高碑店污水处理厂二期工程设计

刘坤一

　　【摘要】 本文介绍北京市为迎接国庆50周年，建设的全市六十七项重点工程之一，高碑店污水处理二期工程建设的必要性，设计参数、处理流程、设计特点。
　　【关键词】 污水 污泥 处理 工程 设计

1 前言

　　高碑店污水处理厂是北京市建设的第一座大型城市污水处理厂，也是目前国内最大的城市污水处理厂，其处理规模为100万m³／d，按照北京市的远景规划，其最终规模将达到250万m³／d。该厂位于北京市东郊朝阳区高碑店乡，距市中心约14Km，它承担着市区的生活污水及东郊地区的工业排水的处理，总流域面积约100Km²，服务人口约240万。
　　工程建设分二期进行，一期工程已于1993年12月竣工投产；二期工程于1996年10月开工，1999年9月竣工通水。目前，高碑店污水处理厂的处理规模已达到100万m3／d，处理的污水量占全市污水总量的40％，从而使北京市的城市污水处理率从25％提高到46％，对改善北京的环境卫生及东郊地区通惠河水系的污染起了重要作用。

2 工程必要性

　　高碑店污水处理厂一期工程（50万m³／d）于1993年12月竣工通水随着城市及工业发展，该系统的实际污水量，已达到80万m³／d，预计到本世纪初污水量将达到100～110万m³／d。只有一期建成的50万m³／d处理能力，远赶上不上水量的发展，同时从根本上说对通惠河水系的污染没有根本解决。为了贯彻北京市政府关于北京环境治理，“天兰、水清、地绿”的战略目标，彻底改善通惠河的水质，解决污水对下游的污染，有必要修建高碑店污水处理厂二期工程。使总处理能力达到100万m³／d。
　　二期工程设计在总结一期工程设计、施工、运转的基础上，在工艺上、设备上、结构形式上，进行了多项改进，使设计更加先进合理。

3 设计数据

3.1 污水量及处理规模
　　根据北京市市政工程管理处自1987年以来的统计资料及发展预测，到1999年通惠河南岸污水系统建成，生活污水量将达到72.5万m³／d，工业废水量38万m³／d，总计高碑店污水处理厂的总污水量将达到110.5万m³／d。本工程设计规划按100万m³／d考虑，总变化系数采用1.2，处理厂最大负荷为120万m³／d。
3.2 污水水质及处理标准
　　原污水水质：
　　BOD₅ ＝200mg／l
　　COD_Cr ＝500mg／l
　　SS ＝250mg／l
　　NH₃－N ＝30mg／1
　　PH 6—9
　　T（水温）15℃—25℃
　　处理厂出水水质标准：处理厂出水指标执行国家二级排放标准（GB8978－88）
　　BOD₅≤20mg／1
　　SS≤30mg／l
　　NH3－N＜3mg／l
3.3 处理厂出水的回用途径
　　① 农业灌溉：这是处理厂出水的主要出路，但有季节性，一年中只有半年灌溉，出水须另谋出路。
　　② 工业回用：在一些先进国家，经二级处理的出水，再经深度处理用于对水质要求不高的工业，如洗涤、淬火、冷却等。在北京污水回用潜力最大的是作为工业冷却，如热电厂发电机组的循环冷却补充水，化工厂的设备冷却等，这样可作为城市的第二水源，将大大缓解北京水资源紧缺的状况。
　　③ 市政杂用水：浇洒绿地、清扫道路、冲厕等。
　　④ 河湖景观用水：北京的河道水面水源来自人工水库，每年换水次数有限，水质状况不佳，如将处理后的出水补给河道及公园河湖增加水面，可以美化城市环境。

4 处理方法及工艺流程

　　污水处理采用先进的缺氧好氧活性污泥法，即A0法延长曝气时间，使出水完全硝化；在二期工程中，其中一个系列、25万↑T／d曝气池设计采用除氮工艺，增加内回流，回流量达200％，提高了出水的除氮效果，扩大处理水的再利用。
　　污泥处理采用重力浓缩脱水，两级中温消化。消化过程产生的沼气用于发电，以补充厂内的能源消耗。废热回收用于消化池加热。
　　厂内设置了1万m³／d的回用水深度处理设施。处理工艺为混凝沉淀、砂滤和消毒。出水用于厂内的设备清洗、冲洗车辆、绿化和清扫。处理流程见（附图1）。

5 厂区平面布置及主要构筑物设计参数

5.1 平面布置
　　高碑店污水处理厂是一座大型城市污水处理厂，其处理构筑物的池形、间距、路网、路宽、绿化对整个占地的影响是至关重要的。本设计是根据地形、流程、结合功能，本着节省占地的原则，合理考虑各处理构筑物之间的间距、留有绿化和满足维修要求及建筑安全防火要求的前题下，平面布局紧凑合理，总体效果较佳（附图2）。

