飲用水源地污水處理方案比選研究與應(yīng)用

翟 林

（廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510080）

0 引言

韓江是廣東省第二大江，發(fā)源于廣東省紫金縣七星崠，跨越江西、福建、廣東三省，流域面積3.01萬km2，干流總長(zhǎng)470 km[1]，上游由梅江和汀江組成，兩江在梅州市三河壩匯合后始稱韓江，由此穿山向南流至潮州市區(qū)北面竹竿山為中游。韓江下游從竹竿山南流過湘子橋（又稱廣濟(jì)橋，中國(guó)四大古橋之一），于仙洲島分流東、西、北溪流經(jīng)澄海、汕頭等市注入南海。韓江是粵東三市近千萬人的主要飲用水源地。受人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響，韓江流域水質(zhì)呈下降趨勢(shì)[1-2]。

水源地的水質(zhì)安全是保障人類健康生活的重要條件，決定社會(huì)的穩(wěn)定性及環(huán)境的安全性[3]。現(xiàn)對(duì)韓江潮州段水源地內(nèi)江心洲污水處理進(jìn)行比選研究，對(duì)其污水處理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)進(jìn)行介紹，以其他類似水源地的污水處理方案選擇提供借鑒。

1 區(qū)域概況

1.1 區(qū)位特征

潮州市位于廣東省東部，地處潮汕平原、韓江中下游。北與大埔、豐順縣交界，東與福建省詔安縣相鄰，東北與福建省平和縣接壤，南與汕頭市澄海區(qū)毗連，西與揭陽市接壤。

仙洲島為韓江潮州段的江心洲，屬人工填埋圍合形成的島嶼，島內(nèi)地勢(shì)平坦（見圖1）。該島位于潮州供水樞紐工程北側(cè)飲用水源地內(nèi)部，是水源地內(nèi)部唯一的一個(gè)較大污染源。

圖1 仙洲島區(qū)位圖

1.2 污染現(xiàn)狀

仙洲島全島面積約139.60 hm2，島內(nèi)主要為村莊和農(nóng)田，其中村莊主要集中于島內(nèi)西北部。現(xiàn)狀排水體制為雨、污合流制，生活污水等通過暗渠、排水管等排向東南側(cè)的排水渠，排水渠末端有1 座排澇泵站。島內(nèi)污水旱季主要通過排澇泵站間歇性臨時(shí)抽排，將污水抽排至簡(jiǎn)易人工濕地處理，尾水直排韓江。該人工濕地處理標(biāo)準(zhǔn)低、效果差；雨季合流污水通過排澇泵站直排韓江，對(duì)韓江飲用水源地造成污染。

1.3 治理需求

（1）解決仙洲島合流污水排放韓江水源地的問題，消除污水排放口對(duì)生活飲用水的威脅，保障引用水源地水安全。

（2）解決排澇泵站旱季臨時(shí)抽排污水、雨季排澇的問題，剝離污水處理與排澇功能，構(gòu)建合理可靠的污水處理系統(tǒng)。

（3）完善仙洲島內(nèi)污水處理基礎(chǔ)設(shè)施，為仙洲島城建開發(fā)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供基礎(chǔ)條件，促進(jìn)城建發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的和諧統(tǒng)一。

2 方案比選研究

結(jié)合潮州市，相關(guān)規(guī)劃和仙洲島的建設(shè)現(xiàn)狀，經(jīng)過調(diào)研分析，提出四種方案：

方案一，就地處理、就地排放，即島內(nèi)建設(shè)污水處理廠1 座，污水經(jīng)處理達(dá)到地表V 類標(biāo)準(zhǔn)（總氮除外）后，尾水排放韓江。方案二，就地處理、中水回用，即島內(nèi)建設(shè)污水處理廠1 座，污水經(jīng)處理達(dá)到地表V 類標(biāo)準(zhǔn)（總氮除外），滿足中水回用需求，經(jīng)中水泵站二次提升后采用DN250 壓力管過潮州大橋、潮楓路，最終排放至三利溪，作為河涌補(bǔ)充水源，同時(shí)作為市政道路景觀綠化、道路清潔等回用水。方案三，提升泵站、穿江、異地處理，即建設(shè)污水提升泵站1座，污水經(jīng)提升后采用DN250 壓力管下穿韓江后接至潮州大道d600 污水管，去向潮州第一污水處理廠處理。方案四，提升泵站、上橋、異地處理，即建設(shè)污水提升泵站1 座，污水經(jīng)提升后采用DN250 壓力管過潮州大橋后排放至潮州大道d600 污水管，去向潮州第一污水處理廠處理。四種方案對(duì)比見表1 所列。考慮到處理效果、施工難度、維護(hù)難度、占地面積等，初步采用方案二。

