高原地區(qū)污水處理廠(chǎng)工程項(xiàng)目案例分析

沈鴻瀅，郭 玉，王艷英，沈艷濤

(1.北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京 100176;2.北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100044)

高原高寒區(qū)主要包括青海省、四川省西南部、云南省西部和西藏自治區(qū)，與我國(guó)東部平原地區(qū)相比具有海拔高、氣壓低、空氣中含氧量低等特點(diǎn)，這些地區(qū)的部分城市平均海拔高度在2200 m以上，有些城市甚至達(dá)到3 000 m以上。由于海拔高、氣壓低、溫差大、年平均氣溫低，因此這些地區(qū)建設(shè)污水處理廠(chǎng)對(duì)污水處理技術(shù)有特殊要求，一般可選用曝氣生物濾池、生物接觸氧化法、活性污泥和生物膜法等工藝。昌都污水處理廠(chǎng)是世界首座高原污水處理廠(chǎng)，它的建立和運(yùn)行為保護(hù)瀾滄江流域的水環(huán)境、建設(shè)高海拔城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)起到了示范作用。玉樹(shù)污水處理廠(chǎng)是世界海拔最高的污水處理廠(chǎng)，目前日處理能力已達(dá)1.5萬(wàn)t。高原地區(qū)污水處理廠(chǎng)的相繼建立，將對(duì)改善高原地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量，鞏固污染防治與生態(tài)保護(hù)效果，確保西藏經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展有著重大的意義。

1 案例一

1.1 工程概況

昌都污水處理項(xiàng)目(如圖1)，由一座污水處理廠(chǎng)、三座提升泵站、25 km雨污管網(wǎng)、21座公廁等組成，日污水處理能力(含污泥消化和沼氣利用)為近期0.9萬(wàn) t，遠(yuǎn)期 1.8萬(wàn) t。2006年 7 月開(kāi)工建設(shè)，2008年8月7日昌都污水處理廠(chǎng)試運(yùn)行，出水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 18918—2002中一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。2009年5月污泥處理及沼氣利用系統(tǒng)試運(yùn)行后也保持良好運(yùn)轉(zhuǎn)，污泥處理各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 運(yùn)行情況

昌都污水處理廠(chǎng)處理能力在6 000 t/d左右，截止2011年4月30日，共處理生活污水572萬(wàn)m3，出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放，處理污水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。外運(yùn)干污泥2 268 m3、柵渣225 m3至垃圾填埋場(chǎng)處理，少量干污泥用于廠(chǎng)區(qū)綠化施肥。

圖1 昌都污水處理廠(chǎng)Fig.1 Changdu Sewage Treatment Plant

表1 昌都污水處理廠(chǎng)處理水量及COD去除率Tab.1 Treatment Capacity and Removal Rate of COD of Changdu Sewage Treatment Plant

1.3 運(yùn)行工藝

昌都污水處理廠(chǎng)利用活性污泥法處理污水，污水處理設(shè)備是利用生物化學(xué)技術(shù)處理的完全自動(dòng)化設(shè)備，把高濃度的污水利用循環(huán)原理處理變成干凈的水再次利用。

廠(chǎng)區(qū)包括四個(gè)處理單元:機(jī)械處理、生物處理、污泥處理和臭氣處理。機(jī)械處理單元主要將進(jìn)廠(chǎng)污水中的大塊懸浮、漂浮狀的污物阻截，并使砂料與污水分離，為預(yù)處理階段。生物處理單元采用活性污泥生物處理工藝，水力停留時(shí)間為8 h，污泥齡為25 d，好氧池主要控制指標(biāo)有:MLSS為2 500～3000 mg/L、SV 為20% ～25%、DO 為2.5 ～3.5 mg/L，出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家一級(jí)B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。污泥處理單元將每天剩余污泥及初沉池污泥進(jìn)行濃縮進(jìn)入消化池，并向污泥加熱經(jīng)中溫消化產(chǎn)生沼氣降解有機(jī)物，進(jìn)入后濃縮池的污泥在脫水機(jī)房做脫水處理，制成泥餅，日產(chǎn)污泥為3.0 m3。臭氣處理單元處理能力30 000 m3/h。

