工程背景

长沙市湘湖污水处理厂设计流量为14×104 m3/d，占地面积35000 m2。现阶段总设计规模为14×104 m3/d，出水标准满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B标准。现状污水经粗、中、细三级格栅后由提升泵站送至各级处理构筑物。一级处理采用曝气沉砂池，然后送至预处理两侧的氧化沟、二沉池进行二级处理。二级处理后的出水不经消毒，通过1 m直径管道直接排入厂外工作井，再利用倒虹吸管经东、西箱涵下部进入另一侧工作井，自流进入西侧箱涵。 东、西箱涵连通洞全封闭，西箱涵内为湘湖污水处理厂出水，东箱涵内为未处理污水，处理后的尾水与未处理污水混合排入三角塘排水泵站集水坑，最终进入浏阳河，汇入湘江（图1）。随着湘江长沙综合枢纽的建成，湘江长沙段自净能力下降，对长株潭库区饮用水安全构成严重威胁。

一方面，湘湖污水处理厂原设计出水标准过低，已不能满足长沙市整体污水排放需求，急需提质改造；另一方面，湘湖污水处理厂建设时所在区域为郊区，周围都是鱼塘、荒地等，随着城市的发展，厂区周边已成为高楼林立的城市商住区，环境十分敏感，恶臭、噪声是制约污水处理厂运行的首要因素。虽然运营单位针对水、恶臭、噪声及固废污染采取了相应的治理及控制措施，但运营期产生的恶臭、噪声仍然对周边环境造成一定的影响，需要进一步加强恶臭、噪声污染控制措施并进行有效治理。

图1 湘湖污水处理厂平面位置分布图

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质量提升与转型项目设计方案

2.1 工程规模及设计进出水水质

根据可行性研究，为保证出水水质，长沙市湘湖污水处理厂设计流量恒定为14×104 m3/d，超出部分污水进入三角塘污水提升泵站，提升至开福污水处理厂。

考虑到湘湖污水处理厂尾水除排入浏阳河外，还需回用于烈士公园年家湖、跃进湖，因此需满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准和《城镇污水再生利用景观环境用水水质标准》（GB/T 18921-2002）中休闲景观环境用水标准。为防止年家湖、跃进湖水质富营养化，出水水质还需满足《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）IV类标准。根据以上标准，并结合国内其他同类工程出水标准，最终设计进出水水质确定如表1所示。

表1 长沙市湘湖污水处理厂设计进出水水质

2.2 设计流程

本项目选用“AAO+MBR”工艺作为长沙市湘湖污水处理厂升级改造工艺，污泥处理工艺采用离心浓缩脱水机，使污泥含水率降至80%以下，根据环评要求，筛渣、污泥等最终送至长沙市污泥处理中心处置，工艺流程如图2所示。

结合设计水质及现有场地条件，设计前期基于活性污泥-厌氧消化（ASDM）动力学模型，利用Biowin软件对整个工艺流程进行反复模拟，最终得到能够稳定达标，同时最小化电耗和药剂消耗的工艺条件及运行参数，并在此基础上完成优化设计。

图2 长沙市湘湖污水处理厂工艺流程图

2.3 总体设计

长沙湘湖污水处理厂处理规模为14万m3/d，用地面积仅约3.3万m2，场地面积十分紧张。为有效利用场地，设计过程中首先尽可能保留了厂区原有建筑，如通讯室、综合楼等，减少重复建设；其次对原有不达标出水及建筑标准的生产建筑进行升级改造，包括预处理、氧化沟、污泥脱水机房、中控室等，最大限度地发挥其效用，满足提质要求； 最后，为确保出水达标，本项目以MBR工艺为核心，将现有二沉池整体拆除，在陆域新建MBR构筑物，集成好氧池、膜池、鼓风机房、泵房、设备间、加药间等功能。同时新建接触消毒池，满足尾水回用要求。改造前实景与改造后效果图分别如图3、图4所示。