5.2 污水提升总泵房
　　设计抽升能力为120万m³／d，总计安装6台水泵，一期已安装4台，二期再增装2台水泵。水泵型号：DSV—V1000立式污水混流泵（日本久保田）。
　　流量Q＝3／m³／S
　　杨程H＝15m
　　功率N＝600KW
　　效率η＝80％。
　　泵房前池安装有粗、细两道格栅。粗格栅间隙100mm人工清除，细格栅间隙25mm，为链条式自动除污。二期工程中将粗格栅改为连续式自动清理，细格栅改为间隙0.5mm回转式自动除污机，栅渣用皮带输送装筒运往垃圾消纳厂填埋。
5.3 曝气沉砂池
　　设计流量Q＝50万m³／d×1.2，池形为平流式矩形池，池长L＝21m，宽B＝6m，有效水深H＝4.25m，共4条池，两池为一组。
每组池设一台移动桥式吸砂机及砂水分离器，共两套。（瑞典PURAC公司）。
5.4 初沉池
　　池形为平流式矩形池。
　　主要设计参数
　　设计流量：Q＝50万m³／d×1.2
　　表面负荷：q＝0.992m³／m2·h
　　水平流速：V＝8.3mm／S
　　单池尺寸：池长L＝75m，池宽B＝14m
　　有效水深2.5m
　　每系列12条池，共两个系列。
　　排泥方式：采用进口桥式刮泥机，定容式螺杆泵排泥。
5.5 曝气池
　　池形为矩形三廊道。进水段1／6池长为缺氧段，后为好氧段；二期工程四系列为A／0法，增加内回流设施，回流量最大为200％。
　　主要设计参数：
　　设计流量：Q＝50万m³／d×1.1
　　停留时间：T＝9.26h（缺氧段T₁＝1.54h，好氧段T₂＝7.72h）
　　混合液浓度：MLSS＝2000～3000mg／l（设计取平均值2500mg／l）
　　污泥回流比：50—100％
　　单池尺寸：池长L＝96m，池宽B＝9.28m×3（三廊道），有效水深H＝6m，池数6座为一系列，共两个系列
　　曝气方式：离心式鼓风机，曝气头采用进口膜片橡胶微孔曝气头，总数：36036个。
5.6 鼓风机房
　　风机形式 采用单级风冷离心式
　　主要设计参数
　　最大设计风量 Q＝3600m³／min（共8台）
　　单机性能 Q₁＝270～600m³／min
　　进口压力 P₁＝1.013bar
　　出口压力 P₂＝1.763bar
　　转速 V ＝1000转／min
　　风量调节范围 45～100％
　　功 率 N＝900KW
5.7 二沉池
　　池形为幅流式中心进水周边出水园形池
　　主要设计参数
　　设计流量 Q＝50万m³／d×1.1
　　表面负荷 q＝0.88m³／m²·h
　　停留时间 T＝4.48h
　　排泥方式 采用桥式刮吸结合虹吸式静压排泥，连续运行。
　　单池尺寸：
　　直径 D＝50m
　　有效水深 H₁＝4m
　　超高 h＝0.3m
　　总高 H＝5.1m
　　池数 12座
　　采用进口桥式吸泥机共12台。
5.8 回流污泥泵房
　　主要设计参数
　　污泥回流比 50～100％
　　最大设计流量 Q＝50万m³／d×1.1
　　数量 2座
　　设备 采用进口螺旋浆式潜水泵共8台，剩余污泥泵采用潜污泵共6台。
5.9 污泥浓缩池
　　采用重力浓缩脱水，池形为园形。
　　主要设计参数
　　固体表面负荷 G＝70kg／m²·d
　　排泥方式 重力排泥
　　单池尺寸：
　　直径 D＝20m
　　池深 H₁＝5.5m
　　泥层 H₂＝3m
　　上层液高 H₃＝2m
　　超高 h＝0.5m
　　池数 6座
　　主要设备
　　国产半桥式栅条浓缩机，进口定容式污泥泵。
5.10 污泥消化池
　　采用二级中温消化，池形为园柱形。
　　主要设计参数
　　总污泥量 V₁＝2208.3m³／d（含水率94％）
　　停留时间 T₁（一级消化）＝21.3天
　　T₂（二级消化）＝6.8天
　　总计 28.1天
　　污泥投配率 3.6％
　　沼气产量 q₁（一级消化）＝10m³／m³污泥
　　q₂（二级消化）＝2m³／m³污泥
　　加热方式 热交换（冷泥、热水）连续加热
　　搅拌方式 采用螺旋浆式连续搅拌
　　排泥方式 溢流排泥
　　单池尺寸 直径D＝20m
　　总高H＝28.8m（地下5m）
　　有效水深H＝25m
　　池数 6座 一级 2座 二级
5.11 污泥脱水机房
　　采用带式压滤机
　　主要设计参数
　　进泥量 V＝1852.4m³／d（含水率95％）
　　污泥干重 t＝92.62T／d
　　运行班次 采用两班制T＝16h
　　泥饼量 370.5m³／d
　　泥饼含水率 75～80％
　　设备 进口带式压滤机（带宽2.6m）
　　台数 5台
　　加药设备 一套
　　混凝剂采用高分子混凝剂（聚丙烯酰胺）
　　投药量 约4‰
5.12 沼气储柜
　　气柜形式：低压湿式三屉螺旋升降式钢结构
　　主要设计参数
　　气柜容积 V＝10000m³压力 P＝200～380mmH₂O
5.13 脱硫装置
　　型式 采用湿式脱硫（碱液）
　　主要设计参数
　　沼气量 Q＝26500m³／d
　　设计压力 P＝500mmH₂O
　　温度 T＝25℃
　　H₂S浓度 0.1～10g／m³（取0.5g／m³）
　　单塔尺寸
　　直径 D＝0.6m
　　塔高 H＝6.2m
5.14 沼气发电机房
　　型式 采用单燃料低压进气发电机，
　　主要设计参数
　　沼气量 Q＝26500m³／d
　　进气压力 P＝500～1000mmH₂O
　　发电量 W＝1956KW
　　发电效率 38％
　　热回收效率 50.1％
　　台数 3台（每台发电量652KW）

