給水排水 |百萬噸級“教科書式”污水處理廠設(shè)計案例！
鄭州新區(qū)污水處理廠總工程規(guī)模為100萬m3/d，一期規(guī)模為65萬m3/d，污泥采用厭氧消化工藝，再生水脫色規(guī)模為20萬m3/d，污泥干化規(guī)模為300 t/d（以含水率80%計），出水水質(zhì)指標優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A標準，目前均已建成并投入運行。二期工程目前已立項建設(shè)，建成后總規(guī)模將達到100萬m3/d。在設(shè)計過程中，采用了一系列新理念、新技術(shù)和新方法，將鄭州新區(qū)污水處理廠建設(shè)成為資源化、集約化、信息化、低碳化的現(xiàn)代污水處理工程。
工程背景
由于城市高速發(fā)展，位于鄭州市市區(qū)的王新莊污水處理廠周邊用地性質(zhì)和用地環(huán)境發(fā)生了很大變化，該區(qū)域規(guī)劃為鄭州市重要的交通樞紐和城市核心。經(jīng)新一輪污水規(guī)劃調(diào)整，在城市下游規(guī)劃新建鄭州新區(qū)污水處理廠，接納原王新莊污水處理廠處理的中心城區(qū)污水，并承擔(dān)沿線輸送管線周邊的物流園系統(tǒng)、中牟劉集組團等城市污水的處理，且同步提高鄭州市城市污水處理的標準，并作為河道補充水改善受納水體環(huán)境狀況。
鄭州新區(qū)污水處理廠工程總規(guī)模為100萬m3/d，一期工程污水規(guī)模為65萬m3/d，污泥采用厭氧消化工藝，再生水脫色規(guī)模為20萬m3/d，污泥干化規(guī)模為300 t/d（以含水率80%計），出水水質(zhì)執(zhí)行GB 18918-2002一級A標準。一期工程于2015年底建成通水，實際出水指標優(yōu)于設(shè)計標準，且已滿負荷運行。二期工程于2017年啟動建設(shè)，建成后污水處理總規(guī)模達到100萬m3/d，出水標準將進一步提高。
設(shè)計參數(shù)
2.1工程規(guī)模
根據(jù)《鄭州市排水工程規(guī)劃》《鄭州國際物流園區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)施布局專項規(guī)劃》和《中牟縣域市政基礎(chǔ)設(shè)施專項規(guī)劃》等規(guī)劃，鄭州新區(qū)污水處理廠承擔(dān)王新莊污水系統(tǒng)、鄭州國際物流園區(qū)系統(tǒng)和中牟劉集組團系統(tǒng)的污水，總規(guī)劃服務(wù)面積為339.53 km2，服務(wù)人口為388.5萬人，排水體制采用雨污分流制。
設(shè)計研究規(guī)劃水量，采用分項指標法預(yù)測污水量約為100.36萬m3/d，采用綜合指標法預(yù)測污水量約為98.41萬m3/d，采用單位面積指標法預(yù)測污水量約為113.58萬m3/d，幾種預(yù)測結(jié)果比較接近，經(jīng)綜合比較，結(jié)合王新莊污水處理廠實際水量的增長，確定新區(qū)污水處理廠污水規(guī)模為100萬m3/d。
2.2設(shè)計進水水質(zhì)
王新莊污水處理廠實際進水水質(zhì)如表1所示，根據(jù)鄭州市其他污水處理廠的設(shè)計進水水質(zhì)，結(jié)合城市建設(shè)現(xiàn)狀和發(fā)展方向，特別是環(huán)境保護控制的要求，綜合確定鄭州新區(qū)污水處理廠設(shè)計進水水質(zhì)如表2所示。
2.3設(shè)計出水水質(zhì)
