高碑店污水處理廠二期工程設計
1 前言
高碑店污水處理廠是北京市建設的第一座大型城市污水處理廠，也是目前國內最大的城市污水處理廠，其處理規(guī)模為100萬m3／d，按照北京市的遠景規(guī)劃，其最終規(guī)模將達到250萬m3／d。該廠位于北京市東郊朝陽區(qū)高碑店鄉(xiāng)，距市中心約14Km，它承擔著市區(qū)的生活污水及東郊地區(qū)的工業(yè)排水的處理，總流域面積約100Km2，服務人口約240萬。
工程建設分二期進行，一期工程已于1993年12月竣工投產；二期工程于1996年10月開工，1999年9月竣工通水。目前，高碑店污水處理廠的處理規(guī)模已達到100萬m3／d，處理的污水量占全市污水總量的40％，從而使北京市的城市污水處理率從25％提高到46％，對改善北京的環(huán)境衛(wèi)生及東郊地區(qū)通惠河水系的污染起了重要作用。
2 工程必要性
高碑店污水處理廠一期工程（50萬m3／d）于1993年12月竣工通水孀懦鞘屑骯ひ搗⒄，该系蛙嚹蕦?strong>污水量，已達到80萬m3／d，預計到本世紀初污水量將達到100～110萬m3／d。只有一期建成的50萬m3／d處理能力，遠趕上不上水量的發(fā)展，同時從根本上說對通惠河水系的污染沒有根本解決。為了貫徹北京市政府關于北京環(huán)境治理，“天蘭、水清、地綠”的戰(zhàn)略目標，徹底改善通惠河的水質，解決污水對下游的污染，有必要修建高碑店污水處理廠二期工程。使總處理能力達到100萬m3／d。
二期工程設計在總結一期工程設計、施工、運轉的基礎上，在工藝上、設備上、結構形式上，進行了多項改進，使設計更加先進合理。
3 設計數(shù)據
3.1 污水量及處理規(guī)模
根據北京市市政工程管理處自1987年以來的統(tǒng)計資料及發(fā)展預測，到1999年通惠河南岸污水系統(tǒng)建成，生活污水量將達到72.5萬m3／d，工業(yè)廢水量38萬m3／d，總計高碑店污水處理廠的總污水量將達到110.5萬m3／d。本工程設計規(guī)劃按100萬m3／d考慮，總變化系數(shù)采用1.2，處理廠最大負荷為120萬m3／d。
3.2 污水水質及處理標準
原污水水質：
BOD5 ＝200mg／l
CODCr ＝500mg／l
SS ＝250mg／l
NH3－N ＝30mg／1
PH 6—9
T（水溫）15℃—25℃
處理廠出水水質標準：處理廠出水指標執(zhí)行國家二級排放標準（GB8978－88）
BOD5≤20mg／1
SS≤30mg／l
NH3－N＜3mg／l
3.3 處理廠出水的回用途徑
① 農業(yè)灌溉：這是處理廠出水的主要出路，但有季節(jié)性，一年中只有半年灌溉，出水須另謀出路。
② 工業(yè)回用：在一些先進國家，經二級處理的出水，再經深度處理用于對水質要求不高的工業(yè)，如洗滌、淬火、冷卻等。在北京污水回用潛力最大的是作為工業(yè)冷卻，如熱電廠發(fā)電機組的循環(huán)冷卻補充水，化工廠的設備冷卻等，這樣可作為城市的第二水源，將大大緩解北京水資源緊缺的狀況。
③ 市政雜用水：澆灑綠地、清掃道路、沖廁等。
④ 河湖景觀用水：北京的河道水面水源來自人工水庫，每年換水次數(shù)有限，水質狀況不佳，如將處理后的出水補給河道及公園河湖增加水面，可以美化城市環(huán)境。
4 處理方法及工藝流程
污水處理采用先進的缺氧好氧活性污泥法，即A0法延長曝氣時間，使出水完全硝化；在二期工程中，其中一個系列、25萬↑T／d曝氣池設計采用除氮工藝，增加內回流，回流量達200％，提高了出水的除氮效果，擴大處理水的再利用。
污泥處理采用重力濃縮脫水，兩級中溫消化。消化過程產生的沼氣用于發(fā)電，以補充廠內的能源消耗。廢熱回收用于消化池加熱。
廠內設置了1萬m3／d的回用水深度處理設施。處理工藝為混凝沉淀、砂濾和消毒。出水用于廠內的設備清洗、沖洗車輛、綠化和清掃。
5 廠區(qū)平面布置及主要構筑物設計參數(shù)
5.1 平面布置
