飲用水源地污水處理方案比選研究與應用

翟 林

（廣東省冶金建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510080）

0 引言

韓江是廣東省第二大江，發源于廣東省紫金縣七星崠，跨越江西、福建、廣東三省，流域面積3.01萬km2，干流總長470 km[1]，上游由梅江和汀江組成，兩江在梅州市三河壩匯合后始稱韓江，由此穿山向南流至潮州市區北面竹竿山為中游。韓江下游從竹竿山南流過湘子橋（又稱廣濟橋，中國四大古橋之一），于仙洲島分流東、西、北溪流經澄海、汕頭等市注入南海。韓江是粵東三市近千萬人的主要飲用水源地。受人口、經濟發展影響，韓江流域水質呈下降趨勢[1-2]。

水源地的水質安全是保障人類健康生活的重要條件，決定社會的穩定性及環境的安全性[3]?，F對韓江潮州段水源地內江心洲污水處理進行比選研究，對其污水處理設計及其特點進行介紹，以其他類似水源地的污水處理方案選擇提供借鑒。

1 區域概況

1.1 區位特征

潮州市位于廣東省東部，地處潮汕平原、韓江中下游。北與大埔、豐順縣交界，東與福建省詔安縣相鄰，東北與福建省平和縣接壤，南與汕頭市澄海區毗連，西與揭陽市接壤。

仙洲島為韓江潮州段的江心洲，屬人工填埋圍合形成的島嶼，島內地勢平坦（見圖1）。該島位于潮州供水樞紐工程北側飲用水源地內部，是水源地內部唯一的一個較大污染源。

圖1 仙洲島區位圖

1.2 污染現狀

仙洲島全島面積約139.60 hm2，島內主要為村莊和農田，其中村莊主要集中于島內西北部?，F狀排水體制為雨、污合流制，生活污水等通過暗渠、排水管等排向東南側的排水渠，排水渠末端有1 座排澇泵站。島內污水旱季主要通過排澇泵站間歇性臨時抽排，將污水抽排至簡易人工濕地處理，尾水直排韓江。該人工濕地處理標準低、效果差；雨季合流污水通過排澇泵站直排韓江，對韓江飲用水源地造成污染。

1.3 治理需求

（1）解決仙洲島合流污水排放韓江水源地的問題，消除污水排放口對生活飲用水的威脅，保障引用水源地水安全。

（2）解決排澇泵站旱季臨時抽排污水、雨季排澇的問題，剝離污水處理與排澇功能，構建合理可靠的污水處理系統。

（3）完善仙洲島內污水處理基礎設施，為仙洲島城建開發和經濟發展提供基礎條件，促進城建發展和環境保護的和諧統一。

2 方案比選研究

結合潮州市，相關規劃和仙洲島的建設現狀，經過調研分析，提出四種方案：

方案一，就地處理、就地排放，即島內建設污水處理廠1 座，污水經處理達到地表V 類標準（總氮除外）后，尾水排放韓江。方案二，就地處理、中水回用，即島內建設污水處理廠1 座，污水經處理達到地表V 類標準（總氮除外），滿足中水回用需求，經中水泵站二次提升后采用DN250 壓力管過潮州大橋、潮楓路，最終排放至三利溪，作為河涌補充水源，同時作為市政道路景觀綠化、道路清潔等回用水。方案三，提升泵站、穿江、異地處理，即建設污水提升泵站1座，污水經提升后采用DN250 壓力管下穿韓江后接至潮州大道d600 污水管，去向潮州第一污水處理廠處理。方案四，提升泵站、上橋、異地處理，即建設污水提升泵站1 座，污水經提升后采用DN250 壓力管過潮州大橋后排放至潮州大道d600 污水管，去向潮州第一污水處理廠處理。四種方案對比見表1 所列?？紤]到處理效果、施工難度、維護難度、占地面積等，初步采用方案二。

表1 污水處理方案對比表

（1）從規劃及規范來看，方案一與《潮州市城市總體規劃》矛盾，規劃中明確要求韓江不得作為污水處理廠納污水體；方案三中韓江屬省管河道，設計、施工方案需報省級水利、航道等主管部門審批；方案四不滿足強制性條文“不得在橋上敷設污水管、壓力大于0.4 MPa 的燃氣管和其它可燃、有毒或腐蝕性的液、氣體等”[4]。

