深圳市滨河水质净化厂三期扩建工程

任鹤云  雷震珊 俞士静

(上海市政工程设计研究院)

　　摘要：本文简要介绍了深圳滨河水质净化厂的工艺特点、工程特点、各专业设计要点及主要设计参数。

　　关键词：A—B法  三槽式氧化沟 污泥消化 污泥脱水

　　1．工程概况

　　深圳市罗湖、上步区是深圳较早开发的地区。根据总体规划，该地区将是特区的文化、商业中心和特区行政机关所在地，近年来该区发展迅速，目前人口已超过60万人，供水量已突破30万t/d，而接纳该区生活污水的滨河水质净化厂经二期扩建后仅有处理能力5万t/d，为用水量的16%。由于规模过小，大量污水不能进入处理厂处理而直接排入深圳河(湾)，造成深圳河黑臭，严重影响环境。为改善环境，根据深圳市城市总体规划要求和规划部门改善污水系统的意见，深圳市东部即罗湖、福田(部分)两地区污水治理拟将滨河水质净化厂扩建成日处理能力为30万吨的大型污水处理厂，使大部分污水经过处理后排放，以改善深圳河的污染情况，不断提高环境质量，改善投资环境。

　　三期扩建为日处理能力25万吨，总投资28220.82万元。该工程于1991年4月开始设计招标，1993年逐步进入施工，1996年12月完工并正式投入使用。

　　该工程主要特性指标如下：

　　2．工程设计

　　2.1 总体设计

　　2.1.1水量水质

　　根据招标文件规定，滨河水质净化厂要在日处理污水5万吨的基础上扩建至日处理污水30万吨的污水厂(即新增25万t/d)，总变化系数k按1.3计算。

　　根据深建字(1991)110号文及深水指字(1991)05号文，污水进水水质设计值为：

　　根据深水指字(1991)05号文的意见，滨河水质净化厂扩建工程的最终出水水质指标为

　　2.1.2工程特点

　　该工程是一项扩建工程，不同于新建污水厂。工程在已建成投产的深圳滨河水质净化厂厂址扩展，新工程具有用地紧、规模大、处理要求高的特点。

　　(1) 用地受到限制，扩建用地狭小，水质净化厂总征地面积15.36hm²，建筑红线内面积14.8hm²，其中一、二期工程已占用土地6.5 hm²。可供用地分两块，一块在厂区东部约2 hm²，一块在西部(包括二期工程中留下的零星地)约6.4 hm²，即扩建的25万t/d规模的污水污泥处理构筑物必须在南部6.4 hm²的土地内安排。

　　(2) 扩建工程水量规模较大，为原规模5万t/d的5倍，成为水质净化厂的主体部分，其构筑物的布局必须满足工艺要求和便于运行管理，不能采取见缝插针的办法，工艺安排难度较大。

　　(3) 出水水质要求高。如前述，扩建工程的出水水质必须与受纳水体深圳河的水质目标相衔接。深圳河的中下游水质，按规划要求，应达到IV、V级水体，除COD为20～25mg/L，BOD为6～10mg/L等有机物指标外，还有氮、磷等浓度要求，所以在污水处理工艺的选择上应与深圳河水的水质目标相适应。

　　(4) 扩建工程终期规模为30万t/d，一次建成，投资大，且建设周期较长。为减少近期投资，工程建设按处理深度逐步提高，工程分段实施的步骤进行。

　　(5) 以生活污染物为主要处理对象的水质净化厂，其处理工艺采用生物处理费用上是最经济的，但是，由于处理规模大，运行费则相当可观，且运行费的55%以上是电费，所以降低能耗是降低水质净化厂运行成本的关键，且有利于维持长期稳定运行。

　　2.1.3工艺流程

　　见图2-1与图2-2

 图2-1   深圳滨河水质净化厂三期工艺流程

图2-2   滨河水质净化厂污泥处理流程图

　　2.1.4工艺特点

　　(1) 污水处理选用A-B法，利用A-B法不需设置初沉池且A段具有高负荷、低耗氧、强吸附的特点，半小时内可去除50%以上的BOD₅，使池子总体积大大小于常规活性污泥法。该工艺有利于分段实施，近期上A段，用较少的投资就可达到50%以上的处理效果。