表1 污水處理方案對(duì)比表

（1）從規(guī)劃及規(guī)范來看，方案一與《潮州市城市總體規(guī)劃》矛盾，規(guī)劃中明確要求韓江不得作為污水處理廠納污水體；方案三中韓江屬省管河道，設(shè)計(jì)、施工方案需報(bào)省級(jí)水利、航道等主管部門審批；方案四不滿足強(qiáng)制性條文“不得在橋上敷設(shè)污水管、壓力大于0.4 MPa 的燃?xì)夤芎推渌扇肌⒂卸净蚋g性的液、氣體等”[4]。

（2）從污水處理效果來看，方案一和方案二處理效果較好，對(duì)其它污水系統(tǒng)沒有影響，方案二還可以作為中水回用，補(bǔ)充河涌和市政雜用。而方案三和四將污水轉(zhuǎn)輸至其它污水處理系統(tǒng)，增加其它污水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

（3）從施工來看，方案一和方案二雖然施工體量較大，但施工難度不大、風(fēng)險(xiǎn)可控；方案三涉及下穿韓江及外江堤防，施工難度較大，風(fēng)險(xiǎn)較高；方案四施工難度最小。

（4）從運(yùn)營(yíng)維護(hù)來看，方案一和方案二雖然維護(hù)量大，但比較便利；方案三中污水管運(yùn)維期間若出現(xiàn)滲漏，難以發(fā)現(xiàn)，維修維護(hù)困難，存在較大的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)；方案四維護(hù)最簡(jiǎn)單。

3 工程設(shè)計(jì)與特點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

根據(jù)潮州市仙洲島的建成現(xiàn)狀與發(fā)展規(guī)劃，采用分類水量預(yù)測(cè)法和不同建設(shè)用地指標(biāo)法預(yù)測(cè)污水量，推算至2020 年仙洲島污水系統(tǒng)污水量為0.25 萬m3/d，2030 年仙洲島污水系統(tǒng)污水量為0.50 萬m3/d。

3.2 設(shè)計(jì)水質(zhì)

仙洲島污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)重點(diǎn)參考周邊城鎮(zhèn)發(fā)展態(tài)勢(shì)以及潮汕地區(qū)居民生活習(xí)慣類似的、同類型鄰近地區(qū)的城市污水處理廠實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)、設(shè)計(jì)水質(zhì)而確定。出水水質(zhì)在滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 及《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)（總氮≤15 mg/L）的較嚴(yán)值要求，同時(shí)滿足《城市污水再生利用- 城市雜用水水質(zhì)》《城市污水再生利用- 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》相關(guān)要求，具體見表2 所列。

表2 潮州市仙洲島污水處理廠工程設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)一覽表

3.3 工藝流程

仙洲島污水處理廠污水處理采用AAO 工藝，深度處理采用反硝化深床濾池+ 高效沉淀池工藝，污泥處理采用重力濃縮+ 高壓彈性壓濾工藝，消毒采用次氯酸鈉消毒工藝，除臭采用生物除臭工藝。工藝流程如圖2 所示。