（2）從污水處理效果來看，方案一和方案二處理效果較好，對其它污水系統沒有影響，方案二還可以作為中水回用，補充河涌和市政雜用。而方案三和四將污水轉輸至其它污水處理系統，增加其它污水系統的負擔。

（3）從施工來看，方案一和方案二雖然施工體量較大，但施工難度不大、風險可控；方案三涉及下穿韓江及外江堤防，施工難度較大，風險較高；方案四施工難度最小。

（4）從運營維護來看，方案一和方案二雖然維護量大，但比較便利；方案三中污水管運維期間若出現滲漏，難以發現，維修維護困難，存在較大的環境污染風險；方案四維護最簡單。

3 工程設計與特點

3.1 設計規模

根據潮州市仙洲島的建成現狀與發展規劃，采用分類水量預測法和不同建設用地指標法預測污水量，推算至2020 年仙洲島污水系統污水量為0.25 萬m3/d，2030 年仙洲島污水系統污水量為0.50 萬m3/d。

3.2 設計水質

仙洲島污水處理廠進水水質重點參考周邊城鎮發展態勢以及潮汕地區居民生活習慣類似的、同類型鄰近地區的城市污水處理廠實際進水水質、設計水質而確定。出水水質在滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A 及《地表水環境質量標準》地表水Ⅴ類水標準（總氮≤15 mg/L）的較嚴值要求，同時滿足《城市污水再生利用- 城市雜用水水質》《城市污水再生利用- 景觀環境用水水質》相關要求，具體見表2 所列。

表2 潮州市仙洲島污水處理廠工程設計進出水水質一覽表

3.3 工藝流程

仙洲島污水處理廠污水處理采用AAO 工藝，深度處理采用反硝化深床濾池+ 高效沉淀池工藝，污泥處理采用重力濃縮+ 高壓彈性壓濾工藝，消毒采用次氯酸鈉消毒工藝，除臭采用生物除臭工藝。工藝流程如圖2 所示。

圖2 工藝流程圖

3.4 總體布置

污水處理廠的布置形式分為地面敞開式- 常規半地下式、單層加蓋半地下式、雙層覆蓋半地下式、全地下式和洞穴式或隧洞式5 種[5]。仙洲島污水處理廠位于仙洲島南端，潮州大橋南側，詳見圖3。在城市控規上遠離城市居民區，考慮到工程投資、對現狀堤防的影響等問題，仙洲島污水處理廠采用地面敞開式，綜合樓、綜合輔助車間、細格柵等均采用全地上式建筑，消毒池、高效沉淀池、反硝化深床濾池等采用半地下式。廠區總體布置緊湊，整體以白色為主題，與周邊的水體、橋梁景觀交相呼應，建設總圖如圖4 所示。

圖3 仙洲島污水處理廠選址圖

圖4 仙洲島污水處理廠布置圖

3.5 主要構筑物設計

（1）粗格柵及提升泵房：粗格柵與提升泵房合建，1 座，采用沉井式結構，土建規模0.50 萬m3/d，設備規模0.25 萬m3/d?？紤]堤防、潮州大橋等因素，創新性地將粗格柵及提升泵房設置在廠外。粗格柵井分為2 格，設2 臺回轉式格柵除污機，近期1 用1 備，遠期2 用，柵寬B=0.8 m，柵隙寬b=20 mm，安裝角度α=75°，設泵位3 個，近期安裝水泵2 臺，1 用1備，單泵性能參數Q=196 m3/h，H=20 m，N=22 kW。粗格柵與泵站采用沉井式泵站，節約占地面積。

（2）細格柵渠及沉砂池：細格柵渠與沉砂池合建，設計規模0.5 萬m3/d。細格柵渠設2 條格柵渠道，安裝2 臺回轉式細格柵，近期1 用1 備，遠期兩用，柵隙5 mm，渠道寬度700 mm，渠道深度1.3 m，柵前水深0.6 m。沉砂池采用旋流沉砂池，設2 座，近期1 用1 備，遠期兩用，每座直徑2.13 m，沉砂區水深0.80 m，砂斗直徑0.91 m，砂斗深度1.52 m。