6 二期工艺设计上的几点改进

　　二期工程的设计在充分总结一期工程的基础上，结合一期工程实际运行情况，工艺设计上做了部分改进。
6.1 初沉池浮渣问题
　　根据实际运行，一期总进水采用的格栅形式及栅条间隙过大，在二期工程中作了更换。采用栅条间隙5mm回转式格栅除污机，使每天的栅渣量明显增多，减少了初沉池的浮渣。
　　另外将初沉池浮渣挡板向进水方向适当位移，尽量减少表面积存浮渣的盲区。增加浮渣冲洗泵，改进排渣方式，使初沉池表面浮渣大大减少，提高了出水效果。
6.2 提高二级处理出水水质
　　为了提高二级出水的水质，在二期工程设计中对曝气池的设计作了部分改进。首先将第一段的缺氧段由原来的1／12池长，改为池长的1／6，增加了厌氧段，同时在厌氧段的末端设置挡板，使回流污泥与进水充分混合。为了给城市工业提供第二水源，在第Ⅳ系列曝气池设计中，增加内回流泵，使混合液回流量达200％，使出水的除氮效率提高到66％，为水回用创造了条件。
6.3 在污泥处理方面
　　对污泥浓缩池的水力停留时间作了调整，由原来的72小时，减少到51小时，从而避免由于停留时间过长而产生污泥上浮，提高了污泥浓缩效果。
　　在污泥消化池的设计中，对排泥方式作了重大改进。由原来的底部强制排泥改为上部溢流排泥，增加了消化池运行的可靠性和安全性。另外在加热方式由蒸汽直接加热，改为池外泥—水热交换；沼气间歇搅拌改为机械连续搅拌，提高了污泥消化的处理效果。

7 机械设备

　　高碑店污水处理厂二期工程使用瑞典政府贷款用于购买机械设备（除闸门外）。因此，机械设备均由瑞典PURAC公司统一组织供货，其进口设备的比例较一期工程大得多，因此选择设备应是90年代世界较为先进的设备，如用于鼓风曝气的鼓风机，是世界先进的丹麦公司的产品，大功率低噪声风冷式单级离心鼓风机。曝气头采用美国最新式橡胶膜片微孔曝气头。所有潜水泵、搅拌器均为瑞典FLYGT产品。
　　设备材质，均考虑污水的腐蚀性而采用铝合金和不锈钢制造。

