全地下式處理設(shè)施與溢流污染控制的設(shè)計與運行
導(dǎo)語：為了控制溢流污染和初期雨水污染，兼顧旱天和雨天處理運行需求，葛塘河凈水站采用了污水處理設(shè)施、調(diào)蓄池和地下停車場一體化全地下合建的方式。
污水處理采用膜生物反應(yīng)器(MBR)主體工藝，設(shè)計規(guī)模為1.20萬m3/d，調(diào)蓄池設(shè)計規(guī)模為5 000m3。凈水站兼具污水處理、雨水調(diào)蓄以及城市交通調(diào)節(jié)等功能。
實際運行狀況表明，凈水站在旱天和雨天出水水質(zhì)均穩(wěn)定達到了一級A標(biāo)準。滿負荷運行情況下，旱天可削減入河污染物CODCr為1 533 t/a、氨氣為109.5 t/a; 雨天可削減COD為210 t/a、SS為144 t/a。全地下式凈水站用地面積僅6 100m2，建設(shè)用地指標(biāo)遠低于1.50~ 1.20㎡/(m3·d-1)的限值。同時，與地面景觀公園及周邊環(huán)境相融合，既具備布局緊湊、節(jié)地、運行靈活高效等特點，又達到“鄰避”變“鄰利”的目的。為建設(shè)環(huán)境友好的地下式污水處理廠提供了設(shè)計參考以及實際工程經(jīng)驗。
01 建設(shè)規(guī)模和形式
1.1 建設(shè)規(guī)模
葛塘河排水片區(qū)面積為5.32㎡，根據(jù)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)，片區(qū)內(nèi)共分為8個匯水分區(qū)，規(guī)劃建設(shè)3座調(diào)蓄池和2座凈水站。其中，葛塘河凈水站服務(wù)范圍為1.63 km2，經(jīng)人均綜合用水指標(biāo)法和分類用地用水指標(biāo)法測算，至2025年污水量為1.16萬m3/d。因此，確定凈水站污水處理規(guī)模為1.20萬m3/d。根據(jù)《南京市海綿城市專項規(guī)劃》，典型流域的面源污染削減率達到50%的控制要求時，初期雨水棄流量約為5 mm，一般區(qū)域按面積加權(quán)估算的徑流系數(shù)在0.5～0.8。因此，計算確定葛塘河凈水站處的調(diào)蓄池設(shè)計規(guī)模為5 000m3。調(diào)蓄池近期用于收集降雨期間的混合雨污水，雨污分流完善后，遠期用于收集初期雨水。
1.2 建設(shè)形式
葛塘河凈水站與調(diào)蓄池合建，為充分利用公共空間，同時考慮合建一座小型地下停車場。由于選址位于一處廣場下方，為不影響原廣場的地上使用功能，考慮凈水站采用全地下式。通常，全地下式污水處理廠分為雙層加蓋和單層加蓋，由于該凈水站規(guī)模較小，綜合投資、周邊環(huán)境等因素，選取單層加蓋建設(shè)形式。
02 設(shè)計水質(zhì)與處理工藝
2.1 設(shè)計進出水水質(zhì)
葛塘河凈水站附近現(xiàn)有一座市政污水處理廠，經(jīng)對該市政污水處理廠原設(shè)計進水水質(zhì)和近3年實際進水水質(zhì)進行統(tǒng)計分析，最終確定凈水站設(shè)計進水水質(zhì)，如表1所示。根據(jù)目前國家對污水處理廠出水水質(zhì)的統(tǒng)一要求，參考南京市江北新區(qū)目前排放標(biāo)準考核要求，確定本項目設(shè)計出水水質(zhì)采用《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準。
2.2 工程難點
經(jīng)對進出水水質(zhì)統(tǒng)計分析和建設(shè)條件分析，本項目設(shè)計和實施主要有以下3個工程難點。(1)用地緊張，布局緊湊：本工程合建凈水站、調(diào)蓄池和停車場，選址用地面積僅為6 100㎡(含進出通道)，需采用節(jié)地型工藝。(2)兼顧地上地下功能需求：地下設(shè)施需滿足污水處理達標(biāo)排放，并需考慮人員、物料、設(shè)備進出通道問題，地上在建設(shè)后需恢復(fù)公共空間功能。(3)兼顧旱天和雨天處理運行需求：工程設(shè)計對旱天和雨天兩種工況的水量和水質(zhì)進行校核，確保出水水質(zhì)達標(biāo)。
2.3 主體工藝方案選擇