（3）生化組合池：AAO 池、平流二沉池與污泥回流泵站合建，規模均為0.25 萬m3/d。AAO 池按照溶解氧濃度變化分為厭氧區、缺氧區和好氧區，水力停留時間為12.76 h，其中厭氧區1.54 h，缺氧區3.08 h，好氧區8.13 h，有效水深H=4.7 m，污泥濃度MLSS=3.5 g/L，污泥負荷Fw=0.08 kgBOD5/（kgMLSS·d），污泥齡θ=14 d，剩余污泥量90 m3/d。設平流二沉池1 座，分1 格，有效水深H=3.25 m，設計表面負荷q=1.2 m3/（m2·h），回流污泥濃度Xr=10.5 g/L，水平流速v=3.35 mm/s，沉淀時間T=1.98～3.74 h；安裝鏈式刮泥機1 臺，刮泥機寬4.3 m，長27.9 m，行走速度V=0.3～0.5 m/min，功率N=0.37 kW。污泥回流泵房回流污泥量104 m3/h，剩余污泥量90 m3/d，污泥回流比50%～100%。

（4）高效沉淀池（磁混凝）：土建規模0.50 萬m3/d，分為2 格雙排對稱布置，尺寸L×B×H=12.15 m×10.5 m×8.6 m，近期安裝、使用1 格?；炷A段T1反應池水力停留時間130 s，T2 反應池水力停留時間127 s，T3 反應池水力停留時間283 s，總混凝反應時間9.11 min。采用斜管沉淀，有效沉淀區表面負荷11.3 m3/（m2·h）污泥循環系數4%～10%。

（5）反硝化深床濾池：與遠期合建，設計規模0.50 萬m3/d，設1 座反硝化深床濾池，尺寸L×B×H=20.1 m×15.5 m×10.38 m，分為3 格，單格有效過濾面積16.12 m2，近期平均濾速2.15 m3/（h·m2）、遠期4.31 m3/（h·m2），濾料為石英砂，粒徑2～3 mm，厚度H=1.83 m。近期反硝化速率0.14 kgNH4-N/（m3·d），遠期0.28 kgNH4-N/（m3·d）。設反洗風機2 臺，1 用1備，單臺風機流量Q=25.9 m3/min，風壓P=0.68 bar，電機功率55 kW；設反洗泵2 臺，單臺流量Q=250 m3/h，揚程H=11 m，電機功率15 kW；設反洗廢液排放泵2臺，單臺流量Q=100 m3/h，揚程H=16 m，電機功率7.5 kW。在加藥間預留投加純度為15%的液態乙酸鈉作為碳源位置。

（6）接觸消毒池：與消毒池加藥間、尾水泵房、巴式計量槽合建。采用次氯酸鈉消毒工藝，設消毒池1座，尺寸L×B×H=14.4 m×8.9 m×3.1 m，設計4 個廊道，近期使用2 個廊道，平均時停留時間31.04 min，最大時停留時間57.90 min，遠期使用4 個廊道，平均時停留時間33.23 min，最大時停留時間57.90 min，有效水深2.05 m。

（7）鼓風機房：與機修間、加藥間、變配電間合建，采用空氣懸浮鼓風機，共設3 個鼓風機安裝位。鼓風機房主要向AAO 池供氣，近期需氣量6.19 m3/min，氣水比6.74∶1，近期安裝2 臺風機，1用1 備，單臺風量Q=10.0 m3/min，調節范圍50%～100%，風壓P=0.6 bar。

（8）污泥濃縮池：設1 座重力濃縮池，與遠期合用，池體直徑6.0 m，有效水深H=4.0 m，污泥濃縮時間近期30 h、遠期15 h，進泥含水率99.2%，濃縮后污泥含水率97%，濃縮池內設刮泥機1 套，單機功率N=0.55 kW。

