温州西片污水处理厂主要服务于鹿城区西片和三溪片污水系统, 现状规模为10万m³/d。采用CAST生物处理工艺, 出水水质基本达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级B标准。按照当地建设和环保部门的要求, 该项目规模需扩建至25万m³/d, 出水水质需达到一级A标准。

　　 服务范围内工业企业较多, 主要包括印染、电镀和少量的机械加工企业, 工业废水含量占30%~40%。由于工业废水的源头治理和收水系统未彻底实现雨污分流等原因, 造成实际进水有机物浓度偏低、氮磷等富营养元素含量较高的进水水质特点。从处理厂的安全运行角度考虑, 提标扩建工程的设计水质按照实测进水水质日平均值统计资料的90%保证率统计值确定, 见表1。

　　 污水处理厂出水达到一级A标准, 需经过预处理、生物处理、深度处理3套系统, 规划用地指标为0.81~1.1m²/ (m³/d) 。现状厂区征地红线范围内用地面积约5.66hm², 预留给新建设施的用地约2.89hm², 需要建设15万m³/d规模的生物处理和25万m³/d规模的深度处理设施, 所有新建工程只能在现状征地范围内建设, 用地受限是提标扩建工程建设的难点之一。要求在设计阶段必须选择节省用地、便于实现一体化集约化建设的处理工艺形式。

　　 提标工程通过调整运行模式、增加悬浮填料的方式将现状CAST生物池改造成为复合式生物处理系统;扩建工程生物处理系统采用三级A/O生物池和矩形周进周出二沉池;深度处理处理系统采用磁混凝沉淀和纤维转盘滤池;将现状的紫外消毒系统改造成为二氧化氯消毒系统;利用附属用房的预留空间新增变配电设备、鼓风设备、污泥脱水设备等。主体工艺流程如图1所示。

　　 粗格栅及进水泵房、细格栅及旋流沉砂池现状土建工程按25万m³/d设计, 设备按10万m³/d安装。本次扩容新增4台潜污泵、2套旋流除砂设备和1套砂水分离器。考虑到来水中碎屑比较多, 现状CAST生物池表面漂浮物较多, 日常打捞工作比较频繁, 本次改造将现状4套回转式细格栅更换为孔板格栅, 孔径为6mm, 同时配套相应的冲洗设施。

　　 现状采用8组CAST池作为生物处理主体工艺, 单池尺寸L×B×H=42m×28m×7.8m, 有效水深7m, 总有效容积约65 856m³, 滗水深度约1.78m。每天运行6个周期, 每个周期4h, 其中曝气进水2h、沉淀1h、滗水1h。

　　 提标改造工程在不降低处理规模的前提下, 通过投加悬浮填料, 形成泥膜共生系统, 强化有机污染物去除能力和硝化功能;通过增加缺氧反硝化时段强化反硝化功能。每个生物池投加1 625 m³悬浮填料, 填料比表面积为600m²/m³, 将运行周期调整为6h, 运行方式调整为:进水1.5h (混合搅拌1.5h) 、曝气2h、沉淀1h、出水1.5h, 滗水深度调整为2.67m;生物池内增设4台潜水推流器, 用于保障缺氧状态下填料处于流化状态。

　　 进水C/N为2.4, 要求脱氮率70%, 碳源严重不足。为降低运行成本, 减少对商品碳源的依赖, 本工程采用三级A/O生物池作为生物处理系统, 在保障TN达标排放的前提下充分利用污水中的内碳源。生物池分3组布置, 每组规模5万m³/d, 总停留时间11.3h, 其中厌氧区停留时间1.5h, 缺氧区总停留时间3.9h, 好氧区总停留时间5.9h。各级设计进水比例为32∶42∶26, 对应的污泥浓度分别为5 682 mg/L、4 310 mg/L和3 750 mg/L, 气水比5.2∶1。为保障出水TN稳定达标排放, 在第三级好氧区末端设置了内回流泵, 内回流比100%。

