为改善株洲市生态环境, 保障湘江水体下游饮水安全, 株洲市政府在2011年底启动株洲市白石港污水处理厂工程建设, 一期规模8万m³/d, 总体规模16万m³/d。经过近2年的设计、建设, 项目于2013年底投入正常运行。设计出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级A标准, 其中2万m³/d再生水需满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》 (GB/T 18920-2002) 、《城市污水再生利用景观环境用水水质》 (GB/T 18921-2002) 的要求。污泥经处理后含水率降至50%以下, 近期暂送至填埋场进行填埋, 远期待条件成熟后资源化利用。

　　 白石港污水处理厂位于株洲市红旗路以西、白石港防洪堤北侧、汽车城对面, 厂址西北侧约50m范围内有一个株洲市水电段变电站, 在厂区东北部有两路220kV高压进线线路入变电站, 西北部则有两路110kV的高压出线线路出变电站, 以上4条线路均贯穿整个厂区。根据《110~500kV架空送电线路施工及验收规范》 (GB 5023-2005) 及《城市电力规划规范》 (GB 50293-1999) 相关规定:35kV及以上高压架空电力线路应规划专用通道, 即应留出足够宽度的高压架空线路走廊, 经与供电部门沟通, 220kV高压线走廊宽度按30m控制, 110kV高压线走廊宽度按20m控制。

　　 本工程征用地99 537m², 厂区西、北规划道路为一般功能的城市道路, 本设计考虑退让规划道路边线1m;厂区南侧为白石港风光带, 为保证风光带的整体效果, 使污水处理厂与风光带有效融合, 规划要求退让白石港风光带规划道路边线21m;厂区东侧为污水处理厂远景工程用地, 本次设计从施工的角度考虑, 围墙拟退让蓝线1 m。扣除以上退让用地16 980 m², 污水处理厂可用地82 557 m², 按16万m³/d规模布置, 单位水量用地指标为0.52m²/ (m³·d) , 为指导用地标准的49.52%。由于厂区有4条高压线走廊通过, 扣除高压线走廊占地30 115m², 则污水处理厂实际有效用地为52 442m², 单位处理水实际用地指标为0.33m²/ (m³·d) , 为指导用地标准的31.22%。厂区用地紧张、受限可见一斑。

　　 总图按16万m³/d规模的污水处理系统进行布置, 但必须考虑如何方便一、二期分期建设的问题。本设计将近期拟实施工程相对集中布置, 并优先考虑高压线走廊周边及与白石港相邻的难以处理的用地, 而将西北角大片较为自由的用地留为二期工程用地, 这样即可增强二期工程建设的灵活性, 同时又能将二期工程施工时对一期工程的影响降至最低。厂区平面布置见图1。

　　 设计根据污水处理工艺流程特点及环境要求, 将厂区按功能分区原则划分为厂前区及生产区。

　　 厂前区包括综合楼 (含办公、化验、中控室、仓库、车库、食堂等) 和传达室。该区位于厂区东部, 依托白石港风光带, 进厂道路从东部白石港风光带进入厂前区, 顺应人流进厂方向, 便于对外联系。

　　 生产区包括二级生化处理区、深度处理区及污泥处理区。二级生化处理区近期布置在厂区中部, 二期布置于厂区西北部。一期二级生化处理区包括:粗格栅及进水泵房、细格栅及曝气沉砂池、微曝氧化沟、二沉池、污泥泵站、中间提升泵站、鼓风机房变配电间、加药间。粗格栅及提升泵站布置在厂区西南部, 可兼顾一、二期的建设。细格栅及曝气沉砂池、微曝氧化沟、二沉池、污泥泵站由东南向西北沿220kV的高压线走廊一侧按流程布置, 水流顺畅, 且气味较重的预处理通过树木及较高的建筑与厂前区分隔, 加之处于厂前区的下风向, 对厂前区影响不大。二沉池出水通过中间提升泵站提升进入深度处理流程进行深度处理。变配电间鼓风机房布置于厂区东中部, 基本处于厂区供电负荷的中心, 使得配电系统的设计更为合理, 同时由于其标高相对较高, 又位于预处理部分与厂前区的中间位置, 无疑形成一道现实的分隔, 使得厂前区具有较好质量的空气。加药间靠近鼓风机房布置, 也有一定的功能区分隔作用, 二氧化氯投加也较为方便。

