然园林的手法,重点打造优美的绿化、水生态环境,充分展示污水再生利用的成果;生产区运用多种生态处理池,应用多种节能产品,充分展示污水净化的过程,倡导节能环保。

       水厂在总体设计中充分考虑对小汤山镇周围的影响,粗格栅及进水泵房、细格栅及曝气沉砂池、生物池厌氧区、缺氧区及污泥脱水系统均采用封闭方式,在封闭的池体上部种绿植并构建建筑小品。除臭设备放在生物池上,节约占地。

       鼓风机采用效率高,噪音低的多级离心鼓风机,变频控制。此外,生物池曝气采用精确曝气控制系统,根据实际水质、水量,调节鼓风机风量,实现溶解氧稳定控制及节能降耗的目的。

       该水厂工艺布置紧凑、管线连接简洁,精确计算水泵扬程,并选效率不低于80%的大型污水泵,变频控制,节约能耗。采用水源热泵系统,使用可再生清洁能源,运行无任何污染,不产生废渣、废水、废气和烟尘,实现节能环保。厂内的绿化、冲洗道路等用水优先使用再生水,减少了自来水的消耗量,实现节水的目的。

       除工艺设备外,再生水厂还应用了各种节能产品。建筑物使用加气混凝土砌块,厂区步道采用透水砖铺装,生物池顶设太阳能装置用于全厂办工照明,综合办公楼会议室、展示厅采用索乐图日光照明,厂区路灯采用LED路灯。

03主要处理构筑物设计

       小汤山再生水厂一期工程设计规模为7万m3/d,总变化系数为1.34,配水高时系数为1.65,生物池及清水池按平均流量设计,配水泵房按配水高时流量设计。粗格栅与进水泵房合建,粗格栅是用来去除可能堵塞水泵机组及管道阀门的较粗大悬浮物,并保证后续处理设施能正常运行。粗格栅采用三索式钢丝绳牵引格栅,设3条独立的格栅渠道(2用1备)。格栅间隙20mm。进水泵房将原水提升至后续处理单元。进水泵房设4台潜水提升泵(3用1备),2台变频,泵房集水池按5min单泵流量设计。细格栅与曝气沉砂池合建,细格栅进一步去除污水中较大漂浮物,采用回转式细格栅,设3条独立的格栅渠道(2用1备),格栅孔径6mm。沉砂池采用除砂效果较好的曝气沉砂池,设2条沉砂池,峰值流量时停留时间为8min。设桥式除砂机1台。砂水分离器1台。罗茨鼓风机2台(1用1备),变频控制。

       多段A2/O生物池与污泥泵房合建,生物池主要去除有机物、氮、磷,生物池设2组,每组生物池包括厌氧区、第一缺氧区、第一兼氧区、第一好氧区、脱气区、第二缺氧区、第二兼氧区、第二好氧区、出水井,兼氧区可根据运行情况设为好氧区或缺氧区。生物池为厌氧区、第一缺氧区、第二缺氧区3点进水,利用配水堰及叠梁闸进行水量调节,3点进水量分别为20%~55%、25%~70%、10%~20%。在出水井处设立式搅拌器,可投加PAC进行化学除磷。

       生物池总停留时间为20.9h,污泥浓度为3500~4000mg/L,污泥回流比为33%~100%,混合液回流比为100%~400%,剩余污泥量为13.5t/d,生化总实际需氧量为26861kgO2/d。

       在每组生物池脱气区设置混合液回流泵,使混合液回流至缺氧区进化反硝化反应,每组设4台,全变频。污泥泵房设污泥回流泵4台(3用1备),全变频。设剩余污泥泵3台(2用1备),全变频。

       沉淀池采用周进周出的幅流式沉淀池,沉淀池主要进行泥水分离,设2座,每座直径为48m,池边水深4.5m。沉淀池平均流量表面负荷0.92m3/(m2˙h),最大流量表面负荷1.19m3/(m2˙h),名义停留时间4.89h。每座沉淀池设置1套中心传动吸泥机,1套撇渣设备。

       设集配水井1座,集配水井分为3环,内环为配水渠;第二环为出水渠;第三环为污泥渠,沉淀池排泥管设套筒阀,调节泥位。

       采用浸没式超滤膜过滤,超滤膜主要去除悬浮物、胶体、微生物等。膜车间包括提升水池、进水渠、排水渠、膜池、反冲洗水池、化学清洗水池、加药间、空气压缩间、配电室、控制室。