　　 为便于与生物池合建, 进一步节省工程建设用地, 采用矩形周进周出二沉池作为泥水分离构筑物。新建工程二沉池总规模15万m³/d, 共分为3个系列, 每个系列4组, 共12组。表面负荷1.48m³/ (m²·h) (高时流量) , 固体负荷11.1kg/ (m²·h) (高时流量) 。单池土建尺寸为43.5m×10.5 m×5.6m, 核心设备采用了非金属链条式刮泥机。配水系统是周进周出二沉池能否正常发挥作用的关键, 设计过程中采用了CFD流态模拟软件, 对进水配水孔间距和数量进行了优化配置。

　　 磁混凝沉淀工艺具有负荷高、耐冲击能力强、出水水质稳定的特点。本工程磁混凝系统总规模25万m³/d, 共分为5组, 每组规模5万m³/d。采用一字型布置, 同时与接触消毒池和污泥泵房、中间提升泵房合建 (见图2) 。磁粉采用的是200~300目的Fe₃O₄颗粒, 池内保有量为5 000mg/L, 混合区停留时间140s, 第一反应区停留时间60s, 第二反应区停留时间135s, 沉淀区最大表面负荷23.5m³/ (m²·h) 。磁粉回收率99.9%。混凝剂采用聚硫酸铁, 助凝剂采用PAM, 投加量根据出水水质调整。磁粉分离回收设备是工艺能否正常运行的关键问题, 应有有效的剩磁消除措施。由于系统排放的化学污泥中含有一定量的磁粉, 密度较大, 容易造成管道堵塞, 排泥管道应尽量采用压力流外排。沉淀区的底层污泥为磁粉、混凝剂、助凝剂以及污水中的悬浮物和胶体的混合物, 粘度高、密度大, 刮泥机功率及刮板的扭矩应适当加大。为避免斜板及出水渠道中的藻类滋生, 沉淀区应采取遮光措施。

　　 为保障出水悬浮物稳定达标排放, 本工程采用纤维转盘滤池作为末端保障工序。共分为5组, 每组规模为5万m³/d。盘片直径3m, 每组20片, 滤速8.3m³/ (h·m²) 。

　　 滤网孔径小于10μm, 滤布抗拉强度大于600N/cm, 配套自动反洗系统。正常运行的磁混凝沉淀出水悬浮物能够达到一级A标准, 因此在纤维转盘设计时考虑了超越渠道。

　　 一期工程采用紫外消毒工艺, 为保障出水大肠杆菌指标稳定达标, 提标扩建工程将消毒方式调整为二氧化氯消毒。由于用地受限, 将所有加氯、加药设施全部布置在加氯加药间内, 将加氯加药间布置在接触消毒池上部, 接触消毒池与磁混凝沉淀池合建。接触池停留时间30 min, 二氧化氯投加量8mg/L, 还包括聚硫酸铁、PAM、乙酸钠投加设备, 具体投加量根据实际进出水水质调整, 见图3。

　　 一期工程脱水机房分2层布置:一层空间包括2座储泥池、1座回用水池及配套的水泵间;二层为脱水车间, 已建2台带式浓缩脱水一体机, 预留了3台安装空位 (见图4) 。脱水机房外侧按照一期规模配套了污泥料仓。本次扩建工程新增了3台脱水机及配套的污泥输送泵及PAM加药系统, 更换了污泥料仓。由于5台2.5m带宽的浓缩脱水机呈一字形布置, 出口处长度较长, 设计采用2台水平螺旋输送机接力运行, 将脱水后污泥送至脱水机房以外, 又通过高压螺杆泵输送至污泥料仓。由于新增脱水机为重型带机, 结构专业对框架结构进行了重新复核, 机位下增加了井字梁承重结构。现状储泥池采用穿孔曝气管曝气混合, 气源来自鼓风机房出气总管, 由于储泥池液位变化, 气量难以控制, 且在一定程度上影响了CAST池曝气效果。本次改造新增3台罗茨风机, 专用于储泥池曝气搅拌, 避免影响一期生物池曝气效果。由于5台带机均需要气压纠偏系统, 磁混凝沉淀池需要气压冲洗系统, 本次改造将全厂的高压用气设施进行了整合, 采用统一的供气系统。