污泥消化處理是昌都污水處理廠(chǎng)的亮點(diǎn)之一，也是運(yùn)行難點(diǎn)之處。據(jù)悉，我國(guó)現(xiàn)有運(yùn)行的城市污水處理廠(chǎng)約3 000座，僅有59座設(shè)計(jì)了污泥消化系統(tǒng)。昌都污水處理廠(chǎng)設(shè)備管理得當(dāng)，污泥經(jīng)過(guò)厭氧消化后，不僅滿(mǎn)足了污泥減量、穩(wěn)定、無(wú)害的要求，同時(shí)又產(chǎn)生了可利用的沼氣。并對(duì)產(chǎn)生的污泥經(jīng)過(guò)厭氧中溫消化、脫水處理，最后填埋。

1.4 問(wèn)題及方案

1.4.1 存在問(wèn)題

冬季運(yùn)行期間因污水溫度較低，最低時(shí)僅有2～3℃，而設(shè)計(jì)正常處理水溫為12～35℃，造成氨氮、總氮等處理指標(biāo)部分超標(biāo)。污泥量少，加之污水溫度很低，最低只有3℃左右，要保證污泥消化所需的溫度非常困難。人為因素和外部環(huán)境造成污水管道內(nèi)進(jìn)入大量泥砂、衣物等雜物，加劇了潛水泵葉輪及相關(guān)設(shè)備的磨損。鼓風(fēng)機(jī)受高原因素影響導(dǎo)致機(jī)頭高溫，時(shí)而造成故障停機(jī)。

1.4.2 解決方案

進(jìn)入冬季后，采取減少排泥量，提高污泥濃度、溶解氧，保持較低污泥負(fù)荷，達(dá)到硝化作用，盡量提高冬季運(yùn)行時(shí)氨氮的去除效果。采取了將污泥循環(huán)管道保溫、延長(zhǎng)污泥攪拌時(shí)間、提高污泥濃度等措施，有效保證了產(chǎn)生的沼氣基本上能滿(mǎn)足污泥消化對(duì)溫度的需求，節(jié)省了大量的電耗和油耗。在泵站粗格柵后安裝了細(xì)格柵，投運(yùn)后極大地改善了泵及后續(xù)工藝設(shè)備的運(yùn)行工況。為解決鼓風(fēng)機(jī)高溫停機(jī)問(wèn)題，2011年5月重新更換適合高原運(yùn)行的機(jī)頭并進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造。對(duì)產(chǎn)生臭氣較多的預(yù)、后濃縮池等環(huán)節(jié)，則采取了加蓋措施，既滿(mǎn)足了冬季安全運(yùn)行，又阻止了臭氣向周邊擴(kuò)散。

2 案例二

2.1 工程概況

青海省玉樹(shù)州結(jié)古鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)地處高原，是目前世界上海拔最高的污水處理廠(chǎng)(見(jiàn)圖2)。玉樹(shù)屬高原大陸性季風(fēng)氣候，全年無(wú)四季之分，只有冷暖兩季之別，沒(méi)有絕對(duì)的無(wú)霜期。冷季由青藏高原冷高壓所控制，風(fēng)大、干燥、氣溫低，長(zhǎng)達(dá)7～8個(gè)月;暖季受印度洋暖流的影響，又具有半濕潤(rùn)氣候特征，降雨量多且集中，比較濕潤(rùn)，只有4～5個(gè)月。據(jù)玉樹(shù)氣象站資料，玉樹(shù)地區(qū)年平均日照時(shí)數(shù)為2 496.4 h，年總輻射量為6 245 MJ/m2，均大于同緯度的東部地區(qū);玉樹(shù)地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍深為1.04 m，冰凍期達(dá)225 d。夏日最高氣溫34.6℃，冬日最低氣溫－24.7℃。年平均降雨量為658.9 mm，最大凍結(jié)深度為1.1 m，海拔高度為3 666 m。