　　 深度处理区包括:折板絮凝池、滤布滤池、紫外消毒池、再生水调节水池及加压泵站、出水提升泵站。其区域位于厂区东北部, 沿220kV的高压走廊一侧顺序布置, 由于要考虑二期工程的分期建设, 布置相对紧凑, 但水流顺畅, 水头损失小。出水提升泵站位于厂区东南角, 即靠近排放水体白石港, 同时也靠近白石港污水处理厂远景工程用地, 便于远景工程处理出水的排放。污水处理厂建成后, 将仅有一根DN1 800的外排管道穿过白石港防洪堤, 该方案的设计将对防洪堤的影响降至最小。再生水调节水池及加压泵站由于用地的原因布置于厂区西南角, 尽管离紫外光消毒池相对较远, 但二氧化氯投加距离较近, 安全性高, 另外与变配电间的距离近, 减少供电损耗。

　　 污泥处理区包括化学污泥浓缩池、生物污泥调理池、贮泥池及污泥深度脱水车间。污泥系统为方便排泥及污泥外运, 减少气味对其他区域影响, 布置在厂区东北部, 并就近设计有一次门, 使得污泥处理系统的交通线路相对独立, 大大降低了污泥处理系统对厂区其他功能区的影响。

　　 厂区设两个出入口, 人流出入口设在厂前区, 物流出入口设在厂区东北侧, 方便污泥等外运。厂区交通顺畅, 厂前区与生产区相对独立, 人流与物流互不干扰, 以利于保护厂前区的环境。

　　 厂区道路与建构筑物之间均留有不小于3m的绿化带, 其余空隙地带全部栽种草皮和树木绿化。另根据厂区高压线覆盖面较大, 加之高压线走廊范围内不得布置建构筑物的相关规定, 在东侧高压线走廊范围内设计布置有水平流人工湿地系统, 使得厂区环境将更为舒适。

　　 对比分析《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 的一级A标准、《城市污水再生利用城市杂用水水质》 (GB/T 18920-2002) 及《城市污水再生利用景观环境用水水质》 (GB/T 18921-2002) 可知, 对于株洲市白石港水质净化中心一期工程而言, 以上再生水对BOD₅、氨氮等常规指标的要求未高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB18918-2002) 的一级A标准, 但对粪大肠菌群数及余氯有更高的要求, 因此, 本工程对2万m³/d规模的再生水部分考虑加氯消毒设施, 接触30min后余氯量按≥1mg/L控制。

　　 粗格栅及提升泵站土建部分设计规模为16万m³/d, 设备按一期工程8.4万m³/d规模配套。主要设计参数如下:

　　 设计流量 (一期) :11.8万m³/d (含2万m³/d合流制污水量, 6万m³/d分流制污水量, k_z=1.30) , 合4 917 m³/h。一、二期工程设计流量:16万m³/d, k_z=1.30, 合8 667 m³/h。近期潜水泵数量:3台 (2用1备) , 2台变频调速。

　　 细格栅及曝气沉砂池, 单座, 均分为2格运行。细格栅设计规模:8万m³/d;设计流量:4 917m³/h;细格栅机型:全自动旋转网式格栅除污机。曝气沉砂池设计规模同细格栅, 单位水量曝气量:0.19Nm³/m³污水;配套设备:双槽桥式吸砂机1台, 曝气沉砂池所需风量由鼓风机房单独的供风系统提供。

　　 该氧化沟是一种多渠道的系统, 氧化段既设置有水下搅拌器, 又安装非满布的微孔曝气器, 用以进行传氧和混合。既保留了氧化沟沿水流方向间断曝气和循环流的特点, 又克服了氧化沟因采用表面曝气机而占地面积大、充氧效率低、水流断面流速不均、池底易沉淀等不足。氧化沟连续进水, 连续曝气。曝气量可由设置于池内的DO仪反馈控制鼓风机, 调节曝气量。

