01 設計水質及工藝流程
小湯山再生水廠的進水水質主要依據(jù)小湯山污水處理廠2013年1～11月實測的進水水質，并結合《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質標準》(CJ343-2010)確定;出水水質根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》(DB11/890-2012)規(guī)定的新(改、擴)建城鎮(zhèn)污水處理設施基本控制項目排放限值B標準，《城市污水再利用城市雜用水水質》(GB/T18920-2002)和《城市污水再利用景觀環(huán)境用水水質》(GB/T18921-2002)標準確定，主要出水指標(BOD5、COD、NH3-N、TP)可到地表水Ⅳ類水體標準。進出水水質見表1。
該水廠主要去除有機物、懸浮物、氮、磷等污染物，同時改善出水色度。原水可生化性好，碳源豐富，可采用生物脫氮除磷工藝，深度處理采用浸沒式超濾膜+臭氧消毒，進一步去除懸浮物及色度。工藝流程見圖1。
選擇經濟、合理、安全的技術方案及高效、實用的工藝設備，實現(xiàn)污水再生水利用、節(jié)能減排的目標;合理布局，節(jié)約用地，與周邊環(huán)境相協(xié)調，同時考慮近、遠期合理銜接;通過節(jié)能產品應用、景觀提升等方式，打造集生產、產品推廣、青少年科普教育、生態(tài)恢復、再生水的運用展示于一體的再生水廠。
02 設計難點及特點
根據(jù)《城市污水處理工程項目建設標準》(建標〔2001〕77號)，小湯山再生水廠建設規(guī)模類別為Ⅳ類(5萬～10萬m3/d)，工程允許的建設用地面積為7.6～9.6hm2，而小湯山再生水廠實際批復用地僅6.19hm2，用地緊張。該水廠是第一批執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》(DB11/890-2012)的水廠，出水部分指標達地表水Ⅳ類水體標準，可用于城市雜用水及景觀用水，水質要求高。因此小湯山再生水廠將占地面積小、出水水質高作為方案比選的主要條件，將MBR與多段式A2/O生物池+超濾膜兩個方案在占地、成本、處理效果等幾方面進行比選，經濟指標比較見表2。
MBR方案投資低，占地面積小，但成本及電耗高，出水水質保障率低;A2/O生物池+超濾膜方案投資高，對于6.19hm2占地面積而言布局稍顯緊湊，但考慮到該工程出水水質要求高，選取該方案可保證出水水質，運行穩(wěn)定，且運行費用低。因此，小湯山再生水廠選取多段式A2/O生物池+超濾膜工藝。
生物處理采用多段式A2/O生物池，生物池采用多段進水，可充分利用碳源，同時對污染物負荷進行平攤，提高系統(tǒng)抗沖擊能力。生物池前端設置完整A2/O段，具備完整生物除磷脫氮功能，設置后置缺氧段，引入原水作為碳源，進一步進行反硝化，氮去除率可達80%～85%。此外，由于污泥經過交替的缺氧、好氧，較好的抑制了污泥膨脹發(fā)生的概率，提高了沉淀池的效率，使得污泥回流比降低至50%。
浸沒式超濾膜適應低水溫運行工況，跨膜壓差小，運行費用低，可進一步降低水中懸浮物，此外，對細菌、大腸桿菌等微生物具有較強的去除能力。臭氧脫色的出水感觀效果好，水體透亮，接近正常的天然河水。該水廠污水經二級處理后，采用浸沒式超濾膜+臭氧深度處理，從廠區(qū)布局上盡可能少占地，從技術上保證出水水質穩(wěn)定達標、安全回用。
小湯山再生水廠目標是打造花園式再生水廠，可作為青少年科普活動基地。整個水廠分為生產區(qū)和生態(tài)區(qū)，生態(tài)區(qū)運用自然園林的手法，重點打造優(yōu)美的綠化、水生態(tài)環(huán)境，充分展示污水再生利用的成果;生產區(qū)運用多種生態(tài)處理池，應用多種節(jié)能產品，充分展示污水凈化的過程，倡導節(jié)能環(huán)保。
水廠在總體設計中充分考慮對小湯山鎮(zhèn)周圍的影響，粗格柵及進水泵房、細格柵及曝氣沉砂池、生物池厭氧區(qū)、缺氧區(qū)及污泥脫水系統(tǒng)均采用封閉方式，在封閉的池體上部種綠植并構建建筑小品。除臭設備放在生物池上，節(jié)約占地。