鄭州新區(qū)污水處理廠尾水排入小清河，最終匯入賈魯河。根據(jù)環(huán)評要求，排放標準按賈魯河陳橋斷面水質(zhì)目標進行控制，出水水質(zhì)如表3所示，優(yōu)于GB 18918-2002一級A標準。
2.4工程用地
鄭州新區(qū)污水處理廠位于鄭州中牟縣姚家鎮(zhèn)，工程建設(shè)用地面積為75.3 hm2，其中一期用地為49.1 hm2。
2.5污水處理工藝流程
鄭州污水處理工藝技術(shù)已經(jīng)有了較高的成熟設(shè)計運行經(jīng)驗，對于大型污水處理廠，以穩(wěn)定運行、安全達標為原則，污水處理采用A2/O工藝，深度處理采用混凝沉淀+過濾工藝。
一期工程針對工程進水濃度高、出水標準高的要求，采用了前置缺氧段改良A2/O工藝，污水處理工藝流程如圖1所示。
結(jié)合工程特點對生物反應(yīng)池池型進行研究，采用兼具推流式與完全混合式優(yōu)點的回轉(zhuǎn)式氧化溝池型，如圖2所示。
2.6污泥處理工藝流程
一期工程污泥進行厭氧消化，經(jīng)脫水后300 t/d污泥進入干化系統(tǒng)，其余污泥進入鄭州市八崗污泥廠堆肥。剩余污泥經(jīng)重力濃縮后與初沉污泥混合，一并進入污泥濃縮機房，濃縮至含水率95%后進入污泥消化池。污泥處理工藝流程如圖3所示。
2.7脫色工藝流程
根據(jù)規(guī)劃，鄭州新區(qū)污水處理廠有20萬m3/d出水用于補充河道景觀用水、道路綠化和熱電廠冷卻用水等，為提高景觀用水品質(zhì)并確保余氯指標，需進行再生水脫色及余氯補充。再生水脫色工藝流程如圖4所示。
工程設(shè)計
3.1污水處理系統(tǒng)設(shè)計
3.1.1粗格柵及進水泵房
粗格柵及進水泵房共1座，進水泵房內(nèi)設(shè)水泵8臺（6用2備，2臺變頻），Q=5 870 m3/h，H=20.4 m（19.2～21.7 m）。
3.1.2細格柵及曝氣沉砂池
細格柵及曝氣沉砂池2座，和粗格柵及進水泵房用渠道連接。平面尺寸為57.4 m×51.8 m。細格柵采用鼓型格柵除污機12臺（b=6 mm），沉砂池停留時間為8 min。
3.1.3初沉池
初沉池共8座，直徑為?40 m，表面水力負荷為3.5 m3/（m2·h），有效水深為4 m，池頂加玻璃鋼除臭罩。
3.1.4生物反應(yīng)池
生物反應(yīng)池共2座8池，采用回轉(zhuǎn)式氧化溝池型，耐沖擊能力強。設(shè)計停留時間為21 h（前置缺氧段及厭氧段HRT為1 h，缺氧段HRT為8 h，好氧區(qū)HRT為11 h），內(nèi)回流比為300%，外回流比為100%，有效水深為6 m，氣水比為7.5∶1。
3.1.5二沉池
二沉池共16座，采用周進周出二沉池，直徑為?50 m，表面水力負荷為1.12 m3/（m2·h），有效水深為4.5 m。
3.1.6高效沉淀池
高效沉淀池共2座6池，采用加砂高效沉淀池工藝，上升流速為31～43.7 m/h，PAM加藥量為0.8～1.2 mg/L，PAC加藥量為150 mg/L。
3.1.7中間提升泵房及V型濾池
V型濾池共2座4池，單格有效過濾面積為97.65 m2，設(shè)計濾速為9 m/h，強制濾速為9.48 m/h。
3.1.8紫外線消毒池
紫外線消毒池1座2池，有效紫外劑量≥25 mJ/cm2，每池設(shè)紫外線消毒渠2條，渠道寬度為2 900 mm，有效水深為1 090 mm，采用斜插式紫外線消毒系統(tǒng)，總燈管數(shù)量為672支，總配電功率為460 kW。
3.1.9鼓風(fēng)機房