图3 长沙市湘湖污水处理厂改造前实景

图4 长沙市湘湖污水处理厂改造后效果图

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主要建筑、结构设计参数

3.1 预处理改造

1）粗筛改造

粗筛平面尺寸为5.6 m×8.1 m，高4.9 m，粗筛分3个通道，本次改造项目将现有3台三缆50 mm筛网清洁器更换为20 mm回转筛网清洁器，每通道宽度B=1.9 m，筛前水深0.95 m，安装倾角a=70°，筛缝b=20 mm，栅条宽度s=10 mm。

2）中格栅改造

中筛平面尺寸为5.8 m×10.1 m，高4.9 m，中筛分为4个通道，将原有4块15 mm循环齿耙更换为6 mm回转筛，每通道宽度B=1.9 m，筛前水深0.70 m，安装角度a=70°，筛缝b=5 mm。

3）细格栅改造

细筛平面尺寸为7.1 m×11.15 m，高1.5 m。将现有的6 mm回转筛改为3 mm穿孔筛。细筛原有通道不变，加大通道顶板上设备安装点处开孔，每条通道宽度B=2.1m，筛前水深1.5m，筛缝b=3mm。共配置4台穿孔筛除污机，单台功率1.5 kW，配2台反冲洗水泵，单泵流量36 m3/h，H=94 m，N=15 kW。工作时间按1:2~1:4启停比设定。

4）膜格栅改造

将原有污泥回流泵房改造为膜筛，细筛平面尺寸为6.1 m×8.8 m，高2.2 m。共安装4块膜筛，3用1备，单台功率1.5 kW。每条通道宽度B=1.4 m，筛前水深1.1 m，筛缝b=1 mm。另配置反冲洗水泵2台，单泵流量36 m3/h，H=94 m，N=15 kW。工作时间按1:2~1:4的启停比设定。

3.2 氧化沟改造

将原有2条氧化沟改造为厌氧-缺氧池，单个厌氧-缺氧池设计流量为7万m3/d，其中厌氧段停留时间为1.0h，缺氧段停留时间为2.7h，有效水深3.9m。单个厌氧池设置6台高速潜水搅拌器，功率为3.7kW，单个缺氧池设置12台低速潜水搅拌器，功率为2.3kW。缺氧池至厌氧池的污泥回流比例为100%~200%。

3.3 MBR综合结构

拆除原有4座二沉池，新建2座MBR综合构筑物，MBR构筑物设计如图5所示，单池设计规模7万m3/d，平面尺寸为82.34m×38.18m，包括好氧池、膜池、污泥回流泵房、综合设备间、鼓风机房、配电间。

图5 MBR综合结构设计

1）有氧池

单个好氧池平面尺寸为37.70 m×36.25 m，有效水深6.0 m，有效停留时间为2.4 h。好氧池采用管式曝气器，每个好氧池配置1 216个管式曝气器，两组共配置2 432个管式曝气器，单个曝气器曝气量为7.2 m3/h。好氧池至缺氧池的污泥回流率为300%。

2）MBR膜池

MBR膜池共设2个，每个膜池总尺寸为45.46m×31.85m，包括配水槽、膜池、回水槽及清洗池，池深5m，有效水深3.7m。配水槽39.6m×2.1m，回水槽39.6m×1.5m，膜池分为8个隔间，每个隔间尺寸为26.65m×4.6m，清洗池分为3个隔间，包括水洗、酸洗、碱洗。

单个膜池共8个系列，其中6个系列配10片膜组件，2个系列配9片膜组件，膜组件采用PVDF中空纤维膜。单个膜组件设计处理能力为897.5 m3/d，设计膜通量为17.81 L/(m3·h)。膜池膜吹扫空气量为849.6 Nm3/min，气水比为8.7:1，BOD5污泥负荷为0.098 kg BOD5/(kg MLSS∙d)。膜池至好氧池的污泥回流率为400%。

3）污泥回流泵房

污泥回流泵房共设2座，每座总尺寸为10.9 m×8.51 m，共设回流泵8台，其中膜池至好氧池回流泵4台，每台泵设计参数为：Q=2910 m3/h、H=0.5 m、N=18.5 kW；好氧池至缺氧池回流泵4台，每台泵设计参数为：Q=2190 m3/h、H=3.0 m、N=37 kW。

