陈奇良 王桂祥 赵义君
(上海市政工程设计研究总院集团第六设计院有限公司，安徽 合肥 230061)
肥东污水处理系统2030年服务面积为39.1 km2，服务人口约40万人，已建一、二、三期位于沿河东路以东、合宁高速以北、横大路以南、店忠路以西，设计总规模10万m3/d，2018年—2020年日均处理约9.5万m3，高峰时污水量达12.4万m3/d，为解决肥东县城污水处理能力不足问题，四期工程建设迫在眉睫。
1 设计水量与水质
城市污水处理厂进水水质与水量是污水处理厂工程设计的基本参数，关系到污水处理厂的建设规模和处理工艺的选择，进而影响到整个工程的建设投资、占地面积和运行费用等[1,2]。因此，城镇污水处理厂设计的首要任务就是对污水处理厂的进出水水质和水量进行充分的论证分析。
1.1 设计水量
肥东污水处理厂系统2030年服务面积为39.1 km2，利用城市建设用地污水量指标法和分类用水量预测2030年肥东污水厂服务范围内生活污水及工业污水总规模为15万m3/d，同时考虑转输至肥东污水处理厂处理的初期雨水约3.2万m3/d。结合厂区实际运行水量情况，考虑污水处理厂服务范围内地块的开发强度不断提升、建设时效、地区发展的不确定性，最终确定肥东污水处理厂四期工程设计总规模为10万m3/d，近期建设规模5万m3/d。
1.2 设计水质
1)设计进水水质。肥东污水处理厂一、二、三期工程设计进水水质指标如表1所示。为保证污水处理厂运行安全稳定，并为今后运行中适应水质的变化留有一定的余地。统筹考虑一、二、三期工程2017年—2019年实际进水水质频率分析结果，参照了合肥市其他污水厂污水设计进水水质，确定的四期工程设计进水水质如表2所示。
表1 一、二、三期工程设计进水水质 mg/L
表2 四期工程设计进水水质 mg/L
2)设计出水水质。按照《巢湖流域城镇污水处理厂和工业行业主要水污染物排放标准限值》规定，同时落实合肥市关于污水处理厂极度除磷的政策要求，确定肥东县污水处理厂四期工程的主要设计出水水质如表3所示。
表3 设计出水水质表
2 工艺设计
根据污水处理厂进出水水质指标特点分析，污水厂对氨氮、总磷的去除率要求较高，同时考虑工艺流程的抗冲击负荷和处理的稳定性，从占地、投资、运营维护等方面比较，确定采用“二级生物处理+混凝+过滤+气浮”工艺。
城镇污水厂的悬浮型活性污泥法污水处理工艺主要有3个系列[3,4]：氧化沟系列；A/O系列；序批式反应器(SBR)系列。其中，A2O工艺占地小，投资省、运行费用低，可控性强、出水稳定。本工程采用便于运行、运行效果良好的改良型A2O鼓风曝气生物脱氮除磷处理工艺，即污水按比例分别进入预缺氧池和厌氧池，污泥外回流进入预缺氧池进行反硝化反应，去除其中的溶解氧及硝酸盐氮，然后再进入厌氧区。这样可以保证厌氧区的厌氧效果，提高系统的除磷能力(见图1)。
本工程污水二级处理采用A2O工艺，根据调研国内城市污水处理厂的运行经验，二沉池出水TP可以稳定在1.0 mg/L以下。因此，为保证项目出水总磷浓度低于0.05 mg/L，需采用两级化学除磷，一级化学除磷采用高效沉淀池，可使TP降至0.2 mg/L～0.5 mg/L。根据2019年6月份合肥市朱砖井污水处理厂总磷提标中试结果，生化系统出水经过“高效气浮”系统，先经过混合反应区，充分混合絮凝反应，再进入气浮池体，进行固液分离，出水TP达到提标改造要求的预期目标，稳定TP<0.03 mg/L；SS<5 mg/L。深度除磷采用“高效气浮”工艺。
