小型污水處理廠的設計
1 前言
在我國，隨著經濟飛速發展，人民生活水平的提高，對生態環境的要求日益提高，要求越來越多的污水處理后達標排放。在全國乃至世界范圍內，正在興建及待建的污水廠也日益增多。有學者曾根據日處理污水量將污水處理廠分為大、中、小三種規模：日處理量大于10萬m3為大型處理廠，1-10m3萬為中型污水處理廠，小于1萬m3的為小型污水處理廠。近年來，大型污水處理廠建設數量相對減少，而中小型污水廠則越來越多。如何搞好中、小型污水處理廠，特別是小型污水廠，是近幾年許多專家和工程技術人員比較關注的問題。
不同規模的處理廠的設計原則基本相同，主要是以節省基建投資和運行費用的為主要目的，而實現的具體措施則有所不同。本文研究的是小型污水處理廠在設計中需注意的問題。與前面不同的是，本文的小型污水廠指的是日處理規模在3000-20000m3之間。筆者認為，這種規模的污水處理廠，在工藝方案選擇、設備選型、總平面布置方面也存在值得總結和注意的原則和特點。
2 工藝方案確定
2.1方案比較
無論何種規模的處理廠，在確定污水處理工藝時，除了保證處理效果這一基本條件外，主要目的是降低基建投資，節省日常的運行費用，以求在保證達標排放的前提下，使經營成本zui小。要做到這一點，首先應根據實際情況，選擇合適的處理工藝。小型污水廠處理廠往往具有這樣的特點：
（1）由于負擔的排水面積小，污水量較小，一天內水量水質變化較大，頻率較高；
（2）一般在城鎮小區或企業內修建，由于所在地區一般不大，而且廠外污水輸送管道也不會太長。所以，其占地往往受到限制，處理單元應當盡量布置緊湊。
（3）一般要求自動化程度較高，以減少工作人員配置，降低經營成本。
（4）污水廠往往位于小區或工業企業內，平面布置可能會受實際情況限制，有時可能靠近居民區或地面起伏不平等，平面布置應因地置宜，變蔽為利。
（5）由于規模較小，一般不設污泥消化，應采用低負荷，延時曝氣工藝，盡量減少污泥量同時使污泥部分好氧穩定。
鑒于以上的特點，對于小型城市污水廠，SBR法及氧化溝法為首先考慮的工藝方案。這兩種工藝都具有以下優點：
（1）都屬*混合型，具有較高的耐沖擊負荷的能力；
（2）一般不設初沉池，工藝簡化，節省占地；
（3）一般采用低負荷延時曝氣方式運行，處理效果好，污泥好氧穩定，同時可減少污泥產量（如果污泥出路可靠，也可適當提高負荷）；
氧化溝目前常用的有卡魯塞爾氧化溝、奧貝爾氧化溝、三溝及雙溝等交替式氧化溝等幾種形式，其中以前兩種更為常用。氧化溝的共同特點是污水在循環水池中流動，曝氣方式主要采用表曝方式（近年來，也有鼓風曝氣方式的氧化溝，也被稱作氧化溝池型的普曝，結合了氧化溝及微孔曝氣的優點）。SBR工藝包括傳統SBR法、ICEAS工藝、DAT-IAT工藝、CAST工藝、UNITANK工藝等不同方法。從嚴格意義上講，交替式運行的氧化溝實際上也是SBR工藝的一種。
SBR法與氧化溝相比又具有以下優點：
（1）SBR工藝省去二沉池和回流污泥泵房，使布置更加緊湊；
（2）氧化溝的曝氣設—表曝機在運行時，濺起水花較大，對周圍環境產生不利影響。某些特殊情況下，對污水廠有很高的環保要求，反應池上部需要加蓋或增設上部建筑，以隔絕臭氣，這樣則會影響表曝的曝氣效率。
（3）由于SBR池是間歇運行，很較強的調節能力，對于水質水量變化較大的情況，也不需要高調節池（實際上，SBR池本身就有調節池的作用）。
（4）在北方嚴寒地區，冬季室外氣溫較低，氧化溝的表曝曝氣方式也不適宜。
（5）SBR池池深也不受限制，必要時可適當加深。
綜合上述各種因素，在小型污水處理廠設計中，SBR工藝比氧化溝更廣泛的被采用。各種SBR法的特點及適用范圍見下表：
| 工藝名稱 | 反應池分格 | 進水方式 | 是否回流 | 適用規模 | 工程實例 |
