給水排水 |百萬噸級“教科書式”污水處理廠設計案例！
鄭州新區污水處理廠總工程規模為100萬m3/d，一期規模為65萬m3/d，污泥采用厭氧消化工藝，再生水脫色規模為20萬m3/d，污泥干化規模為300 t/d（以含水率80%計），出水水質指標優于《城鎮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，建成后總規模將達到100萬m3/d。在設計過程中，采用了一系列新理念、新技術和新方法，將鄭州新區污水處理廠建設成為資源化、集約化、信息化、低碳化的現代污水處理工程。
工程背景
由于城市高速發展，位于鄭州市市區的王新莊污水處理廠周邊用地性質和用地環境發生了很大變化，該區域規劃為鄭州市重要的交通樞紐和城市核心。經新一輪污水規劃調整，在城市下游規劃新建鄭州新區污水處理廠，接納原王新莊污水處理廠處理的中心城區污水，并承擔沿線輸送管線周邊的物流園系統、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境狀況。
鄭州新區污水處理廠工程總規模為100萬m3/d，一期工程污水規模為65萬m3/d，污泥采用厭氧消化工藝，再生水脫色規模為20萬m3/d，污泥干化規模為300 t/d（以含水率80%計），出水水質執行GB 18918-2002一級A標準。一期工程于2015年底建成通水，實際出水指標優于設計標準，且已滿負荷運行。二期工程于2017年啟動建設，建成后污水處理總規模達到100萬m3/d，出水標準將進一步提高。
設計參數
2.1工程規模
根據《鄭州市排水工程規劃》《鄭州國際物流園區市政基礎設施布局專項規劃》和《中牟縣域市政基礎設施專項規劃》等規劃，鄭州新區污水處理廠承擔王新莊污水系統、鄭州國際物流園區系統和中牟劉集組團系統的污水，總規劃服務面積為339.53 km2，服務人口為388.5萬人，排水體制采用雨污分流制。
設計研究規劃水量，采用分項指標法預測污水量約為100.36萬m3/d，采用綜合指標法預測污水量約為98.41萬m3/d，采用單位面積指標法預測污水量約為113.58萬m3/d，幾種預測結果比較接近，經綜合比較，結合王新莊污水處理廠實際水量的增長，確定新區污水處理廠污水規模為100萬m3/d。
2.2設計進水水質
王新莊污水處理廠實際進水水質如表1所示，根據鄭州市其他污水處理廠的設計進水水質，結合城市建設現狀和發展方向，特別是環境保護控制的要求，綜合確定鄭州新區污水處理廠設計進水水質如表2所示。
2.3設計出水水質
鄭州新區污水處理廠尾水排入小清河，最終匯入賈魯河。根據環評要求，排放標準按賈魯河陳橋斷面水質目標進行控制，出水水質如表3所示，優于GB 18918-2002一級A標準。
2.4工程用地
鄭州新區污水處理廠位于鄭州中牟縣姚家鎮，工程建設用地面積為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已經有了較高的成熟設計運行經驗，對于大型污水處理廠，以穩定運行、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。
結合工程特點對生物反應池池型進行研究，采用兼具推流式與完全混合式優點的回轉式氧化溝池型，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，經脫水后300 t/d污泥進入干化系統，其余污泥進入鄭州市八崗污泥廠堆肥。剩余污泥經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
根據規劃，鄭州新區污水處理廠有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。
工程設計
3.1污水處理系統設計
3.1.1粗格柵及進水泵房
粗格柵及進水泵房共1座，進水泵房內設水泵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生物反應池
生物反應池共2座8池，采用回轉式氧化溝池型，耐沖擊能力強。設計停留時間為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HRT為11 h），內回流比為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，總燈管數量為672支，總配電功率為460 kW。
3.1.9鼓風機房
鼓風機房1座，設置9臺單機高速離心鼓風機，其中7臺（5用2備）風量為565 Nm3/min，風壓為7 m，電機功率為910 kW；2臺（常用）風量為283 Nm3/min，風壓為7 m，電機功率為470 kW，為適應夏季高溫運行環境，采用水冷卻方式，屋頂設置冷卻塔。
3.2污泥處理系統設計
3.2.1污泥濃縮系統