活性污泥法在大型污水處理廠有較多的應(yīng)用，根據(jù)國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2010年，在已投入運行的2 739座城市污水處理廠中，10萬m3/d 規(guī)模以上的污水處理廠有190座，而其中的40%采用了AAO或AO工藝。故本次將AAO工藝作為比選工藝之一。改良式序列間歇反應(yīng)器(MSBR)工藝由于較小的占地面積，在市政污水處理中也有較多的應(yīng)用實例，也可以達到穩(wěn)定的出水效果，且在江蘇地區(qū)也有應(yīng)用。故也作為比選方案之一。而近年來膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝也廣泛用于污水廠的處理中，將MBR工藝作為AAO工藝后端的超濾設(shè)施，可以大大提高AAO系統(tǒng)的污泥濃度，減少整個生化系統(tǒng)的體積，從而大幅度減少占地。本工程中污水廠采用地下式的布置方式，而AAO+MBR工藝可實現(xiàn)集約化的布置，節(jié)省用地，故本工程也將AAO+MBR工藝作為比選工藝。具體方案優(yōu)缺點比較如表2所示。
由表2可知，AAO+MBR工藝由于膜的維護和更換，雖然運行成本高于另外兩個方案，但其處理效果較好，占地面積小，具有較強的適應(yīng)性和靈活性。此外，其節(jié)能減排的效果要遠高于其他工藝。朱園園等在AAO+MBR工藝在大型地下式污水處理廠中的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：AAO+MBR工藝能夠穩(wěn)定實現(xiàn)CODCr、TN、氨氮、TP、SS的去除，出水優(yōu)于GB 18918—2002一級A的標(biāo)準要求，且MBR運行穩(wěn)定。綜合考慮到行業(yè)發(fā)展趨勢、用地條件、節(jié)能減排及項目投資等方面，本工程采用AAO+MBR工藝。
2.4 工藝方案確定
葛塘河凈水站存在旱天和雨天兩種運行工況：
旱天時生活污水直接進入污水處理單元，調(diào)蓄池空置；
雨天時混合雨污水一邊進入污水處理單元，一邊進入調(diào)蓄池儲存，調(diào)蓄池儲滿后雨水溢流，并在雨后緩慢將調(diào)蓄水送至污水處理單元處理。
雨天時進水濃度降低，污水處理單元進水流量可短時適當(dāng)增加，最大流量按增加50%考慮，進水量由進水泵房控制并設(shè)置3臺變頻潛水離心泵。
進水預(yù)處理設(shè)置4處格柵。其中，前置50 mm粗格柵設(shè)置于總進水端共用，調(diào)蓄池進水泵房前設(shè)置20 mm粗格柵，凈水站進水泵房后設(shè)置5 mm細格柵和1 mm精細格柵，以保障后續(xù)水處理設(shè)備和膜過濾正常運行，格柵配備按照雨天最大流量考慮。曝氣沉砂池設(shè)置于細格柵和精細格柵之間，旱天停留時間為7.5 min，雨天停留時間為5.0 min。
二級處理采用AAO+MBR工藝。經(jīng)比選，該工藝尤其適用于小規(guī)模、用地緊湊的污水處理中。其中，膜分離較常規(guī)平流二沉池節(jié)地約50%，同時由于膜池污泥富集濃度高，通過污泥回流可使生物反應(yīng)池內(nèi)平均污泥濃度較常規(guī)活性污泥法高約60%，具有明顯的節(jié)地優(yōu)勢。二級處理總體設(shè)置1次污泥回流和2次內(nèi)回流，出水水質(zhì)相對穩(wěn)定。
尾水消毒采用紫外線消毒工藝，設(shè)備選用管道式，與MBR產(chǎn)水泵銜接；
污泥處理采用疊螺式污泥脫水機脫水至80%含水率，外運處置；
除臭土壤濾池采用生物除臭工藝，臭氣經(jīng)管道收集后送至地面土壤濾池，結(jié)合地面綠化設(shè)置。
總體工藝流程如圖1所示。
03 工程設(shè)計
3.1 平面設(shè)計
根據(jù)進出水位置和用地條件，凈水站將污水處理設(shè)施、調(diào)蓄池和地下停車場合建，具體平面布置如圖2和圖3所示。其中，箱體最大尺寸為88.5 m×75.5 m。為便于地下建筑內(nèi)設(shè)備和膜池產(chǎn)水泵區(qū)域操作與巡檢，箱體內(nèi)長度方向上設(shè)置一條走廊，人員可通過樓梯間進入走廊，到達膜池和輔助用房區(qū)域。
由于該箱體采用單層全地下建設(shè)方式，部分設(shè)備、柵渣和污泥等需在地面設(shè)置檢修或進出通道。頂層地面洞口分為4類，包括不常開啟的設(shè)備檢修洞口、膜池區(qū)域覆面鋼格柵蓋板、地面風(fēng)井和人員出入樓梯井。結(jié)合景觀公園綠化，地面上設(shè)置土壤除臭生物濾池1座。結(jié)合市民廣場功能需求，地面完全敞開。地下停車場設(shè)置28個停車位，單獨設(shè)置進出坡道。