（9）污泥脫水車間：采用板塊壓濾污泥處置工藝，直降將污泥含水率97%污泥脫水至含水率60%以下，與遠期合用。設計污泥干化車間1 座，尺寸L×B=20.34 m×13.58 m，脫水機區域層高12.05 m，加藥區層高5.9 m。污泥處理規模為720 kgDs/d，安裝1 套板框壓濾機。

3.4 中水管道過橋設計

中水管道敷設分三段：（1）污水廠—潮州大橋上橋段，中水管道自污水廠中水泵房接出，沿著潮州大橋下方南側綠化帶敷設，管徑D273×8，長度約0.52 km；（2）潮州大橋上橋段—下橋段，中水管道仙洲島西岸上橋后沿潮州大橋南側人行道下敷設，利用潮州大橋人行道設計預留給排水管道管位，從韓江西岸下橋至地面，管徑D250，長度約0.54 km；（3）潮州大道—七樅松溝段，沿著潮州大道南側人行道敷設，在南校西路路口匯入排水箱涵（七樅松溝），敷設管徑D273×8，長度約0.36 km。在環島路、南堤路等路段處預留中水取水口。

3.5 設計特點

（1）粗格柵及污水提泵房設置在廠外，解決過堤防和橋梁難題。污水處理廠用地處于仙洲島防洪母堤之外，子堤之內，母堤與子堤之間為新建的潮州大橋。如采用傳統設計思路，埋深約8 m 污水主管需同時下穿堤防和潮州大橋，對堤防、橋梁安全性影響較大，施工風險極高。對此，創新性地將原應設置在廠內的粗格柵及污水泵站設置在廠外，采用D325×8壓力鋼管淺埋過堤防、潮州大橋橋墩群，有效降低了施工風險及對既有堤防、橋梁的影響。

（2）污水生化處理、消毒出水等構筑物采用合建組合池形式，節約用地。該項目用地面積僅為8803 m2，面積較小，將AAO 池、二沉池和污泥回流泵房合建，將次氯酸鈉消毒池（含消毒加藥間）、巴氏計量槽、尾水泵房合建，將機修間、配電間、鼓風機房、加藥間等合建，噸水占地面積1.76 m2/（m3·d），用地集約性較高。

（3）深度處理采用先進的“高效沉淀池+ 反硝化深床濾池”工藝。二沉池出水SS 濃度一般在20 mg/L，TP 濃度也不能滿足排放要求[6]，含氮化合物和BOD等其他等污染物也難以達到要求，一方面需強化生物脫氮的硝化和反硝化過程，另一方面需強化混凝沉淀，確保SS、TP 出水水質的達標。經綜合考慮，選定“高效沉淀池+ 反硝化深床濾池”工藝，同步設置超越反硝化深床濾池的管線，在污水廠建成早期，如進水水質偏低，則進行超越。

（4）尾水二次提升過橋，解決尾水二次污染問題，提供中水回用。仙洲島地處韓江引用水源地，水源地不允許新增排污口，尾水直接排放方式不可行，而污水管又不能上橋[4]。因此，將污水處理標準設定在能滿足中水回用的需求，將尾水（中水）提升后，通過中水管道過潮州大橋后排放至中心城區劣V 類河涌，作為河涌補水。此外，在中水管上設置取水閥門，供市政雜用。

（5）選擇合適的管材，防止管道拉伸斷裂隱患?？紤]到橋梁根據行車、季節變化存在震動、熱脹冷縮等情況，在橋梁段中水管管材采用PE 管，并在管道過橋梁伸縮縫兩側各加裝可曲撓橡膠接頭，防止管道和橋梁的不均勻變化引起管道拉伸斷裂。

4 結語

飲用水源地的污水處理應綜合考慮治理效果、工程投資、施工影響等各方面的要求及條件。本文結合韓江水源地江心洲的工程實例，經對比研究論證，確定采用“就地處理+中水回用”技術方案。

仙洲島污水處理廠及配套管網工程于2021 年6月完成竣工驗收，并穩定運營超過一年半，運行效果良好，出水水質穩定達標。建成后每年可截流大量的污染物，大幅度削減了仙洲島排入韓江的水污染負荷，對保障韓江飲用水竹竿山斷面水質安全具有重要意義，同時提供中水補河涌及市政雜用，環境、社會效益顯著。