高碑店污水處理廠是一座大型城市污水處理廠，其處理構筑物的池形、間距、路網、路寬、綠化對整個占地的影響是至關重要的。本設計是根據地形、流程、結合功能，本著節(jié)省占地的原則，合理考慮各處理構筑物之間的間距、留有綠化和滿足維修要求及建筑安全防火要求的前題下，平面布局緊湊合理，總體效果較佳。
5.2 污水提升總泵房
設計抽升能力為120萬m3／d，總計安裝6臺水泵，一期已安裝4臺，二期再增裝2臺水泵。水泵型號：DSV—V1000立式污水混流泵（日本久保田）。
流量Q＝3／m3／S
楊程H＝15m
功率N＝600KW
效率η＝80％。
泵房前池安裝有粗、細兩道格柵。粗格柵間隙100mm人工清除，細格柵間隙25mm，為鏈條式自動除污。二期工程中將粗格柵改為連續(xù)式自動清理，細格柵改為間隙0.5mm回轉式自動除污機，柵渣用皮帶輸送裝筒運往垃圾消納廠填埋。
5.3 曝氣沉砂池
設計流量Q＝50萬m3／d×1.2，池形為平流式矩形池，池長L＝21m，寬B＝6m，有效水深H＝4.25m，共4條池，兩池為一組。
每組池設一臺移動橋式吸砂機及砂水分離器，共兩套。（瑞典PURAC公司）。
5.4 初沉池
池形為平流式矩形池。
主要設計參數(shù)
設計流量：Q＝50萬m3／d×1.2
表面負荷：q＝0.992m3／m2·h
水平流速：V＝8.3mm／S
單池尺寸：池長L＝75m，池寬B＝14m
有效水深2.5m
每系列12條池，共兩個系列。
排泥方式：采用進口橋式刮泥機，定容式螺桿泵排泥。
5.5 曝氣池
池形為矩形三廊道。進水段1／6池長為缺氧段，后為好氧段；二期工程四系列為A／0法，增加內回流設施，回流量最大為200％。
主要設計參數(shù)：
設計流量：Q＝50萬m3／d×1.1
停留時間：T＝9.26h（缺氧段T1＝1.54h，好氧段T2＝7.72h）
混合液濃度：MLSS＝2000～3000mg／l（設計取平均值2500mg／l）
污泥回流比：50—100％
單池尺寸：池長L＝96m，池寬B＝9.28m×3（三廊道），有效水深H＝6m，池數(shù)6座為一系列，共兩個系列
曝氣方式：離心式鼓風機，曝氣頭采用進口膜片橡膠微孔曝氣頭，總數(shù)：36036個。
5.6 鼓風機房
風機形式 采用單級風冷離心式
主要設計參數(shù)
最大設計風量 Q＝3600m3／min（共8臺）
單機性能 Q1＝270～600m3／min
進口壓力 P1＝1.013bar
出口壓力 P2＝1.763bar
轉速 V ＝1000轉／min
風量調節(jié)范圍 45～100％
功 率 N＝900KW
5.7 二沉池
池形為幅流式中心進水周邊出水園形池
主要設計參數(shù)
設計流量 Q＝50萬m3／d×1.1
表面負荷 q＝0.88m3／m2·h
停留時間 T＝4.48h
排泥方式 采用橋式刮吸結合虹吸式靜壓排泥，連續(xù)運行。
單池尺寸：
直徑 D＝50m
有效水深 H1＝4m
超高 h＝0.3m
總高 H＝5.1m
池數(shù) 12座
采用進口橋式吸泥機共12臺。
5.8 回流污泥泵房
主要設計參數(shù)
污泥回流比 50～100％
最大設計流量 Q＝50萬m3／d×1.1
數(shù)量 2座
設備 采用進口螺旋漿式潛水泵共8臺，剩余污泥泵采用潛污泵共6臺。
5.9 污泥濃縮池
采用重力濃縮脫水，池形為園形。
主要設計參數(shù)
固體表面負荷 G＝70kg／m2·d
排泥方式 重力排泥
單池尺寸：
直徑 D＝20m
池深 H1＝5.5m
泥層 H2＝3m
上層液高 H3＝2m
超高 h＝0.5m
池數(shù) 6座
主要設備
國產半橋式柵條濃縮機，進口定容式污泥泵。
5.10 污泥消化池
采用二級中溫消化，池形為園柱形。
主要設計參數(shù)
總污泥量 V1＝2208.3m3／d（含水率94％）
停留時間 T1（一級消化）＝21.3天
T2（二級消化）＝6.8天
總計 28.1天
污泥投配率 3.6％
沼氣產量 q1（一級消化）＝10m3／m3污泥
q2（二級消化）＝2m3／m3污泥
加熱方式 熱交換（冷泥、熱水）連續(xù)加熱
攪拌方式 采用螺旋漿式連續(xù)攪拌
排泥方式 溢流排泥
單池尺寸 直徑D＝20m
總高H＝28.8m（地下5m）
有效水深H＝25m
池數(shù) 6座 一級 2座 二級
