出　　自： 《中國給水排水》 1993年第6期第44頁
發表時間： ： 1993-6

李遠義；常憬

(北京市市政設計院)

1 概況

　　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，其設計規模為100萬m 3 /d，遠景規劃最終規模為250萬m 3 /d。該廠位于東郊高碑店村南，距舊城廣渠門約8km，地處市區邊緣，但水、電、交通等條件均甚便利。處理廠接納舊城區及東郊工業區的排水，流域面積約100km 2 ，人口約220萬。
　　五十年代初，北京城區舊溝經過整修建了新的排水系統，這些下水道都是就近排入河渠。隨著城市的發展污水量迅速增長，使城區護城河嚴重污染，環境惡化。五十代中期，按照城市總體規劃確定了分流制的排水原則，并開始修建各河渠的污水截流管，也即分流制污水管系統的干管。1960年，本地區的污水管網系統基本形成，并在高碑店建成一座25萬m 3 /d污水經格柵、沉砂、沉淀后為農田灌溉服務、臨時性的初級污水處理廠。八十年代以后，據統計全系統下水道總長已達530km，污水量增加達80萬m 3 /d，占全市總排水量的40%，超出了現有排水設施的能力，迫切需要建設新的二級污水處理廠并完善截流管網。經過長期的調查研究，并進行了小型和中型試驗，為新的高碑店污水二級處理廠的設計，提供了堅實可靠的依據。本工程分兩期建設，第一期50萬m 3 /d于1993年完成投產，第二期50萬m 3 /d將于1995年完成。

2 設計數據

　　2.1 污水水量
　　根據近年的統計監測，本系統的總水量已超過80萬m 3 /d，其中50%以上為工業廢水，預計2000年污水量將超百萬m 3 /d。本工程設計按100萬m 3 /d的規模考慮，總變化系數采用1.2，在建廠的同時修建通惠河南岸干管和南護城河干管，使本流域內的污水全部得到處理。
　　2.2 污水水質
　　a.由于工業廢水的影響，污水COD最高達800mg/L以上，一般在500～600mg/L左右，COD/BOD比率在2～3之間，較難生化降解。
　　b.污水SS值偏高，特別是當降雨初期高得驚人，估計由于城區大部為合流道的原因。
　　c.根據實測資料，在嚴冬季節高碑店污水廠的水溫仍能保持在15℃以上，這對生物處理是十分有利的。
　　根據上述資料，設計中采用基本數據:BOD200mg/L，COD500mg/L，SS250mg/L， N 30mg/L，T15°～25℃。
　　2.3 出水水質
　　出水的水質標準即污水所需的處理程度，取決于出水的用途。北京市位于干旱的華北地區，年降水量不足600mm，水資源極為缺乏。因此，污水作為水資源已勢在必行。
　　a.灌溉農田
　　農田灌溉是處理廠出水的主要用途，由于灌溉是季節性的，一年之中有半年是雨季和冬季，污水須另謀出路。
　　b.景觀用水
　　平時河道除排洪、污水外無其它補給水，經處理后的出水補給河道，可以美化城市環境，但水質必須清潔。
　　c.工業回用
　　工業回用潛力最大的是作為冷卻水，但要解決腐蝕、結垢、泡沫和生物增殖等問題。
　　d.市政雜用
　　如澆灌花木、草坪，灑馬路、沖廁等。
　　上述幾種用水對水質要求不高，但一般二級處理出水是不夠的。設計考慮提高處理水平，使污水中的氨氮達到硝化，以利于后續的深度處理和消毒。出水水質標準規定:BOD<16mg/L，SS<30mg/L，NH 3 -N<3mg/L。

3 處理工藝

　　針對上述出水要求，通過試驗研究，選用先進的缺氧好氧活性污泥法，延長曝氣時間，使出水完全硝化；污泥處理采用兩級中溫硝化工藝；沼氣用以發電，補充能源；發電機的冷卻水供消化池加熱；回用水的深度處理，增加混凝沉淀和砂濾，使出水水質進一步提高(圖1)。

