超大型综合体超深基坑地埋式再生水厂工程设计

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项目背景

     

     

贵州地处长江经济带上游腹地，是长江上游重要的生态屏障地区。南明河是贵阳市  “  母亲河  ”  ，属长江流域乌江水系，其中贯城河作为南明河一级支流，南北纵贯云岩区，流域面积  22.06km    ²    ，所在区域服务人口 55  万人。为解决生活污水直排和南明河水污染环境问题，贵阳市启动六广门和贵医再生水厂建设，两项目是全国首例超深基坑地埋式再生水厂，采用  “  地上  +  地下  ”  集合的建设方式，埋深达  32m  ，并将市政基础  +  生态环境  +  城市建筑融合一体，地上修建停车场、体育场和商业综合体，打造成集生态环保、体育健身、文化休闲、商务办公于一体的一站式服务平台，实现生态建设与城市集约化发展的  “  双赢  ”  。六广门和贵医再生水厂设计能力分别为  12×10    ⁴    、 5×10    ⁴    m    ³    /d    ，两项总投资约    18    亿元，于    2017    年    12    月份开工建设，    2020    年    6    月    30    日正式投运，对周边片区污水应收尽收。两项目均服务于贯城河流域，工艺设计基本相同，笔者着重介绍六广门再生水厂的设计与运行。  

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设计参数及特点

     

     

2.1         设计进、出水水质         

六广门再生水厂设计水质见表 1  ，其中出水  COD  、  BOD    ₅    、 NH    ₃   -N  、  TP  需达到地表  Ⅳ  类水体标准。  

表 1   设计进、出水水质

mg·L ^-1

2.2         设计工艺及流程    

考虑占地等因素，六广门再生水厂采用 MBR  为核心处理工艺。    

 

因埋深 32m  ，原水经过引水隧道后，直接重力流入厂区，经过预处理、生化系统、  MBR  系统、消毒系统和提升后达标排放至贯城河，最终作为生态补水流入南明河。污泥系统先经离心脱水至污泥含水率达到  80%  ，再进一步低温干化至  60%  含水率后外运处置。具体流程见图  1  。  

图 1   工艺流程

2.3         主要设计参数         

2.3.1         进水管设计    

进水管起点接贯城河截污沟处设计水面标高为 1067.70m  ，故进水管起点贯城河底标高为  1066.50m  ，截污大沟沟底标高  1066.50m  ，进水头部设计液位  1066.65m  ，设进水管  2×DN1000  ，满管流进厂，两条进水管长度分别为  345  、  341m  。进水管上均安装速闭阀和闸阀，厂区总进水处设计液位约为  1065.0m  ，经计算可满足污水厂重力进水。    

 

2.3.2         尾水管设计    

由于地埋式污水处理厂受工艺流程标高的限制，尾水需提升排入贯城河，规模为 12×10    ⁴    m  ³ /d  ，管径为  DN900  ，两根出水管长度分别为  345  、  341m  （不包含厂内管道长度），两根出水管均安装止回阀。管道末端安装拍门，防止河水倒灌。全厂出水管在隧道内敷设，根据厂区内的出水液位和河道的设计液位选型尾水排放水泵。尾水排入贯城河，最终流入南明河。进出水管布置见图  2  。  

图 2   进出水管线布置

2.3.3        中格栅渠设计    

设置反捞式格栅除污机 4  台，栅距  15mm  ，过栅流速  0.8m/s  ，栅宽  1.8m  ，电机功率  1.1kW  ，配套皮带输送机，功率  2.2kW  。    

 

2.3.4   细格栅渠及曝气沉砂池设计    

设置内进流孔板式细格栅 4  台，栅距  3.5mm  ，过栅流速  0.7m/s  ，栅宽  2m  ，配套螺旋压榨机和栅渣输送溜槽，功率  3kW  。配套反冲洗中压冲洗泵，功率  7.5kW  。    

 

曝气沉砂池分 2  格，水力停留时间  4.5min  ，设置移动式刮砂桥  1  套，吸砂泵  2  台，气水比  0.15  。设置  3  台罗茨风机，单台风量  9 m ³ /min  ，功率  15kW  。配套砂水分离器及撇渣功能。    

 

2.3.5   事故池设计    

为保证污水处理厂出现短暂偶发停产事故时污水处理厂的运行安全，设置事故池暂时储存污水，待污水处理  厂正常运行后提升至沉砂池前段，进入后续处理单元。设计停留时间 20min  ，设置  2  台潜污泵，流量  220 m ³ /h  ，功率  11kW  。    