4）综合设备室

MBR膜设备房为两层钢混+框架结构，平面尺寸44.5m×6.61m，上层为MBR系统控制室及清洗加药装置，包括次氯酸钠、柠檬酸储存及加药装置。

下层设有产水泵、剩余污泥泵及其他辅助设备，产水泵共计9台，8台使用，1台备用，均为变频泵，单台泵Q=493m3/h，H=11~13m，N=22kW；剩余污泥泵共计4台，3台使用，1台备用，单台泵Q=80m3/h，H=20m，N=11kW。

5）鼓风机房

鼓风机房与配电室共建，置于好氧池上方，平面尺寸为38.46 m×7.8 m，共计2台，每台配备曝气风机和膜吹扫风机各一台。单座配备曝气风机3台，1大2小，互为备用。大鼓风机Q=146 m3/m，H=7.5 m，N=223 kW，小鼓风机Q=73 m3/m，H=7.5 m，N=112 kW；膜吹扫风机共计4台，2大2小，其中1大鼓风机和2小鼓风机互为备用。大鼓风机Q=213 m3/min，H=4.5 m，N=223 kW，小鼓风机Q=106.5 m3/min，H=4.5 m，N=112 kW。

3.4接触消毒池/加药室/提水泵房

本项目接触消毒池、加药间、出水提升泵房共计1座，设计规模为14万m3/d。接触消毒池设计与出水提升泵站同建，总平面尺寸25.05m×23.35m，池高4.9m，有效水深4.0m，有效容积2300m3，池内接触时间为23.66min，考虑到尾水排放管接触时间7.12min，总接触时间为30.78min。出水提升泵站设置潜水泵4台，3用1备，单台泵设计参数为Q=2000m3/h、H=16m、N=132kw。

加药室位于接触消毒池顶部，消毒剂为二氧化氯，投加量为8mg/L；化学除磷采用固体碱式氯化铝（PAC），设计最大投加量为30.0mg/L；外加碳源为醋酸钠，考虑到本项目对TN去除要求较高，醋酸钠设计最大投加量为30.0mg/L。

3.5 泥浆储罐

新建泥浆储罐为地下钢筋混凝土罐，平面尺寸为9.0 m×9.0 m，有效水深5 m，有效容积405 m3。罐内安装有潜水搅拌机，脱水时对污泥进行搅拌，确保脱水效果稳定。罐内还安装有超声波泥位计，在中控室及脱水室显示泥浆储量，当泥位最高时可停止泥浆泵，当水位低时可停止搅拌机。

3.6污泥脱水机房改造

污泥处理原采用带式干燥机，改造后原带式干燥机可以满足污泥脱水要求，但污泥产生的臭气问题不能得到很好解决，因此采用离心脱水机替代原有带式干燥机。共设计4台卧式螺旋沉降脱水机，3台使用，1台备用，设计工作时间为12小时，单台脱水机Q=60m3/h，N=66kW。

3.7 除臭系统

针对象湖污水处理厂用地有限，本项目将采取就地消臭和就地处理的方式，共设6处。

1#除臭系统：主要针对预处理间产生的臭味，安装一套植物液除臭设备，处理风量为6200m3/h。

2#除臭系统：主要针对污泥脱水间脱水机、污泥储罐产生的臭气，设计一套厂液除臭系统，处理风量为4500m3/h。

3#除臭系统：针对厌氧/缺氧池产生的臭气，单台厌氧/缺氧池总风量为13000m3/h，设备置于厌氧池体室内，因室内面积有限，设计两套生物过滤除臭设备，分别置于池体两个室内，单套风量为6500m3/h，可独立运行，两套设备共用一条排风管。