　　(2) B段采用三槽交替式氧化沟，使曝气、沉淀合为一体，利用交替时的静止沉淀提高效果，减少沉淀池体积，由于交替进水不需设置回流污泥提升系统，简化了工艺流程，降低了动力消耗。

　　(3) 氧化沟系统运行灵活，可根据需要改变运行费用，且可采用逻辑程度控制，操作管理方便。

　　(4) 进水泵、回流污泥泵等选用潜水泵，大大减少了用地面积及土建费用。

　　(5) 氧化沟采用转刷曝气，部分为双速马达，调度方便，维修合理容易。

　　(6) 各处理阶段均可超越，以适应水质的变化，并能满足出水要求。

　　(7) 采用组合式构筑物，以节省用地，如泵房上层设变配电间，三联体下层设鼓风机房。

　　2.1.5主要技术经济指标与1996年建设部标准的对比见表2-1。

表2-1  主要技术经济指标

　　2.2 工艺设计

　　2.2.1 进水泵房

　　该进水泵房为圆形钢筋混凝土结构，直径D=20m，内设5台无堵塞型潜水泵(四用一备)。单泵流量950L/S，扬程10.5m，为使配水均匀呈扇形布置，泵房上层设有变配电间及低压配电间。

　　2.2.2 曝气沉砂池

　　该池为矩形钢混凝土结构，前段为细格栅井，设有2台宽3.0m、栅净距为10mm机械格栅，采用格栅前后水位差启动。后段为曝气沉砂池，共分4槽。每槽宽3m，长19m，有效水深3m，最大流量时停留时间为3min，池上设置移动桥式吸砂机2台，砂粒用砂泵吸出，并经砂水分离后装车外运，每日砂量约7.5m³。

　　2.2.3 A段曝气池

　　该池为矩形钢混凝土结构，平面尺寸54.5m×22.5m，分两组，每组分五格，每格宽10m，长10m，有效水深7.5m，总容积7500m³，高峰流量时停留时间为0.55小时，平均流量为0.7小时，设计污泥负荷为2.5kgBOD₅/kgMLSS·d，污泥泥龄0.61天，每格曝气池内设置2台抽筒式曝气器，共20台，由新建鼓风机房供气。

　　曝气池进水端设有回流污泥泵房，装有4台潜水轴流泵，中间沉淀池的污泥经泵提升后直接入A段曝气池。

　　A段曝气池设超越管，沉砂池出水可直接入中间沉淀池或入B段氧化沟进行处理。

　　2.2.4 中间沉淀池

　　该池为钢混凝土矩形结构的平流式沉淀池，分两组，每组由4条沉淀池组成，每池宽10.5m，长64.5m，有效水深3.75m，停留时间约1.5小时。

　　池上设有桥式刮泥机共4套，跨度为21m。用刮板将污泥刮入泥斗，利用静水压排入泥井，并用堰门控制排泥量。每槽两侧设有出水堰，溢流率为2.9L/m·s。

　　2.2.5 鼓风机房

　　鼓风机房为独立建筑，平面尺寸约为30m×18m，北侧设有变压器间，低配间，南侧为风机房，控制室及值班室。为便于进出风管的安装及维修，机房内设有管沟。

　　风机房内设有4台离心式鼓风机(三用一备)，每台风量为120m³/min，风压为5m，配用电机功率为175kW，鼓风机单机噪声不大于85dB，为防止噪声外传，内墙、顶棚均采用吸音材料，空气由风廊进风，经空气过滤器除尘后入鼓风机，为便于安装维修，机房内设5t电动悬挂式单梁起重机一台。