結(jié)古鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)一期工程規(guī)模為1.5萬(wàn)m3/d，二期工程規(guī)模為2.5萬(wàn)m3/d。這座海拔3 800 m的污水處理廠(chǎng)一期工程已經(jīng)投入使用。

圖2 玉樹(shù)污水處理廠(chǎng)Fig.2 Yushu Sewage Treatment Plant

2.2 運(yùn)行工藝

玉樹(shù)污水處理廠(chǎng)采用A/A/O工藝，在該工藝流程內(nèi)，BOD5、SS和以各種形式存在的氮和磷將一一被去除。在A/A/O生物脫氮除磷系統(tǒng)的活性污泥中，菌群主要由硝化菌和反硝化菌、聚磷菌組成。在好氧段，硝化細(xì)菌將入流中的氨氮及有機(jī)氮氨化成的氨氮，通過(guò)生物硝化作用，轉(zhuǎn)化成硝酸鹽;在缺氧段，反硝化細(xì)菌將內(nèi)回流帶入的硝酸鹽通過(guò)生物反硝化作用，轉(zhuǎn)化成氮?dú)庖萑氲酱髿庵校瑥亩_(dá)到脫氮的目的;在厭氧段，聚磷菌釋放磷，并吸收低級(jí)脂肪酸等易降解的有機(jī)物;而在好氧段，聚磷菌超量吸收磷，并通過(guò)剩余污泥的排放，將磷除去。

1.4.2 提取溫度對(duì)樹(shù)舌靈芝多糖提取率的影響。準(zhǔn)確稱(chēng)取6份質(zhì)量相同的3.0 g靈芝干粉末，按樹(shù)舌靈芝粗多糖提取工藝流程進(jìn)行操作，按液料比 45∶1加入蒸餾水，設(shè)置提取溫度分別為50、60、70、80、90、100 ℃，浸提2 h，提取3次。根據(jù)所測(cè)吸光度考察提取溫度對(duì)樹(shù)舌靈芝多糖提取率的影響。

工藝流程如圖3所示。

圖3 玉樹(shù)污水處理廠(chǎng)工藝流程圖Fig.3 Process Flow Diagram of Yushu Sewage Treatment Plant

2.3 問(wèn)題及方案

2.3.1 施工過(guò)程

由于冬季低溫、高寒、缺氧，因此在污水廠(chǎng)土建施工過(guò)程中應(yīng)注意冬季保溫材料的選用，處于室外的設(shè)備及材料等應(yīng)加設(shè)保溫材料。管道應(yīng)埋設(shè)于滿(mǎn)足實(shí)際要求的凍土層以下，注意管道的保溫，有條件時(shí)可以考慮在輸水管線(xiàn)上增設(shè)事故溢流井，在突發(fā)管道凍脹或破裂時(shí)可以應(yīng)急使用，防止污水外泄。埋設(shè)設(shè)備基礎(chǔ)的預(yù)埋件時(shí)盡量不要在冬季施工。墻、地面盡量不要在冬季氣溫較低時(shí)鋪設(shè)砂漿、勾縫、抹灰等，防止脫落。采用水泥砂漿上抹灰等外墻裝飾平涂做法時(shí)容易造成墻體外表面脫落，因此可考慮在外墻涂抹仿石涂料做法，防止外墻皮脫落，但也應(yīng)考慮到此種做法使墻面從外觀(guān)上看與藏族地區(qū)建筑風(fēng)格有出入。為保證建、構(gòu)筑物內(nèi)地面在檢修、清掃及運(yùn)行操作過(guò)程地面完好無(wú)損，同時(shí)滿(mǎn)足清理方便的要求，可考慮在地面鋪裝地磚。