 

2.3.6  膜格栅设计    

设置内进流板式膜格栅 6  台，栅距  1mm  ，渠宽  1.6m  。配套螺旋压榨机和栅渣输送溜槽，功率  3kW  ；配套反冲洗中、高压冲洗泵，冲洗压力大于  1MPa  。    

 

2.3.7         MBR 生化池设计    

生化池设计规模 12×    10    ⁴    m ³   /d  ，分为两系列，有效水深  7m  ，设计平均污泥负荷  0.092kgBOD    ₅   /  （  kgMLSS·d  ），混合液浓度  5.0g/L  ，总泥龄  15.50d  ，总水力停留时间  9.50h  ，其中预缺氧区、厌氧区、缺氧区、好氧区的水力停留时间依次为  0.5  、  1.0  、  2.0  、  6.0 h  。气水比为  4∶1  。  

 

2.3.8      MBR 膜设计    

设计 10  个膜池，均可单独运行，  MBR  膜平均膜通量  24L/  （  m    ²    ·h  ），膜孔径  0.04μm  ，峰值膜通量  30L/  （  m    ²    ·h  ）。单片膜面积  40m    ²    ，每个膜箱设计 52  个膜元件，单列膜池膜面积  20800m    ²    ，共计 10  列，总膜面积  208000m    ²    。  

 

2.3.9  加药间设计    

加药间设置了除磷系统、碳源投加系统及 MBR  膜清洗系统，除磷药剂和碳源投加量较小，当进水和出水水质波动时，根据出水水质和自动化程序进行投加。膜清洗系统包括次氯酸钠碱洗和柠檬酸酸洗系统，其中次氯酸钠原液浓度  10%  ，液态柠檬酸浓度  30%  ，确保次氯酸钠配制浓度为  200~2000mg/L  ，柠檬酸配制浓度为  2000mg/L  。    

 

2.3.10   紫外消毒系统设计    

紫外消毒系统设计进水悬浮物  ≤10mg/L  ，最小穿透率  65%  ，照射剂量  25mJ/cm    ²    。杀菌指标：出水总大肠杆菌群数 <1000  个  /L  ，配套自动清洗装置。  

 

2.3.11   污泥脱水系统设计    

污泥脱水流程为污泥储池 +  离心脱泥机  +  低温干化设备  +  外运处置。设计总干泥量  18tDS/d  。设污泥离心浓缩脱水一体机  3  台（单台进泥量  70m    ³   /h  ）、污泥低温干化机  2  套（单套日处理污泥量  45t  ）。  

 

2.3.12  除臭系统设计    

因与上部综合体合建，为获得更好的除臭效果，本项目采用了以全过程除臭为基础、生物滤池法（一段生物滴滤 +  二段生物过滤）为保障的除臭工艺，预处理、清渣区、曝气沉砂池等工作区域全部采取密闭引风处理，确保厂内及厂界臭气达标。    

 

2.3.13  中水回用及水源热泵系统设计    

本项目设计中水规模为 2.4×    10    ⁴    m ³   /d  ，经过多介质过滤后加氯产生的高品质水  1000 m ³ /d  ，回用为综合体上部建筑物的生活杂用水，剩余部分直接加氯后作为厂区及市政中水回用。本项目设计污水源热泵系统，为再生水厂上部及周边办公楼和体育综合体提供冷（热）源，建筑面积约  5.6×10    ⁴   m    ²    。  

 

2.3.14  平面和竖向高效空间设计    

本项目充分利用了平面和竖向空间，其平面和竖向设计见图 3  。    

图 3   工程平面及竖向设计    

本项目占地约 2.29×10    ⁴   m    ²    ，平均占地仅 0.19m    ²   /  （  m    ³   ·d    ^-1    ）。地下 -5  层设计为厂区主要处理工段，包括预处理区、  MBR  生化区、  MBR  膜池、设备间、加药间、鼓风机房、清水池、消毒、配电室以及水源泵房等。地下  -6  层主要为污泥处理区域、管廊以及旋转车道。各处理单元的合理布局、管道的布置走向等充分利用了地下空间。  

 

2.3.15         智能化设计    

工艺优化智能控制应用模糊逻辑和闭环自动控制原理，根据不同的运行条件（进水量、水质变化和环境温度等）实时调节，实现精确曝气、精确污泥回流和精确加药，使能耗药耗等运行成本处于较低水平。    

