山坡半地下式污水處理廠總體設(shè)計方案

羅穆喜，朱宇峰

(上海市政工程設(shè)計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

污水處理廠是城市水污染處理的主要承擔(dān)者，目前污水處理的主要建設(shè)形式為地上式，占地面積較大，土地資源浪費嚴重，處理效果時常難以保證，且不可避免地會對周圍環(huán)境和居民生活產(chǎn)生一些不良影響[1]。隨著城市化進程的快速發(fā)展和城區(qū)外擴，原規(guī)劃在城市邊緣的污水處理廠逐漸被城市包圍。與此同時，由于對環(huán)境產(chǎn)生了不利的影響，地上式污水處理廠受到民眾的投訴，但將污水處理廠規(guī)劃建設(shè)至更偏遠的地區(qū)仍面臨著諸多問題：(1)輸送管網(wǎng)距離長，導(dǎo)致建設(shè)成本和運行成本的急劇上升；(2)目前城市化的進程遠未結(jié)束，城市將進一步擴大，如今的偏遠地區(qū)也有可能成為今后的城市中心或副中心[2]。因此，亟需一種環(huán)境友好、土地資源節(jié)省的污水處理廠建設(shè)形式以解決目前的困境。

和地上式污水處理廠相比，地下式污水處理廠發(fā)展相對較晚，第一座地下污水處理廠于1932年在芬蘭建設(shè)，但當(dāng)時限于技術(shù)條件，未能進一步發(fā)展[1]。近年來，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在一些環(huán)境要求較高、用地緊張的大城市，已逐步開始建設(shè)地下式污水處理廠[2-4]。地下污水處理廠由于處于地下全封閉狀態(tài)，對周圍環(huán)境的影響較小、協(xié)調(diào)性強、可節(jié)約土地資源、防止周邊土地貶值，特別適合在土地資源高度緊張、環(huán)境要求高的地區(qū)建設(shè)[5]。從長遠看，也符合資源節(jié)約、人與自然和諧發(fā)展的科學(xué)發(fā)展觀要求[6]。

我國山地城市由于其復(fù)雜的地形、地貌條件，較難具備充足的平地空間進行地上污水處理廠的建設(shè)。山地城市土地資源極為有限，尤其是靠近城市中心區(qū)域的地方，難以規(guī)劃合適地塊用于新建或改擴建污水處理廠，導(dǎo)致污水處理廠用地矛盾突出[7]。本文以福建某污水處理廠為例，重點從廠址、廠坪、總體布置等方面分析位于山坡上的半地下式污水處理廠，深入剖析平面、工藝和高程等布置方案及設(shè)計特點，為山坡式半地下污水處理廠的建設(shè)提供參考。

1 建設(shè)形式和廠坪設(shè)計

1.1 廠址分析

建設(shè)用地為山坡空地，北側(cè)為國道，南側(cè)為垃圾填埋場，填埋場與廠址之間有一條排洪溝隔開，西側(cè)為一座小山頭，東側(cè)為液化氣儲罐站。現(xiàn)狀廠區(qū)范圍內(nèi)地勢由北向南抬高，場地內(nèi)總共有3個平臺，標高分別為169、163、141 m。場地入口設(shè)置在國道一側(cè)，進場道路沿場地東北側(cè)繞行分別通至場地3個地坪，其余區(qū)域均為較大斜坡，如圖1所示。

圖1 廠區(qū)現(xiàn)狀地面標高Fig.1 Ground Elevation of Existing WWTP

該地塊現(xiàn)狀為一塊林地，整個地塊具有以下3個特點。

(1)用地面積較緊張，總占地面積約為50 400 m2。在有限的用地內(nèi)要完成3萬m3/d規(guī)模(且預(yù)留遠期2萬m3/d規(guī)模用地)、一級A排放標準的污水處理廠布置，污水處理廠的建構(gòu)筑物只能采用集約化布置形式以最大程度地減小占地面積。

(2)本工程擬降低廠區(qū)整體標高，依山而建，局部架設(shè)環(huán)形高架道路，可有效提高廠區(qū)面積的綜合利用率。

(3)廠址所在地塊距離新區(qū)商業(yè)中心不足2 km，環(huán)境敏感度高，對廠區(qū)景觀要求也較高，有必要建設(shè)成地下式的污水處理廠，減少對周邊環(huán)境的影響。

