1 概況

高碑店污水處理廠是北京市建設(shè)的第一座大型城市污水處理廠，其設(shè)計規(guī)模為100萬m 3 /d，遠(yuǎn)景規(guī)劃最終規(guī)模為250萬m 3 /d。該廠位于東郊高碑店村南，距舊城廣渠門約8km，地處市區(qū)邊緣，但水、電、交通等條件均甚便利。處理廠接納舊城區(qū)及東郊工業(yè)區(qū)的排水，流域面積約100km 2 ，人口約220萬。

五十年代初，北京城區(qū)舊溝經(jīng)過整修建了新的排水系統(tǒng)，這些下水道都是就近排入河渠。隨著城市的發(fā)展污水量迅速增長，使城區(qū)護(hù)城河嚴(yán)重污染，環(huán)境惡化。五十代中期，按照城市總體規(guī)劃確定了分流制的排水原則，并開始修建各河渠的污水截流管，也即分流制污水管系統(tǒng)的干管。1960年，本地區(qū)的污水管網(wǎng)系統(tǒng)基本形成，并在高碑店建成一座25萬m 3 /d污水經(jīng)格柵、沉砂、沉淀后為農(nóng)田灌溉服務(wù)、臨時性的初級污水處理廠。八十年代以后，據(jù)統(tǒng)計全系統(tǒng)下水道總長已達(dá)530km，污水量增加達(dá)80萬m 3 /d，占全市總排水量的40%，超出了現(xiàn)有排水設(shè)施的能力，迫切需要建設(shè)新的二級污水處理廠并完善截流管網(wǎng)。

經(jīng)過長期的調(diào)查研究，并進(jìn)行了小型和中型試驗，為新的高碑店污水二級處理廠的設(shè)計，提供了堅實可靠的依據(jù)。本工程分兩期建設(shè)，第一期50萬m 3 /d于1993年完成投產(chǎn)，第二期50萬m 3 /d將于1995年完成。

2 設(shè)計數(shù)據(jù)

2.1 污水水量

根據(jù)近年的統(tǒng)計監(jiān)測，本系統(tǒng)的總水量已超過80萬m 3 /d，其中50%以上為工業(yè)廢水，預(yù)計2000年污水量將超百萬m 3 /d。本工程設(shè)計按100萬m 3 /d的規(guī)�？紤]，總變化系數(shù)采用1.2，在建廠的同時修建通惠河南岸干管和南護(hù)城河干管，使本流域內(nèi)的污水全部得到處理。

2.2 污水水質(zhì)

a.由于工業(yè)廢水的影響，污水COD最高達(dá)800mg/L以上，一般在500～600mg/L左右，COD/BOD比率在2～3之間，較難生化降解。

b.污水SS值偏高，特別是當(dāng)降雨初期高得驚人，估計由于城區(qū)大部為合流道的原因。

c.根據(jù)實測資料，在嚴(yán)冬季節(jié)高碑店污水廠的水溫仍能保持在15℃以上，這對生物處理是十分有利的。

根據(jù)上述資料，設(shè)計中采用基本數(shù)據(jù):BOD200mg/L，COD500mg/L，SS250mg/L， N 30mg/L，T15°～25℃。

2.3 出水水質(zhì)

出水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)即污水所需的處理程度，取決于出水的用途。北京市位于干旱的華北地區(qū)，年降水量不足600mm，水資源極為缺乏。因此，污水作為水資源已勢在必行。

a.灌溉農(nóng)田

農(nóng)田灌溉是處理廠出水的主要用途，由于灌溉是季節(jié)性的，一年之中有半年是雨季和冬季，污水須另謀出路。

b.景觀用水

平時河道除排洪、污水外無其它補(bǔ)給水，經(jīng)處理后的出水補(bǔ)給河道，可以美化城市環(huán)境，但水質(zhì)必須清潔。

c.工業(yè)回用

工業(yè)回用潛力最大的是作為冷卻水，但要解決腐蝕、結(jié)垢、泡沫和生物增殖等問題。

d.市政雜用

如澆灌花木、草坪，灑馬路、沖廁等。

上述幾種用水對水質(zhì)要求不高，但一般二級處理出水是不夠的。設(shè)計考慮提高處理水平，使污水中的氨氮達(dá)到硝化，以利于后續(xù)的深度處理和消毒。出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:BOD<16mg/L，SS<30mg/L，NH 3 -N<3mg/L。

3 處理工藝

針對上述出水要求，通過試驗研究，選用先進(jìn)的缺氧好氧活性污泥法，延長曝氣時間，使出水完全硝化；污泥處理采用兩級中溫硝化工藝；沼氣用以發(fā)電，補(bǔ)充能源；發(fā)電機(jī)的冷卻水供消化池加熱；回用水的深度處理，增加混凝沉淀和砂濾，使出水水質(zhì)進(jìn)一步提高(圖1)。

