淺議污水處理廠海綿城市設(shè)施建設(shè)設(shè)計(jì)方案

程明濤，薛 峰

(無錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇無錫 214072)

當(dāng)前，我國正在大力推進(jìn)海綿城市的建設(shè)工作。污水處理廠作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，也是進(jìn)行海綿城市設(shè)施建設(shè)的有機(jī)組成部分。由于污水處理廠的特殊屬性，大部分構(gòu)筑物均為實(shí)現(xiàn)相關(guān)處理功能的水池，大部分為灰色基礎(chǔ)設(shè)施。與小區(qū)道路等綠色基礎(chǔ)設(shè)施相比，實(shí)施海綿城市設(shè)施建設(shè)有其獨(dú)特的特點(diǎn)[1]。本文通過實(shí)例，分析了污水處理廠海綿城市設(shè)施建設(shè)的全過程[2-3]。在對不同下墊面拆解及場地分析的基礎(chǔ)上，通過不同海綿城市技術(shù)措施的有機(jī)組合，最終實(shí)現(xiàn)了年徑流總量控制率和年SS去除率的要求，為污水處理廠海綿城市設(shè)施的建設(shè)提供了積極的借鑒作用。

1 項(xiàng)目背景

昆山市某污水處理廠總面積約3.1萬m2，設(shè)計(jì)規(guī)模為2.5萬m3/d，分兩階段實(shí)施。一階段已于2008年投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)規(guī)模為1.25萬m3/d，采用“AAO氧化溝+濾布濾池”工藝，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)。本次擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)規(guī)模為1.25萬m3/d，提標(biāo)改造設(shè)計(jì)規(guī)模為2.5萬m3/d。處理工藝采用“改良式AAO+高密度沉淀池+反硝化濾池”工藝。出水執(zhí)行地表水準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。擴(kuò)建及提標(biāo)改造工程均利用廠區(qū)原有預(yù)留用地，總用地面積為12 622 m2，工藝流程如圖1所示，總圖布置如圖2所示。

注：虛線框?yàn)楝F(xiàn)狀構(gòu)筑物，實(shí)線框?yàn)閿U(kuò)建及提標(biāo)改造工程新建構(gòu)筑物圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Wastewater Treatment Process

圖2 總平面布置圖Fig.2 General Layout of WWTP

2 海綿城市構(gòu)建策略

2.1 海綿城市上位規(guī)劃解讀及設(shè)計(jì)目標(biāo)

《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》[4]將我國大陸地區(qū)大致分為5個(gè)區(qū)。昆山市屬海綿城市建設(shè)分區(qū)的Ⅲ區(qū)，其年徑流總量控制率取值宜為75%～85%(圖3)。根據(jù)《昆山市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》(2017—2030)，本項(xiàng)目擴(kuò)建場地屬于鎮(zhèn)區(qū)中心圩，水面率為16%，建設(shè)性質(zhì)屬于改擴(kuò)建，用地性質(zhì)屬于公用設(shè)施用地。根據(jù)《昆山市海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，本項(xiàng)目對應(yīng)場地的年徑流總量控制率為80%，對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量為27.5 mm，年SS總量去除率為70%。

圖3 海綿城市設(shè)施分區(qū)示意圖Fig.3 Partition of Sponge City Facilities

2.2 豎向與排水分析

擴(kuò)建工程在廠區(qū)西側(cè)預(yù)留用地進(jìn)行。廠區(qū)現(xiàn)狀基本為綠化，少部分為原有廢棄構(gòu)筑物。廠區(qū)場地基本平坦，豎向變化較小，可進(jìn)行局部豎向調(diào)整，優(yōu)化海綿城市設(shè)施的布局，但盡量保持原有用地平整的形態(tài)，減少土方開挖和回填。總體而言，本項(xiàng)目初始場地對海綿城市設(shè)施的建設(shè)基本不造成影響。

2.3 下墊面分析

本污水處理廠擴(kuò)建工程可用地總面積為12 622 m2，場地下墊面主要由4種類型組成，分別為建筑屋面、道路與鋪裝、綠地，可用于低影響開發(fā)的場地包括敞開式水池、道路、綠化。擴(kuò)建工程完成后，下墊面數(shù)據(jù)分析如表1所示。

表1 下墊面數(shù)據(jù)一覽Tab.1 Schedule of Underlying Surface

3 海綿城市設(shè)施的構(gòu)建

3.1 功能區(qū)污染程度分析及海綿城市設(shè)施分區(qū)

