设计案例 | AAO-MBR工艺在湘湖污水厂提标改造工程中的应用

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01

工程背景

长沙市湘湖污水处理厂设计流量为14×104 m3/d，占地面积35 000 m2，现状总设计规模为14×104 m3/d，出水标准满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准。现状污水经粗、中、细三道格栅后，由提升泵站送至各级处理构筑物。一级处理采用曝气沉砂池，然后送入预处理两侧氧化沟和二沉池进行二级处理。二级处理后出水未经消毒直接由一根直径1 m的管道排入厂外工作井，再利用倒虹管穿东西箱涵下部进入其另外一侧工作井，流入西箱涵，东西箱涵间的连通孔完全封闭，西箱涵内是湘湖污水处理厂排放水，东箱涵是未经处理的污水。处理后的尾水与未处理的污水混合后排入了三角塘排渍泵站集水池，最终进入了浏阳河，汇入湘江（图1）。随着湘江长沙综合枢纽建成，湘江长沙段自净能力随之下降，其对长株潭库区式饮用水安全已构成了严重威胁。
一方面，湘湖污水处理厂原设计出水标准太低，已不满足长沙市的污水排放整体需要，急需提质改造；另一方面，湘湖污水处理厂建成时，所在区域属郊区，周围均为鱼塘、荒地等，随着城市的发展，厂区周围已经变成了高楼林立的城市商住区，环境十分敏感，恶臭及噪声是制约污水处理厂运营的首要因素。尽管运营单位已对水、臭气、噪声及固废的污染相应的治理和控制措施，但运营期生产的恶臭及噪声对周边环境仍存在一定程度的影响，必须进一步强化恶臭及噪声污染控制措施，加以有效治理。

图1 湘湖污水处理厂平面位置分布图

02

提质改造工程设计方案

2.1 工程规模及设计进、出水水质
根据可行性研究论证，为确保出水水质，长沙市湘湖污水处理厂设计流量恒定为14×104 m3/d，多余污水进入三角塘污水提升泵站，提升至开福污水处理厂。
考虑到湘湖污水处理厂尾水除了排放至浏阳河，还需回用到烈士公园年嘉湖和跃进湖。因此，需同时满足《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准和《城市污水再生利用景观环境用水水质标准》（GB/T 18921—2002）中的娱乐性景观环境用水标准。为防止年嘉湖、跃进湖发生富营养化现象，出水水质还应达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）IV类标准。综合以上标准，同时考虑到国内其他类似项目出水标准，最终确定设计进、出水水质如表1所示。
表1 长沙市湘湖污水处理厂设计进、出水水质
2.2 设计工艺流程
本工程选择了“AAO+MBR”工艺作为长沙湘湖污水处理厂提标改造工艺。污泥处理工艺采用离心浓缩脱水一体机，将污泥含水率处理到80%以下，根据环评要求栅渣、污泥等最终送长沙市政污泥处理中心处置。工艺流程如图2所示。
综合考虑设计水质和现有的场地条件，设计前期基于活性污泥-厌氧消化（ASDM）动力学模型，采用Biowin软件对整体工艺进行了全流程的反复模拟，最终得到了既能稳定达标，同时电耗及药耗均最省的工艺条件和运行参数，并据此完成了优化设计。
图2 长沙市湘湖污水处理厂工艺流程图
2.3 总体设计
长沙市湘湖污水处理厂处理规模为14万m3/d，占地面积仅为33 000m2左右，场地面积十分紧张。为有效利用场地，在设计过程中首先尽量保留了厂区原有的建构筑物，如传达室、综合楼等，减少重复建设；其次针对原有部分不满足出水和建设标准的生产建构筑物进行了升级改造，包括预处理、氧化沟和污泥脱水间、中控室等，使之发挥最大的效用，满足提质的要求；最后为保证出水达标，工程以MBR工艺为核心，对现有二沉池进行整体拆除，在用地上新建MBR构筑物，集成了好氧池、膜池、鼓风机房、泵房、设备间、加药间等功能，同时新建接触消毒池，满足尾水回用要求。改造前实景图和改造后的效果图分别如图3和图4所示。

