高碑店汙水處理廠設計 - 論文-中國水網

高碑店汙水處理廠設計

論文類型	技術與工程	發表日期	1993-06-01
來源	《中國給水排水》1993年第6期
作者	李遠義,常憬
關鍵詞	汙水處理廠 設計
摘要	高碑店汙水處理廠是北京市建設的第一座大型城市汙水處理廠，其設計規模為100萬m 3 /d，遠景規劃最終規模為250萬m 3 /d。本文在水質水量的設計基礎上提出工藝流程並提提供了相應的構築物和設備選型。

出　　自： 《中國給水排水》 1993年第6期第44頁
發表時間： ： 1993-6

李遠義；常憬

(北京市市政設計院)

1 概況

　　高碑店汙水處理廠是北京市建設的第一座大型城市汙水處理廠，其設計規模為100萬m 3 /d，遠景規劃最終規模為250萬m 3 /d。該廠位於東郊高碑店村南，距舊城廣渠門約8km，地處市區邊緣，但水、電、交通等條件均甚便利。處理廠接納舊城區及東郊工業區的排水，流域面積約100km 2 ，人口約220萬。
　　五十年代初，北京城區舊溝經過整修建了新的排水系統，這些下水道都是就近排入河渠。隨著城市的發展汙水量迅速增長，使城區護城河嚴重汙染，環境惡化。五十代中期，按照城市總體規劃確定了分流制的排水原則，並開始修建各河渠的汙水截流管，也即分流制汙水管系統的幹管。1960年，本地區的汙水管網系統基本形成，並在高碑店建成一座25萬m 3 /d汙水經格柵、沉砂、沉澱後為農田灌溉服務、臨時性的初級汙水處理廠。八十年代以後，據統計全系統下水道總長已達530km，汙水量增加達80萬m 3 /d，佔全市總排水量的40%，超出了現有排水設施的能力，迫切需要建設新的二級汙水處理廠並完善截流管網。經過長期的調查研究，並進行了小型和中型試驗，為新的高碑店汙水二級處理廠的設計，提供了堅實可靠的依據。本工程分兩期建設，第一期50萬m 3 /d於1993年完成投產，第二期50萬m 3 /d將於1995年完成。

2 設計數據

　　2.1 汙水水量
　　根據近年的統計監測，本系統的總水量已超過80萬m 3 /d，其中50%以上為工業廢水，預計2000年汙水量將超百萬m 3 /d。本工程設計按100萬m 3 /d的規模考慮，總變化係數採用1.2，在建廠的同時修建通惠河南岸幹管和南護城河幹管，使本流域內的汙水全部得到處理。
　　2.2 汙水水質
　　a.由於工業廢水的影響，汙水COD最高達800mg/L以上，一般在500～600mg/L左右，COD/BOD比率在2～3之間，較難生化降解。
　　b.汙水SS值偏高，特別是當降雨初期高得驚人，估計由於城區大部為合流道的原因。
　　c.根據實測資料，在嚴冬季節高碑店汙水廠的水溫仍能保持在15℃以上，這對生物處理是十分有利的。
　　根據上述資料，設計中採用基本數據:BOD200mg/L，COD500mg/L，SS250mg/L， N 30mg/L，T15°～25℃。
　　2.3 出水水質
　　出水的水質標準即汙水所需的處理程度，取決於出水的用途。北京市位於乾旱的華北地區，年降水量不足600mm，水資源極為缺乏。因此，汙水作為水資源已勢在必行。
　　a.灌溉農田
　　農田灌溉是處理廠出水的主要用途，由於灌溉是季節性的，一年之中有半年是雨季和冬季，汙水須另謀出路。
　　b.景觀用水
　　平時河道除排洪、汙水外無其它補給水，經處理後的出水補給河道，可以美化城市環境，但水質必須清潔。
　　c.工業回用
　　工業回用潛力最大的是作為冷卻水，但要解決腐蝕、結垢、泡沫和生物增殖等問題。
　　d.市政雜用
　　如澆灌花木、草坪，灑馬路、衝廁等。
　　上述幾種用水對水質要求不高，但一般二級處理出水是不夠的。設計考慮提高處理水平，使汙水中的氨氮達到硝化，以利於後續的深度處理和消毒。出水水質標準規定:BOD<16mg/L，SS<30mg/L，NH 3 -N<3mg/L。