（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）污泥均質池及濃縮機房。污泥均質池及濃縮機房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
污泥消化池采用柱形結構，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
污泥氣利用系統包括1座污泥氣增壓風機房，設置鍋爐增壓風機3套（流量為750 Nm3/h，風壓為35 kPa）；火炬增壓風機2套（流量為1 500 Nm3/h，風壓為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，包括粗過濾器2套，生物脫硫系統2套，干式脫硫塔2套，污泥氣中H2S設計濃度為5 000 mg/Nm3，脫硫后H2S設計濃度為50 mg/Nm3；1座鍋爐房，包括2臺消化熱水鍋爐，3臺干化導熱油鍋爐。
3.2.4污泥脫水系統
污泥脫水機房1座，設置脫水機4臺（3用1備），單臺流量為100～150 m3/h。
3.2.5污泥干化系統
污泥干化車間1座，采用漿葉式干燥機，能源采用污泥氣，并配置天然氣供應系統作為備用能源。設置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），蒸發量為2 976～3 241 kg/h。
系統穩定運行后，污泥消化產生的污泥氣用于污泥干化，污泥干化的余熱經能量回收裝置回收用于污泥消化，實現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
設置污泥水處理系統，對污泥處理過程中產生的濃縮池上清液、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業生產；脫氮反應器1座，采用厭氧氨氧化工藝，實現氨氮的去除。
3.3再生水脫色系統設計
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，設置臭氧制備系統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
鄭州新區污水處理廠總平面布置分為4個區：由西向東依次為：污泥處理區和預處理區、生物處理區、深度處理處理區，廠前區位于廠區東南角，并預留二期用地，總平面布置如圖5所示。
工程設計特點
4.1高標準全達標設計理念
鄭州新區污水處理廠出水標準優于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境有很大貢獻。
污水處理采用回轉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；預處理區、泥區加蓋除臭，強化除臭系統設計，做到環境友好；選用低噪聲、震動小的設備，車間設置隔音門，內墻貼吸音材料。靈活多樣的工藝手段，確保新區污水處理廠水、泥、氣、聲處理均達到較高標準。
4.2緊湊型集約化人性布置
預處理構筑物、生物處理構筑物、深度處理構筑物、污泥處理構筑物等進行了集約布置，近遠期構筑物合理布局，為進一步發展創造良好的條件。
廠區中間巡視主通道寬度設置為9 m，每座反應池設置電瓶車通道上池，便于日常巡檢及維修養護。
廠前區各個功能單體通過合理的布局，以及連廊的聯系，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域，體現“自然、潔凈、生態、安全”的設計理念。
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，污泥消化產生的污泥氣用于污泥干化，污泥干化的余熱經能量回收裝置回收用于污泥消化，實現污泥干化的能量平衡，不需要外加熱源，節約天然氣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，對污泥水進行處理，實現磷資源的回收。
采用生物脫硫技術，將污泥氣中的H2S還原為單質硫，回收利用。
4.4智慧化創新型技術集成
采用智能曝氣系統，比常規控制方式節能10%～15%，每年可節約電耗455～683萬kW·h；廠前區預留光伏發電設備設置區域，裝機容量達到150～200 kW；采用水源熱泵系統，對廠前區建筑物、泥區控制室等進行集中供暖、制冷，節約電耗。
結語
鄭州市新區污水處理廠工程是我國為數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，實際出水水質優于設計標準，且運行穩定，高品質的再生水作為河道補充水，營造良好的生態效果；污泥中能源、資源得以回收利用；處理過程中產生的新的污染源得到有效控制；精細化的設計和運行管理，將鄭州新區污水處理廠建成高效集約、低碳的資源節約型環境友好型現代污水處理工程。
微信對原文有刪減。原文標題：《百萬噸級污水處理廠設計探討——以鄭州新區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。