結(jié)合廠址所在地塊的特點，該污水處理廠不具備采用常規(guī)的地上式、建構(gòu)筑物分散布置的污水廠建設(shè)形式。劉新榮等[1]研究表明，當(dāng)?shù)孛嫔隙嘤嗟耐恋厝遮厹p少，土地價格過高時，地下空間開發(fā)利用的局限性(投資成本過高)相對減小，地下空間的價值明顯。此時，地下式污水處理廠的價值和性能比明顯要高于地上式污水處理廠。因此，有必要在經(jīng)濟技術(shù)可行的條件下，對山地城市地下式污水處理廠建設(shè)形式進行探索，以期合理利用空間資源，有效提升城市的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益[7]。

1.2 建設(shè)形式選擇

一個環(huán)境友好的污水廠，應(yīng)能使廠區(qū)環(huán)境與周邊環(huán)境完全協(xié)調(diào)，在有利于污水廠運行管理的基礎(chǔ)上，合理利用污水處理設(shè)施的上部空間，達到土地資源節(jié)約的目的[8-9]。全地下式和半地下式方案都能較好地利用上部空間，用來建設(shè)綠地、廣場等公共設(shè)施甚至餐廳、商場等商業(yè)設(shè)施[3]。同時，由于池體全部加蓋，污水廠的臭氣和噪音影響也將明顯降低，與常規(guī)污水處理廠相比可顯著地改善周邊環(huán)境。本工程中，2種布置形式均可滿足環(huán)境和景觀設(shè)計的要求，其比較分析如表1所示[10]。

由表1可知，2種方案各有優(yōu)缺點，方案的最終取舍取決于各因素在方案決策中的權(quán)重。因此，可設(shè)定以上各比較因素的綜合量化指標，結(jié)合本工程的實際情況，對各元素進行比值分配。如圖2所示，方案二的加權(quán)比重明顯優(yōu)于方案一。此外，由于本工程所處位置的敏感性、工期的急迫性以及工程總投資的局限性，建筑形式的選擇更多的側(cè)重于廠區(qū)的運行風(fēng)險、應(yīng)急措施、基坑圍護、工程投資及運行費用等方面。因此，綜合考慮各方面因素，該污水處理廠的建設(shè)形式采用半地下式方案，能更好地滿足要求。

1.3 廠坪設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場用地廠址范圍和周邊環(huán)境，綜合考慮場地周邊地勢、廠區(qū)高程布置及廠區(qū)進出道路布置等因素。場地的布置依靠現(xiàn)有山勢，由南向北構(gòu)建3個平臺，標高逐漸降低，三個平臺標高分別為135、134.5、133 m，如圖3所示。廠區(qū)地坪與廠外道路基本接順，無進場道路長度限制，有利于廠區(qū)道路、設(shè)備運輸及人員安全疏散。

表1 全地下式和半地下式方案比較Tab.1 Comparative Analysis of Fully Underground and Semi-Underground Schemes

圖2 全地下和半地下方案的綜合量化圖Fig.2 Comprehensive Quantitative Evaluation Index of Fully Underground and Semi-Underground Schemes

圖3 廠區(qū)標高設(shè)計方案Fig.3 Elevation Design Scheme of WWTP

2 總體布置設(shè)計

結(jié)合本工程污水處理廠的廠址和廠坪布置，建設(shè)山坡式半地下污水處理廠需遵循以下總體布置原則。

(1)結(jié)合山坡現(xiàn)狀地形條件、土方開挖量等綜合平衡考慮廠坪布置。

(2)結(jié)合工程規(guī)模及實際情況，考慮近遠期工程的實施，節(jié)約工程投資。

(3)充分利用地下空間，節(jié)約管路系統(tǒng)。

(4)充分考慮可能發(fā)生的事故工況及對策。

(5)利用廠坪和高程布置，減少污水處理廠提升的次數(shù)。

(6)根據(jù)消防要求嚴格分區(qū)，符合相關(guān)規(guī)范要求。

2.1 平面布置

本工程污水處理廠建設(shè)總用地面積約為51 300 m3。場地坐落于山體之上，場地東西長約為350 m，南北寬約為240 m，整體坐南朝北。

本工程充分利用場地平面尺寸及豎向高程，依山而建一座山地式雙層箱體結(jié)構(gòu)污水處理廠房。近遠期工程東西向并排布置，近期工程擬在場地西側(cè)新建3萬m3/d一體化處理廠房，結(jié)構(gòu)形式采用封閉箱體，箱體平面尺寸約為107 m×75 m，場地東側(cè)為遠期預(yù)留用地(2萬m3/d)，箱體北側(cè)距紅線退界20 m，西側(cè)滿足山體放坡距離要求。