       膜池设7池,每个膜池设18个膜挂架,并预留1个膜挂架安装空间,每个膜挂架上安装16支膜元件。膜面积50m2,平均孔径0.1μm,膜丝内径0.7mm,膜丝外径1.3mm,膜平均通量为31.5L/(m2˙h),运行跨膜压差≤4m,最大跨膜压差7.5m。反洗为气水联合反冲洗,反洗周期30min,先气擦30s,然后水冲45s;维护性化学清洗周期1~2d,恢复性化学清洗周期为1~2月,化学清洗药剂为次氯酸钠或柠檬酸,中和药剂为亚硫酸氢钠或氢氧化钠。提升水池投加次氯酸钠药剂,防止藻类滋生。

       膜车间设4台提升泵(3用1备),变频控制,提升泵出水管上设保安过滤器3台,滤网精度为1mm。膜池产水采用泵抽吸,每膜池各设1台产水泵,变频控制,设2台反冲洗水泵(1用1备),变频控制,设化学清洗水泵2台(1用1备)。

       臭氧主要进行氧化、脱色反应,设2个廊道,臭氧投加分为3级,每级均布置微气泡曝气系统,最大投加率为5mg/L,投加浓度为10%(质量浓度),臭氧接触池池顶设尾气破坏间,采用热触媒式臭氧尾气处理装置进行处理,使尾气处理装置出口处臭氧浓度低于0.1ppm。

       清水池池顶覆土1.5m,设置绿化景观。清水池分为2池,总调节容积5776m3,停留时间2h,低水位接触时间0.52h,保证氯消毒效果时间要求。为了提高出水加氯消毒的效果,保证消毒剂与清水的有效接触时间(CT值),每格内设导流墙,长宽比为52.6。

       配水泵房为半地下式钢筋混凝土矩形结构,为干式泵房,泵房内近期设备安装规模按3万m3/d考虑,高时系数取1.65,近期设3台卧式离心泵(2用1备),2台变频。为远期预留4台泵位,远期为5用2备,5台变频。水泵为中水位自灌式启泵。

       小汤山再生水厂的污泥集中处理,采用离心脱水机脱水至含水率80%后外运。污泥处理系统包括贮泥池、脱水机房、污泥转运间、储药间、加药间及配电室。储泥池设2池,停留时间3h,每个储泥池设潜水搅拌器1台。脱水机房与污泥转运间、储药间、加药间及配电间合建。脱水机采用离心脱水机,共3台(2用1备),24h运行,污泥脱水后含水率<80%,安装3台污泥切割机、3台污泥进料泵,用于脱水机进泥。污泥脱水后,由无轴螺旋输送机输送至泥饼泵,再由泥饼泵提升至污泥转运间的污泥料斗内,设污泥料斗2个,每个容量为50m3,储泥量1d,污泥由泥车外运。

       该水厂除臭采用的是生物除臭,包括风机、散水泵、除臭塔等。除臭的建(构)筑物包括:粗格栅及进水泵房、细格栅及曝气沉砂池、生物池厌氧区、缺氧区及污泥脱水系统。臭氧量主要根据水面面积计算,曝气沉砂池包括曝气量。设除臭塔和风机各2台,单组臭气处理量为17500Nm3/h,为节约占地、将生物除臭设备放在生物池顶。

       将小汤山再生水厂打造成花园式水厂的目的在于展示节能环保及污水利用的成果,为青少年科普教育提供平台。该水厂景观设计采用中式风格,设计灵感来源于“水”,通过景观手法以“塘”的形式展现出来。景观主要位于配水区上,局部景观效果见图2。6

       该水厂冷热源设计采用浅表水源热泵技术,热泵系统取水自细格栅出水井,热泵机房内设3台取水泵从细格栅出水井取水,取水干管上设置自动反冲洗过滤器;热泵系统就近回水至厂区污水井。考虑细格栅出水井出水水质的情况,设置污水专用换热器装置间接换热。

       厂区内单体冬季计算总热负荷668.7kW,夏季计算总冷负荷276.6kW。热泵机房安装3台污水源热泵机组,单台制冷量290kW,制热量288kW。冬季3台同时运行供热,夏季运行1台为厂区附属用房(综合楼、传达室)供冷。

04结论

       小汤山再生水厂采用多段A2/O工艺+浸没式超滤+臭氧消毒+次氯酸钠消毒工艺,出水主要用于城市杂用水及景观用水。污水再生利用在水质缺水地区和城市范围内具有较为广阔的应用前景,本工程可为国内外同类工程提供借鉴模式和参考依据。水厂目前已基本建设完成,处于调试阶段,正式运行后预计削减BOD54956.7t/a,COD9453.5t/a,SS6259.8t/a,NH3-N983.7t/a,TN1022t/a,TP145.6t/a,其环境、社会效益显著。

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