图3 长沙市湘湖污水处理厂改造前实景图

图4 长沙市湘湖污水处理厂改造后效果图

03

主要建、构筑物设计参数

3.1 预处理改造

1）粗格栅改造
粗格栅平面尺寸为5.6 m×8.1 m，高度为4.9 m。粗格栅共分3渠道，改造工程将现状3台三索式50 mm格栅除污机改为20 mm回转式格栅除污机，每格渠宽B=1.9 m，栅前水深为0.95 m，安装角度a=70°，格栅间隙b=20 mm，栅条宽s=10 mm。
2）中格栅改造
中格栅平面尺寸为5.8 m×10.1 m，高度为4.9 m。中格栅共分4渠道，将现状4台15 mm循环式齿耙除污机改为6 mm回转式格栅除污机，每格渠宽B=1.9 m，栅前水深为0.70 m，安装角度a=70°，格栅间隙b=5 mm。
3）细格栅改造
细格栅平面尺寸为7.1 m×11.15 m，高度为1.5m。将现状6 mm回转式格栅改为3 mm孔板格栅，细格栅原有渠道维持不变，渠顶板设备安装处开孔增大。每格渠宽B=2.1m，栅前水深1.5m，格栅间隙b=3mm。共配置4台孔板格栅除污机，单台功率1.5 kW，并配备2台反冲洗水泵，单泵流量为36 m3/h，H=94 m，N=15 kW。工作时间按照1∶2~1∶4的开停比设置开、停时间。
4）膜格栅改造
将原有污泥回流泵房改造为膜格栅，细格栅平面尺寸为6.1 m×8.8 m，高度为2.2 m。共设4台膜格栅，3用1备，单台功率1.5 kW。每格渠宽B=1.4 m，栅前水深1.1 m，格栅间隙b=1 mm。并配备2台反冲洗水泵，单泵流量36 m3/h，H=94 m，N=15 kW。工作时间按照1∶2~1∶4的开停比设置开、停时间。
3.2 氧化沟改造
将原有2座氧化沟均改造为厌氧-缺氧池，单座氧-缺氧池设计流量7万m3/d，其中厌氧段停留时间为1.0 h，缺氧段停留时间为2.7 h，有效水深均为3.9 m。单座厌氧池共配备6台高速潜水搅拌器，功率3.7 kW，单座缺氧池共配备12台低速潜水搅拌器，功率2.3 kW，缺氧池到厌氧池污泥回流比为100%~200%。
3.3 MBR综合构筑物
将原有4座二沉池拆除，新建MBR综合构筑物两座，MBR构筑物设计如图5所示。单座设计规模为7万 m3/d，平面尺寸为82.34 m×38.18 m。包括好氧池、膜池、污泥回流泵房、综合设备间、鼓风机房及配电间。
图5 MBR综合构筑物设计图
1）好氧池
好氧池单座平面尺寸为37.70 m×36.25 m，有效水深为6.0 m，有效停留时间为2.4 h。好氧池采用管式曝气器。每座好氧池设管式曝气器1 216根，两个系列共2 432根。单根曝气量为7.2 m3/h。好氧池至缺氧池污泥回流量为300%。
2）MBR膜池
MBR膜池共2座，单座总尺寸为45.46 m×31.85 m，包括了配水渠、膜池、回流渠和清洗池。池深为5 m，有效水深为3.7 m。其中配水渠为39.6 m×2.1 m，回流渠尺寸为39.6 m×1.5 m，膜池共分为8格，单格尺寸为26.65 m×4.6 m，清洗池共分为3格，包括水洗，酸洗和碱洗。
单座膜池共8个系列，其中6列安装10个膜组件，2列安装9个膜组件，膜组件采用PVDF中空纤维膜，单台膜组件设计处理量为897.5 m3/d，膜设计通量为17.81 L/（m3·h）。膜池膜吹扫风量为849.6 Nm3/min，气水比为8.7∶1，BOD5污泥负荷为0.098 kg BOD5/(kg MLSS∙d)。膜池至好氧池污泥回流量为400%。
3）污泥回流泵房