圖2 工藝流程圖

3.4 總體布置

污水處理廠的布置形式分為地面敞開式- 常規(guī)半地下式、單層加蓋半地下式、雙層覆蓋半地下式、全地下式和洞穴式或隧洞式5 種[5]。仙洲島污水處理廠位于仙洲島南端，潮州大橋南側(cè)，詳見圖3。在城市控規(guī)上遠(yuǎn)離城市居民區(qū)，考慮到工程投資、對(duì)現(xiàn)狀堤防的影響等問題，仙洲島污水處理廠采用地面敞開式，綜合樓、綜合輔助車間、細(xì)格柵等均采用全地上式建筑，消毒池、高效沉淀池、反硝化深床濾池等采用半地下式。廠區(qū)總體布置緊湊，整體以白色為主題，與周邊的水體、橋梁景觀交相呼應(yīng)，建設(shè)總圖如圖4 所示。

圖3 仙洲島污水處理廠選址圖

圖4 仙洲島污水處理廠布置圖

3.5 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

（1）粗格柵及提升泵房：粗格柵與提升泵房合建，1 座，采用沉井式結(jié)構(gòu)，土建規(guī)模0.50 萬m3/d，設(shè)備規(guī)模0.25 萬m3/d?？紤]堤防、潮州大橋等因素，創(chuàng)新性地將粗格柵及提升泵房設(shè)置在廠外。粗格柵井分為2 格，設(shè)2 臺(tái)回轉(zhuǎn)式格柵除污機(jī)，近期1 用1 備，遠(yuǎn)期2 用，柵寬B=0.8 m，柵隙寬b=20 mm，安裝角度α=75°，設(shè)泵位3 個(gè)，近期安裝水泵2 臺(tái)，1 用1備，單泵性能參數(shù)Q=196 m3/h，H=20 m，N=22 kW。粗格柵與泵站采用沉井式泵站，節(jié)約占地面積。

（2）細(xì)格柵渠及沉砂池：細(xì)格柵渠與沉砂池合建，設(shè)計(jì)規(guī)模0.5 萬m3/d。細(xì)格柵渠設(shè)2 條格柵渠道，安裝2 臺(tái)回轉(zhuǎn)式細(xì)格柵，近期1 用1 備，遠(yuǎn)期兩用，柵隙5 mm，渠道寬度700 mm，渠道深度1.3 m，柵前水深0.6 m。沉砂池采用旋流沉砂池，設(shè)2 座，近期1 用1 備，遠(yuǎn)期兩用，每座直徑2.13 m，沉砂區(qū)水深0.80 m，砂斗直徑0.91 m，砂斗深度1.52 m。

（3）生化組合池：AAO 池、平流二沉池與污泥回流泵站合建，規(guī)模均為0.25 萬m3/d。AAO 池按照溶解氧濃度變化分為厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)，水力停留時(shí)間為12.76 h，其中厭氧區(qū)1.54 h，缺氧區(qū)3.08 h，好氧區(qū)8.13 h，有效水深H=4.7 m，污泥濃度MLSS=3.5 g/L，污泥負(fù)荷Fw=0.08 kgBOD5/（kgMLSS·d），污泥齡θ=14 d，剩余污泥量90 m3/d。設(shè)平流二沉池1 座，分1 格，有效水深H=3.25 m，設(shè)計(jì)表面負(fù)荷q=1.2 m3/（m2·h），回流污泥濃度Xr=10.5 g/L，水平流速v=3.35 mm/s，沉淀時(shí)間T=1.98～3.74 h；安裝鏈?zhǔn)焦文鄼C(jī)1 臺(tái)，刮泥機(jī)寬4.3 m，長(zhǎng)27.9 m，行走速度V=0.3～0.5 m/min，功率N=0.37 kW。污泥回流泵房回流污泥量104 m3/h，剩余污泥量90 m3/d，污泥回流比50%～100%。

（4）高效沉淀池（磁混凝）：土建規(guī)模0.50 萬m3/d，分為2 格雙排對(duì)稱布置，尺寸L×B×H=12.15 m×10.5 m×8.6 m，近期安裝、使用1 格。混凝階段T1反應(yīng)池水力停留時(shí)間130 s，T2 反應(yīng)池水力停留時(shí)間127 s，T3 反應(yīng)池水力停留時(shí)間283 s，總混凝反應(yīng)時(shí)間9.11 min。采用斜管沉淀，有效沉淀區(qū)表面負(fù)荷11.3 m3/（m2·h）污泥循環(huán)系數(shù)4%～10%。