3 處理工藝

　　針對上述出水要求，通過試驗研究，選用先進的缺氧好氧活性汙泥法，延長曝氣時間，使出水完全硝化；汙泥處理採用兩級中溫硝化工藝；沼氣用以發電，補充能源；發電機的冷卻水供消化池加熱；回用水的深度處理，增加混凝沉澱和砂濾，使出水水質進一步提高(圖1)。

4 廠區布置及主要構築物

　　4.1 平面布置
　　高碑店汙水處理廠是一座有30年歷史的老廠，原有構築物現已殘破不堪，此次改建除保留原有進水泵房及試驗場外均被拆除，重新布置。全廠分水處理、泥處理、中水處理、試驗場及管理五個區，各區之間用較寬的綠帶分隔以美化環境。為節約用地並便利維修，廠內管網設置環狀通行式管廊。
　　4.2 進水泵房
　　進水泵房按最大汙水量120萬m 3 /d設計。北京市城區下水道多為合流，原有泵房能力改建為50萬m 3 /d作為提升初期雨水之用。
　　4.3 初沉池
　　初步設計為圓形池後改矩形，節約用地達6.6萬m 2 之多。此外，矩形池還有配水管路短、水頭損失小、配水均勻、排泥方便等優點，並有利於與工作間和管廊相結合，為管理提供便利。根據試驗結果，初沉池去除BOD和SS分別為20%和50%。
　　4.4 曝氣池
　　共設24座曝氣池，每座長96m、寬28m、深6m，分4組布置，每組6池。每座池隔成3條寬9.3m的廊道。第一廊道的進水端劃出1/4長24m，作為缺氧區。平均停留時間為9.25h，以保證充分硝化。採用微孔空氣擴散裝置，並根據計算機模擬、結合試驗數據，將曝氣器布置成漸減曝氣的形式，使供氣量在曝氣池的各段內與微生物需氧相適應。曝氣器分配百分比為:第一廊道65%，第二廊道23%，第三廊道12%。
　　4.5 二沉池
採用 50m幅流式圓形池24座，與曝氣池相同，有利於運行管理。每池裝有周邊傳動的旋轉吸泥機，及時回流活性汙泥。二沉池效率的高低直接影響出水水質的優劣，因此，設計採用較小的水力負荷和較長的停留時間，即21.2m 3 /m 2 ·d及4.52h。
　　4.6 汙泥濃縮池
　　設計將活性汙泥送到初沉池的進水中，使其與生汙泥合併沉澱，然後將混合汙泥(含水率預計為97%)送入汙泥濃縮池。參照英國WRC 的研究成果，結合現場試驗，選用新型升流式汙泥重力濃縮池，濃縮的汙泥體積減小50%，即含水率從97%降到94%。固體負荷按50kg/m 2 ·d計算，選用直徑24m的池子12座。
　　4.7 汙泥消化池
　　採用兩極中溫消化工藝，建消化池16座、 20m、高25m，分為4組、每組4池，其中一級3池、二級1池，停留時間為21d和7d。汙泥攪拌用沼氣循環的方式進行。汙泥加熱利用沼氣發電機餘熱，以螺旋板逆流換熱的方式進行，發電站運轉前則由鍋爐房供蒸汽直接加熱。