污泥回流泵房共两座，单座总尺寸为10.9 m×8.51 m，共设有8台回流泵，包括膜池至好氧池回流泵4台，单泵设计参数为：Q=2 910 m3/h，H=0.5 m，N=18.5 kW；好氧池至缺氧池回流泵4台，单泵设计参数为：Q=2 190 m3/h，H=3.0 m，N=37 kW。
4）综合设备间
MBR膜设备间为两层钢砼+框架结构，平面尺寸为44.5 m×6.61 m。上层设置MBR系统中控室及清洗加药装置，包括次氯酸钠、柠檬酸贮存装置及投加装置。
下层设置产水泵、剩余污泥泵及其他辅助设备，产水泵共设9台，8用1冷备，均设变频，单台泵Q=493 m3/h，H=11~13 m，N=22 kW；剩余污泥泵共设4台，3用1备，单台泵Q=80m3/h，H=20 m，N=11 kW。
5）鼓风机房
鼓风机房及配电间合建，置于好氧池上方，平面尺寸为38.46 m×7.8 m，共设2座。每座均设置曝气风机和膜吹扫风机。单座设置曝气风机3台，1大2小，互为备用，其中大鼓风机Q=146 m3/m，H=7.5 m，N=223 kW，小鼓风机Q=73 m3/m，H=7.5 m，N=112 kW；膜吹扫风机共设置4台，2大2小，其中1台大鼓风机与2台小鼓风机互为备用，大鼓风机Q=213 m3/min，H=4.5 m，N=223 kW，小鼓风机Q=106.5 m3/min，H=4.5 m，N=112 kW。
3.4 接触消毒池/加药间/出水提升泵房
本工程接触消毒池、加药间与出水提升泵房合建，共设1座，设计规模为14万m3/d。接触消毒池设计与出水提升泵站合建，总平面尺寸为25.05 m×23.35 m，池高4.9 m，有效水深4.0 m，有效容积为2 300 m3，池内接触时间为23.66 min，考虑尾水排放管内接触时间7.12min，总接触时间为30.78 min。出水提升泵站共设4台潜水泵，3用1备，单台水泵设计参数为Q=2 000 m3/h，H=16 m，N=132 kw。
加药间位于接触消毒池上部，消毒剂采用了二氧化氯，投加量为8 mg/L；化学除磷采用固体碱式氯化铝（PAC）投加药剂，设计最大投加量为30.0 mg/L；外加碳源采用乙酸钠，考虑到本项目对TN的去除要求较高，设计乙酸钠最大投加量为30.0 mg/L。
3.5 贮泥池
新建的贮泥池为地下式钢筋砼池，平面尺寸9.0 m×9.0 m，有效水深为5 m，有效容积为405 m3，池内安装有潜水搅拌机，污泥脱水时实施搅拌，使脱水效果稳定。池内还安装有超声波泥位计，在中控室及脱水间显示贮泥量，并可在泥位最高时间停开进泥泵，在低水位时停开搅拌机。
3.6 污泥脱水间改造
污泥处理先前采用带式干化机，提表改造后，原有带机能够满足污泥脱水量的要求，但污泥产生的臭气问题没有办法得到妥善的解决，为此采用离心脱水机代替现有的带机。共设计4台卧式螺旋沉降脱水机，3用1备，工作时间按12 h设计，单台脱水机Q=60 m3/h，N=66 kW。
3.7 除臭系统
鉴于湘湖污水处理厂用地紧张，本工程将臭气分散就地处理，共设置6处。
1#除臭系统：主要针对预处理间产生的臭气，设置一套植物液除臭设备，处理风量为6 200 m3/h。
2#除臭系统：主要针对污泥脱水间内脱水机和贮泥池产生的臭气，设计一套植物液除臭系统，处理风量为4 500 m3/h。
3#除臭系统：分别针对厌氧/缺氧池产生的臭气，单座厌氧/缺氧池总处理风量为13 000 m3/h。设备放置在厌氧池体的房间内，由于房间尺寸有限，故设计两套生物过滤除臭设备，分别放置在池体上的两个房间，单套处理风量为6 500 m3/h，可独立运行。两套设备共用一个排气筒。
4#生物除臭设备：主要针对两座MBR综合构筑物产生的臭气，共设计两套生物除臭设备，处理风量为43 000 m3/h。为节省用地，设备放置在好氧池体上面。