4 廠區(qū)布置及主要構(gòu)筑物

4.1 平面布置

高碑店污水處理廠是一座有30年歷史的老廠，原有構(gòu)筑物現(xiàn)已殘破不堪，此次改建除保留原有進(jìn)水泵房及試驗場外均被拆除，重新布置。全廠分水處理、泥處理、中水處理、試驗場及管理五個區(qū)，各區(qū)之間用較寬的綠帶分隔以美化環(huán)境。為節(jié)約用地并便利維修，廠內(nèi)管網(wǎng)設(shè)置環(huán)狀通行式管廊。

4.2 進(jìn)水泵房

進(jìn)水泵房按最大污水量120萬m 3 /d設(shè)計。北京市城區(qū)下水道多為合流，原有泵房能力改建為50萬m 3 /d作為提升初期雨水之用。

4.3 初沉池

初步設(shè)計為圓形池后改矩形，節(jié)約用地達(dá)6.6萬m 2 之多。此外，矩形池還有配水管路短、水頭損失小、配水均勻、排泥方便等優(yōu)點，并有利于與工作間和管廊相結(jié)合，為管理提供便利。根據(jù)試驗結(jié)果，初沉池去除BOD和SS分別為20%和50%。

4.4 曝氣池

共設(shè)24座曝氣池，每座長96m、寬28m、深6m，分4組布置，每組6池。每座池隔成3條寬9.3m的廊道。第一廊道的進(jìn)水端劃出1/4長24m，作為缺氧區(qū)。平均停留時間為9.25h，以保證充分硝化。采用微孔空氣擴(kuò)散裝置，并根據(jù)計算機(jī)模擬、結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，將曝氣器布置成漸減曝氣的形式，使供氣量在曝氣池的各段內(nèi)與微生物需氧相適應(yīng)。曝氣器分配百分比為:第一廊道65%，第二廊道23%，第三廊道12%。

4.5 二沉池

采用 50m幅流式圓形池24座，與曝氣池相同，有利于運(yùn)行管理。每池裝有周邊傳動的旋轉(zhuǎn)吸泥機(jī)，及時回流活性污泥。二沉池效率的高低直接影響出水水質(zhì)的優(yōu)劣，因此，設(shè)計采用較小的水力負(fù)荷和較長的停留時間，即21.2m 3 /m 2 ·d及4.52h。

4.6 污泥濃縮池

設(shè)計將活性污泥送到初沉池的進(jìn)水中，使其與生污泥合并沉淀，然后將混合污泥(含水率預(yù)計為97%)送入污泥濃縮池。參照英國WRC 的研究成果，結(jié)合現(xiàn)場試驗，選用新型升流式污泥重力濃縮池，濃縮的污泥體積減小50%，即含水率從97%降到94%。固體負(fù)荷按50kg/m 2 ·d計算，選用直徑24m的池子12座。

4.7 污泥消化池

采用兩極中溫消化工藝，建消化池16座、 20m、高25m，分為4組、每組4池，其中一級3池、二級1池，停留時間為21d和7d。污泥攪拌用沼氣循環(huán)的方式進(jìn)行。污泥加熱利用沼氣發(fā)電機(jī)余熱，以螺旋板逆流換熱的方式進(jìn)行，發(fā)電站運(yùn)轉(zhuǎn)前則由鍋爐房供蒸汽直接加熱。

5 討論

5.1 缺氧——好氧(AO)法的優(yōu)點

將污水處理到完全硝化程度的污水處理廠應(yīng)采用缺氧——好氧工藝，即在活性污泥法的曝氣池進(jìn)水端，設(shè)置一個停留時間1h左右的“缺氧區(qū)”，在這個區(qū)域內(nèi)氧的利用僅僅依賴硝酸鹽在脫氮過程中放出的氧離子，使水中溶氧保持在0.5以下，以區(qū)別于厭氧和好氧。這種環(huán)境給污水處理帶來許多好處，主要有:

a.污泥沉降性能的改善

污泥膨脹是由于活性污泥中絲狀菌的增殖而引起的。當(dāng)污水與回流污泥混合時，由于缺氧造成對絲狀菌不利的環(huán)境，使其銳減，從而改善了污泥的沉降性能、降低污泥容積指數(shù)，保證出水水質(zhì)優(yōu)良。

b.脫氮作用

缺氧區(qū)內(nèi)回流污泥攜帶的硝酸鹽被反硝化，脫除部分的氮，同時放出氧離子供生物反應(yīng)耗氧時利用。

c.減少二次沉淀池污泥上浮現(xiàn)象

由于在缺氧區(qū)內(nèi)的脫氮作用，減少了二沉池內(nèi)的反硝化過程，從而也減少了污泥上浮問題。

5.2 硝化與加氯的關(guān)系

城市污水二級處理一般對出水水質(zhì)不提出硝化的要求，但作為水資源進(jìn)行開發(fā)、為污水的回用創(chuàng)造條件，這就要求污水處理廠出水必須硝化并消毒。在加氯消毒的過程中，污水中的氨氮如不去除，將與氯離子發(fā)生反應(yīng)而耗掉大量的氯，氨氮的硝化又需要耗能并使管理費(fèi)增加，故這里有一個經(jīng)濟(jì)比較的問題。經(jīng)過計算優(yōu)選，當(dāng)氨氮降至3mg/L左右時，硝化耗氧的費(fèi)用可與因氨的減少而節(jié)約的加氯費(fèi)用相平衡，使管理運(yùn)行費(fèi)用達(dá)到最低。