整個場地圍繞近遠期廠房用地設(shè)置環(huán)形道路，道路寬度為7 m，轉(zhuǎn)彎半徑為9 m，坡度為5%～6%，滿足消防通道要求；道路標高為133.0～149.5 m，與廠外國道接順，并滿足進出近遠期箱體操作層和頂層需要。場地在東北側(cè)及北側(cè)沿國道方向設(shè)2座大門，東北側(cè)大門可經(jīng)過環(huán)線道路爬坡進入箱體操作層及頂層，北側(cè)大門可直接進入箱體底層。廠區(qū)近遠期合用綜合樓1座，坐落于近期箱體頂部。廠區(qū)平面布置如圖4和圖5所示。

圖4 廠區(qū)平面布置圖Fig.4 General Layout of the WWTP

圖5 廠區(qū)平面效果圖Fig.5 Design Sketch of the WWTP

2.2 高程布置

為滿足處理功能及箱體內(nèi)部設(shè)備進出，箱體共分為3層(底層、操作層、頂層)，底層至操作層間高差約為8 m，主要容納各水處理構(gòu)筑物及輔助設(shè)施；操作層至頂層間凈空約為6 m，主要滿足設(shè)備運輸及人員操作管理需要。一體化處理廠房底層標高約為133.5～134 m，操作層標高約為141.3～142.3 m，頂層標高約為148.5～149.5 m，頂層作為綜合樓的室外地坪和公園。

箱體北面無山體遮擋，直接面對國道，可通過在北側(cè)操作層平臺外設(shè)置高架道路作為操作層的主要出入通道，高架道路東西兩側(cè)與廠區(qū)環(huán)形坡道接順，作為環(huán)形道路的一部分；箱體西、南面均被山體環(huán)繞，高差較大無法與箱體直接連接，需設(shè)置二級放坡至箱體位置，同時第一級放坡平臺作為環(huán)形道路的路基；場地東側(cè)預(yù)留用地平整至140.5 m標高，減小與本工程箱體間的高差，基本與箱體操作層接平，形成“階梯式綠化”的景觀綠化，達到較好的隱蔽與景觀效果，還可降低地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。箱體北側(cè)高程關(guān)系如圖6所示。

圖6 箱體結(jié)構(gòu)北側(cè)高程關(guān)系圖Fig.6 Elevation Relation Diagram of the Box Construction on North Side

2.3 功能分區(qū)布置

本工程污水、污泥處理構(gòu)筑物及輔助設(shè)施均為高度集約化布置，污水處理工藝采取“粗、細格柵+曝氣沉砂池+AAO生物反應(yīng)池+二沉池+高效沉淀池+纖維束濾池+加氯接觸池”，污泥處理工藝采取“濃縮-脫水-泥餅外運”的處理方式。箱體內(nèi)部功能分區(qū)如下。

(1)箱體底層布置主要處理構(gòu)筑物，箱體兩側(cè)對稱布置，由南向北根據(jù)依次為AAO生物反應(yīng)池、平流二沉池、高效沉淀池和高效纖維濾池，限于用地面積和能耗控制，將加氯接觸池及放空調(diào)蓄池下疊于二沉池底部；箱體中部由南向北依次為細格柵曝氣沉砂池、污泥脫水機房和粗格柵進水泵房。一體化污水處理構(gòu)筑物位于廠區(qū)地下，地上部分設(shè)置鼓風(fēng)機房、加氯加藥間和不受污水處理水力高程影響的構(gòu)筑物。污泥濃縮池和儲泥池對稱布置于細格柵曝氣沉砂池兩側(cè)，箱體西北部為變配電間。車輛可通過中央北側(cè)通道由133.0 m標高直接進入箱體底層。

(2)箱體操作層為處理構(gòu)筑物操作巡檢平臺及設(shè)備吊裝空間，操作層中南部設(shè)鼓風(fēng)機房及加藥間。車輛可通過中央通道由141.0 m高架道路直接進入操作層。