污水處理廠是由處理構(gòu)筑物(主要是池式構(gòu)筑物)和附設(shè)建筑物組成的有機(jī)統(tǒng)一體。根據(jù)各區(qū)段不同的處理功能，該廠可分為以下幾個(gè)主要功能區(qū)：預(yù)處理區(qū)、主體工藝區(qū)(生化處理和深度處理區(qū))、污泥處理區(qū)、辦公生活區(qū)(廠前區(qū))。城市下墊面如居住區(qū)、道路、公園等的污染主要來自人類活動，而城市污水處理廠一般采用封閉式管理，人員車輛流動性較小。與城市其他區(qū)域相比，污水處理廠下墊面污染則主要來自廠區(qū)生產(chǎn)活動，尤其是和污泥相關(guān)的生產(chǎn)活動。生產(chǎn)活動內(nèi)容不同，污染程度亦有所差別。研究發(fā)現(xiàn)[5]，污水廠內(nèi)下墊面雨水污染程度由高到低是污泥區(qū)>預(yù)處理區(qū)>主體工藝區(qū)>生活辦公區(qū)。污泥區(qū)、預(yù)處理區(qū)初期雨水中的SS均超過800 mg/L，而主體工藝區(qū)和辦公區(qū)的地表雨水污染程度則較輕。當(dāng)降雨厚度達(dá)到5 mm后，其下墊面雨水的SS濃度可穩(wěn)定達(dá)到雨水回用標(biāo)準(zhǔn)要求的限值。究其原因，污水處理廠一般為泥水兩條線，水線的污染主要來自粗細(xì)格柵的柵渣和沉砂池砂粒，相應(yīng)的處理構(gòu)筑物位于預(yù)處理區(qū)；泥線的污染主要來自脫水機(jī)房及其附屬構(gòu)筑物，因而造成污泥區(qū)污染明顯高于其他區(qū)域。

海綿城市設(shè)施的建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作，在確定設(shè)計(jì)目標(biāo)值的基礎(chǔ)上，可對各目標(biāo)值進(jìn)行拆解，對場地下墊面進(jìn)行分類歸納，將屬性相同、污染程度基本一致的下墊面歸為1個(gè)大區(qū)域，將會對后續(xù)LID設(shè)施的選擇及調(diào)蓄容積的計(jì)算帶來極大的便利。細(xì)化分區(qū)時(shí)，可將相關(guān)敞開式水池單獨(dú)成區(qū)，利用水面的消納功能實(shí)現(xiàn)本區(qū)的徑流削減目標(biāo)；將污水廠構(gòu)筑物周邊綠地及廠前區(qū)綠地和一些輔助生產(chǎn)建(構(gòu))筑物一起成區(qū)，廠內(nèi)硬化鋪裝及其他不透水區(qū)域也可以劃分在本區(qū)，利用綠地本底，再輔以適當(dāng)?shù)暮＞d設(shè)施，即可實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)計(jì)目標(biāo)；廠內(nèi)道路的分區(qū)可根據(jù)海綿城市設(shè)計(jì)目標(biāo)值實(shí)現(xiàn)的難易程度而定。

在上述不同下墊面污染程度分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)場地類型拆解，并結(jié)合總平面布置、場內(nèi)道路及場地控制標(biāo)高、廠區(qū)管線布置情況，初步將場地分為19個(gè)區(qū)，如圖4所示。各分區(qū)情況簡述如下：A1～A4分區(qū)均為擴(kuò)建工程處理構(gòu)筑物，為敞開式水池，可以有效接納相應(yīng)范圍內(nèi)的雨水；A5分區(qū)為反硝化濾池及消毒池不透水區(qū)域；S1～S13分區(qū)主要下墊面元素為屋頂、綠地等，為布置海綿城市設(shè)施的主要場所；S14分區(qū)為廠區(qū)新建道路，由于廠區(qū)敞開式水池較多，道路暫不考慮海綿化，設(shè)置環(huán)保型雨水口，雨水經(jīng)截留SS后匯入雨水管。

圖4 海綿城市設(shè)施布置圖Fig.4 Layout of Sponge City Facilities

3.2 設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積

低影響開發(fā)設(shè)施以徑流總量和徑流污染為控制目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)施具有的調(diào)蓄容積一般應(yīng)滿足“單位面積控制容積”的指標(biāo)要求[4]。設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積一般采用容積法進(jìn)行計(jì)算，如式(1)。

V=10HφF

(1)