　　 好氧段前为缺氧段, 主要用于反硝化脱氮。缺氧段前为厌氧段, 主要用于生物除磷, 便于聚磷菌释磷。

　　 本次工程在缺氧段前设计有生物选择池, 可有效提升厌氧段聚磷菌释磷效果并有效抑制丝状菌膨胀^[1]。

　　 生物选择池及缺厌氧池内均设置有潜水搅拌器, 以防止污泥沉积。

　　 主要设计参数如下:

　　 流量8万m³/d (3 334m³/h) , 2座, 单组设计流量1 667m³/h, MLSS:4 000mg/L, HRT 13.59h (生物选择池0.62h、厌氧池1.38h、缺氧池4.53h、好氧池7.07h) , 污泥负荷0.053kgBOD₅/ (kgMLSS·d) , 容积负荷0.212kgBOD₅/ (m³·d) , 混合液回流比400%, 污泥回流比50%~100%, 污泥龄17.71d。

　　 曝气装置设计采用管式曝气器, 管式曝气器氧的利用率按28%考虑, 标准状态下单池空气需求量为153 444m³/d (合106.56Nm³/min) 。

　　 微曝氧化沟配套主要设备 (单池) 如下:立式搅拌机:N=5.5kW, 3台;低速潜水推流器:N=5.5kW叶轮直径2 500, 8台, N=7.5kW叶轮直径2 500, 4台;潜水搅拌机:N=1.5kW, 2台;PP泵:N=22kW, Q=3 315m/h, H=0.9m, 3台;溶解氧测定仪1台;污泥浓度计1台;氧化还原电位计 (ORP) 1台。

　　 采用周边进水, 周边出水沉淀池, 出水采用双面三角形齿形堰的矩形集水槽, 用中心传动单管吸泥机排泥。处理出水:SS≤20mg/L, TP≤1.5mg/L。

　　 主要设计参数如下:

　　 流量8万m³/d (3 334m³/h) , 2座, 单组设计流量1 667m³/h, 平均时表面负荷0.85m³/ (m²·h) , 最大表面负荷1.11m³/ (m²·h) , 单池直径D=50m, 池总深5.6m, 有效水深5.1m, 水力停留时间4.76h。

　　 为避免深度处理构筑物埋得太深设置中间提升泵站。设计采用地下室钢筋混凝土结构。

　　 设计规模为8万m³/d, 考虑k_z=1.3。

　　 配套安装潜水排污泵 (Q=1 450 m³/h, H=7m, 功率37kW) 4台 (3用1备) 。

　　 为进一步去除二沉池出水中的SS及TP, 设置了折板絮凝池。设计采用半地下室钢筋混凝土结构。

　　 主要设计参数如下:

　　 设计规模:8万m³/d, 考虑k_z=1.30;絮凝池絮凝时间16.54min;∑G=157.47s^-1;∑GT=5.11×10⁴;总水头损失∑h=0.35m。

　　 絮凝池排泥采用喇叭口小斗式排泥, PLC按程序自动控制。

　　 滤布滤池具有占地面积小, 表面负荷高, 管理维护方便的特点, 其去污机理属浅层过滤, 本工程设计用于去除污水中SS, 在去除折板絮凝池出水中SS的同时去除以SS形式存在的COD、BOD₅及TP, 是保证出水达一级A标准的关键工段^[2]。

　　 主要设计参数如下:设计规模8万m³/d, 考虑k_z=1.30;1座, 均分为6格。

　　 设计峰值滤速为9.0 m/h, 正常过滤滤速为6.9m/h。

　　 紫外消毒池设计采用钢筋混凝土结构, 设计1座, 土建部分设计规模为16万m³/d, 设计采用2个流道, 设备按一期工程8万m³/d规模配套, 只安装1个流道, 另1个流道近期作为检修时超越渠道使用。

　　 主要设计参数如下:平面尺寸L×B=11.1 m×5.1m;紫外模块组个数1个, 含24个模块, 其配电/控制中心N=69kW, 通讯协议采用Modbus RS485;紫外线剂量21.78 MJ/cm²。

