【热点聚焦】小孤山再生水厂工程设计案例与探讨
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陈谷
（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092）
大连市旅顺口区龙头街道北部区域内污水已收集区的污水目前通过龙头街道王家村泵站临时进入柏岚子污水处理厂，但已收集区所占比例较少，尚有大量居民及企业所产生的污水基本处于散排状态，就近排入了河道入海，且该区域对再生水利用存在较大需求，急需大量再生水回用至规划燃气电厂、绿化浇洒、洗车等，其中规划新建的燃气电厂需要1.5万m3/d再生水作为冷却水（预计2019年投产）。因此，在解决地区污水出路和满足地区再生水回用需求这两大背景下开展了大连旅顺小孤山再生水厂工程的方案设计。
1
设计方案
1.1
设计规模及水质
根据污水量预测结果，小孤山再生水厂设计规模取3万m3/d，高峰系数为1.53。
本工程出水水质根据国家对新建再生水厂的排放要求（一级A及以上），同时考虑到所在区域对环境要求高，且采用全地下的集约化建设形式，后续提标改造难度大。综上考虑，本工程拟执行准地表Ⅳ类水标准，即CODcr、BOD5、氨氮、总磷执行《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）IV类标准，TN等其余指标则执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A标准，设计进出水水质如表1所示，其中进水水质参考大连市尤其是旅顺口区现状污水处理厂的设计或实际进水水质。
表1 设计出水水质表
1.2
工艺方案及流程
本工程采用具有脱氮除磷功能的污水处理工艺，各处理环节采用的主要工艺方案有：（1）预处理工艺：包括细格栅、沉砂池、膜格栅；（2）污水处理工艺：采用MBR工艺；（3）消毒工艺：采用次氯酸钠消毒；（4）污泥处理：污泥经离心浓缩脱水至含水率≤80%后外运处置。工艺流程如图1所示。
1.3
主要设计参数
（1）细格栅
新建细格栅渠1座，设计规模为3.0万m3/d。主要用于去除污水中较大漂浮物，并拦截直径大于4mm的固体物，以保证生物处理及污泥处理系统正常运行。
（2）曝气沉砂池
新建曝气沉砂池1座，设计规模为3.0万m3/d。主要用于去除污水中比重大于2.65，粒径≥0.2mm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。
（3）膜格栅
膜格栅主要用于拦截直径大于1mm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。
（4）MBR生物反应池
新建AAO生物反应池2座，设计规模为3.0万m3/d，每座可单独运行。MBR生物反应池采用AAO形式，主要是在提供足够氧气条件下，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。单座设计参数如表3所示。
表2 AAO生物反应池设计参数
（5）MBR膜池及膜设备间
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。膜池及膜设备间主要设计参数如表3所示。
表3 膜池设计参数
（6）污泥浓缩脱水机房
本工程设污泥浓缩脱水机房及污泥料仓1座，内安装有2套叠螺机，1用1备。浓缩脱水机房内设进泥泵、加药设备等叠螺机附属设备。脱水后污泥量为14.45m3/d（80%含水率）。
1.4
投资及成本
工程总投资约为1.8亿元，其中第一部分工程费用约为1.5亿元。建成后的总处理成本经测算大约为1.5元/m3水。
2
设计难点及特点分析
2.1
出水标准高
本工程的出水目标全面优于一级A，接近地表IV类水标准。目前环保局对污水处理厂出水实施在线24小时监测，即要求出水水质长期稳定、可靠。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。本设计方案对“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 、处理效果稳定性需求、节地需求等，最终推荐采用MBR工艺作为主体工艺。
2.2
采用先进工艺
MBR 膜生物反应器是一种用膜分离取代传统活性污泥法中二次沉淀池和深度处理设施的水处理技术。MBR工艺在国内外已经成功地应用于城市污水与工业污水的处理，具有以下优点：（1）出水水质良好：能够高效地进行固液分离，出水水质良好、稳定，悬浮物和浊度接近于零，可直接回用。同时与传统生物处理工艺相比，其生物池的活性污泥浓度提高了2倍以上，因此生化效率得到大大提高，出水水质好；（2）占地面积小：反应器内的微生物浓度高，大大提高容积负荷，减小了生化池容。采用膜生物反应器，可替代传统污水处理工艺的曝气、二沉、混凝、过滤等多个处理构筑物，大大减少了对土地的占用；（3）剩余污泥排放少：有机负荷低、泥龄长，污泥产率低；（4）不受污泥膨胀的影响：取消了传统二沉池而以膜过滤实现固液分离，避免了传统工艺污泥膨胀对出水水质的影响；（5）氨氮去除率高：有利于增殖缓慢的硝化菌的截流、生长和繁殖，氨氮去除效果好；（6）抗水质冲击负荷能力强：由于具有很高的生物相浓度，因此抗冲击负荷的能力很强，这对于保证水质变化较大的合流制城市污水处理设施的稳定运行，尤显重要。