2.3.2 設(shè)備保障

高、低配電柜系統(tǒng)在缺氧情況下易出現(xiàn)散熱性差、高原缺氧降效問(wèn)題，在電氣設(shè)備的控制箱、柜等處可加設(shè)進(jìn)氣、排氣孔、排風(fēng)扇等散熱裝置。鼓風(fēng)機(jī)等工藝設(shè)備，應(yīng)考慮適合高原、缺氧環(huán)境條件下，設(shè)計(jì)合適的冷卻方式，否則高原條件下氣壓低會(huì)導(dǎo)致壓縮比降低，鼓風(fēng)機(jī)機(jī)頭過(guò)熱，機(jī)頭內(nèi)潤(rùn)滑油變性，潤(rùn)滑性能降低，機(jī)頭軸承被損壞?？刹捎闷渌麄魉头绞饺缙鲃?dòng)或加大電機(jī)功率等辦法解決。泵站處由于外管線(xiàn)如進(jìn)入垃圾等硬質(zhì)物體，將導(dǎo)致水泵葉輪損壞，此種情況可以在水泵前端加裝細(xì)格柵。由于高原地區(qū)氧含量?jī)H為平原地區(qū)的60%左右，且高原地區(qū)氣壓較低，因此一些分析儀表等設(shè)備在靠壓力作用時(shí)不能達(dá)到要求，如溶解氧測(cè)定儀等采用薄膜法方式工作的儀表應(yīng)改用其他類(lèi)型的儀表，例如可采用熒光法溶解氧測(cè)定儀。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀表等由于長(zhǎng)期浸沒(méi)于污水中，易出現(xiàn)被污染導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確等問(wèn)題，因此可考慮要求類(lèi)似儀表帶自動(dòng)清洗等功能，特別是溶解氧測(cè)定儀。由于冬季溫度較低，在事故排出口加工一翻板，當(dāng)有水流時(shí)翻板自動(dòng)開(kāi)啟排水，無(wú)水時(shí)翻板關(guān)閉，這樣可以解決室內(nèi)保溫問(wèn)題，不至于從事故排出口進(jìn)風(fēng)，加此裝置可防風(fēng)倒灌，有防風(fēng)、保溫的作用。冬季運(yùn)行時(shí)主要考慮保溫、加熱設(shè)備，可考慮選用常見(jiàn)的保溫材料，如棉門(mén)簾、毛毯等。同時(shí)在各種泵體的軸、桿等部位纏電熱絲帶保溫，在格柵部加電暖氣防止結(jié)冰等多種措施。設(shè)置時(shí)間繼電器?？梢钥紤]在部分運(yùn)行設(shè)備上加裝時(shí)間繼電器，這樣可以根據(jù)合理的設(shè)置設(shè)備運(yùn)行、操作時(shí)間，準(zhǔn)確無(wú)誤的對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)和關(guān)閉。

2.3.3 工藝運(yùn)行

玉樹(shù)污水處理廠(chǎng)運(yùn)行時(shí)，可以借鑒近似環(huán)境條件下污水處理廠(chǎng)生物培養(yǎng)的運(yùn)行、培養(yǎng)參數(shù)。為了盡快培養(yǎng)活性污泥，可從附近污水處理廠(chǎng)取活性污泥進(jìn)行接種，這樣將大大提高污泥培養(yǎng)效果，并減少培養(yǎng)馴化時(shí)間。在冬季污水量較少時(shí)通過(guò)加大污泥回流比、增加污泥濃度等方法保證活性污泥的處理效果，盡量提高冬季運(yùn)行中氨氮的去除率。冬季運(yùn)行時(shí)可以考慮將部分不運(yùn)行構(gòu)筑物泄空，如水量較小時(shí)要防止曝氣系統(tǒng)凍脹、凍裂。冬季污水流量減少時(shí)生物池采用間歇式運(yùn)行。

3 高原和平原地區(qū)污水處理廠(chǎng)曝氣量計(jì)算對(duì)比［1］

由于高原和平原地區(qū)存在海拔差異，因此污水處理廠(chǎng)計(jì)算曝氣量時(shí)就要根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的計(jì)算方法。