鼓風機采用效率高，噪音低的多級離心鼓風機，變頻控制。此外，生物池曝氣采用精確曝氣控制系統(tǒng)，根據(jù)實際水質、水量，調節(jié)鼓風機風量，實現(xiàn)溶解氧穩(wěn)定控制及節(jié)能降耗的目的。
該水廠工藝布置緊湊、管線連接簡潔，精確計算水泵揚程，并選效率不低于80%的大型污水泵，變頻控制，節(jié)約能耗。采用水源熱泵系統(tǒng)，使用可再生清潔能源，運行無任何污染，不產生廢渣、廢水、廢氣和煙塵，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。廠內的綠化、沖洗道路等用水優(yōu)先使用再生水，減少了自來水的消耗量，實現(xiàn)節(jié)水的目的。
除工藝設備外，再生水廠還應用了各種節(jié)能產品。建筑物使用加氣混凝土砌塊，廠區(qū)步道采用透水磚鋪裝，生物池頂設太陽能裝置用于全廠辦工照明，綜合辦公樓會議室、展示廳采用索樂圖日光照明，廠區(qū)路燈采用LED路燈。
03 主要處理構筑物設計
小湯山再生水廠一期工程設計規(guī)模為7萬m3/d，總變化系數(shù)為1.34，配水高時系數(shù)為1.65，生物池及清水池按平均流量設計，配水泵房按配水高時流量設計。粗格柵與進水泵房合建，粗格柵是用來去除可能堵塞水泵機組及管道閥門的較粗大懸浮物，并保證后續(xù)處理設施能正常運行。粗格柵采用三索式鋼絲繩牽引格柵，設3條獨立的格柵渠道(2用1備)。格柵間隙20mm。進水泵房將原水提升至后續(xù)處理單元。進水泵房設4臺潛水提升泵(3用1備)，2臺變頻，泵房集水池按5min單泵流量設計。細格柵與曝氣沉砂池合建，細格柵進一步去除污水中較大漂浮物，采用回轉式細格柵，設3條獨立的格柵渠道(2用1備)，格柵孔徑6mm。沉砂池采用除砂效果較好的曝氣沉砂池，設2條沉砂池，峰值流量時停留時間為8min。設橋式除砂機1臺。砂水分離器1臺。羅茨鼓風機2臺(1用1備)，變頻控制。
多段A2/O生物池與污泥泵房合建，生物池主要去除有機物、氮、磷，生物池設2組，每組生物池包括厭氧區(qū)、第一缺氧區(qū)、第一兼氧區(qū)、第一好氧區(qū)、脫氣區(qū)、第二缺氧區(qū)、第二兼氧區(qū)、第二好氧區(qū)、出水井，兼氧區(qū)可根據(jù)運行情況設為好氧區(qū)或缺氧區(qū)。生物池為厭氧區(qū)、第一缺氧區(qū)、第二缺氧區(qū)3點進水，利用配水堰及疊梁閘進行水量調節(jié)，3點進水量分別為20%～55%、25%～70%、10%～20%。在出水井處設立式攪拌器，可投加PAC進行化學除磷。
生物池總停留時間為20.9h，污泥濃度為3500～4000mg/L，污泥回流比為33%～100%，混合液回流比為100%～400%，剩余污泥量為13.5t/d，生化總實際需氧量為26861kgO2/d。
在每組生物池脫氣區(qū)設置混合液回流泵，使混合液回流至缺氧區(qū)進化反硝化反應，每組設4臺，全變頻。污泥泵房設污泥回流泵4臺(3用1備)，全變頻。設剩余污泥泵3臺(2用1備)，全變頻。
沉淀池采用周進周出的幅流式沉淀池，沉淀池主要進行泥水分離，設2座，每座直徑為48m，池邊水深4.5m。沉淀池平均流量表面負荷0.92m3/(m2˙h)，最大流量表面負荷1.19m3/(m2˙h)，名義停留時間4.89h。每座沉淀池設置1套中心傳動吸泥機，1套撇渣設備。
設集配水井1座，集配水井分為3環(huán)，內環(huán)為配水渠;第二環(huán)為出水渠;第三環(huán)為污泥渠，沉淀池排泥管設套筒閥，調節(jié)泥位。
采用浸沒式超濾膜過濾，超濾膜主要去除懸浮物、膠體、微生物等。膜車間包括提升水池、進水渠、排水渠、膜池、反沖洗水池、化學清洗水池、加藥間、空氣壓縮間、配電室、控制室。