4 廠區布置及主要構筑物

　　4.1 平面布置
　　高碑店污水處理廠是一座有30年歷史的老廠，原有構筑物現已殘破不堪，此次改建除保留原有進水泵房及試驗場外均被拆除，重新布置。全廠分水處理、泥處理、中水處理、試驗場及管理五個區，各區之間用較寬的綠帶分隔以美化環境。為節約用地并便利維修，廠內管網設置環狀通行式管廊。
　　4.2 進水泵房
　　進水泵房按最大污水量120萬m 3 /d設計。北京市城區下水道多為合流，原有泵房能力改建為50萬m 3 /d作為提升初期雨水之用。
　　4.3 初沉池
　　初步設計為圓形池后改矩形，節約用地達6.6萬m 2 之多。此外，矩形池還有配水管路短、水頭損失小、配水均勻、排泥方便等優點，并有利于與工作間和管廊相結合，為管理提供便利。根據試驗結果，初沉池去除BOD和SS分別為20%和50%。
　　4.4 曝氣池
　　共設24座曝氣池，每座長96m、寬28m、深6m，分4組布置，每組6池。每座池隔成3條寬9.3m的廊道。第一廊道的進水端劃出1/4長24m，作為缺氧區。平均停留時間為9.25h，以保證充分硝化。采用微孔空氣擴散裝置，并根據計算機模擬、結合試驗數據，將曝氣器布置成漸減曝氣的形式，使供氣量在曝氣池的各段內與微生物需氧相適應。曝氣器分配百分比為:第一廊道65%，第二廊道23%，第三廊道12%。
　　4.5 二沉池
采用 50m幅流式圓形池24座，與曝氣池相同，有利于運行管理。每池裝有周邊傳動的旋轉吸泥機，及時回流活性污泥。二沉池效率的高低直接影響出水水質的優劣，因此，設計采用較小的水力負荷和較長的停留時間，即21.2m 3 /m 2 ·d及4.52h。
　　4.6 污泥濃縮池
　　設計將活性污泥送到初沉池的進水中，使其與生污泥合并沉淀，然后將混合污泥(含水率預計為97%)送入污泥濃縮池。參照英國WRC 的研究成果，結合現場試驗，選用新型升流式污泥重力濃縮池，濃縮的污泥體積減小50%，即含水率從97%降到94%。固體負荷按50kg/m 2 ·d計算，選用直徑24m的池子12座。
　　4.7 污泥消化池
　　采用兩極中溫消化工藝，建消化池16座、 20m、高25m，分為4組、每組4池，其中一級3池、二級1池，停留時間為21d和7d。污泥攪拌用沼氣循環的方式進行。污泥加熱利用沼氣發電機余熱，以螺旋板逆流換熱的方式進行，發電站運轉前則由鍋爐房供蒸汽直接加熱。