由于采用微滤滤膜分离技术进行固液分离，不仅保障出水SS低，而且大大提高了生物反应器中的生物浓度和种群数量，特别是像硝化菌这类不易形成菌胶团的细菌被截留，使得生物降解效率得到提高。因此膜生物反应器不单纯是生物处理与膜分离技术的简单叠加，而是具有“1+1>2”的效应。
2.3
全地下集约化布置
面对传统污水处理厂建设的用地、环保等诸多问题，地下污水处理厂提供了一种全新的选择思路。地下污水处理厂建设的必要性和可行性已通过许多工程实践得以证明：具有良好的防护性、密闭性和热稳定性，能更好地解决污水处理车间隔音、隔臭和隔热（保温）问题，能最大限度地利用土地资源，与周边环境协调，具有良好的经济、社会和环境效益。
根据不同的形式，地下式污水厂可分为半地下（操作层在地上，水池在地下）和全地下（操作层和水池都在地下）。这两种形式的顶盖上均可作对外开放利用，如图2所示。
经比较，半地下建设虽然在工程投资及处理成本角度有一定优势，但其整体的景观效果与全地下相比还是相差较多。考虑到本工程地处东鸡冠山风景区入口处，且位于区域主要道路南侧，土地价值高，环境敏感要求标准高，亟需一种景观效果能达到最佳的建设形式。因此，本次小孤山再生水厂最终推荐采用全地下建设形式。除综合楼、变电所和门卫外，其余生产性建、构筑物均集约化布置于一个大箱体内，其中包括细格栅及曝气沉砂池、膜格栅池、MBR生物反应池、MBR膜池、MBR膜设备间、鼓风机房、储泥池、污泥浓缩脱水机房等。集约化箱体内的所有水处理构筑物均设加盖，利于除臭。集约化箱体尺寸约为120m×57m，并在内部设置中央通道，上部可走车辆，如下图3所示。
2.4
深基坑设计
本工程为全地下水厂，采用集约化设计，水处理构筑物基本均位于设计地面标高以下，相应基坑需要考虑整体开挖及施工操作。开挖较浅的区域可考虑采用放坡开挖，开挖较深的区域需考虑围护开挖。其中污水泵房基坑开挖深度为16.6m，拟先行开挖施工，采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩+内支撑进行基坑支护开挖。其他区域中生物反应池开挖深度较大，达到8.5m，采用上部放坡开挖+下部钻孔灌注桩结合挡土板的支护方式，剩余区域开挖深度均在5.5m以内，采用放坡开挖或分层放坡开挖。坑内采用管井降水，管井布置间距按照20m控制。
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全地下污水厂设计要点讨论
3.1
高程布置
全地下集约化箱体分两层，地下一层为操作检修层，地下二层则为水池层。膜池区域因为膜组件起吊要求，层高需达到7.5m，而其他区域则仅需5.5m层高。另厂区范围内，现状地坪由西到东呈现从高到低的地势走向，现状标高约为71.00~68.00m，因此厂区地坪设计标高自南向北采用72.00~70.00m。根据箱体内不同层高要求和厂区地坪设计情况，本工程巧妙地将不同层高要求消纳在地坪标高渐变过程中，即将层高要求较高的膜池区域布置于厂区南侧下方，层高要求较低区域则布置于厂区北侧下方。以上高程布置可在一定程度上减少全地下箱体的整体埋深，从而降低造价。
3.2
进出通道设置
为保证全地下箱体进出口能形成环路，本工程分别在箱体南侧和北侧各设置一处通道出入口，通过坡道逐渐爬升至地面。进出通道宽6m，消防车可以进入来进行设计，坡度不大于1:8。
3.3
消防设计
一体化构筑物内主要生产构筑物均为污水、污泥净化处理的蓄水或盛水构筑物，在正常生产情况下，一般不易发生火灾，只有在操作失误、违反规程、管理不当及其他非常生产情况或意外事故状态下，才可能由各种因素导致火灾发生。国家尚未对工业用途的大型地下箱体给出消防分区的要求，本工程参考国内已建的地下污水处理厂的消防分区划分方式，对本工程中地下箱体消防分区进行了划分。整个地下箱体共划分了5个防火分区，每个防火分区面积按不大于2000m2控制。全地下箱体内设置了室内消火栓系统和自动喷水灭火系统。
3.4
应急设计
本工程污水厂采用全地下建设形式，在安全运行方面要求较高，因此拟采取以下多方面措施，从而保证整个全地下箱体的安全运行。
（1）应对临时停电
全厂设置两路电源，确保用电安全。全地下再生水厂若临时停电或出现紧急故障后，容易被上来水淹没。本工程出于安全考虑，拟于进水端设置1道断电自闭式闸门。若发生紧急情况，能够及时隔断来水，避免地下箱体被污水淹没。
（2）防洪设计
本工程于厂区设置排洪沟，确保厂区排涝安全，同时于地下通道末端设排涝泵房2座，确保整个地下空间的排涝安全。
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结语
（1）针对高出水标准，本工程采用MBR这种较为先进的工艺作为小孤山再生水厂主体工艺，可以保持出水有效且稳定达标。
（2）巧妙结合现状地形和地下箱体高程需求进行竖向设计，节约了埋设和投资。
（3）采用全地下建设形式，最大程度地节约用地，同时确保地面景观效果，使土地价值最大化。
（4）结合了先进工艺和全地下建设形式，为国内污水厂等类似工程提供了思路和案例参考。
推荐参考
陈谷.小孤山再生水厂工程设计案例与探讨[J].净水技术,2018,37(7):4-9.
Chen Gu. Engineering design case and discussion on project of Xiaogushan reclaimed water treatment plant[J]. Water Purification Technologies, 2018, 37(7):4-9.
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