| 傳統SBR | 單池，不分格 | 間歇交替進水 | 無 | 小型 | 全國幾百座小型污水廠 |
| ICEAS | 有中格墻分成預反應區和主反應區 | 連續進水 | 需要回流 | 大、中型 | 昆明第三污水廠 |
| DAT-IAT | 中隔墻分為DAT池及IAT池 | 連續進水 | 回流比200-300% | 大、中型 | 天津開發區污水廠 撫順三寶屯污水廠 |
| CAST | 分為選擇區和主反應區 | 間歇交替進水 | 回流比20-35% | 中、小型 | 鎮江新區污水廠 |
| UNITANK | 用隔墻分為三池 | 間歇交替進水 | 無 | 中、小型 | 上海石洞口污水處理廠 |
小型污水處理廠主要的要求是操作簡單，布置緊湊，從上表比較而言，不需回流或回流很少的傳統SBR和CAST工藝成為設計的*，而大型污水處理廠則要求連續進水，否則進水管線及閥門的設計流量將成倍增加。從國內已建成的污水處理廠來看，大、中型污水處理廠如撫順三寶屯污水處理廠（25萬噸/日）、天津開發區污水處理廠（10萬噸/日）、昆明第三污水廠（15萬噸/日）、昆明第四污水廠采用的都是DAT-IAT工藝或ICEAS等連續進水的處理工藝。相反，小型污水處理廠則壓倒多數的采用傳統SBR工藝，近年采用CAST工藝的也逐漸增多。對于UNITANK及近來興起的類似的MSBR（Modified SBR）工藝，目前應用還不多，但不久很可能成為小型污水處理廠的熱門工藝。
2.2 CAST工藝的評述
CAST工藝是近年來在傳統SBR工藝上發起來的一種新型工藝，它是利用不同微生物在不同負荷條件下生長速率差異和污水生物除磷脫氮機理，將生物選擇器與傳統SBR反應器相結合的產物。這種工藝綜合了推流式活性污泥法的初始反應條件（具有基質濃度梯度和較高的絮體負荷）和*活性污泥法的優點（較強的耐沖擊負荷能力），無論對城市污水還是工業廢水都是一種有效的方法，有效地防止污泥膨脹。另外如果選擇器的厭氧的方式運行，則具有生物除磷作用。
有資料介紹：由于CAST工藝引入了厭氧選擇器，使該系統具有很強的除磷脫氮能力。實際這種說法不*正確。因為就脫氮而言，CAST系統與傳統的SBR沒有太多的不同，靜止沉淀時的反硝化作用和同時硝化反硝化作用在脫氮過程中起主要的作用。而除磷方面，僅20-30%的回流比，則無法保證選擇區內的污泥濃度，舉例而言，若反應池內的污泥濃度為6g/L（一般沒這么高），回流比為20%時，選擇的污泥濃度僅為1g/L。這樣低的污泥濃度是很難保證良好的除磷效果的。況且回流是在進水同時進行，這時處在曝氣階段，回流的混合液含有大量的溶解氧和硝態氧，也不利除磷。第三，生物除磷是通過排除富集磷的污泥來實現的，而系統長泥齡低負荷的運行，產泥率很低，同樣無法保證良好的除磷效果。實際上，很多實際工程設計中，CAST工藝往往都輔以化學除磷，以保證處理達標。所以，許多資料所介紹的CAST工藝良好的除磷脫氮能力有必要進行進一步的探討和研究。
綜上所述，對于小型污水處理廠，傳統SBR工藝和CAST工藝是小型污水處理廠的*工藝。這兩種工藝比較而言，CAST工藝有一定的生物除磷效果，而且在進水污染物濃度很低的情況下，CAST工藝可有效的防止污泥膨脹。而傳統的SBR工藝則因沒有內回流而使處理更為簡化。
2.3主要工藝參數
主要的設計參數如泥齡、污泥負荷等，在條件允許的情況下應進行小試，加以確定。如果沒有條件，主要設計參數可按下表取值：
| 設計參數 | *值 | 備注 |
| 實際污泥負荷 | 0.05-0.15KgBOD/KgSS·d | |
| 周期數 | 3-6/d | 周期工作時間：4-8小時 |
| 高水位污泥濃度 | 2-5g/L | |