5.11 污泥脫水機房
采用帶式壓濾機
主要設計參數(shù)
進泥量 V＝1852.4m3／d（含水率95％）
污泥干重 t＝92.62T／d
運行班次 采用兩班制T＝16h
泥餅量 370.5m3／d
泥餅含水率 75～80％
設備 進口帶式壓濾機（帶寬2.6m）
臺數(shù) 5臺
加藥設備 一套
混凝劑采用高分子混凝劑（聚丙烯酰胺）
投藥量 約4‰
5.12 沼氣儲柜
氣柜形式：低壓濕式三屜螺旋升降式鋼結構
主要設計參數(shù)
氣柜容積 V＝10000m3壓力 P＝200～380mmH2O
5.13 脫硫裝置
型式 采用濕式脫硫（堿液）
主要設計參數(shù)
沼氣量 Q＝26500m3／d
設計壓力 P＝500mmH2O
溫度 T＝25℃
H2S濃度 0.1～10g／m3（取0.5g／m3）
單塔尺寸
直徑 D＝0.6m
塔高 H＝6.2m
5.14 沼氣發(fā)電機房
型式 采用單燃料低壓進氣發(fā)電機，
主要設計參數(shù)
沼氣量 Q＝26500m3／d
進氣壓力 P＝500～1000mmH2O
發(fā)電量 W＝1956KW
發(fā)電效率 38％
熱回收效率 50.1％
臺數(shù) 3臺（每臺發(fā)電量652KW）
6 二期工藝設計上的幾點改進
二期工程的設計在充分總結一期工程的基礎上，結合一期工程實際運行情況，工藝設計上做了部分改進。
6.1 初沉池浮渣問題
根據實際運行，一期總進水采用的格柵形式及柵條間隙過大，在二期工程中作了更換。采用柵條間隙5mm回轉式格柵除污機，使每天的柵渣量明顯增多，減少了初沉池的浮渣。
另外將初沉池浮渣擋板向進水方向適當位移，盡量減少表面積存浮渣的盲區(qū)。增加浮渣沖洗泵，改進排渣方式，使初沉池表面浮渣大大減少，提高了出水效果。
6.2 提高二級處理出水水質
為了提高二級出水的水質，在二期工程設計中對曝氣池的設計作了部分改進。首先將第一段的缺氧段由原來的1／12池長，改為池長的1／6，增加了厭氧段，同時在厭氧段的末端設置擋板，使回流污泥與進水充分混合。為了給城市工業(yè)提供第二水源，在第Ⅳ系列曝氣池設計中，增加內回流泵，使混合液回流量達200％，使出水的除氮效率提高到66％，為水回用創(chuàng)造了條件。
6.3 在污泥處理方面
對污泥濃縮池的水力停留時間作了調整，由原來的72小時，減少到51小時，從而避免由于停留時間過長而產生污泥上浮，提高了污泥濃縮效果。
在污泥消化池的設計中，對排泥方式作了重大改進。由原來的底部強制排泥改為上部溢流排泥，增加了消化池運行的可靠性和安全性。另外在加熱方式由蒸汽直接加熱，改為池外泥—水熱交換；沼氣間歇攪拌改為機械連續(xù)攪拌，提高了污泥消化的處理效果。
7 機械設備
高碑店污水處理廠二期工程使用瑞典政府貸款用于購買機械設備（除閘門外）。因此，機械設備均由瑞典PURAC公司統(tǒng)一組織供貨，其進口設備的比例較一期工程大得多，因此選擇設備應是90年代世界較為先進的設備，如用于鼓風曝氣的鼓風機，是世界先進的丹麥公司的產品，大功率低噪聲風冷式單級離心鼓風機。曝氣頭采用美國最新式橡膠膜片微孔曝氣頭。所有潛水泵、攪拌器均為瑞典FLYGT產品。
設備材質，均考慮污水的腐蝕性而采用鋁合金和不銹鋼制造。
8 電氣設計和自控儀表設計
8.1供電電源
高碑店污水處理廠二期工程采用高壓10KV 雙路供電方式。廠內變配電分為10KV、6KV、380V／220V三個電壓等級。10KV、6KV系統(tǒng)采用三相三線制，380V／220V系統(tǒng)采用三相五線制。
8.2 用電負荷
根據設備規(guī)格、數(shù)量及運行方式，二期工程新裝機用電負荷為10440KW，有功計算負荷6178KW，無功計算負荷3818KVAR，視在功率7263KVA。功率因數(shù)為0.81，補償容量為2498KVAR，變壓器總容量為11650KVAR。
為節(jié)能起見部分電動機起動采用變頻調速裝置。
8.3 自控儀表設計