8 电气设计和自控仪表设计

8.1供电电源
　　高碑店污水处理厂二期工程采用高压10KV 双路供电方式。厂内变配电分为10KV、6KV、380V／220V三个电压等级。10KV、6KV系统采用三相三线制，380V／220V系统采用三相五线制。
8.2 用电负荷
　　根据设备规格、数量及运行方式，二期工程新装机用电负荷为10440KW，有功计算负荷6178KW，无功计算负荷3818KVAR，视在功率7263KVA。功率因数为0.81，补偿容量为2498KVAR，变压器总容量为11650KVAR。
　　为节能起见部分电动机起动采用变频调速装置。
8.3 自控仪表设计
　　高碑店污水处理厂操作管理、自动化程度属于较高的水平。设计为集散型，集中监视设中心控制室，数据处理打印、全厂运行状况集中显视。分散控制，分别设有水区控制室、泥区控制室、回用水区控制室，由上位级工作站，下位级工作站，可编程序控制（PLC工业计算机组成）。全厂控制器输入／输出（I／O）数量为3406点。
　　系统控制的内容有：
　　初沉池排泥系统的定时条件控制。
　　回流污泥量设定值控制。
　　剩余污泥量条件控制。
　　污泥浓缩、消化系统的定量、定时条件控制。
　　曝气池溶解氧（DO）——鼓风机风量调节系统闭路循环控制。
　　曝气池内回流污泥泵调速控制等。
　　回用水处理系统控制。
　　全厂监测仪表总计489块。
　　主要为液位、流量、温度、压力、界面、速度、电流、电压等。

9 建筑结构设计

　　处理厂构筑物主要是水池、泥池，其池形大都为园形和矩形，结构一般均采用钢筋混凝土结构，建筑物及附属建筑大部采用砖混结构，部分采用网架结构。其建筑形式与一期原有建筑统一。
　　厂内建筑结构类型较多而复杂，为统一设计标准，对一般房屋建筑，设计采用“工业与民用建筑设计规范”；对于水池及地下管道采用“给排水工程结构设计规范”。
9.1 结构形式及主要材料
　　矩形水池，有曝气沉砂池、初沉池和曝气池，均采用现浇钢筋混凝土结构，标号为C25S6D100。
　　园形水池，有二沉淀、浓缩池、消化池。二沉池直径D＝50m，池壁采用预制装配整体式预应力缠丝结构，材料为C30S6D100，预应力钢丝采用Φ_s⁵高强度碳素钢丝，标准抗拉强度不低于1570N／mm² 。底板为现浇钢筋混凝土，边缘设杯口立壁板。
　　污泥消化池为无粘结预应力钢筋混凝土结构，材料采用C30S8D100，预应力钢丝采用Φ_s⁵7束钢缆，设计抗拉强度为1600N／mm²。
9.2 工程验收及闭水、闭气
　　为确保工程质量，除执行有关标准规范外其钢筋混凝土水池闭水及闭气，必须在混凝土达到28天强度后进行；二沉池闭水在缠丝后喷浆前进行；消化池闭水、闭气后，进行内防腐外保温施工。闭水压力为设计水头，闭气压力为设计内压的1.2倍。
9.3 施工缝及变形缝处理
　　一般情况下，底板和顶板为连续浇筑不留施工缝，池壁连续浇筑，池壁与底板连接处施工缝留在腋角上200～300mm，并设有深50mm，宽150mm的凹槽或橡胶止水带。
　　变形缝均设有工厂加工成形的闭合式橡胶止水带，表面嵌缝材料采用双组份聚氨酯密封膏压力灌缝。
9.4 地基及基础处理
　　由于初沉池、曝气池、二沉池面积较大，地基土层不均匀，一般采用回填天然级配砂砾石，干容重达2.25T／m³或回填2：8灰土处理，密实度要求达到最佳密实度的95％。
9.5 池子抗浮
　　根据地质部门的勘探报告，大面积水池地基均落在地下水位以下2m左右，为解决池子抗浮问题，高碑店处理厂采取设置地下盲管降低地下水的措施，以节约材料和造价。

10 主要工程数量

　　混凝土量 17万m³
　　土石方 47万m³
　　水泥 6万T
　　钢材 1.7万T
　　建筑面积 1.5万m²
　　各地下管线 45Km
　　道路 4万m²
　　2.技术经济指标
　　二期工程总投资7.98亿人民币
　　单方造价 1600元／m³污水
　　单方电耗 0.15Kw／m³污水
　　成本（不包括折旧） 0.33元／m³污水

11 运行及实际处理效果

　　高碑店污水处理厂二期工程，从投入污水到微生物生成，仅用了一个月的时间而且出水水质指标远低于国家排放标准，具体指标：
　　BOD₅≤15mg／1
　　COD≤30mg／l
　　SS≤20mg／l

12 存在问题及建议

　　高碑店污水处理厂，是全国最大的一座现代化城市污水处理厂，污水已得到了处理，而污泥出路尚不落实。污水处理后的城市污泥具有丰富的有机质和氮、磷、钾及多种植需要的营养素，应重点研究开发污泥快速固化、高压造粒制取颗粒肥料，彻底解决污泥无害化的问题、使其变废为宝、得到妥善处置。