| 排出比 | 1/3-1/6 | 每周期排出體積與反應池總積之比 |
| 泥齡 | 20-30d | |
| 池子個數 | 3座或2組（每組兩座） | 至少三座以上 |
表中的污泥負荷有泥齡均為計算負荷和計算泥齡，實際的污泥負荷應根據每周期的曝氣時間進行相應的折減。
3 各級處理單元
3.1預處理
一般來講，溫度、PH值等如不過高或過低，可不設專門的調節池。因為SBR池本身實際上就等于一個調節池。這也是SBR工藝用在小型污水廠中的一個非常重要的*性。
3.2格柵
由于設計流量較小，導致格柵都比較小。比如規模為5000噸/日的污水廠，設粗細格柵各設兩臺，并聯設置，經計算格柵尺寸如下表：
| 污水廠規模（噸/日） | 5000 |
| 總變化系數取為 | 1.7 |
| 設計參數 | 細格柵 | 粗格柵 |
| 柵條間隙（mm） | 20 | 5 |
| 柵前水深（mm） | 300 | 500 |
| 過柵流速（mm） | 0.8 | 0.8 |
| 安裝角度（°） | 60 | 60 |
| 格柵寬度（mm） | 300 | 350 |
由上表可見，處理規模5000噸/日的處理廠，總變化系數Kz=1.7時，計算得粗、細格柵尺寸都很小。這種情況下若采用機械格柵，渠道上部的驅動部分及柵渣輸送機所需的空間一般都在2m以上，造成很大的空間浪費，對于小型污水處理廠，格柵間往往有上部建筑，則增加了土建投資。所以在柵渣量不是很多的情況下，如果計算得格柵較小，可采用人工格柵代替機械格柵。
3.3沉砂池
沉砂池一般選用鐘式沉砂池或類似產品。如果鐘式沉砂池池徑不太，沉砂池可采用碳鋼制成的成套設備。另外沉砂池進出水渠也可采用相應碳鋼制作。這樣不僅增加了方便施工安裝，而且由于尺寸較小，造價不見得高出鋼筋砼池多少。
3.4曝氣系統
活性污泥法的曝氣方式可分為兩大類：鼓風曝氣及機械曝氣兩大類。鼓風曝氣系統的主要設備是鼓風機及擴散系統。小污水廠的鼓風機一般采用羅茨風機及小型離心風機。分散系統一般采用微孔曝氣器。但必須是適應于間歇曝氣的運行方式。鼓風機往往安裝在SBR池旁邊，以減少管路系統的造價。由于污水廠較小，一般不設鼓風機房，僅在鼓風機上設罩棚。這主要適用于廠礦企業內的污水處理廠，不嚴格控制噪音的情況。如果污水廠毗臨生活小區，若采用鼓風曝氣則必須建鼓風機房，同時還要有相應的降噪措施，這樣情況下宜采用機械曝氣方式。
機械曝氣相對于鼓風曝氣而言，具有噪音低、安裝簡單等優點，特別適用于小型污水廠。主要的機械曝氣設備原理、適用條件及參考生產設備廠家見下表。
| 序號 | 設備名稱 | 供氧量 | 深度 | 工作原理 | 參考廠家 |
| 1 | 離心式潛水曝氣機 | 2-90kgO2/hr | 3-6m | 潛水電機驅動葉輪轉動，排開污水，靠負壓吸入空氣，吸入的空氣與水混合，在離水力作用下向四周排出，達到傳氧的目的。 | 中國臺灣川源股份有限公司的AR系列產品； 南京藍深公司QXB系列產品； |
| 2 | 射流式潛水曝氣機 | 0.5-8kgO2/hr | 2-4m | 利用水射器原理，以反應池中的污水為介質，經水泵加壓，高速通過喉管，形成負壓，吸入空氣，并與污水充分混合，經擴散管噴出。也可采用設在反應池外的干式泵結合水射器工作的方式 | 中國臺灣川源股份有限公司的GR系列；廣州綠藍環保公司QPJ系列產品；南京藍深公司QSB系列產品； |
| 3 | 立軸式推流式曝氣機 | 7.5-24kgO2/hr | 3-6m | 曝氣機靠浮筒浮在水面上，驅動軸與水面垂直，驅動軸帶動葉輪高速旋轉在葉輪前部中心區產生較強的負壓，將空氣從空心主軸吸入紊流室，攪動后擴散到污水中 | 浙江諸暨宏宇環保設備廠O2BG型設備； |