高碑店污水處理廠操作管理、自動化程度屬于較高的水平。設計為集散型，集中監(jiān)視設中心控制室，數(shù)據處理打印、全廠運行狀況集中顯視。分散控制，分別設有水區(qū)控制室、泥區(qū)控制室、回用水區(qū)控制室，由上位級工作站，下位級工作站，可編程序控制（PLC工業(yè)計算機組成）。全廠控制器輸入／輸出（I／O）數(shù)量為3406點。
系統(tǒng)控制的內容有：
初沉池排泥系統(tǒng)的定時條件控制。
回流污泥量設定值控制。
剩余污泥量條件控制。
污泥濃縮、消化系統(tǒng)的定量、定時條件控制。
曝氣池溶解氧（DO）——鼓風機風量調節(jié)系統(tǒng)閉路循環(huán)控制。
曝氣池內回流污泥泵調速控制等。
回用水處理系統(tǒng)控制。
全廠監(jiān)測儀表總計489塊。
主要為液位、流量、溫度、壓力、界面、速度、電流、電壓等。
9 建筑結構設計
處理廠構筑物主要是水池、泥池，其池形大都為園形和矩形，結構一般均采用鋼筋混凝土結構，建筑物及附屬建筑大部采用磚混結構，部分采用網架結構。其建筑形式與一期原有建筑統(tǒng)一。
廠內建筑結構類型較多而復雜，為統(tǒng)一設計標準，對一般房屋建筑，設計采用“工業(yè)與民用建筑設計規(guī)范”；對于水池及地下管道采用“給排水工程結構設計規(guī)范”。
9.1 結構形式及主要材料
矩形水池，有曝氣沉砂池、初沉池和曝氣池，均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構，標號為C25S6D100。
園形水池，有二沉淀、濃縮池、消化池。二沉池直徑D＝50m，池壁采用預制裝配整體式預應力纏絲結構，材料為C30S6D100，預應力鋼絲采用Φs5高強度碳素鋼絲，標準抗拉強度不低于1570N／mm2 。底板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，邊緣設杯口立壁板。
污泥消化池為無粘結預應力鋼筋混凝土結構，材料采用C30S8D100，預應力鋼絲采用Φs57束鋼纜，設計抗拉強度為1600N／mm2。
9.2 工程驗收及閉水、閉氣
為確保工程質量，除執(zhí)行有關標準規(guī)范外其鋼筋混凝土水池閉水及閉氣，必須在混凝土達到28天強度后進行；二沉池閉水在纏絲后噴漿前進行；消化池閉水、閉氣后，進行內防腐外保溫施工。閉水壓力為設計水頭，閉氣壓力為設計內壓的1.2倍。
9.3 施工縫及變形縫處理
一般情況下，底板和頂板為連續(xù)澆筑不留施工縫，池壁連續(xù)澆筑，池壁與底板連接處施工縫留在腋角上200～300mm，并設有深50mm，寬150mm的凹槽或橡膠止水帶。
變形縫均設有工廠加工成形的閉合式橡膠止水帶，表面嵌縫材料采用雙組份聚氨酯密封膏壓力灌縫。
9.4 地基及基礎處理
由于初沉池、曝氣池、二沉池面積較大，地基土層不均勻，一般采用回填天然級配砂礫石，干容重達2.25T／m3或回填2：8灰土處理，密實度要求達到最佳密實度的95％。
9.5 池子抗浮
根據地質部門的勘探報告，大面積水池地基均落在地下水位以下2m左右，為解決池子抗浮問題，高碑店處理廠采取設置地下盲管降低地下水的措施，以節(jié)約材料和造價。
10 主要工程數(shù)量
混凝土量 17萬m3
土石方 47萬m3
水泥 6萬T
鋼材 1.7萬T
建筑面積 1.5萬m2
各地下管線 45Km
道路 4萬m2
2.技術經濟指標
二期工程總投資7.98億人民幣
單方造價 1600元／m3污水
單方電耗 0.15Kw／m3污水
成本（不包括折舊） 0.33元／m3污水
11 運行及實際處理效果
高碑店污水處理廠二期工程，從投入污水到微生物生成，僅用了一個月的時間而且出水水質指標遠低于國家排放標準，具體指標：
BOD5≤15mg／1
COD≤30mg／l
SS≤20mg／l
12 存在問題及建議
高碑店污水處理廠，是全國最大的一座現(xiàn)代化城市污水處理廠，污水已得到了處理，而污泥出路尚不落實。污水處理后的城市污泥具有豐富的有機質和氮、磷、鉀及多種植需要的營養(yǎng)素，應重點研究開發(fā)污泥快速固化、高壓造粒制取顆粒肥料，徹底解決污泥無害化的問題、使其變廢為寶、得到妥善處置。
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