膜池設7池，每個膜池設18個膜掛架，并預留1個膜掛架安裝空間，每個膜掛架上安裝16支膜元件。膜面積50m2，平均孔徑0.1μm，膜絲內徑0.7mm，膜絲外徑1.3mm，膜平均通量為31.5L/(m2˙h)，運行跨膜壓差≤4m，最大跨膜壓差7.5m。反洗為氣水聯(lián)合反沖洗，反洗周期30min，先氣擦30s，然后水沖45s;維護性化學清洗周期1～2d，恢復性化學清洗周期為1～2月，化學清洗藥劑為次氯酸鈉或檸檬酸，中和藥劑為亞硫酸氫鈉或氫氧化鈉。提升水池投加次氯酸鈉藥劑，防止藻類滋生。
膜車間設4臺提升泵(3用1備)，變頻控制，提升泵出水管上設保安過濾器3臺，濾網精度為1mm。膜池產水采用泵抽吸，每膜池各設1臺產水泵，變頻控制，設2臺反沖洗水泵(1用1備)，變頻控制，設化學清洗水泵2臺(1用1備)。
臭氧主要進行氧化、脫色反應，設2個廊道，臭氧投加分為3級，每級均布置微氣泡曝氣系統(tǒng)，最大投加率為5mg/L，投加濃度為10%(質量濃度)，臭氧接觸池池頂設尾氣破壞間，采用熱觸媒式臭氧尾氣處理裝置進行處理，使尾氣處理裝置出口處臭氧濃度低于0.1ppm。
清水池池頂覆土1.5m，設置綠化景觀。清水池分為2池，總調節(jié)容積5776m3，停留時間2h，低水位接觸時間0.52h，保證氯消毒效果時間要求。為了提高出水加氯消毒的效果，保證消毒劑與清水的有效接觸時間(CT值)，每格內設導流墻，長寬比為52.6。
配水泵房為半地下式鋼筋混凝土矩形結構，為干式泵房，泵房內近期設備安裝規(guī)模按3萬m3/d考慮，高時系數(shù)取1.65，近期設3臺臥式離心泵(2用1備)，2臺變頻。為遠期預留4臺泵位，遠期為5用2備，5臺變頻。水泵為中水位自灌式啟泵。
小湯山再生水廠的污泥集中處理，采用離心脫水機脫水至含水率80%后外運。污泥處理系統(tǒng)包括貯泥池、脫水機房、污泥轉運間、儲藥間、加藥間及配電室。儲泥池設2池，停留時間3h，每個儲泥池設潛水攪拌器1臺。脫水機房與污泥轉運間、儲藥間、加藥間及配電間合建。脫水機采用離心脫水機，共3臺(2用1備)，24h運行，污泥脫水后含水率<80%，安裝3臺污泥切割機、3臺污泥進料泵，用于脫水機進泥。污泥脫水后，由無軸螺旋輸送機輸送至泥餅泵，再由泥餅泵提升至污泥轉運間的污泥料斗內，設污泥料斗2個，每個容量為50m3，儲泥量1d，污泥由泥車外運。
該水廠除臭采用的是生物除臭，包括風機、散水泵、除臭塔等。除臭的建(構)筑物包括：粗格柵及進水泵房、細格柵及曝氣沉砂池、生物池厭氧區(qū)、缺氧區(qū)及污泥脫水系統(tǒng)。臭氧量主要根據(jù)水面面積計算，曝氣沉砂池包括曝氣量。設除臭塔和風機各2臺，單組臭氣處理量為17500Nm3/h，為節(jié)約占地、將生物除臭設備放在生物池頂。
將小湯山再生水廠打造成花園式水廠的目的在于展示節(jié)能環(huán)保及污水利用的成果，為青少年科普教育提供平臺。該水廠景觀設計采用中式風格，設計靈感來源于“水”，通過景觀手法以“塘”的形式展現(xiàn)出來。景觀主要位于配水區(qū)上，局部景觀效果見圖2。
該水廠冷熱源設計采用淺表水源熱泵技術，熱泵系統(tǒng)取水自細格柵出水井，熱泵機房內設3臺取水泵從細格柵出水井取水，取水干管上設置自動反沖洗過濾器;熱泵系統(tǒng)就近回水至廠區(qū)污水井。考慮細格柵出水井出水水質的情況，設置污水專用換熱器裝置間接換熱。
廠區(qū)內單體冬季計算總熱負荷668.7kW，夏季計算總冷負荷276.6kW。熱泵機房安裝3臺污水源熱泵機組，單臺制冷量290kW，制熱量288kW。冬季3臺同時運行供熱，夏季運行1臺為廠區(qū)附屬用房(綜合樓、傳達室)供冷。
04 結論
小湯山再生水廠采用多段A2/O工藝+浸沒式超濾+臭氧消毒+次氯酸鈉消毒工藝，出水主要用于城市雜用水及景觀用水。污水再生利用在水質缺水地區(qū)和城市范圍內具有較為廣闊的應用前景，本工程可為國內外同類工程提供借鑒模式和參考依據(jù)。水廠目前已基本建設完成，處于調試階段，正式運行后預計削減BOD54956.7t/a，COD9453.5t/a，SS6259.8t/a，NH3-N983.7t/a，TN1022t/a，TP145.6t/a，其環(huán)境、社會效益顯著。