根据美国环保署公开的城市污水处理厂低浓度磷去除工艺的技术，并从出水水质可靠性、污水厂运营简便性、运营成本合理性考虑，采用“生物除磷+两级化学除磷”方式。根据合肥市朱砖井总磷提标中试结果，二级化学除磷采用高效气浮池，可保证总磷出水稳定达标。
针对本工程污水处理的特点，采用先进成熟可靠的工艺，考虑工艺的先进性、运行的稳定性、调整的灵活性和出水的安全性，确定主体处理工艺为：采用“改良A2/O+高效沉淀池+反硝化深床滤池+高效气浮池+加氯接触消毒”。工艺流程如图2所示。
3 总平面布置
按照总规要求，四期工程近期可用地面积32 680 m2，用地十分紧张。厂区采用集约、组合式布置，根据功能分为5个区：生产管理区、预处理区、二级处理区、深度处理区、污泥处理区。二级处理区生物反应池、二沉池采用组合式全地下结构，并在上部叠合两个加药间。厂区融入海绵城市理念，打造成生态海绵型场站示范区。
4 主要构筑物及设计参数
4.1 粗格栅及进水泵房
地下式钢筋混凝土结构，平面尺寸22.10 m×12.60 m，池深17.50 m。粗格栅土建及设备按远期10万m3/d的规模一次建成，设2台钢丝绳牵引式格栅除污机，每台宽1.5 m，安装角度75°，栅条间隙20 mm，泵房共设6台离心式潜污泵，近期安装3台(2用1备，1台变频)，单泵流量1 427 m3/h，扬程18.5 m，功率110 kW。
4.2 细格栅及曝气沉砂池
地下式钢筋混凝土结构，与曝气沉砂池合建，平面尺寸11.80 m×8.10 m，设计规模5万m3/d，设2台板式细格栅除污机，栅条间隙3 mm，过栅流速0.75 m/s，功率1.1 kW。曝气沉砂池设1座，分2格，平面尺寸28.80 m×8.10 m，设计规模5万m3/d，停留时间约4 min(高峰流量)，单格净宽2.4 m，设计有效水深4.60 m，有效长度24.00 m。曝气量按0.2 m3空气/m3污水配置，设3台罗茨风机(2用1备)，单机风量4.3 m3/min，风压3.5 m，功率4.5 kW。
4.3 生物反应池
地下式钢筋混凝土结构，设1座，分2组，平面尺寸53.55 m×59.50 m×7.00 m单组规模2.5万m3/d，系统设计泥龄16.5 d，污泥负荷0.047 kg BOD5/kg MLSS·d，MLSS4.0 g/L。有效总池容积17 188 m3，有效水深6 m，前置缺氧池有效容积1 042 m3，停留时间1.0 h，厌氧池有效容积1 562 m3，停留时间1.5 h，缺氧池有效容积4 166 m3，停留时间4.0 h，好氧池有效容积10 415 m3，停留时间10 h，总水力停留时间16.5 h。高峰时供气量7 811 m3/h，气水比7.5∶1。污泥外回流比100%，混合液内回流比300%。布置微孔曝气器3 980套，潜水搅拌器22台，预缺氧池内4台，厌氧池、缺/好氧池内10台，缺氧池内8台。潜水水平轴流泵6台，单台流量：Q=1 302 m3/h，扬程1 m，功率：P=18.5 kW。
4.4 二沉池及污泥泵房
地下式钢筋混凝土矩形池，设1座，分8组，平面尺寸66.45 m×53.25 m×6.00 m，最大表面负荷1.09 m3/(m2·h)，平均表面负荷0.80 m3/(m2·h)，有效水深4.0 m，设电动管式撇渣机和非金属链板式刮泥机。剩余污泥泵3台，污泥量23 700 kg DS/d。
4.5 中间提升泵房及高效沉淀池
