城市污水处理工程设计中值得探讨的几个问题

城市污水处理工程设计中值得探讨的几个问题水是我们人类所共有的、有限的资源。大气中的水分变成雨水降到地表，其中一部分蒸发或者渗入地下，而大部分泄入江河，流到大海，再通过江、海、河、湖返回大气中，形成完整的大自然水循环体系。在这一循环过程中，人类所利用的水被污染，而被污染的水只有经过处理得到净化，才能重新回到大自然的水循环体系中。因此，污水处理的作用是极为重要的，是保护人类水环境，提供舒适的生活空间及作为资源有效利用所必须的和必不可少的重要环节。城市污水处理工程设计是一个综合性极强的系统工程，涉及的学科多，相关部门多，其中任何一个环节不合理都会给工程设计带来影响和造成不同程度的损失。(一)城市污水处理工程设计基本条件处（1）处理规模：处理规模的确定主要与下列因素有关：★城市人口：包括常住人口和流动人口。通常是根据城市总体规划近、远期及远景人口预测来确定的。当城市总体规划编制年限较早，尚未修编或修编中，需对现状人口核实并进行合理的分析和预测。同时，确定人口时，要特别注意旅游城市在旅游旺季出现人口峰值的特点及对城市污水量变化系数的影响。★城市性质及经济水平城市所在地域、自然条件、经济发达程度、人民生活习惯及住房条件不同，城市居民用水量标准不同，因而城市污水量亦不同。★城市排水体制城市排水体制分为分流制和合流制。一般新建城市、扩建新区、新建开发区及经济条件较好的城市宜采用分流制；一些大中型城市中已建成的旧城区由于历史原因，一般为合流制，可改造成截流式合流制。根据城市具体情况，同一城市的不同地区可采用不同的排水体制。城市排水体制的选择直接影响污水量规模，当采用分流制时，设计污水量全部为城市污水（包括生活污水和工业废水等），当采用截流式合流制和分流制组合系统时，必须考虑截流式合流系统中排入的雨水量，该雨水量与设计截流倍数有关，应进行科学分析后合理确定。★工业废水量由于城市结构各异,工业类型和工业比重不同，因而，工业废水量及水质量不相同。根据“城市污水处理工程项目建设标准”，工业废水经工厂内自行处理，达到“污水排入城市下水道水质标准”（cj3082-1999）后，优先考虑纳入城市污水收集系统，与城市生活污水合并处理。因此，工业废水量是城市污水处理厂确定处理规模的重要组成部分，必须对其废水量进行充分调查研究，合理确定工业废水量。★污水管网完善程度污水管网完善程度对城市污水处理厂设计规模确定十分重要。管网的作用主要是承担城市污水的收集和输送。目前我国各城市管网建设程度不同，输送能力则不相同，如果将其定义为“污水收集率”，则各城市现状污水收集率和规划污水收集率均不相同。当设计流域范围内处理污水量确定后，必须乘以污水收集率才能得到排入污水处理厂的实际污水量，换句话说，当需要保证该处理厂具有一定处理能力时，必须有相应规模的配套污水管网同步建成。★规划年限规划年限是合理确定污水处理厂近、远期及远景处理规模的重要因素。应与城市总体规划期限相一致。根据“城市排水工程规划规范”（1997年版）对规划年限条文的说明，设城市一般为20年，建制镇一般为15～20年。规划年限分期，原则上应与城市总体规划和排水专项规划相一致。一般近期按3～5年，远期按8～10年考虑。综上所述，将各相关因素进行全面的有机的综合分析后，便可合理的确定处理规模。（2）污水处理厂进水水质污水处理厂进水水质主要与下列因素有关：★城市性质及经济水平如处理规模部分中所述，由于城市所在地域及经济发展程度不同，污水的水质亦不相同。例如沿海发达城市和南方城市用水量较大，污水浓度较低；北方城市特别是西部地区用水量较少，相对浓度较高；工业比重大的城市，由于工业废水排入下水道的浓度较高，致使城市污水浓度较高等。★工业废水水质原则上工业废水必须经过厂内处理后达到“污水排入城市下水道水质标准”后才可纳入城市管网，最终进入污水处理厂。但由于目前我国对点源污染的管理体制和手段尚未健全，工业废水不经处理后直接排入城市下水道的现象屡有发生；因此在确定污水处理厂设计进水水质时，必须充分考虑该因素的影响而留有余地。