　　2.2.6 配水井及三槽交替式氧化沟

　　为配合三槽式交替式氧化沟的不同配水方式，设置2座正三角形配水井，每座配水井内侧设置7m长倾斜式电动堰门3座，利用堰门的开闭改变氧化沟的进水点。

　　三槽交替式氧化沟即为带有沉淀功能的氧化沟，共设置2座，每座由三沟组成，每沟平面尺寸为22m×157m，有效水深为3.5m，每座设置水平转刷28台，三槽中转刷分配为(11,6,11)，其中9台转刷配制双速电机(每槽3台)。转刷直径均为1m，长9m，转速为72red/min，双速为72red/48red/min，配置电机功率均为45kW。每台转刷供氧量为74kgO₂/h，在转刷水流前方设置导流挡板，使沟内平均流速>0.3m/s。两侧槽为带有沉淀功能的曝气池，可转换作曝气及沉淀用，每槽内设置14台5m长的倾斜式电动堰门，出水溢流率为20.7L/m·s。中间槽为曝气池，内设转刷5台，曝气后混气液通过隔墙连通孔轮换进入两侧带有沉淀功能的曝气池，经静止沉淀后通过倾斜式堰门排出。由于三槽交替式氧化沟无污泥回流系统，剩余污泥经泵唧入前浓缩池，浓缩后入污泥处理系统。

　　三槽交替式氧化沟运行灵活，运行周期可随进水水质及出流要求而改变，运行周期为8小时，操作运行可采用逻辑程序控制。

　　2.2.7 前浓缩池

　　前浓缩池为钢混凝土结构，直径20m，共3座，1座用于浓缩A段污泥，2座用于浓缩B段污泥，A段污泥表面负荷为90.8kg/m²·d，浓缩时间约14小时，B段污泥表面负荷为19.1kg/m²·d，浓缩时间约15小时。

　　缩池内设有周边传动半桥式浓缩机。

　　2.2.8 消化池

　　消化池除利用原有2座消化池外，增建2座和原消化池相似的池子(直段比原池高1.2m)作二相消化池，总有效容积7024m³，用于消化A段污泥，池外采用加热混和搅拌器，并利用污泥内循环加热搅拌。

　　2.2.9 后浓缩池

　　新建的后浓缩池直径D=20m，钢筋混凝土结构。经消化后的污泥入后浓缩池，可进一步提高含固率，降低脱水机负荷。污泥表面负荷91.3kg/m²·d，浓缩时间35小时，浓缩后含固率6%。

　　池内设有周边传动半桥式带栅浓缩机型式同前浓缩池。

　　2.2.10 匀质池

　　为平衡脱水机的运行，该工程设置一座直径16m，有效水深为2.5m的钢混凝土结构匀质池，总容积502m³，贮存时间约25小时，池内设一台不锈钢水下搅拌器，搅拌器直径600mm，配置功率7.5kW。

　　2.2.11 脱水机房

　　利用原脱水机房内2台带宽2m的压滤机进行脱水，增建一脱水机房，机房内设一离心脱水机，处理量27.5m³/d。

　　脱水后污泥由皮带输送机送至污泥堆棚。

　　2.2.12 沼气压缩机房

　　除利用原有机房及设备外，增设2台250m³/h、风压3kg/cm²、功率30kW的沼气压缩机，以满足消化池搅拌要求。

　　2.2.13 贮气罐及燃烧塔

　　厂内原有2座贮气罐，总有效容积为1200m³，增设一座有效容积1500m³的湿式贮气罐，3座气罐并联使用，总有效容积为2700m³。

　　2.3 结构专业

　　2.3.1 地基处理

　　水质净化厂位于深圳河边，其土层分布情况如下，表层为4～6m厚杂填土或淤泥土，往下依次为6～8m厚砂层，2～3m厚残积亚粘土，风化基岩。设计中经过对预制桩、灌注桩、端夯扩桩等桩型的反复比较，选用了在深圳从未使用过的端夯扩桩，以残积层作为持力层。当地广泛采用的φ480灌注桩，单桩承载力为50t，而φ420的端夯扩桩，单桩承载力可达75t以上，承载力提高50%，并且由于桩头夯扩以后桩基的抗板力也有了很大的提高，更有效地解决了水池的抗浮，采用端夯扩桩后，地基处理费用减少了30%左右，目前该桩型在深圳已得到了广泛使用。