　　 由于白石港百年一遇洪水位较高, 为41.25m, 在洪水季节, 紫外光消毒池出水无法重力外排, 因而设置出水提升泵站。当白石港水位较低时, 紫外光消毒池出水将经过出水提升泵站重力排至白石港, 当白石港水位较高时, 紫外光消毒池出水将经由出水提升泵站加压后排至白石港。考虑到2万m³/d规模在再生水系统的设计, 在出水提升泵站吸水室前设置一道无侧收缩非淹没式矩形堰, 堰前水直接与再生水调节水池连通, 则紫外光消毒池出水将优先保证再生水系统的供水, 多余的水量才外排至白石港。

　　 主要设计参数如下:土建设计规模25万m³/d, k_z=1.3;一期设备安装8万m³/d, k_z=1.3;配套潜水轴流泵3台 (2用1备) 。Q=2 556~2 858m³/h, H=6.2~4.4m, N=55kW。

　　 为保证再生水供水系统的安全, 特设计再生水调节水池及加压泵站, 另为满足再生水供水对余氯的要求, 在再生水调节水池前段设计有专门的二氧化氯消毒池, 保证余氯接触30 min后余氯量≥1mg/L。

　　 主要设计参数如下:

　　 设计规模:2万m³/d, k_h=1.30;1座;前段消毒池容积:542m³;消毒池HRT:30.02min;再生水调节水池有效调节容积:2 376m³;配套加压泵:潜污泵, 3台 (2用1备) , Q=650m³/h, H=50 m, 功率160kW。

　　 本污泥泵站采用钢筋混凝土结构, 设计规模8万m³/d, 1座。包含两套污泥泵送系统, 大部分污泥被泵送到微曝氧化沟, 作为回流污泥, 以维持微曝氧化沟内污泥浓度, 污泥回流比50%~100%, 剩余污泥则用泵送至污泥调理池, 然后经脱水后外运。

　　 主要设备参数如下:回流污泥用潜水轴流泵:3台 (2用1备) ;剩余污泥用潜水排污泵:2台 (1用1备) 。

　　 加药间平面尺寸为25.2 m×12 m。为满足污水处理厂的需要, 加药间设计有二氧化氯及PAC两套药剂投加系统。

　　 二氧化氯投加系统设计规模与再生水系统设计规模配套, 为2万m³/d, k_h=1.3。目的在于对紫外光消毒池出水进一步消毒, 确保再生水微生物学指标满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》 (GB/T18920-2002) 标准要求, 总余氯接触30min后余氯量按≥1mg/L控制。设计安装ClO₂发生器2台, 1用1备, 单台发生器额定产氯量10kg/h, 设计加氯量最大可达9mg/L, 设计加氯量为6mg/L。

　　 PAC投加系统土建部分设计规模为16万m³/d, 设备按一期工程8万m³/d规模配套, k_z=1.3。PAC投加系统的设计用于化学除磷, 作为生物除磷的补充, 以保证出水P≤0.5 mg/L。根据《室外排水设计规范》 (GB 50014-2006, 2011年版) 6.6.20条所述, 当二级生物处理系统采用厌氧/缺氧/好氧法时, 经生物除磷后, TP去除率可达50%~75%, 为安全起见, 本工程生物除磷去除率按50%考虑。污水处理厂设计进水TP为3mg/L, 则化学除磷量为1.0mg/L。为保证化学除磷效果, Al³⁺和PO₄^3-的摩尔比按2∶1考虑, 则去除1 mg/L的P需Al₂ (OH) ₅Cl (mw174.5) 5.63mg/L, PAC纯度按氧化铝 (Al₂O₃) 含量28%计算, 则去除1mg/L的P需商品PAC为11.75 mg/L, 本设计按12 mg/L考虑。PAC溶解配制浓度按12% (质量百分比) 设计, 投加浓度按6% (质量百分比) 考虑, 投加量为12mg/L, 则投药量为867L/h, 一期配套流量1 000L/h, 压力0.32MPa, N=1.1kW液压隔膜计量泵2台, 1用1备, 二期工程拟增加1台。