★其它污染源除生活污水和工业废水污染源外，常常还有农牧业污染和城市垃圾卫生填埋场内渗滤液的纳入等因素。因此在确定污水处理厂进水水质时，应对上述水量及水质进行综合平衡计算。★排水体制当排水体制采用全部或部分截流式合流制时，应注意由于截流倍数、截流水量而造成的污水浓度的变化给进水水质确定带来的影响。（3）处理厂出水水质处理厂出水水质应根据排入受纳水体的环境功能要求，水体上下游用途及水体稀释和自净能力等，使出水口水质符合国家或地方有关标准。当排入封闭或半封闭水体（包括湖泊、水库、江河入海口）时，为防止富营养化发生，应注意控制出水中TN和TP的浓度。我国北方地区一些河流常年没有补给水源，基本属排污河，排入该河流的污水处理厂处理水应执行的标准需与环保部门研究商定。由于目前水资源严重不足，各城市都在积极推广污水回用，如果二级处理后出水作为回用水输送至用户时，应根据用户对水质要求及国家或地方的相关标准等制定污水处理厂出水水质。（4）污水、污泥资源化选择技术工艺方案时应同时考虑污水和污泥综合利用。污水作为水资源已逐步被排水领域业内人士所接受，污水回用势在必行。新建城市污水处理厂时，应将污水净化和污水回用一并考虑，根据回用水用户对水量和水质的需求，按照国家和地方回用水水质标准，进行包括回用水处理工艺在内的全流程工艺设计。同时，随着污水处理设施的完善污泥产量呈增加的趋势，特别是大型污水处理厂，污泥的处置已成沉重的包袱，因此污泥利用也逐渐受到重视。在达到稳定化无害化标准的前提下，优先考虑制肥，利用于农田或绿化，或可作建筑材料及能源利用。为此污泥利用也要进行用户需求和市场调查。（二）不同规模的城市污水处理厂处理工艺选择（1）选择主要原则根据污水水量、水质和处理水排放出路（受纳水体或污水回用），结合当地自然条件、经济状况、技术水平及管理人员素质，进行多方案技术经济比选后再行确定，至少考虑三个比选方案为宜。选择主要原则如下：★首先应采用能够保证处理要求和处理效果的技术合理、成熟可靠的处理工艺。同时可结合处理厂所在城市的具体情况和工程性质，积极稳妥的采用污水处理新技术和新工艺，对在国内首次选用的新工艺、新技术、必须经过中试或生产性实验，提供可靠的设计参数后方可采用。★工程造价低，省能耗，省运行费及占地少。★运行管理简单，控制环节少，易于操作。★因地制宜，结合处理厂所在地区特点，污水处理可分期、分级实施。（2）不同规模污水处理厂工艺选择★建设规模根据城市污水处理工程项目建设标准（修订）建设规模类别如下：I类50~100万m3/dⅡ类20~50万m3/dⅢ类10~20万m3/dⅣ类5~10万m3/dⅤ类1~5万m3/d2002年2月机械科学研究院调查资料列举我国已建、扩建、新建污水处理厂248座，其中Ⅰ类6座，Ⅱ类31座，Ⅲ类90座，Ⅳ类66座，Ⅴ类50座，＜1万m3/d5座。可以看出，Ⅱ类至Ⅴ类数量较多，其中Ⅲ类Ⅳ类最多，即5万m3/d~20万m3/d规模的污水处理厂比重最大。★处理工艺选择根据上述规模分析，笔者将建设规模的划分定位于≥20万m3/d，10～20万m3/d和5～10万m3/d三个类别。另外，由于处理工艺选择相关影响因素较多，如处理水质目标值，处理厂所在地经济水平，土地资源，自然条件及管理水平等。为方便选择，本文拟将除磷脱氮功能要求和占地面积紧张程度作为主要比选条件。现将目前国内常用的工艺技术比选列表如下：不同处理规模工艺技术方案选择表≥20万m3/d10~20万m3/d5~10万m3/d除磷胺氮要求严格除磷胺氮要求一般除磷胺氮要求严格除磷胺氮要求一般除磷胺氮要求严格除磷胺氮要求一般占地面积一般占地面积狭小占地面积一般占地面积狭小占地面积一般占地面积狭小占地面积一般占地面积狭小占地面积一般占地面积狭小占地面积一般占地面积狭小传统活性污泥法○○○○△△A/O除磷生物法△○△△△○×△△○×A2/O生物法（包括改进型）○△×○△×○△×*传统氧化沟法○○厌氧池+氧化沟法××○△○×奥贝尔氧化沟法△○△○传统SBR法△○CASS法△○C-TECH法△○△△DAT-IAT法○△UNITANK法××△○AB法△△△△注：图中“○”为优，“△”为良，“×”为可。