　　2.3.2 结构布置

　　水质净化厂用地紧张，在满足工艺及其他工种的要求下，多种构筑物利用结构和工艺的特点采用叠建和连建，如将集水井、泵房、压力井、高配间、变压器室叠建，选用沉井结构，地下12m，地上18m；闸门井、沉砂池、计叠井连建，取得了节约用地，降低投资，操作、管理方便的效果。对厂区内原有的30m的城市排水明沟，在不改道、不断流的条件下，采用挖孔桩基、块石护坡，对排水明沟进行整治后，加设现浇钢筋混凝土盖板，提供了约5000m²6幢住宅楼建设场地。整个明沟整治费用约3000万元，6幢住宅建成后其价值为10000万元，净利可达7000万元。经过对厂区内场地的合理改造，不仅改善了环境，节约用地，节省投资，而且充分发挥了原有场地的经济效益。

　　2.3.3 结构设计

　　对大型矩形水池，如沉淀池(40×89m)、氧化沟(70m×150m)采用无梁楼盖结构，对圆形水池如消化池采用无粘结预应力结构，结构的造型为节约投资起到了一定的作用。在水池设缝中，采用完全缝和引发缝相结合，沉降缝和伸缩缝相结合，较好地解决了水池的开裂问题，使用后未发生一起渗漏现象。在水体抗浮设计中，根据无盖水池的特点比规范规定的地下水位高度降低0.3m，仅两座氧化沟的桩基费用就降低了100万元左右。

　　2.4 电气设计

　　深圳市滨河水质净化厂三期扩建工程规模大，出水水质要求高，扩建工程最终规模为30万t/d。根据先进的污水处理工艺要求，并结合一、二期工程的配电情况，进行三期扩建工程的总体设计。

　　2.4.1 高压配电间设计

　　由于规模大，变电所设置多，为此新设计一座功能比较齐全，近、远期结合的新型高压配电间。其特点如下：

　　(1) 高压配电间内设高压开关柜室、控制室、值班室、备品室及盥洗室。

　　(2) 高压配电的主结线采用双电源单母线分段结线，两段母线各带一台50kVA所用变，供高配间的控制，继保，信号电源，二路10kV电源装有闭锁装置，确保一常一备供电。

　　(3) 设备比较先进、新型

　　其中10kV高压开关柜选用引进瑞士ABB公司技术制造的产品，金属铠装手车式BA1型开关柜，SF6断路器，这种开关柜由于技术先进，结构合理，使用寿命长，在15年左右内不需维修，节约了日常运行维修费用。同时手车柜保养也比较方便。直流操作电源采用先进的免维护电池屏组(一屏是恒流浮充充电，一屏是电池组)，满足了直流弹操系统的要求。

　　(4) 继电保护信号系统

　　(a) 10kV进线开关保护，装设电流速断保护，过电流保护，并设备用电源自动切换装置。

　　(b) 10kV出线开关保护，采用电流速断保护，过电流保护及单相接地保护。

　　(c) 10kV分段开关保护，采用电流速断保护，过电流保护。

　　(d) 由主变压器保护，装设过电流保护、瓦斯保护和温度保护，所有信号都能反映在控制室内的信号屏上。

　　2.4.2 全厂变配电所设置

　　(1) 进水泵房变电所

　　安装2台1250kVA干式变压器。

　　(2) 鼓风机房变电所

　　安装2台1250kVA油浸式变压器。

　　(3) 一、二期变电所

　　安装2台1000kVA油浸式变压器。

　　(4) 家属楼变电所

　　安装一台1000kVA油浸式变压器。

　　(5) 蒸馏水车间变电所

　　安装一台400kVA油浸式变压器。

　　上述变配电所均设在负荷中心，采用放射型的供电方式，确保用电的可靠性。厂内各种电缆主要采用电缆沟敷设。全厂总装接容量7400kVA，总计算负荷5300kW。

　　2.4.3 进水泵房变配电所及鼓风机房变配电所设计的特点

　　这2座变配电所主要供电及控制对象是2座大型三槽式氧化沟，由于出线回路多，用电量大，是三期扩建工程电气设计的重点之一。

　　基于进水泵房变配电所低压出线98回路，鼓风机变配电所低压出线98回路，为此低压配电柜选用BFC-20A改进型抽屉柜，每台柜垂直可装9个标准抽屉，除进线柜、出线柜宽度为1m，电容补偿柜为0.8m，其余柜均为0.6m，与固定柜相比柜的数量减少许多，节省了土建面积，降低了基建投资。由于采用抽屉式，检修与维护都较方便。