 

精确曝气系统示例见图 4  。    

图 4   精确曝气系统

厂区安防系统安装 CCTV  闭路电视监控系统、入侵报警系统、红外探测器和红外  /  微波双鉴器及人脸门禁一体机、指纹读卡器、  IC  读卡器、电锁等。在污水处理流程的典型观测点设置实时高清视频显示，便于生产巡视和参观视察。各重要用房（如进出水仪表间、配电室、电容器室等）、地面进入厂区各出入口、楼梯出入口、生产调度中心出入口等均设置门禁系统。    

 

厂区安装人员跟踪定位系统，对厂区进行数字化智能管理，以提高现场巡检维护安全性及工作效率，实现工作现场可视化和工作过程自动记录，为智能污水厂各创新业务应用提供位置信息采集基础环境，为工人安全与减员增效相结合提供平台保障。人员定位系统示例见图 5  。  

图 5   人员定位系统

厂区安装 11  套气体探测器和气体报警控制系统，实时监测厂区内  H    ₂   S  、  CO  、  CH    ₄    、 O    ₂    含量，在次氯酸钠加药间配置氯气检测报警探测器，采集气体检测仪表数据和通风机的运行状态。当环境中探测气体浓度达到或超过预置报警值时，报警器立即发出声光报警，显示故障点和故障状态，记录故障信息，并驱动排风、控制系统，防止发生爆炸、火灾、中毒事故，从而保障安全生产。  

 

2.3.16         双电源加柴油发电机组设计    

本项目要求负荷为二级负荷，为此设计了双电源系统 +  柴油机组发电系统，双路电源工作上相互备用，确保安全生产。同时考虑到极端条件，设计的柴油发电机组可带整个厂区通风、消防以及照明用电，用于地下式再生水厂的安全工作。  

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实际运行效果

     

     

3.1         进、出水水质    

本项目自正式投运以来，做到上游污水应收尽收，工艺运行平稳，出水水质全面优于设计指标，实际进、出水水质见表 2  。  

表 2   实际进、出水水质    

mg·L ^-1

3.2         MBR 膜系统运行和清洗         

膜清洗参数及运行数据分别见表 3  、  4  。  

表 3  膜清洗参数    

表 4   实际跨膜压差和运行通量

近一年数据表明，膜工艺运行平稳，整个系统开 12  停  1  ，反冲洗、在线维护性清洗和恢复性清洗按照正常的频率进行，膜压差控制在较低水平，出水水质较好，膜通量保持在较好水平。  

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地下再生水厂与地上综合体结合的优点

     

     

①  根据贵阳市截污形式以及南明河流域生态补水的要求，按照就地处理、就地回用的思路，采用科学合理布局。地埋式再生水厂可以节约占地和卫生防护带用地，以及污水管网、补水管网、补水提升泵站、沿途拆迁征地等费用    。    

 

②  地下厂解决了地上传统污水厂噪声、臭气以及选址难等难题。    

 

③  因地制宜地在老城区破解用地难题，采用全地埋式与地上综合体结合的形式，可实现土地创造最优价值，将市政基础  +  生态环境  +  城市建筑融合一体，地上修建停车场、体育场和商业综合体，在解决生态环境问题的同时，将市政等城市扩容问题一并解决。    

 

④  直接实现再生水回用，通过水源热泵系统及供热和供冷系统，可减少回用水管网投资以及暖通管网投资，预计每年可实现  20%  再生水回用。实现生态效益、经济效益及社会效益最大化    。    

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结论

     

     

①  该项目是全国埋深最深的再生水厂，但工艺运行稳定，出水水质优于设计标准，表明  MBR  膜运行稳定，在智能化、信息化集成控制下能耗处于较低水平。    

 

②  地上地下综合体建设运营模式，可节省大量征地费用和管网投资费用，实现污水的就地处理和回用，经济效益和社会效益明显。    

 

③  实现了资源化、能源化、生态化理念。一是实现了  20%  中水回用；二是通过污水源热泵系统，为上部城市综合体供暖和供冷，节约能源消耗；三是生产的再生水通过贯城河为南明河生态补水，恢复贯城河两岸自然生态。    

 

④  该项目成为节约城市土地资源的示范项目，在  2021  年荣获  E20  平台  “  空间高效利用标杆污水厂和信息化集成标杆  ”  ，不仅为贵阳市深度利用地下空间、节约土地开启先河，也为全国城市再生水厂提标扩能提供了新模式、新思路。