3.2 豎向設(shè)計
市民廣場地面標(biāo)高為10.7～11.0 m，箱體位于市民廣場下方，整體埋深為5.5 m左右；停車場、脫水機房、鼓風(fēng)機房及變配電間等地下建筑地面標(biāo)高為6.35 m，凈空高度約為4.5 m；預(yù)處理區(qū)頂標(biāo)高為11.30 m，略高于廣場地面，箱體內(nèi)設(shè)置該區(qū)域操作空間；生物反應(yīng)池頂板標(biāo)高為10.70 m，超高為90 cm，上部淺覆土為30 cm；膜池頂標(biāo)高為11.30 m，超高為180 cm；調(diào)蓄池頂標(biāo)高為9.90 m，上部覆土為110 cm。凈水站剖面圖如圖4所示。
箱體位于全地下，為避免強降雨時大量雨水進入箱體對人員、電氣設(shè)備等造成威脅，于進水端設(shè)置速閉閘。同時，在設(shè)備檢修孔蓋板開啟相對頻繁處，箱體頂設(shè)計標(biāo)高高出廣場地坪30 cm，開啟不頻繁處的蓋板采用密閉式蓋板。車庫坡道處設(shè)置截洪溝和強排雨水泵，防止雨水進入箱體。
3.3 AAO生物反應(yīng)池與膜池設(shè)計
AAO生物反應(yīng)池設(shè)置兩組，每組可單獨運行，有效水深為3.6 m。旱天總水力停留時間為10.9 h，其中厭氧區(qū)為2.2 h，缺氧區(qū)為3.3 h，好氧區(qū)為5.4 h。設(shè)計外回流比為400%，好氧至缺氧內(nèi)回流比為200%，缺氧至厭氧內(nèi)回流比為100%。由于系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置多處回流，生物反應(yīng)池內(nèi)污泥質(zhì)量濃度呈梯度變化，厭氧區(qū)為3.2 g/L，缺氧區(qū)為6.4 g/L，好氧區(qū)為9.6 g/L，平均污泥質(zhì)量濃度為7.4 g/L。雨天較旱天進水濃度降低40%～50%，按水力負荷增加50%校核生物反應(yīng)池，雨天總水力停留時間為7.3 h，外回流泵備用泵開啟，維持生物反應(yīng)池污泥濃度，確保旱雨天二級出水水質(zhì)達標(biāo)。
膜池共設(shè)置4格，水深為3.4 m，平均濾速為12.1 L/((㎡·h)，雨天峰值濾速為19.4 L/(㎡·h)，池內(nèi)污泥質(zhì)量濃度為12.0 g/L。膜過濾采用0.03 μm孔徑的聚偏二氟乙烯(PVDF)改性中空纖維膜，膜清洗采用連續(xù)曝氣膜擦洗+間歇在線加藥清洗，產(chǎn)水泵揚程為10 m。
根據(jù)《城市污水處理工程項目建設(shè)標(biāo)準》(建標(biāo)198—2022)規(guī)定，Ⅳ類(1萬～5萬m3/d)污水廠單位水量的建設(shè)用地控制指標(biāo)不應(yīng)超過1.50～1.20 (㎡/(m3·d-1)。本工程污水處理規(guī)模為1.20萬m3/d，由內(nèi)插法計算可得本工程單位水量的建設(shè)用地控制指標(biāo)不應(yīng)超過1.485 (㎡/(m3·d-1)，即單位面積不超過17 820 (㎡。本工程AAO生物反應(yīng)池與膜池共占地約為2 150 (㎡，遠小于建標(biāo)198—2022計算出的建設(shè)用地面積，進一步展現(xiàn)了本工程的節(jié)地優(yōu)勢。
3.4 調(diào)蓄池設(shè)計
調(diào)蓄池設(shè)計有效水深為3.6 m，內(nèi)部分為4條廊道，單格寬度為5 m，長度為50.5 m。調(diào)蓄池沖洗采用門式?jīng)_洗設(shè)備(圖5)，利用水力學(xué)原理和機械結(jié)構(gòu)相結(jié)合，調(diào)蓄池放空后利用廊道始端設(shè)置的存水室和沖洗門即可實現(xiàn)無動力、無外部供水自動沖洗。工作過程是液壓控制的2套浮筒(主浮筒和控制浮筒)與數(shù)套沖洗門之間的協(xié)調(diào)動作，其間相連接的是全封閉的液壓系統(tǒng)。調(diào)蓄池與凈水站進水泵房聯(lián)通，雨后晴天時錯峰放空。
3.5 消防設(shè)計