　　 变配电间与鼓风机房合建, 其中鼓风机房部分平面尺寸为21m×9.9m, 内设2套鼓风系统, 其中1套用于给微曝氧化沟曝气, 另1套用于给曝气沉砂池提供空气, 其土建设计规模均为16万m³/d, 设备安装规模均与一期工程8万m³/d规模配套, 鼓风系统均为变频调速空气悬浮离心鼓风机。

　　 主要设备及设计参数如下:

　　 微曝氧化沟曝气用风机:空气悬浮离心鼓风机;风量105 m³/min;风压68.6kPa;功率160kW;3台 (2用1备) 。

　　 曝气沉砂池鼓风用风机:空气悬浮离心鼓风机;风量15 m³/min;风压39.2kPa;功率22kW;2台 (1用1备) 。

　　 污泥浓缩池设计用于浓缩滤布滤池及折板絮凝池排出的化学污泥。设计规模为16万m³/d, 均分为2座。

　　 单座主要设计参数如下:圆形;单池直径14m;设计浓缩时间12h;化学污泥干固体量2.5t/d;设计进泥含水率99.8%;设计出泥含水率97.0%;设计进泥量1 250m³/d;设计出泥量83m³/d。

　　 污泥调理池设计用于调理改性剩余污泥, 使其易于脱水。设计规模为16万m³/d, 均分为2座, 每座均分为3格。

　　 设计用于收集污泥浓缩池及污泥调理池出泥, 保证污泥深度脱水系统进料的稳定性。设计规模为8万m³/d, 1座。

　　 污泥深度脱水车间设计采用框架结构, 土建工程设计规模为16万m³/d, 板框脱水机等设备按照一期工程8万m³/d规模配套。内设污泥调理池调理剂投加系统及板框脱水系统。

　　 污泥调理池调理剂投加系统能有效投加破膜剂、诱导剂、聚沉剂等药剂进入污泥调理池, 经过一段时间的反应后能有效改善污泥泵站排出的剩余污泥的脱水性能, 使其易于脱水。

　　 板框脱水系统能将改性后的剩余污泥及浓缩后的化学污泥脱水至含水率50%以下。

　　 污泥深度脱水车间主要设计参数如下:

　　 剩余污泥量10.23t/d (干泥) ;化学污泥量2.5t/d (干泥) ;污泥总量12.73t/d (干泥) ;进泥636.5m³/d (含水率98%) ;出泥25.46 m³/d (含水率50%) ;厢式自动隔膜压滤机2台 (互为备用) ;工作时间12h;主机电机功率5.5kW。

　　 配套主要设备如下:

　　 污泥螺杆泵2台;Q=80m³/h, H=120m, N=37kW;加药系统3套, 配套搅拌机及加药泵。

　　 根据《中华人民共和国国家标准环境空气质量标准》 (GB 3095-1996) , 白石港污水处理厂属二类区。根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB18918-2002) , 白石港污水处理厂废气排放应执行二级标准。

　　 本工程除臭对象为粗格栅及提升泵站、细格栅、曝气沉砂池及污泥脱水间, 分别设置2套生物除臭装置。粗格栅及提升泵站、细格栅、曝气沉砂池的除臭装置设计选用一体化生物滤池除臭装备, 处理能力1万m³/h, 脱水车间除臭装置设计选用一体化生物滤池除臭装备, 处理能力1万m³/h。

　　 厂区用地范围内有4条高压线, 可研报告总图布置没有考虑其影响, 本次设计在考虑此问题后, 对总图进行重大调整, 这也是设计中标的主要原因之一。

　　 设计将可研报告预处理旋流沉砂池调整为曝气沉砂池。

　　 旋流沉砂池具有形式简单、占地少的优点, 但对抽砂设备要求较高, 业主单位现运行管理的4座污水处理厂均采用此形式沉砂工艺, 根据业主单位多年运行管理经验, 该工艺土建与设备不易配合到位, 除砂效率低, 加之砂斗沉砂容易板结, 汽提或泵提排砂困难, 管理十分不便。在与业主单位共同商议后, 对比各种沉砂技术的优缺点, 本设计采用曝气沉砂工艺, 尽管用地上较旋流沉砂工艺略大, 但相对全厂用地而言其增加的用地面积可忽略不计, 运行实践证明, 曝气沉砂工艺可靠的除砂功效, 为后续工艺顺利运行提供了保证。但该工艺要严格控制曝气量, 降低其对后续除磷脱氮的不利影响。