鼓風(fēng)機房1座，設(shè)置9臺單機高速離心鼓風(fēng)機，其中7臺（5用2備）風(fēng)量為565 Nm3/min，風(fēng)壓為7 m，電機功率為910 kW；2臺（常用）風(fēng)量為283 Nm3/min，風(fēng)壓為7 m，電機功率為470 kW，為適應(yīng)夏季高溫運行環(huán)境，采用水冷卻方式，屋頂設(shè)置冷卻塔。
3.2污泥處理系統(tǒng)設(shè)計
3.2.1污泥濃縮系統(tǒng)
（1）污泥濃縮池。污泥濃縮池2座，直徑為?25 m，有效水深為4 m，有效停留時間為4 h，濃縮池主要目的為濃縮剩余污泥至含水率98%。
（2）污泥均質(zhì)池及濃縮機房。污泥均質(zhì)池及濃縮機房1座，將初沉污泥和重力濃縮后剩余污泥進一步濃縮至含水率95%，設(shè)置濃縮機5臺（4用1備），單臺處理能力Q≥200 m3/h。
3.2.2污泥消化池系統(tǒng)
污泥消化池采用柱形結(jié)構(gòu)，共6座，單池容積為12 700 m3，直徑為?25 m，垂直高度為32.6 m，地面以上高度為27.4 m，地面以下埋深為5.1 m，污泥消化時間為20 d，消化溫度為37 ℃，污泥氣產(chǎn)量為42 000 m3/d，采用多層漿葉攪拌器，電機功率為15 kW，保證污泥攪拌均勻。
3.2.3污泥氣利用系統(tǒng)
污泥氣利用系統(tǒng)包括1座污泥氣增壓風(fēng)機房，設(shè)置鍋爐增壓風(fēng)機3套（流量為750 Nm3/h，風(fēng)壓為35 kPa）；火炬增壓風(fēng)機2套（流量為1 500 Nm3/h，風(fēng)壓為15 kPa）；2座污泥氣儲柜（體積為5 000 m3，運行壓力為8~10 mbar，1 bar=0.1 MPa）；1座脫硫系統(tǒng)，包括粗過濾器2套，生物脫硫系統(tǒng)2套，干式脫硫塔2套，污泥氣中H2S設(shè)計濃度為5 000 mg/Nm3，脫硫后H2S設(shè)計濃度為50 mg/Nm3；1座鍋爐房，包括2臺消化熱水鍋爐，3臺干化導(dǎo)熱油鍋爐。
3.2.4污泥脫水系統(tǒng)
污泥脫水機房1座，設(shè)置脫水機4臺（3用1備），單臺流量為100～150 m3/h。
3.2.5污泥干化系統(tǒng)
污泥干化車間1座，采用漿葉式干燥機，能源采用污泥氣，并配置天然氣供應(yīng)系統(tǒng)作為備用能源。設(shè)置3條污泥干化線，單條干化線處理能力為100～120 t/d（含水率76%～80%），出泥含固率為70%（進一步干化可至90%含固率），蒸發(fā)量為2 976～3 241 kg/h。
系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，污泥消化產(chǎn)生的污泥氣用于污泥干化，污泥干化的余熱經(jīng)能量回收裝置回收用于污泥消化，實現(xiàn)污泥干化的能量平衡，不需要外加熱源。
3.2.6污泥水處理系統(tǒng)
設(shè)置污泥水處理系統(tǒng)，對污泥處理過程中產(chǎn)生的濃縮池上清液、濃縮濾液、脫水濾液、消化池上清液進行除磷脫氮處理，包括除磷反應(yīng)器1座，加入氧化鎂后，與磷酸鹽和氨形成鳥糞石沉淀，鳥糞石顆粒從水中被去除作為一種肥料用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；脫氮反應(yīng)器1座，采用厭氧氨氧化工藝，實現(xiàn)氨氮的去除。
3.3再生水脫色系統(tǒng)設(shè)計
再生水采用臭氧進行脫色，臭氧制備間與加藥間合建，臭氧投加量為5 mg/L，設(shè)置臭氧制備系統(tǒng)2套；臭氧接觸池1座，停留時間為15 min（高峰流量）。
3.4總平面布置