5 討論

　　5.1 缺氧——好氧(AO)法的優點
　　將污水處理到完全硝化程度的污水處理廠應采用缺氧——好氧工藝，即在活性污泥法的曝氣池進水端，設置一個停留時間1h左右的“缺氧區”，在這個區域內氧的利用僅僅依賴硝酸鹽在脫氮過程中放出的氧離子，使水中溶氧保持在0.5以下，以區別于厭氧和好氧。這種環境給污水處理帶來許多好處，主要有:
　　a.污泥沉降性能的改善
污泥膨脹是由于活性污泥中絲狀菌的增殖而引起的。當污水與回流污泥混合時，由于缺氧造成對絲狀菌不利的環境，使其銳減，從而改善了污泥的沉降性能、降低污泥容積指數，保證出水水質優良。
　　b.脫氮作用
　　缺氧區內回流污泥攜帶的硝酸鹽被反硝化，脫除部分的氮，同時放出氧離子供生物反應耗氧時利用。
　　c.減少二次沉淀池污泥上浮現象
　　由于在缺氧區內的脫氮作用，減少了二沉池內的反硝化過程，從而也減少了污泥上浮問題。
　　5.2 硝化與加氯的關系
　　城市污水二級處理一般對出水水質不提出硝化的要求，但作為水資源進行開發、為污水的回用創造條件，這就要求污水處理廠出水必須硝化并消毒。在加氯消毒的過程中，污水中的氨氮如不去除，將與氯離子發生反應而耗掉大量的氯，氨氮的硝化又需要耗能并使管理費增加，故這里有一個經濟比較的問題。經過計算優選，當氨氮降至3mg/L左右時，硝化耗氧的費用可與因氨的減少而節約的加氯費用相平衡，使管理運行費用達到最低。
　　5.3 污水處理廠的節能
　　a.合理布局
　　城市污水處理廠的布局應本著適當集中的原則，使每一座處理廠都有一定的規模，因為規模愈小則單位耗電愈多，這是目前各大城市所發生的事實所證明的。從管理的角度來說，一座大廠的運營比幾座小廠的運營要容易得多，成本也低得多，出水水質更有保證。
　　b.合理設計
　　在污水處理工藝流程中，各構筑物之間在平面和豎向布置中應盡可能緊湊，縮短管線，選用水頭損失較小的進出水設施，使沿程水頭損失達到最小，以降低提升能耗。
　　c.沼氣利用
　　污泥消化過程中產生的沼氣可作為能源回收利用，沼氣發電量一般可滿足二級處理總耗電量的30%～50%；發電機冷卻水和廢氣的余熱可用于加熱消化池。這樣可以使沼氣能量的回收率達到70%。
　　d.曝氣節能
　　曝氣耗電是全廠總耗電量的60%～70%，是節能的重點。首先是采用了微孔曝氣器和離心式鼓風機。微孔曝氣器擴散出的微小氣泡增加氣液兩相的接觸面積，提高充氧效率，在曝氣池中按照微生物反應規律布置曝氣器，也是節能的。離心鼓風機效率高，并可根據水質水量的變化調節風量，避免能量浪費又可改進處理效果。在曝氣池的混合液中，保持正確的溶氧濃度，過高造成浪費，過低則出水惡化達不到處理程度。溶氧控制有以下幾種方式:

　　①直接控制。溶氧儀設在任何一點，按指定溶氧量調節氣量。這一方式僅適用于完全混合式曝氣池。
　　②進水量比例控制。按污水量變化和固定的氣水比進行調節供氣，并用溶氧儀監測溶氧量在指定范圍內。這種方法簡單價廉，但受水質和水溫的影響，效果不穩，適用于水質變化不大的污水。
　　③溶氧折點控制。在均勻曝氣的推流式池中，混合液耗氧速率隨水流向前推進而逐漸降低，相應地DO濃度則逐漸上升。同時，在曝氣池長的任何一個斷面上，隨著供氣量的增加，DO濃度也將上升。這兩種變化曲線都有一個回折點，將這些折點連接起來，形成兩條幾乎吻合的曲線，標志著曝氣池內各處最佳DO濃度。在實際應用中，可按所需溶氧濃度選定池長上與指定DO濃度相符的折點位置，設置DO儀控制氧量。
　　④溶氧壓力控制。上述幾種溶氧控制方法均為單點控制，不是最理想的。在高碑店污水處理廠的設計中，經過曝氣池各段氧傳遞系數K La 的模擬計算并參考國外經驗，設計采用三個獨立控制區，其中兩個自動，一個手動。這樣就可以有效控制溶氧濃度，達到節能和保證出水水質的效果(見圖2)。曝氣池出水段只設一手動閥門，不需經常調節，因此段供氣量是按攪拌需氣設計的，超過了生物反應需氣量，不進行隨機控制氣量，可適當提高出水DO濃度，有利于改善二次沉淀池的工作，提高最終出水的水質。
　　在設計控制系統時，指定DO值通常采用2mg/L，而在實際操作中不同控制區可用不同的DO指定值，但不得<15mg/L。控制系統的工作首先是由溶氧儀發出信號，啟動輸氣管上的閥門，氣量的變化使管網壓力變動，然后由壓力傳感器將信號送到鼓風機的進風葉片啟動器，調節氣量，使管網壓力達到最佳狀態。