*传统氧化沟法包括单沟、双沟、三沟、DE型和卡罗塞尔型氧化沟。从表中可以看出，国内污水处理工艺大多采用活性污泥法。活性污泥法主要分为以下几大类：(1)传统活性污泥法及其改进型（A/O，A2/O等）(2)氧化沟法（卡罗塞尔型，三沟式，双沟式，DE型，奥贝尔型等）及其改进型（各类型氧化沟前设置厌氧池或选择池等）(3)SBR法及其改进型（CASS，C-TECH，DAT-IAT，MSBR等）(4)AB法及其改进型（AB(A/O),AB(A2/O),AB(氧化沟),AB(SBR),AB(BAF)）(5)其它类型，如UNITANK，水解酸化-好氧法等。上述改进型，均为除磷脱氮要求而逐渐发展起来的新技术。各种处理工艺技术都有着各自的适用条件和特点，大规模污水处理厂宜选用传统活性污泥法及其改进型。其原因：★去除有机物或N、P效率高；★工艺流程中设有初沉池；★厌氧、缺氧、好氧功能分区明确；★污泥采用中温厌氧消化；★处理规模超过一定量后，基建费可降低。因此，传统活性污泥法及改进型出水水质稳定，处理全流程能耗小，运行费用较低，并且规模越大，优势越明显。而中小规模污水处理厂，特别当规模≤10万m3/d时，宜选用氧化沟法及其改进型和SBR法及其改进型。其原因：★去除有机物及N、P效率高；★抗冲击负荷能力强；★不设初沉池或不设初沉池及二沉池，设施简单，省基建费，方便管理；★基建费低，且规模越小，优势越明显；★处理设备基本可实现国产化，设备费大幅降低。由于中小城市水量、水质负荷变化大，经济水平有限，技术力量相对薄弱，管理水平相对较低等特点，采用SBR和氧化沟及其改进型是适宜的。在10～20万m3/d类别范围内除上表列出的常用处理工艺外,笔者推荐两种目前还未广泛应用的处理工艺。其一为氧化沟型的微孔曝气生物法，该工艺将氧化沟表曝型改为底曝型，即氧化沟内设置水下搅拌机和非满布的微孔曝气器，既保留了氧化沟沿水流方向间断曝气和循环流的特点，又克服了氧化沟因采用表面曝气机而占地面积大、充氧效率低、水流断面流速不均、池底易沉淀等不足，在有条件的地区可推广使用。其二为水下曝气器型生物法（OKI），即将池底部的微孔曝气器改为水下曝气器，因该曝气器兼有曝气切割气泡和混合搅拌的多种功能，既避免了微孔曝气堵塞后充氧效率下降的缺点，又可适应实际运行中水质的变化而改变各池运行工况，形成厌、缺、好多种排列组合方式运行，操作灵活，适应性强。该工艺曝气气泡属于小气泡，与微气泡相比，氧的利用率低，但其设置水深可达十二米，提高了氧的分压，从而提高了氧的利用率。设计选用时，上述两种工艺可根据不同地区情况，经技术经济比选后确定。该工艺已在厦门海仓投资区嵩屿污水处理厂使用并投产运行。(三)污水处理工程设计中值得探讨的几个问题目前，我国排水领域在污水处理工程设计方面已渐趋规范化，各设计阶段的深度及工程设计内容基本满足国家有关规定，设计参数的选择也基本符合国家和各部门的相关标准和规范，但仍然有一些问题需予以重视并值得探讨。（1）污水管网设计城市污水管网担负着城市污水的收集和输送，是连接污水产生源和污水处理厂的重要的、不可缺少的环节，拟研讨的主要因素有以下几个方面：★污水管网规划年限一般污水主干管或次干管都沿城市主干道或支干道敷设，而且由于大多为重力流，较其它市政管线埋设深度深，因此改建和扩建较为困难。一般应按远期污水量设计，在一些大城市和经济发达城市可按远景污水量设计。此外，根据管线重要性不同，设计年限亦有差异，一般城市主干管设计年限长，一次建成后相当长时间不再扩建，次干管、支管和接户管等设计年限可依次降低。根据“城市排水工程规划规范”GB50318-2000，城市排水工程规划的期限应与城市总体规划期限相一致，设市城市一般为20年，建制镇一般为15