地下設(shè)備用房耐火等級為一級，整體火災(zāi)危險性類別定位為丁類。地下設(shè)備用房總建筑面積為1 115.87 ㎡，分為2個防火分區(qū)，于走廊中間處設(shè)置防火墻分隔，每個防火分區(qū)設(shè)置1個安全疏散口。
地下停車場共設(shè)置28個停車位，建筑面積為1 107.31 ㎡，作為一個防火分區(qū)，設(shè)置1個安全疏散口和1處車輛進出坡道。
04 運行管理
4.1 實際運行狀況
葛塘河凈水站自2020年下半年開始逐步進入調(diào)試運行期，近一年運行進水量和進水水質(zhì)如圖6和圖7所示，自2021年下半年開始，進水量穩(wěn)步提升，日運行水量在8 000～10 000 m3/d，且雨季明顯高于旱季。從進水水質(zhì)情況來看，旱季進水平均CODCr質(zhì)量濃度在200 mg/L左右、平均氨氮質(zhì)量濃度在20 mg/L左右，而雨季進水平均CODCr質(zhì)量濃度在120 mg/L左右、平均氨氮質(zhì)量濃度在14 mg/L左右。水量和進水水質(zhì)數(shù)據(jù)說明，片區(qū)管網(wǎng)有待于進一步修復(fù)完善。
凈水站出水水質(zhì)(圖8)穩(wěn)定達到一級A標(biāo)準，其中CODCr質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定在40 mg/L以下，氨氮質(zhì)量濃度均不超過1.0 mg/L，TP質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.4 mg/L左右。
4.2 運營管理要點
葛塘河凈水站運營管理采取遠程控制為主、人員定期巡檢為輔的模式，較常規(guī)地上式污水處理廠，運營管理要點包括以下3點。
(1)調(diào)蓄池單次使用放空時間不大于24 h，以確保調(diào)蓄池的使用效率。放空的平均流量為208 m3/h。盡管現(xiàn)狀凈水站未達到滿負荷，但調(diào)蓄池放空仍采取變流量形式，即污水進水流量低峰時為調(diào)蓄池放空流量高峰。同時，凈水站與市政污水處理廠協(xié)同調(diào)度，以期凈水站相對平穩(wěn)運行。
(2)每日柵渣、污泥清運等需開啟地面蓋板，而地面為市民廣場開放空間，為減小影響，選擇每日廣場人員少時作業(yè)。
(3)人員巡檢與遠程監(jiān)控尤其注意樓梯井出入口和地面蓋板開關(guān)狀態(tài)，非巡檢時間均采取關(guān)閉鎖死措施，防止非相關(guān)人員進入凈水站內(nèi)或發(fā)生安全事故。
05 投資與環(huán)境效益
本工程總投資約為1.6億元，其中工程費用約為1.4億元。該項目滿負荷投入運行后，可削減旱天入河污染物CODCr為1 533 t/a，氨氮為109.5 t/a；以南京市典型年降雨120場測算，可削減雨天入河污染物CODCr為210 t/a，SS為144 t/a。
06 工程總結(jié)與思考
(1)葛塘河凈水站采用污水處理設(shè)施、調(diào)蓄池和地下停車場一體化合建方式，兼具污水處理、雨水調(diào)蓄以及城市交通調(diào)節(jié)等功能，同時具備布局緊湊、節(jié)地、運行靈活、工藝高效等特點。本工程占地面積遠小于建標(biāo)198—2022相關(guān)要求，進一步展現(xiàn)了本工程的節(jié)地優(yōu)勢。
(2)采用單層全地下式建設(shè)方式，充分利用公共用地地下空間，且建成后不影響公共用地的地上使用功能，對此類分散式凈水站的選址和建設(shè)具有一定借鑒參考意義。同時，也為建設(shè)環(huán)境友好的地下式污水處理廠提供了設(shè)計參考以及實際工程經(jīng)驗。
(3)采用生物法和物理化學(xué)吸附相組合的除臭技術(shù)，在地面結(jié)合綠化設(shè)置土壤除臭生物濾池一座。既能有效降低地下式污水處理廠臭氣濃度且運行管理便利，又可與地面景觀公園及周邊環(huán)境相融合，達到“鄰避”變“鄰利”的目的。
(4)本工程將雨天雨污混合水處理標(biāo)準按照國標(biāo)一級A標(biāo)準設(shè)計，與旱天污水處理標(biāo)準一致。現(xiàn)階段國內(nèi)其他城市大部分此類凈水站均按此標(biāo)準執(zhí)行，雨天增大進水流量，適當(dāng)降低處理標(biāo)準的可行性仍有待于業(yè)界進一步探討研究。
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