（5）反硝化深床濾池：與遠(yuǎn)期合建，設(shè)計(jì)規(guī)模0.50 萬m3/d，設(shè)1 座反硝化深床濾池，尺寸L×B×H=20.1 m×15.5 m×10.38 m，分為3 格，單格有效過濾面積16.12 m2，近期平均濾速2.15 m3/（h·m2）、遠(yuǎn)期4.31 m3/（h·m2），濾料為石英砂，粒徑2～3 mm，厚度H=1.83 m。近期反硝化速率0.14 kgNH4-N/（m3·d），遠(yuǎn)期0.28 kgNH4-N/（m3·d）。設(shè)反洗風(fēng)機(jī)2 臺(tái)，1 用1備，單臺(tái)風(fēng)機(jī)流量Q=25.9 m3/min，風(fēng)壓P=0.68 bar，電機(jī)功率55 kW；設(shè)反洗泵2 臺(tái)，單臺(tái)流量Q=250 m3/h，揚(yáng)程H=11 m，電機(jī)功率15 kW；設(shè)反洗廢液排放泵2臺(tái)，單臺(tái)流量Q=100 m3/h，揚(yáng)程H=16 m，電機(jī)功率7.5 kW。在加藥間預(yù)留投加純度為15%的液態(tài)乙酸鈉作為碳源位置。

（6）接觸消毒池：與消毒池加藥間、尾水泵房、巴式計(jì)量槽合建。采用次氯酸鈉消毒工藝，設(shè)消毒池1座，尺寸L×B×H=14.4 m×8.9 m×3.1 m，設(shè)計(jì)4 個(gè)廊道，近期使用2 個(gè)廊道，平均時(shí)停留時(shí)間31.04 min，最大時(shí)停留時(shí)間57.90 min，遠(yuǎn)期使用4 個(gè)廊道，平均時(shí)停留時(shí)間33.23 min，最大時(shí)停留時(shí)間57.90 min，有效水深2.05 m。

（7）鼓風(fēng)機(jī)房：與機(jī)修間、加藥間、變配電間合建，采用空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)，共設(shè)3 個(gè)鼓風(fēng)機(jī)安裝位。鼓風(fēng)機(jī)房主要向AAO 池供氣，近期需氣量6.19 m3/min，氣水比6.74∶1，近期安裝2 臺(tái)風(fēng)機(jī)，1用1 備，單臺(tái)風(fēng)量Q=10.0 m3/min，調(diào)節(jié)范圍50%～100%，風(fēng)壓P=0.6 bar。

（8）污泥濃縮池：設(shè)1 座重力濃縮池，與遠(yuǎn)期合用，池體直徑6.0 m，有效水深H=4.0 m，污泥濃縮時(shí)間近期30 h、遠(yuǎn)期15 h，進(jìn)泥含水率99.2%，濃縮后污泥含水率97%，濃縮池內(nèi)設(shè)刮泥機(jī)1 套，單機(jī)功率N=0.55 kW。

（9）污泥脫水車間：采用板塊壓濾污泥處置工藝，直降將污泥含水率97%污泥脫水至含水率60%以下，與遠(yuǎn)期合用。設(shè)計(jì)污泥干化車間1 座，尺寸L×B=20.34 m×13.58 m，脫水機(jī)區(qū)域?qū)痈?2.05 m，加藥區(qū)層高5.9 m。污泥處理規(guī)模為720 kgDs/d，安裝1 套板框壓濾機(jī)。

3.4 中水管道過橋設(shè)計(jì)

中水管道敷設(shè)分三段：（1）污水廠—潮州大橋上橋段，中水管道自污水廠中水泵房接出，沿著潮州大橋下方南側(cè)綠化帶敷設(shè)，管徑D273×8，長(zhǎng)度約0.52 km；（2）潮州大橋上橋段—下橋段，中水管道仙洲島西岸上橋后沿潮州大橋南側(cè)人行道下敷設(shè)，利用潮州大橋人行道設(shè)計(jì)預(yù)留給排水管道管位，從韓江西岸下橋至地面，管徑D250，長(zhǎng)度約0.54 km；（3）潮州大道—七樅松溝段，沿著潮州大道南側(cè)人行道敷設(shè)，在南校西路路口匯入排水箱涵（七樅松溝），敷設(shè)管徑D273×8，長(zhǎng)度約0.36 km。在環(huán)島路、南堤路等路段處預(yù)留中水取水口。