(3)箱體北側(cè)設(shè)箱體底部主要進出通道，與133.00 m廠坪標高接順，以便于管廊層及污泥脫水機房的操作及運維。

2.4 設(shè)計特點

結(jié)合污水、污泥處理工藝和現(xiàn)狀廠坪情況，山坡式半地下污水處理廠的建設(shè)主要有以下特點。

(1)總圖布置緊湊、用地節(jié)約

本工程把優(yōu)化污水廠總平布置、節(jié)約工程用地作為設(shè)計的一個著力點，通過集約化設(shè)計和總體布置的優(yōu)化，在規(guī)劃用地范圍內(nèi)完成了污水廠所有建構(gòu)筑物的布置，加氯接觸池和調(diào)蓄池與處理區(qū)上下重疊布置以節(jié)約用地，在節(jié)約用地的同時，也節(jié)省了工程投資和運行能耗。

(2)功能分區(qū)清晰、布局合理

本工程污水廠內(nèi)的全部設(shè)施分3部分集約化布置。結(jié)合廠區(qū)現(xiàn)有山勢，由南向北構(gòu)建3個平臺，標高逐漸降低。污水廠水力高程順應(yīng)山勢，對處理構(gòu)筑物分別布置預(yù)處理區(qū)和生物反應(yīng)池等，二沉池及污泥泵房，深度處理區(qū)、泥區(qū)、消毒出水區(qū)等末端水力高程較低的處理單元。箱體北面無山體遮擋，北側(cè)立面直接面對國道，在北側(cè)操作層平臺外設(shè)置高架道路作為操作層的主要出入通道，高架道路東西兩側(cè)與廠區(qū)環(huán)形坡道接順，作為環(huán)形道路的一部分?？傮w設(shè)計可改善整體景觀效果，并可降低地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。

(3)水流、泥流、人流和車流的組織順暢有序

在污水廠的總平布置方案中，一體化處理廠房分為底層、操作層、頂層3層標高，廠房頂部設(shè)綜合樓。環(huán)形高架的設(shè)計及處理區(qū)的分布充分考慮了水流、泥流、人流、車流和信息流的合理組織，實現(xiàn)了各種流線的順暢有序銜接。

3 事故工況應(yīng)對策略分析

污水廠可能面臨的事故工況主要有2種：污水廠事故停運和廠外來水超標[12-13]。本工程可分別采取以下應(yīng)對策略。

(1)污水廠事故停產(chǎn)及檢修

本工程每段處理構(gòu)筑物均設(shè)置超越管，當(dāng)污水廠局部或全廠事故停運時，可通過各段逐級超越或全廠超越，保證水量的正常通過[13-14]。

本工程污水處理工藝分為2組，分組運行，同時可通過細格柵出水段的控制閘門進行切換。當(dāng)污水廠局部處理段故障檢修時，可通過控制閘門調(diào)控水量進入正常段處理。

(2)廠外超標來水

本工程設(shè)置放空調(diào)蓄池1座，調(diào)蓄時間約為45 min。當(dāng)廠外來水超標時，可通過以下途徑降低對污水廠的影響：放空調(diào)蓄池對超標來水的臨時應(yīng)急儲存；通過廠外管網(wǎng)、泵站水位調(diào)控，充分利用管網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)蓄能力儲存稀釋超標來水，后續(xù)逐步進入污水廠處理；通過進水端的應(yīng)急加藥，強化進水預(yù)處理，降低水質(zhì)沖擊。

4 結(jié)語

山坡式半地下污水處理廠的建設(shè)需結(jié)合現(xiàn)狀地形和周邊環(huán)境情況，合理進行廠坪布置和建設(shè)形式的選擇，需充分利用地質(zhì)條件好的山地，合理利用地下空間和高程布置，選擇合適的污水處理廠建設(shè)形式。當(dāng)廠址靠近市區(qū)時，可結(jié)合城市地形地貌，豐富山地城市景觀特色，有效提升山地城市的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益。本文結(jié)合實際工程案例設(shè)計，揭示山坡式污水處理廠在占地、廠址、建設(shè)形式、總體布置功能設(shè)計等方面的設(shè)計和特點，為山坡上建設(shè)污水處理廠提供設(shè)計分析和參考，有助于為我國山地城市污水處理廠的廠坪布置及建設(shè)提供更多的選擇。