　　另外根据工艺控制要求，在转刷电机(单速电机、两速电机)、堰门电机和电动闸阀电机二次回路设计中都留有PLC控制节口，以便由计算机进行实时控制。

　　因受地形条件的限制，实际上进水泵房是由下部泵房、中间电缆夹层、上中为变压器室和低压配电室组成的特种构筑物。由于出线电缆种类不同(电力电缆、控制电缆和信号电缆)、电压等级不同(10kV、380V、220V和弱电电压)、出线回路多(近100回路电缆)，设计根据不同的电压等级、动力与弱电分开的原则采用两端电缆竖井和电缆夹层相结合的方式，在竖井内和电缆夹层中设置多层阻燃电缆桥架(钢质桥架中衬阻燃板)，节约了大量价格较贵的阻燃电缆，这样不但保证运行的可靠而且保证检修人员安全。由于变压器室设在上部(3层)，设计选用干式变压器，杜绝了油浸变压器故障时油管曝裂喷油易引起火灾的隐患，保证了安全用电。

　　按工艺设计的要求采用根据池中溶解氧的多少来控制进风阀门的角度，在进风阀的电控装置中设置了伺服系统，满足工艺处理的最佳效果。

　　2.4.4 三槽式氧化沟电气设计

　　三槽式氧化沟共2座，也是这次扩建电气设计的重点之一。2座氧化沟中布置有转刷电机56台，其中单速电机38台，双速电机18台，另外还有进出水堰门电机65台。由于电力电缆和控制电缆较多，所以在氧化沟走道板两侧设置电缆桥架，但氧化沟待处理的污水在阳光照射下会产生较多的腐蚀性气体，对电缆桥架作了防腐蚀特种处理，以延长使用寿命。另外为了便于调试和人身安全，在每台转刷电机旁设立紧急按钮，这样既方便了调试修理，又保证了人身安全。见图6三槽式氧化沟工艺设计图。

　　2.5 仪表控制专业

　　2.5.1 仪表控制设计要求

　　由于深圳水质净化厂三期扩建工程规模较大，净化工艺较复杂，直接关系到深圳人民的日常生活，因此，对全厂的仪表设计提出了较高的要求。

　　(1) 检测仪表配置

　　根据工艺流程，要求全面配置检测仪表，以满足生产过程监测及自控，达到科学管理的目的。

　　(2) 控制系统

　　全厂建立一套分散控制、集中管理系统，实施主要生产工艺的过程自动控制，设备运行监视及生产数据积累、运算、贮存等功能，最终达到节约能耗、药耗、劳力和安全生产的目的。

　　(3) 控制内容

　　对全厂主要生产流程，如泵机、鼓风机、沉淀池、三槽式氧化沟、污泥处理等实施自动控制。

　　2.5.2 仪表控制设计构思

　　(1) 检测仪表配置

　　检测仪表的配置在满足生产工艺和自控的要求下，以少而优为原则，尤其是水质分析仪表，价格比较昂贵，维护保养的工作量大，必须选用优质稳定的产品，在安装上着重考虑日常校表、维护的方便。

　　(2) 控制系统选择

　　根据国际上控制技术发展过程和趋势，摒弃大型计算机集中控制的高风险方式，采用了集散控制的先进技术。集散系统的组成可以有DCS系统或PLC加上位管理机两种方式。DCS系统具有系统组态容易，较适用于模拟量和调节回路多的情况；PLC系统现场程序控制功能较强，造价相对便宜。针对该工程大量的是机组的程序控制，因此选用了PLC系统。

　　(3) 控制内容

　　根据工艺生产要求，确定以下主要控制内容：

　　(a) 进水泵房，水泵机组的液位自控；

　　(b) 1#、2#三槽式氧化沟自控；

　　(c) 沉砂池吸机、粗细格栅、压榨机、中沉池刮泥机、回流污泥泵等主要设备的遥控。

　　除了上述控制内容，各主要设备的运行工况和数据检测，也需达到过程监测的要求。

　　2.5.3 仪表自控设计的特点

　　(1) 检测仪表配置内容及方法。水厂检测仪表分为两大类：一类为物理量检测仪表，如压力、液位、流量等；另一类为化学成分分析检测仪表，如余氯、溶解氧、pH等。物理量检测仪表响应快、精度高、稳定性好、维护工作量小，参与过程控制问题不大。化学分析检测仪表响应慢、误差大、易漂移、维护工作量大，参与过程控制应慎重。根据这些特点，该工程作了如下的配置及安装。