3.5 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）粗格柵及污水提泵房設(shè)置在廠外，解決過堤防和橋梁難題。污水處理廠用地處于仙洲島防洪母堤之外，子堤之內(nèi)，母堤與子堤之間為新建的潮州大橋。如采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，埋深約8 m 污水主管需同時(shí)下穿堤防和潮州大橋，對(duì)堤防、橋梁安全性影響較大，施工風(fēng)險(xiǎn)極高。對(duì)此，創(chuàng)新性地將原應(yīng)設(shè)置在廠內(nèi)的粗格柵及污水泵站設(shè)置在廠外，采用D325×8壓力鋼管淺埋過堤防、潮州大橋橋墩群，有效降低了施工風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)既有堤防、橋梁的影響。

（2）污水生化處理、消毒出水等構(gòu)筑物采用合建組合池形式，節(jié)約用地。該項(xiàng)目用地面積僅為8803 m2，面積較小，將AAO 池、二沉池和污泥回流泵房合建，將次氯酸鈉消毒池（含消毒加藥間）、巴氏計(jì)量槽、尾水泵房合建，將機(jī)修間、配電間、鼓風(fēng)機(jī)房、加藥間等合建，噸水占地面積1.76 m2/（m3·d），用地集約性較高。

（3）深度處理采用先進(jìn)的“高效沉淀池+ 反硝化深床濾池”工藝。二沉池出水SS 濃度一般在20 mg/L，TP 濃度也不能滿足排放要求[6]，含氮化合物和BOD等其他等污染物也難以達(dá)到要求，一方面需強(qiáng)化生物脫氮的硝化和反硝化過程，另一方面需強(qiáng)化混凝沉淀，確保SS、TP 出水水質(zhì)的達(dá)標(biāo)。經(jīng)綜合考慮，選定“高效沉淀池+ 反硝化深床濾池”工藝，同步設(shè)置超越反硝化深床濾池的管線，在污水廠建成早期，如進(jìn)水水質(zhì)偏低，則進(jìn)行超越。

（4）尾水二次提升過橋，解決尾水二次污染問題，提供中水回用。仙洲島地處韓江引用水源地，水源地不允許新增排污口，尾水直接排放方式不可行，而污水管又不能上橋[4]。因此，將污水處理標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定在能滿足中水回用的需求，將尾水（中水）提升后，通過中水管道過潮州大橋后排放至中心城區(qū)劣V 類河涌，作為河涌補(bǔ)水。此外，在中水管上設(shè)置取水閥門，供市政雜用。

（5）選擇合適的管材，防止管道拉伸斷裂隱患。考慮到橋梁根據(jù)行車、季節(jié)變化存在震動(dòng)、熱脹冷縮等情況，在橋梁段中水管管材采用PE 管，并在管道過橋梁伸縮縫兩側(cè)各加裝可曲撓橡膠接頭，防止管道和橋梁的不均勻變化引起管道拉伸斷裂。

4 結(jié)語

飲用水源地的污水處理應(yīng)綜合考慮治理效果、工程投資、施工影響等各方面的要求及條件。本文結(jié)合韓江水源地江心洲的工程實(shí)例，經(jīng)對(duì)比研究論證，確定采用“就地處理+中水回用”技術(shù)方案。

仙洲島污水處理廠及配套管網(wǎng)工程于2021 年6月完成竣工驗(yàn)收，并穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)超過一年半，運(yùn)行效果良好，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。建成后每年可截流大量的污染物，大幅度削減了仙洲島排入韓江的水污染負(fù)荷，對(duì)保障韓江飲用水竹竿山斷面水質(zhì)安全具有重要意義，同時(shí)提供中水補(bǔ)河涌及市政雜用，環(huán)境、社會(huì)效益顯著。