4#生物除臭设备：主要针对两座MBR复合结构产生的臭气，设计两套生物除臭设备，处理风量为43000m3/h，为了节省占地，设备置于好氧池上方。

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污水处理厂设计中绿色设计理念的探讨

（1）结合污水处理厂性质及周边环境，设计以环境保护和植物群落生态效应为主，辅以水文化教育展示基地。在厂区主入口处特设长沙窑陶罐水景，突出长沙窑陶罐文化及污水回用。景观设计中再利用处理后的水，将水处理的成果直接展示给外界。设计游览路线，让公众了解整个污水处理流程，倡导节水环保。植物以乡土植物为主，同时注意多样性，创造多形态、多层次、多组合的植物配置，促进生态环境的平衡。

（2）在景观绿化设计上，以“资源节约、环境友好”为主题，贯彻“海绵城市”低影响开发理念，采用绿色屋顶、垂直绿化、生态停车场等一系列设计，尤其是氧化沟采用覆土，在氧化沟上形成城市的“小公园”，体现生态、美观、人与自然充分融合的理念。通过应用“海绵城市”低影响开发的设计理念，一方面起到建筑保温隔热的作用，另一方面可以有效减少屋面径流总量和径流污染负荷。整个厂区建成后，将与周边环境融为一体，最大限度减少污水处理厂设施对周边环境的影响。升级改造后的实际场景如图6所示。

图6 长沙市湘湖污水处理厂提标改造后实际场景

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水处理效果

长沙市湘湖污水处理厂经过提质改造后于2016年12月正式投入运行，2017年1月至12月平均进出水水质见表2。

表2 改造后实际进出水水质

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综合效益分析总结

（1）项目节约用地

本项目总用地面积34991.54m2，土地利用指标0.25m2/(m3∙d)，仅为《城镇污水处理工程建设标准》[2001]中采用二级生化+深度处理工艺的污水处理厂土地利用指标0.80-0.95m2/(m3·d)的25-30%，节省用地7.7万余m2，节约土地费用1.7亿余元。

（2）项目节能

本项目提质改造后污水处理电耗为0.46kW∙h/m3，目前国内采用膜处理技术的污水处理厂电耗为0.50~0.60kW∙h/m3，本项目能耗处于合理偏低范围，项目实施后每年可节约能源至少200万kW∙h，每年可节省电费160万元。

（3）项目节水

该项目出水经深度处理后，可在秋冬季枯水期选择性回用作长沙烈士公园年嘉湖、月津湖补水，大大减少两湖秋冬季对自来水补水的依赖，保守估算年均节水量约400万立方米。

（4）工程材料节约

本项目设计中充分利用了原有的通讯室、综合楼、预处理、氧化沟、污泥脱水机房、中控室等设施，节省投资约8000万元。同时整个项目PAC和碳源投加量控制在30mg/L以下，与出水水质相近的其他项目（PAC和碳源投加量均为50mg/L左右）相比，这两种药剂节省约20mg/L。平均每年节省PAC和碳源约1000吨，合计约250万元。

（5）环境效益

长沙市湘湖污水处理厂提质改造将大幅削减排入浏阳河的污染物，14万m3/d规模建成运行后，预计年削减污染物为：化学需氧量CODCr削减量：1.31万t/a；生化需氧量BOD5削减量：4740t/a；总悬浮物SS削减量：8320t/a；TN削减量：960吨/年；TP削减量：140t/a。

（6）生态景观效益

该项目不仅对整个湘湖污水处理厂进行了除臭、降噪处理，还改善了厂区整体景观环境，将污水处理厂变成了城市花园，大大提高了周边群众的生活质量。

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综上所述

长沙湘湖污水处理厂升级改造项目采用“AAO+MBR”工艺，探索污水处理厂设计新方法，充分体现“绿色、循环、低碳”的绿色市政设计理念。在项目用地极其有限、周边环境敏感、出水要求严格的条件下，实现了升级改造、尾水回收回用、全厂除臭降噪、整体景观优化等目标。实测运行数据显示，设施运行稳定，处理效果和出水水质均优于设计标准。该项目不仅提供了一个环境友好、生态优美的新型“绿色”现代化污水处理厂的典型案例，也为同类改造项目提供了重要的参考方法和经验。