| 4 | 斜軸式推流式曝氣機 | 5-30kgO2/hr | 1-5.5m | 原理同3，只是驅動軸與水面呈0-45°的夾角，在具有曝氣功能的同時，也具有推流的作用。 | 上海明智環保公司代理的美國AIRE-O2系列產品；浙江諸暨宏宇環保設備廠O2JBG型設備； |
上表中1、2類設備為潛水電機，具有結構緊湊、安裝方便、噪音小、曝氣效率高等優點，只是潛水電機對設備加工能力及設備自保護能力要求較高。而3、4類電機在水面上，運行安全，壽命相對較長，但噪音較1、2稍大，安裝需要拉索，不太美觀。
在很多情況下，曝氣機都是*設備。在近年來興建的小型污水廠中，上述四類曝氣機都被廣為采用。但相對于鼓風曝氣動力效率較低。
3.5脫水機
一般可采用帶式脫水機。因為國產設備較過關，設備費用不高，不必連續運行。雖然衛生條件較差，但也可采取相應措施進行改善，如強制通風或后面提到的除臭。在有條件的情況下，也可采用離心脫水機，以改善工作環境，減少加藥量。
4 總圖布置
4.1輸配水
由于污水廠較小，各構筑物之間一般用渠道相連，既節省了占地，又減少了水頭損失。有專家統計，采用渠道輸配水的污水處理廠的水頭損失要比管道輸配水的小2-3m。對于采用SBR法的小型污水處理廠，一般將沉砂池與SBR池通過渠道相連、污泥濃縮池與脫水機房和泥餅堆放場合建。這樣，在常規的設計中，小型污水廠內至多有三個主要的處理單元：輔助生產區（含辦公、變配電及總控等）、水處理單元、泥處理單元。有時泥處理和水處理單元也可合建。
由于方便輸配水，各構筑物采用了合建方式，在設計時應注意距離較近的構筑物的基礎處理，埋深上盡量接近。通過連接構筑物的渠道應做沉降縫。
多座反應池的排泥管也可采用渠道而非管道和止回閥連接的方式，這樣不僅減少了設備的維護管理，而且沒有閥門堵塞的問題。連接方式如圖1。在小型污水處理廠內多采用類似策略，可以大大節省工程費用，方便維護管理。
4.2總平面布置
小型污水處理廠受服務區域的現狀及污水收集輸送系統的限制，其廠址往往是小區內或廠礦企業內不規則、不好利用的地塊，有的高低起伏較大、有的存在地面障礙和架空線路、有的靠近居住區，這些不利因素在總平面布置時必須充分考慮。
一般來講，對于污水廠的現狀情況應充分考慮，因地置宜，若廠址高差變化太大，廠區內的設計地坪也應隨之調整，采取不同標高。整個全廠看來，呈臺階式布置。有條件的盡量放坡處理，不做擋墻，以節省土建投資。在護坡上做綠化小品，起到美化全廠、改善環境的目的。若空中有高壓線，則在地面上可考慮大量的進行綠化，在滿足電氣相關規范的同時，盡可能的增加廠區的綠化面積。
再比如，如果廠址靠近居民區，則要在總圖上更要加以注意，首先污水及污泥處理構筑物應盡量布置在遠離居民區的地方，而且在有條件的情況下，處理構筑物可以采取增設上部建筑或加蓋的方式以減少對周圍環境的影響。必要時，增加相應的環保措施。
5 環保措施
如前所述，在小型污水處理廠的設計，有時因毗臨居民區或處于小區內的重要地區，往往有較高的環保要求，這就要求進行必要的環保方面的考慮。大致可分為以下幾個方面。
5.1降噪
盡量采用潛水電機。如水泵應首先選用潛水泵，這不僅可以降低土建造價，而且同時減少污水處理廠的噪音。對于曝氣系統，應選用機械曝氣方式而不是鼓風曝氣方式。
5.2處理構筑物的處理
對于環保要求較嚴格的污水處理廠，可考慮在處理構筑物增設上部建筑或加蓋的方式，以隔絕臭氣。如果增設上部建筑，可采用透光陽光板或彩色壓型鋼板的罩棚，外形做成圓拱形。其特點外形美觀，視覺效果好，設備設在室內，便于維護管理。在高出地面的池子部分，做成天藍色或湖綠色彩帶。既與罩棚相呼應，又減弱了純構筑物的僵硬、呆板。陽光板的造價大約為300元/平米左右。而壓型板則較低，僅為100元/平米左右。