鄭州新區(qū)污水處理廠總平面布置分為4個區(qū)：由西向東依次為：污泥處理區(qū)和預(yù)處理區(qū)、生物處理區(qū)、深度處理處理區(qū)，廠前區(qū)位于廠區(qū)東南角，并預(yù)留二期用地，總平面布置如圖5所示。
工程設(shè)計特點
4.1高標準全達標設(shè)計理念
鄭州新區(qū)污水處理廠出水標準優(yōu)于GB 18918-2002一級A標準，并采取脫色處理，能做到清澈見底，可有效補充河道水資源，對改善鄭州市水體環(huán)境有很大貢獻。
污水處理采用回轉(zhuǎn)式氧化溝池型的前置缺氧段改良A2/O工藝、深度處理采用加砂高效沉淀池，保證穩(wěn)定達標；污泥處理采用消化、干化、焚燒工藝，充分利用能源和資源；預(yù)處理區(qū)、泥區(qū)加蓋除臭，強化除臭系統(tǒng)設(shè)計，做到環(huán)境友好；選用低噪聲、震動小的設(shè)備，車間設(shè)置隔音門，內(nèi)墻貼吸音材料。靈活多樣的工藝手段，確保新區(qū)污水處理廠水、泥、氣、聲處理均達到較高標準。
4.2緊湊型集約化人性布置
預(yù)處理構(gòu)筑物、生物處理構(gòu)筑物、深度處理構(gòu)筑物、污泥處理構(gòu)筑物等進行了集約布置，近遠期構(gòu)筑物合理布局，為進一步發(fā)展創(chuàng)造良好的條件。
廠區(qū)中間巡視主通道寬度設(shè)置為9 m，每座反應(yīng)池設(shè)置電瓶車通道上池，便于日常巡檢及維修養(yǎng)護。
廠前區(qū)各個功能單體通過合理的布局，以及連廊的聯(lián)系，有機的組合在一起，同時也通過這些空間的圍合和分隔，劃分出了大小不同景觀區(qū)域，體現(xiàn)“自然、潔凈、生態(tài)、安全”的設(shè)計理念。
4.3資源化回收型能源利用
一期工程污泥處理采用中溫厭氧消化、熱干工藝，污泥消化產(chǎn)生的污泥氣用于污泥干化，污泥干化的余熱經(jīng)能量回收裝置回收用于污泥消化，實現(xiàn)污泥干化的能量平衡，不需要外加熱源，節(jié)約天然氣25 000 m3/d。
為減少厭氧消化污泥水對污水處理的沖擊，采用厭氧氨氧化和鳥糞石磷回收技術(shù)，對污泥水進行處理，實現(xiàn)磷資源的回收。
采用生物脫硫技術(shù)，將污泥氣中的H2S還原為單質(zhì)硫，回收利用。
4.4智慧化創(chuàng)新型技術(shù)集成
采用智能曝氣系統(tǒng)，比常規(guī)控制方式節(jié)能10%～15%，每年可節(jié)約電耗455～683萬kW·h；廠前區(qū)預(yù)留光伏發(fā)電設(shè)備設(shè)置區(qū)域，裝機容量達到150～200 kW；采用水源熱泵系統(tǒng)，對廠前區(qū)建筑物、泥區(qū)控制室等進行集中供暖、制冷，節(jié)約電耗。
結(jié)語
鄭州市新區(qū)污水處理廠工程是我國為數(shù)不多的百萬噸級污水處理廠，且集污水處理、再生水回用、污泥處理為一體的綜合污水處理工程。一期工程投入運行以來，實際出水水質(zhì)優(yōu)于設(shè)計標準，且運行穩(wěn)定，高品質(zhì)的再生水作為河道補充水，營造良好的生態(tài)效果；污泥中能源、資源得以回收利用；處理過程中產(chǎn)生的新的污染源得到有效控制；精細化的設(shè)計和運行管理，將鄭州新區(qū)污水處理廠建成高效集約、低碳的資源節(jié)約型環(huán)境友好型現(xiàn)代污水處理工程。
微信對原文有刪減。原文標題：《百萬噸級污水處理廠設(shè)計探討——以鄭州新區(qū)污水處理廠工程為例》，作者：張辰、高陸令、施祖輝，刊登在《給水排水》2018年5期。