5 討論

　　5.1 缺氧——好氧(AO)法的優點
　　將汙水處理到完全硝化程度的汙水處理廠應採用缺氧——好氧工藝，即在活性汙泥法的曝氣池進水端，設置一個停留時間1h左右的「缺氧區」，在這個區域內氧的利用僅僅依賴硝酸鹽在脫氮過程中放出的氧離子，使水中溶氧保持在0.5以下，以區別於厭氧和好氧。這種環境給汙水處理帶來許多好處，主要有:
　　a.汙泥沉降性能的改善
汙泥膨脹是由於活性汙泥中絲狀菌的增殖而引起的。當汙水與回流汙泥混合時，由於缺氧造成對絲狀菌不利的環境，使其銳減，從而改善了汙泥的沉降性能、降低汙泥容積指數，保證出水水質優良。
　　b.脫氮作用
　　缺氧區內回流汙泥攜帶的硝酸鹽被反硝化，脫除部分的氮，同時放出氧離子供生物反應耗氧時利用。
　　c.減少二次沉澱池汙泥上浮現象
　　由於在缺氧區內的脫氮作用，減少了二沉池內的反硝化過程，從而也減少了汙泥上浮問題。
　　5.2 硝化與加氯的關係
　　城市汙水二級處理一般對出水水質不提出硝化的要求，但作為水資源進行開發、為汙水的回用創造條件，這就要求汙水處理廠出水必須硝化並消毒。在加氯消毒的過程中，汙水中的氨氮如不去除，將與氯離子發生反應而耗掉大量的氯，氨氮的硝化又需要耗能並使管理費增加，故這裡有一個經濟比較的問題。經過計算優選，當氨氮降至3mg/L左右時，硝化耗氧的費用可與因氨的減少而節約的加氯費用相平衡，使管理運行費用達到最低。
　　5.3 汙水處理廠的節能
　　a.合理布局
　　城市汙水處理廠的布局應本著適當集中的原則，使每一座處理廠都有一定的規模，因為規模愈小則單位耗電愈多，這是目前各大城市所發生的事實所證明的。從管理的角度來說，一座大廠的運營比幾座小廠的運營要容易得多，成本也低得多，出水水質更有保證。
　　b.合理設計
　　在汙水處理工藝流程中，各構築物之間在平面和豎向布置中應儘可能緊湊，縮短管線，選用水頭損失較小的進出水設施，使沿程水頭損失達到最小，以降低提升能耗。
　　c.沼氣利用
　　汙泥消化過程中產生的沼氣可作為能源回收利用，沼氣發電量一般可滿足二級處理總耗電量的30%～50%；發電機冷卻水和廢氣的餘熱可用於加熱消化池。這樣可以使沼氣能量的回收率達到70%。
　　d.曝氣節能
　　曝氣耗電是全廠總耗電量的60%～70%，是節能的重點。首先是採用了微孔曝氣器和離心式鼓風機。微孔曝氣器擴散出的微小氣泡增加氣液兩相的接觸面積，提高充氧效率，在曝氣池中按照微生物反應規律布置曝氣器，也是節能的。離心鼓風機效率高，並可根據水質水量的變化調節風量，避免能量浪費又可改進處理效果。在曝氣池的混合液中，保持正確的溶氧濃度，過高造成浪費，過低則出水惡化達不到處理程度。溶氧控制有以下幾種方式:

　　①直接控制。溶氧儀設在任何一點，按指定溶氧量調節氣量。這一方式僅適用於完全混合式曝氣池。
　　②進水量比例控制。按汙水量變化和固定的氣水比進行調節供氣，並用溶氧儀監測溶氧量在指定範圍內。這種方法簡單價廉，但受水質和水溫的影響，效果不穩，適用於水質變化不大的汙水。
　　③溶氧折點控制。在均勻曝氣的推流式池中，混合液耗氧速率隨水流向前推進而逐漸降低，相應地DO濃度則逐漸上升。同時，在曝氣池長的任何一個斷面上，隨著供氣量的增加，DO濃度也將上升。這兩種變化曲線都有一個回折點，將這些折點連接起來，形成兩條幾乎吻合的曲線，標誌著曝氣池內各處最佳DO濃度。在實際應用中，可按所需溶氧濃度選定池長上與指定DO濃度相符的折點位置，設置DO儀控制氧量。
　　④溶氧壓力控制。上述幾種溶氧控制方法均為單點控制，不是最理想的。在高碑店汙水處理廠的設計中，經過曝氣池各段氧傳遞係數K La 的模擬計算並參考國外經驗，設計採用三個獨立控制區，其中兩個自動，一個手動。這樣就可以有效控制溶氧濃度，達到節能和保證出水水質的效果(見圖2)。曝氣池出水段只設一手動閥門，不需經常調節，因此段供氣量是按攪拌需氣設計的，超過了生物反應需氣量，不進行隨機控制氣量，可適當提高出水DO濃度，有利於改善二次沉澱池的工作，提高最終出水的水質。
　　在設計控制系統時，指定DO值通常採用2mg/L，而在實際操作中不同控制區可用不同的DO指定值，但不得<15mg/L。控制系統的工作首先是由溶氧儀發出信號，啟動輸氣管上的閥門，氣量的變化使管網壓力變動，然後由壓力傳感器將信號送到鼓風機的進風葉片啟動器，調節氣量，使管網壓力達到最佳狀態。