　　 一期鼓风机房土建按照远期规模建设, 预留了4台机位。现状CAST池共有8组反应池, 每2池1组, 共分为4组, 采用5台罗茨风机供气 (4用1备) 。由于CAST池变水位运行, 一期工程采用容积式鼓风机比较合适。罗茨风机和现状微孔曝气头对空气中的粉尘颗粒物要求不高, 因此现状的风机入口没有设置空气过滤装置。二期工程采用多级A/O生物池, 基本上处于恒水位运行状态, 且总体规模较大, 为降低能耗, 新增鼓风机采用单机高速离心风机。由于离心风机较罗茨风机对进气颗粒物含量要求更高, 因此在新增风机入口设置了自动卷帘过滤器, 形成了百叶窗—卷帘过滤器—过滤棉 (设备配套) 3道过滤屏障, 可有效保障离心风机正常运行。新增鼓风机与生物池的精确曝气系统联动, 按需供氧, 达到了进一步节能降耗的效果。

　　 受厂区用地限制, 本工程将二期提升泵房、二期生物池和矩形周进周出二沉池合建为综合生物处理构筑物, 将污泥泵房、一期提升泵房、磁加载混凝沉淀、接触消毒池及加氯加药间合建为深度处理构筑物, 将脱水机房、鼓风机房合建为附属用房, 将厂区绝大部分变配电系统布置在变配电间内。最终实现了单位水量占地0.23m²的用地要求, 通过建构筑物的联建、合建、叠建等工程措施, 使得常规工艺用地可以和MBR系统相媲美, 而综合能耗又远低于MBR工艺, 见图5。

　　 提标扩建工程总投资39 558.88万元, 其中第一部分工程费31 929.83万元, 包括土建工程14 221.82万元 (土石方开挖及软基处理费用约为6 241.58万元) , 设备费15 092.61万元。耗电0.232kW·h/m³, 单位水量经营成本约0.78元/m³。

　　 (1) 采用复合式CAST生物处理工艺对现状生物池进行改造, 通过投加悬浮填料、调整运行方式、补充碳源等措施, 形成泥膜共生系统, 在不缩减处理规模的前提下实现现状生物处理系统的原位提标改造。改造周期短、不新增用地。

　　 (2) 二期工程采用多段进水多级A/O作为主体生物处理工艺, 充分利用污水中的内碳源、减小对外加商品碳源的依赖、不设置内回流系统、污泥浓度高、池容小、占地省、投资和运行成本较低。对于保障南方低碳氮比污水稳定达标排放具有借鉴意义。

　　 (3) 深度处理采用磁加载混凝沉淀系统, 在常规混凝沉淀池中添加磁粉, 使磁粉与混凝絮体有机结合。由于磁粉密度大, 增加了混凝絮体的密度, 加快了混凝絮体的沉降速度。通过设置污泥回流系统、磁粉回收系统, 使磁粉和混凝剂循环使用, 节约了药剂成本。在大幅度提高表面负荷的前提下仍能够确保出水悬浮物和TP稳定达到排放限值。具有占地小、自动化程度高、耐冲击负荷能力强等特点, 可能取代过滤作为污水处理厂提标改造工程的末端保障工序。

　　 (4) 通过增加池体深度节省单体平面占地, 同时达到节能降耗的效果。本工程CAST生物池有效水深达到7m, 多级A/O池有效水深8.5m, 国外已经出现了生物池水深10~12m的案例。增大水深可以大幅度提高氧利用率, 节省曝气量, 对风机选型和缺氧区流态控制提出了更高要求。

　　 (5) 通过建构筑物的联建、合建、叠建等一体化集约化设计, 大幅度提高土地的利用价值;通过部分构筑物池顶覆土, 提高了厂区绿化面积, 预留了太阳能发电系统的安装空间, 通过屋顶绿化、垂直绿化侧墙装饰等措施提升了厂区的景观效果, 在一定程度上削弱了污水处理设施的临避效应。