由于高原地區(qū)大氣壓和空氣中氧含量低，因此對(duì)污水處理廠(chǎng)的鼓風(fēng)供氣量影響較大，若工程設(shè)計(jì)中計(jì)算不當(dāng)，可能會(huì)影響污水處理廠(chǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。高原地區(qū)當(dāng)?shù)卮髿鈮号c標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相差較大，計(jì)算清水表面飽和溶解氧濃度Csm值則是按當(dāng)?shù)卮髿鈮河?jì)算的修正值，計(jì)算公式見(jiàn)式(5):

式中Cs——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)清水的飽和溶解氧濃度值，mg/L;

EA——曝氣裝置的氧利用率;

ρ——壓力修正系數(shù);

Csm——溫度為T(mén)、實(shí)際計(jì)算壓力條件下，曝氣裝置在水下深度處至水面的清水平均飽和溶解氧濃度，mg/L;

Csw——清水表面處飽和溶解氧濃度，mg/L;

Ot——曝氣池逸出氣體中含氧量百分率，%;

21——空氣中含氧量體積百分率，%;

Pb——安裝曝氣裝置處的絕對(duì)壓力，Kg/cm2。

Pa——所在地區(qū)的大氣壓力;

H——曝氣池中曝氣裝置位置處距水面的距離，設(shè)計(jì)中可取曝氣池有效水深，m

例:某污水處理廠(chǎng)生物池采用鼓風(fēng)曝氣、微孔曝氣器，曝氣器安裝深度H=4.5 m，其氧利用率為EA=23%，當(dāng)?shù)睾０胃叨? 000 m，設(shè)計(jì)水溫T=15℃，根據(jù)文獻(xiàn)［3］查出T=15℃，海拔3 000 m時(shí)，Cs=10.15 mg/L，Pa=0.745 Kg/cm2。

根據(jù)式(1)～(3)計(jì)算出Csw=7.46 mg/L。根據(jù)式(4)計(jì)算Csm=7.42 mg/L小于7.46 mg/L，根據(jù)式(5)～(6)計(jì)算出修正的 Csm=9.09 mg/L 大于7.46 mg/L。

因此可以看出，根據(jù)式(4)所計(jì)算出的Csm值小于Csw值，此結(jié)果將進(jìn)一步影響計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)供氧量(SOR)值和供氣量值的準(zhǔn)確性，并影響污水處理廠(chǎng)鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的確定和曝氣裝置數(shù)量，由此可造成鼓風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期低效運(yùn)行、能耗浪費(fèi)、建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)增加。應(yīng)適當(dāng)選擇功率更小的鼓風(fēng)機(jī)以滿(mǎn)足節(jié)能要求。

4 結(jié)論

(1)由于高原地區(qū)低溫、高寒，因此污水處理廠(chǎng)在建設(shè)和運(yùn)行中重點(diǎn)考慮設(shè)備設(shè)施的防凍問(wèn)題，冬季運(yùn)行應(yīng)努力保證硝化作用完全。

(2)由于高原地區(qū)空氣中含氧量低，在選用鼓風(fēng)機(jī)和溶解氧測(cè)定儀時(shí)應(yīng)著重考慮，鼓風(fēng)機(jī)應(yīng)采用適宜的冷卻方式。

(3)高原地區(qū)污水處理廠(chǎng)供氣量計(jì)算時(shí)，應(yīng)收集當(dāng)?shù)睾０胃叱?、大氣壓、空氣中含氧量、進(jìn)廠(chǎng)水溫等實(shí)測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算Csm，既要滿(mǎn)足運(yùn)行需求，同時(shí)達(dá)到節(jié)能降耗的效果。應(yīng)適當(dāng)選擇功率更小的鼓風(fēng)機(jī)以滿(mǎn)足節(jié)能要求。

［1］崔健.高原地區(qū)污水處理廠(chǎng)供氣量計(jì)算探討［J］.給水排水，2012，38(2):41-46.

［2］北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)第5冊(cè)—城鎮(zhèn)排水［M］.第2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］北京水環(huán)境技術(shù)與設(shè)備研究中心，北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，國(guó)家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心.三廢處理工程技術(shù)手冊(cè)(廢水卷)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.