構筑物上部加蓋的方式，是在其上設混凝土蓋板，在可能的情況下，在蓋板上可填300-500mm的土，種植綠化，增加全廠的綠化面積。這種處理辦法特別適用于需采用自重抗浮的情況。
兩種方法比較各有優缺點，采用陽光板或壓形鋼板拱形罩棚的辦法，外形美觀，管理方便，但為了日常的檢修，往往需要增加吊車，另外，采用這種圓拱頂應注意在嚴寒地區冬季結露的問題；第二種方案造價較省，但需在混凝土蓋板上開孔，以便池內設備的安裝及維護管理。另外由于上部加了混凝土蓋，對于表曝機不太適合。
5.3除臭措施
污水處理廠在污水處理的同時，會產生的具有異味的副產品。臭氣的主要成份是硫化氫（H2S）、氨、四硫醇類等，主要來自腐化污水和污泥。H2S在空氣中會有一部分氧化成為SO2，一般空氣中30%的SO2是由H2S轉化過來的。這些臭氣難免對周圍環境造成影響，為了減少臭氣對周圍環境的不利影響，在很多要求比較嚴格的小型污水處理廠內，設置了生物除臭措施。常用的方法有：化學吸收法、生物法、土壤法三大類。
（1）化學吸收法是通過化學藥劑（主要是堿液）吸收空氣中的H2S等污染物。脫臭裝置由脫臭罐各及再生塔組成。罐體直徑與高度之比一般為：1：5左右，臭氣由通風設備收集，通過風道從罐體下部進入脫臭罐。用濃度為2%-3%的碳酸鈉溶液作為臭氣吸收劑。這種方法的優點是：處理效果好，運行穩定，耐沖擊負荷能力強；缺點是藥劑需定期更換，運行費用較高。
（2）生物法是通過附著在填料上的生物膜來降解空氣中的臭味，生物膜生長、成熟并達到生物降解能力過程是一個生物培養的過程。生物膜中微生物需要的養料來自于污水中有機物，對于污水處理廠一般采用原污水對填料進行噴淋。除臭罐空池停留時間為1-3min（可視臭氣濃度變化），進氣流速2-3m/s。這種方法的優點是加強管理的情況下，處理效果良好，運行費用很低（相對于其它兩種方法），缺點是：處理效果受進氣濃度影響，不太穩定，對于噴淋污水中有機物濃度有一定要求。
（3）土壤脫臭法是將氣體收集后通過管道輸入脫臭池底部并擴散于其中的土壤內（土壤以天然土、腐植土為宜），臭氣在通過土壤過程中受土壤顆粒表面吸附作用，多種致臭物質被截留。經過一段時間，在土壤顆粒表面可逐漸培養出針對致臭物質的微生物，并可不斷將致臭物質分解，完成脫臭。同時，土壤脫臭池表面可天然生長或人工栽植花草，形成良好的環境效果。土壤脫臭的優點是投資少，運行費用低，且可與廠區綠化結合，無任何副產品產生。缺點是易受地下水及冬天低氣溫的影響，除臭效果一般。
在工程設計中，往往需要根據實際情況選擇合適的除臭方案。
6 電氣自控設計
在廠區電氣自控的總體設計上，應在允許的條件下，提高污水處理廠的自動化程度。盡量做到無人值守。這一點對減少小型污水處理廠的單方經營成本有很重要的意義。因為，盡管污水廠較小，如果沒有自動化程度較高的自控系統，往往需要按崗定員，這樣3000-20000噸/日的污水處理廠也需要10-30人。實際上，對于規模稍大的污水廠，定員也不過如此，所以相對人力成本很高。在條件允許的情況下，盡量提高污水廠的自動化程度。有條件時，還可在反應池等重要地方安裝攝像頭，以監視污水廠的運行狀況。
在電纜布置上，也有著與大型污水處理廠不同的特點。各處理構筑物的電氣與信號電纜的鋪設應盡量結合構筑物上的管溝和渠道，從整體效果來看，整個處理構筑物表面看不到任何電纜和管線的敷設，只有走道板及蓋鍍鋅鋼格板的管溝，既美觀又便于維護管理。在某些情況下，全廠的電纜溝可以借助某個構筑物實現。一般來講，配電與信號傳輸從輔助處理單元（包括辦公及變配電）要到水處理和泥處理單元，無論是先經過哪個處理單元，都可以在處理構筑物的側壁上向池內挑出管溝，做為管道與電纜的通道，服務于本處理單元的同時，又可使電力和信號到達另一個處理單元。這樣既方便了總圖的布置，又節省的工程造價。