5.3 污水處理廠的節(jié)能

a.合理布局

城市污水處理廠的布局應(yīng)本著適當(dāng)集中的原則，使每一座處理廠都有一定的規(guī)模，因為規(guī)模愈小則單位耗電愈多，這是目前各大城市所發(fā)生的事實所證明的。從管理的角度來說，一座大廠的運(yùn)營比幾座小廠的運(yùn)營要容易得多，成本也低得多，出水水質(zhì)更有保證。

b.合理設(shè)計

在污水處理工藝流程中，各構(gòu)筑物之間在平面和豎向布置中應(yīng)盡可能緊湊，縮短管線，選用水頭損失較小的進(jìn)出水設(shè)施，使沿程水頭損失達(dá)到最小，以降低提升能耗。

c.沼氣利用

污泥消化過程中產(chǎn)生的沼氣可作為能源回收利用，沼氣發(fā)電量一般可滿足二級處理總耗電量的30%～50%；發(fā)電機(jī)冷卻水和廢氣的余熱可用于加熱消化池。這樣可以使沼氣能量的回收率達(dá)到70%。

d.曝氣節(jié)能

曝氣耗電是全廠總耗電量的60%～70%，是節(jié)能的重點。首先是采用了微孔曝氣器和離心式鼓風(fēng)機(jī)。微孔曝氣器擴(kuò)散出的微小氣泡增加氣液兩相的接觸面積，提高充氧效率，在曝氣池中按照微生物反應(yīng)規(guī)律布置曝氣器，也是節(jié)能的。離心鼓風(fēng)機(jī)效率高，并可根據(jù)水質(zhì)水量的變化調(diào)節(jié)風(fēng)量，避免能量浪費(fèi)又可改進(jìn)處理效果。在曝氣池的混合液中，保持正確的溶氧濃度，過高造成浪費(fèi)，過低則出水惡化達(dá)不到處理程度。溶氧控制有以下幾種方式:

①直接控制。溶氧儀設(shè)在任何一點，按指定溶氧量調(diào)節(jié)氣量。這一方式僅適用于完全混合式曝氣池。

②進(jìn)水量比例控制。按污水量變化和固定的氣水比進(jìn)行調(diào)節(jié)供氣，并用溶氧儀監(jiān)測溶氧量在指定范圍內(nèi)。這種方法簡單價廉，但受水質(zhì)和水溫的影響，效果不穩(wěn)，適用于水質(zhì)變化不大的污水。

③溶氧折點控制。在均勻曝氣的推流式池中，混合液耗氧速率隨水流向前推進(jìn)而逐漸降低，相應(yīng)地DO濃度則逐漸上升。同時，在曝氣池長的任何一個斷面上，隨著供氣量的增加，DO濃度也將上升。這兩種變化曲線都有一個回折點，將這些折點連接起來，形成兩條幾乎吻合的曲線，標(biāo)志著曝氣池內(nèi)各處最佳DO濃度。在實際應(yīng)用中，可按所需溶氧濃度選定池長上與指定DO濃度相符的折點位置，設(shè)置DO儀控制氧量。

④溶氧壓力控制。上述幾種溶氧控制方法均為單點控制，不是最理想的。在高碑店污水處理廠的設(shè)計中，經(jīng)過曝氣池各段氧傳遞系數(shù)K La 的模擬計算并參考國外經(jīng)驗，設(shè)計采用三個獨(dú)立控制區(qū)，其中兩個自動，一個手動。這樣就可以有效控制溶氧濃度，達(dá)到節(jié)能和保證出水水質(zhì)的效果(見圖2)。曝氣池出水段只設(shè)一手動閥門，不需經(jīng)常調(diào)節(jié)，因此段供氣量是按攪拌需氣設(shè)計的，超過了生物反應(yīng)需氣量，不進(jìn)行隨機(jī)控制氣量，可適當(dāng)提高出水DO濃度，有利于改善二次沉淀池的工作，提高最終出水的水質(zhì)。
在設(shè)計控制系統(tǒng)時，指定DO值通常采用2mg/L，而在實際操作中不同控制區(qū)可用不同的DO指定值，但不得<15mg/L�？刂葡到y(tǒng)的工作首先是由溶氧儀發(fā)出信號，啟動輸氣管上的閥門，氣量的變化使管網(wǎng)壓力變動，然后由壓力傳感器將信號送到鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)葉片啟動器，調(diào)節(jié)氣量，使管網(wǎng)壓力達(dá)到最佳狀態(tài)。

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