中间提升泵房设计规模5万m3/d，设潜水泵4台，单泵设计流量961.2 m3/h， 扬程8.5 m，功率37 kW。高效沉淀池设计规模5万m3/d，1座分2组，单组处理能力2.5万m3/d，沉淀池直径12 m，最大表面负荷16 m3/(m2·h)，分混合反应区、絮凝区和沉淀池。
4.6 反硝化滤池
设计规模5万m3/d，设1座，平面尺寸38.65 m×20.91 m，设计平均滤速5.47 m/h，最大滤速7.57 m/h。设反冲洗风机和反冲洗水泵。
4.7 高效气浮池
设计规模5万m3/d，设1座2格，平面尺寸32.57 m×30.50 m，最大表面负荷20 m3/(m2·h)，设快速混合搅拌器、刮泥机、增压泵、空压机、污泥泵、搅拌器、潜污泵等设备。
4.8 加氯接触池
设计规模5万m3/d，设1座，平面尺寸17.00 m×16.30 m，有效水深5 m，高峰流量氯接触时间30 min。
4.9 污泥脱水机房
设计规模9.6 t DS/d，设1座，平面尺寸43.50 m×22.90 m，设2套污泥高干脱水设备，污泥脱水后含水率降至60%，设储泥池1座2格，平面尺寸7.5 m×7.5 m，有效水深3.20 m。
4.10 除臭系统
设一体化成套生物除臭设备2套，玻璃钢材质，规模分别为4万m3/h和1万m3/h，除臭系统对粗格栅及进水泵房、细格栅、曝气沉砂池、生物反应池和储泥池、污泥浓缩脱水机房产生的臭气进行净化处理，标准达到GB 14554—1993恶臭污染物排放标准中恶臭污染物厂界二级标准和恶臭污染物15 m排放标准。
5 设计亮点分析
1)改良A2O生反池工艺设计。
传统的A2O工艺中，厌氧区居前，回流污泥中的硝酸盐和溶解氧会对厌氧区产生不利影响[5]，为了解决此问题，在厌氧区前端设置预缺氧池，二沉池约10%～25%出水进入预缺氧池，75%～90%出水进入厌氧区，污泥外回流进入预缺氧池进行反硝化反应，去除其中的溶解氧及硝酸盐氮，然后再进入厌氧区。这样可以保证厌氧区的厌氧效果，提高系统的除磷能力。混合液回流进入缺氧区，形成了改良AAO法。
2)高效气浮除磷工艺设计。
肥东县污水处理厂四期工程是安徽省第一座要求总磷出水标准达到不大于0.05 mg/L的生活污水处理厂，采用“生物除磷+两级化学除磷”工艺，二级化学除磷采用高效气浮保证总磷出水稳定达标。
3)构筑物组合式、叠合布置。
生物反应池、二沉池及污泥泵房采用组合式布置，主体结构为全地下式，上部覆土绿化，并在二沉池上部叠合PAC，PAM加药间和加氯及次氯酸钠投加间，节约用地。
4)高效曝气控制技术。本次工程处理的污水主要为生活污水、工业污水及初期雨水，初期雨水具有低C/N的特性，为保证水质稳定达标，采用高效曝气控制技术，在生物脱氮除磷工艺缺氧段增设填料，运行中通过对溶解氧、氨氮、硝态氮、磷酸盐、ORP等指标的监测，结合off-gas技术对OTE和α值的实时监测，借助云优化决策平台，在实现高效曝气控制技术的基础上，使得A2/O工艺能够适应处理低碳氮比废水。整个工艺过程需要进行精确控制，优化运营，不仅可降低曝气能耗和外碳源的投加，实现节能降耗，同时也给我国目前污水处理界面临的低碳氮比废水脱氮难、能耗高、污泥产量大等问题的解决提供一些工程经验。
6 结语
肥东县污水处理厂四期工程设计充分考虑了项目出水标准高、占地面积小、工艺流程复杂等特点，采用“改良A2/O+高效沉淀池+反硝化深床滤池+高效气浮池”的处理工艺，处理效果稳定，主体构筑物地下式、叠合布置，节约用地，并融入海绵城市理念，打造成生态海绵型场站示范区。对巢湖流域城镇污水处理厂设计具有较好的借鉴意义。