04

绿色设计理念在污水厂设计中的讨论

（1）考虑污水厂的性质和周边的环境，以环境保护和体现植物群落生态效应为主，以水文化教育展示基地为辅，在厂区的主入口处特意设计一处长沙窑陶罐水景，突出长沙窑陶罐和污水回用相结合的文化；将经过处理后的水重复利用到景观设计中，直接对外展示水处理的成果，设计参观路线，让大众了解整个污水处理的工艺，提倡节约用水和保护环境；植物主要以本土植物为主，同时注重多样性的配合，营造出多形式，多层次，多组合的植物配置，促进生态环境的平衡。
（2）景观绿化设计中，以“资源节约，环境友好”为主题，贯彻低影响开发的“海绵城市”理念，采用了绿化屋面、垂直绿化、生态停车场等一系列设计，特别是对氧化沟进行加盖覆土。在氧化沟上形成了城市的“小游园”，体现生态、美观、人与自然充分融合的理念。通过低影响开发“海绵城市”设计理念的应用，一方面对建筑物起保温、隔热作用，另一方面可有效减少屋面径流总量和径流污染负荷。整个厂区建成之后与周边环境融为一体，将污水处理厂设施对周边环境的影响降至最低。提标改造后的实景如图6所示。
图6 长沙市湘湖污水厂提标改造后实景图

05

水质处理效果

长沙市湘湖污水处理厂提质改造后，于2016年12月正式投入运行，2017年1月~12月的平均进出水水质如表2所示。
表2 提标改造后实际进、出水水质

06

综合效益分析总结

（1）项目节地
本工程总用地面积为34 991.54 m2，用地指标为0.25 m2/（m3∙d），仅为《城市污水处理工程项目建设标准》[2001]中采用二级生化+深度处理工艺的污水厂建设用地指标0.80~0.95 m2/（m3·d）的25~30%，节约用地超77 000 m2，节省土地费用超1.7亿元。
（2）项目节能
本项目提质改造后，处理污水的电耗为0.46 kW∙h/m3，而目前国内现有的污水处理厂采用膜处理工艺的，处理污水的电耗均为0.50~0.60 kW∙h/m3，本项目能耗属于合理偏低范畴。项目年最少节能200万kW∙h/a，年节约电费160万元。
（3）项目节水
本工程出水经深度处理后可选择性回用作为长沙市烈士公园年嘉湖和跃进湖秋冬枯水季节补给用水，大大减少秋冬季两湖对自来水补给的依赖，年均节水量保守估计约为400万m3左右。
（4）项目节材
本工程设计方案中，充分利用了原有设施，如：传达室、综合楼、预处理、氧化沟和污泥脱水间、中控室等，节约投资约8 000万元。同时，整个项目中PAC及碳源投加量均控制在30 mg/L以下，相对于同类出水水质的其他项目（PAC及碳源投加量均为50 mg/L左右），此两种药剂均节约了20 mg/L左右。PAC及碳源年均节约用量1 000 t左右，合计约为250万元左右。
（5）环境效益
长沙市湘湖污水处理厂提质改造将使排入浏阳河的污染物大大降低，14万m3/d规模建成投运后预计污染物质每年的削减量为：化学需氧量CODCr减少：13 100 t/a；生化需氧量BOD5减少：4 740 t/a；总悬浮物SS减少：8 320 t/a；TN减少：960吨/年；TP减少：140 t/a 。
（6）生态景观效益
本工程不仅对湘湖污水处理厂进行了全厂全范围的除臭降噪，同时还从整体上提升了厂区景观环境，使污水处理厂变为了城中花园，大大提升了周围群众的生活质量。

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结论

长沙市湘湖污水处理厂提标改造工程采用“AAO+MBR”工艺，探索了污水处理厂的新的设计方法，充分体现了“绿色、循环、低碳”的绿色市政设计理念。在项目用地极为有限、周边环境敏感、出水要求严格的条件下，实现了提标改造、尾水再生回用、全厂除臭降噪，整体景观优化的目标。实测运行数据表明设施运行稳定，处理效果和出水水质优于设计标准。本工程不仅提供了一座环境友好和生态美观的新型“绿色”现代化污水处理厂的典型案例，同时可为类似的改造项目提供重要的借鉴方法和经验。

更多信息

潘兆宇，张 文，吴未红，许瑶，肖果，周倬竑

（湖南省建筑设计院有限公司，湖南省长沙  410005）

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