　　(a) 物理量检测仪表

　　① 液位：进水井、格栅液位差和消化池等均设置了液位检测。采用超声波液位计。

　　② 压力：进水泵、污水泵和鼓风机等泵口均设置了压力检测。采用无引压管的直接旋入式压力变送器。

　　③ 流量：进水渠、污泥管、污水管和鼓风机风管等均设置了流量检测，进水渠用巴氏槽超声波液位式流量计，污泥量用电磁流量计，污水管采用带标准管段多普勒式超声波流量计，风管采用孔板压差式流量计。

　　④ 温度：消化池泥及水泵机组均检测前后轴温和电机绕组温度。采用Pt100铂电阻。

　　(b) 化学分析检测仪表

　　化学分析仪表中仅选择了氧化沟溶解氧参与控制，该溶氧仪安装在检测现场，尽可能缩短信号反馈时间，有利于调节稳定。

　　① 溶解氧：检测沉淀水和氧化沟水的溶氧值。采用电极式附水冲装置和提升杆，便于日常情况和维护。

　　② 余氯：检测出厂水池余氯。采用电极式余氯分析计带提升杆。

　　③ pH值：检测进水和消化池pH值。采用薄膜渗透电极式pH计带水冲装置和提升杆。

　　(3) 仪表安装

　　全部在检测点现场安装，变换成4～20mA标准信号传输到各PLC控制现场分站。

　　(2) 控制系统组成及功能

　　(a) 控制系统组成。由一个中心控制站和4个控制分站组成集散系统。中心控制站由两台Compaq2控机构成，双机热备用，设于中心控制室，并配置了镶嵌式工艺流程模拟屏。4个控制分站设于进水泵房、鼓风机房和污泥泵房，其中1#分站用于老厂改造，中心站和分站之间由一根高速DHt数据通讯网联络，数据传输速率10Mbit。

　　3个控制分站(不包括老厂改造分站)根据数据量作了如下配置(见表2-2)：

表2-2   控制系统组成

　　(b) 控制系统功能

　　① 中心控制站。主要是管理功能，如检测参数和设备运行状态的显示及报警，实时和趋势查阅，各种数据记录、运算、制表等，并可在线对各运行设定值进行修改。通过操作站对分站控制程序的编制、调试和下载。

　　② 进水泵房分站。主要是控制进水泵房5台泵机的开停顺序，并根据进水液位控制泵机的开停台数，根据溶氧值控制1#氧化沟的堰门和转刷运行程序。

　　③ 鼓风机房分站。根据溶氧值控制2#氧化沟的堰门和转刷运行程序。

　　④ 污泥泵房分站。主要是根据泥位控制污泥泵机的开停顺序。2组消化池和污泥处理装置的监测和遥控。

　　(c) 检测参数和集散系统的信号接口处理

　　由于全厂检测了约60个模拟量和700个开关量，这些大量分散的数据如何正确接入集散系统，是控制系统成败的重要问题。工程中采用了现场仪表盘“承上启下”的过渡方式，在进水泵房、鼓风机房、污泥泵房等3处设置了现场仪表盘，起到了以下作用：

　　① 大量分散的信号相对集中于仪表盘，并把各种类型的数据(如电流、电阴、电压)全部转换成统一4～20mA标准信号。

　　② 由于集散系统各分站不设显示器，是个“黑匣子”仪表盘起到了现场数据显示作用，尤其在工程实施初期，集散系统还一时难以投运时，起了运行管理作用。

　　③ 便利了集散系统的调试，使集散系统统一与仪表盘接口。

　　(3) 根据运行经验仪表和控制系统的故障和损坏，大部分受过电压的冲击，深圳又属多雷地区，而过电压的主要来源是电源和接地系统，因此，在该工程中，仪表控制系统设立专用的接地系统，除外壳保护接入电气接地系统，其他接地完全独立。在仪表控制电源的入口处装过电压保护装置。这两项措施有效地减少了多雷区仪表过电压的损坏率。