　　 可研报告中采用曝气生物滤池+V型滤池过滤的深度处理工艺, 出水水质达标没有问题, 但投资相对较多, 占地面积较大。而根据新的用地控制方案 (在一期工程征地范围内总体按16万m³/d规模布置污水处理设施) , 加之场地4条高压线对总图布置的影响, 用地显得十分紧张, 设计采用用地更为节省的折板絮凝池+滤布滤池深度处理工艺, 可有效解决用地不足的问题, 实际运行证明, 该工艺成熟可靠, 出水稳定达标。

　　 2015年全年污水处理厂出水量及电耗见表2。进出水水质见表3。

　　 自运行以来, 该厂日处理水量最大为10.27万m³/d, 进水COD最大为223mg/L。

　　 白石港污水处理厂是在规划的地址上建设的, 但其周边建设开发未考虑污水处理厂的要求, 如变电站进出线的布置、高架桥引桥的设置, 这些不利因素严重影响污水处理厂的建设及用地的合理性、经济性, 对污水处理厂运行管理也带来不利影响。

　　 可研阶段细格栅除污机为回转式, 栅条间隙5mm, 安装角度为75°。实践证明, 由于角度陡, 垃圾不能被有效输送至格栅机出口, 另外, 该类型的格栅机对于呈扁平线状垃圾拦截、清除效率低, 长此以往, 细格栅前会累积垃圾, 影响过流, 同时生物池内推流器、搅拌机等设备有可能被扁平线状垃圾缠绕而失衡损坏。本设计细格栅间选用全自动旋转网式细格栅除污机, 栅条间隙5mm, 采用30°倾斜安装。该细格栅主体为不锈钢, 是由一组连续旋转的滤网组成, 固定于一个框架内, 随着网板的不断旋转, 淤积在网板上的杂质被网板上的提升台阶提升到栅渣排放区, 并被清渣刷强力清刷至排放槽中, 避免了其他类型格栅机出现的栅渣夹塞和难以提升现象, 大大提高除渣效率, 保证后续构筑物正常运行^[3]。

　　 目前湖南省城市污水处理厂出水标准已逐步在实行GB 18919-2002一级A标准, 相对一级B而言, 其水质控制难点主要在TN、SS及TP。根据多年的设计实践, 对于TN的去除, 宜在生物段加以解决, 根据不同的处理工艺, 或调整运行模式, 或增加相应设施, 达到降低投资、简化工序、满足脱氮要求, 不推荐在现有一级B工段后增加反硝化工段, 以减少投资及运行费用。因此, 在TN已在前端考虑的情况下, 大部分项目深度处理重点在对SS及TP的去除^[4]。目前, 对于SS及TP的去除采用较多的有纤维盘过滤器、纤维束过滤池、活性砂过滤器、深床过滤池等。从投资及运行管理等方面考虑, 结合已有构筑物SS及TP的去除效果, 深度处理单元可考虑采用纤维定盘过滤、纤维束过滤等, 之前是否要加设絮凝沉淀设施, 因项目而异, 从笔者所设计运行的项目而言, 城市污水处理厂可以不考虑设置, 但预留其用地, 工业园性质的污水处理厂宜设置絮凝沉淀设施, 如高密度沉淀池等^[1~4]。

　　 目前板框脱水污泥只能进入垃圾填埋场进行填埋处置, 应考虑其多样处置出路, 考虑不加化学药剂的处理办法, 如生物干化脱水至含水率40%, 之后可考虑与垃圾焚烧发电协同、与水泥制造协同、如重金属在标准之内可与园林绿化、综合处理协同等^[4,5]。