其中：V——設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積，m3；

H——設(shè)計(jì)降雨量，mm；

φ——綜合雨量徑流系數(shù)；

F——匯水面積，hm2，1 hm2=104m2。

綜合徑流系數(shù)φ=(每項(xiàng)徑流系數(shù)×每項(xiàng)面積)之和/總面積。以S12分區(qū)為例，分區(qū)徑流系數(shù)計(jì)算：φ’=(108×0.8+786.79×0.12+479.39×0.8)/1 374.18=0.41(各下墊面的徑流系數(shù)參考《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》[4]推薦數(shù)值)。其他各分區(qū)徑流數(shù)以此類推，各分區(qū)綜合徑流系數(shù)匯總?cè)绫?所示。廠區(qū)綜合徑流系數(shù)φ=7 475.9/12 622=0.59。所需調(diào)蓄容積V=10HφF=10×27.5×0.59×12 622/10 000=205 m3

計(jì)算出全廠所需調(diào)蓄容積后，需結(jié)合海綿城市設(shè)施建設(shè)分區(qū)及場地特點(diǎn)進(jìn)行海綿城市設(shè)施的選擇與布置。

表2 綜合徑流系數(shù)計(jì)算Tab.2 Calculation of Integrated Runoff Coefficients

3.3 海綿城市設(shè)施選擇

低影響開發(fā)(LID) 是一種強(qiáng)調(diào)通過源頭分散的小型控制設(shè)施，維持和保護(hù)場地自然水文功能，有效緩解不透水面積增加造成的洪峰流量增加、徑流系數(shù)增大、面源污染負(fù)荷加重的城市雨水管理理念，20世紀(jì)90年代在美國馬里蘭州開始實(shí)施。LID主要通過生物滯留設(shè)施、屋頂綠化、植被淺溝、雨水利用等措施來控制徑流污染，減少污染排放，實(shí)現(xiàn)開發(fā)區(qū)域可持續(xù)水循環(huán)。單種LID措施中，對雨水徑流 SS控制效果的排序?yàn)椋和杆佈b<下凹式綠地<雨水花園[6]。張曉菊等[7]通過試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，下凹式綠地在削減徑流污染方面有一定的作用，COD、TP、TN、SS 的平均去除率分別為56.3%、72.1%、47.1%、74.3 %。通過建立模型并經(jīng)SWMM模擬，廖江[8]發(fā)現(xiàn)下沉式綠地去除初期雨水中SS的效果良好，去除率達(dá)到了85%以上。根據(jù)以上研究成果，結(jié)合污水處理廠不同區(qū)域下墊面污染情況，各區(qū)域的海綿城市設(shè)施選擇原則如下。

(1)生活辦公區(qū)。生活辦公區(qū)下墊面主要為屋面、道路和少量綠地，污染程度較低。海綿城市設(shè)施選擇時(shí)可考慮將屋面改造成綠色屋頂，條件允許時(shí)，也可將雨水進(jìn)行回收利用，進(jìn)一步加強(qiáng)海綿城市的實(shí)施效果。

(2)預(yù)處理區(qū)。預(yù)處理區(qū)是污水廠下墊面污染較嚴(yán)重的區(qū)域之一，主要污染物為柵渣和沙粒，相應(yīng)的海綿城市設(shè)施可采用對SS去除率較高的植草溝和下凹式綠地，初步凈化后的過量雨水通過雨水管外排。

(3)主體工藝區(qū)。主體處理區(qū)的下墊面主要為敞開式水池、道路和綠地，污染程度較輕。敞開式水池可直接作為海綿城市設(shè)施，綠地和道路可設(shè)置透水鋪裝、植草溝和下凹式綠地，加強(qiáng)該區(qū)域SS的去除，減輕預(yù)處理區(qū)和污泥區(qū)的去除負(fù)荷。

(4)污泥區(qū)。污泥區(qū)是全廠下墊面污染最嚴(yán)重的區(qū)域。在加強(qiáng)運(yùn)行管理的基礎(chǔ)上，可考慮將本區(qū)域雨水單獨(dú)管網(wǎng)收集進(jìn)入污水廠預(yù)處理構(gòu)筑物進(jìn)行處理。條件限制時(shí)，可采用對SS和溶解態(tài)污染物去除率較高的雨水花園和植草溝組合措施。

本工程中，廠區(qū)大多數(shù)處理構(gòu)筑物均為敞開式水池，敞口面積大，接納能力強(qiáng)，尤其是生化池、二沉池，可以有效地接納雨水，對于徑流的控制及削減有很大的控制作用。敞口水池面積共4 316.29 m2，設(shè)計(jì)降雨量為27.5 mm下對應(yīng)的調(diào)蓄總?cè)莘e為116.10 m3，占總調(diào)蓄容積的56.6%，其余LID設(shè)施只需滿足43.4%的調(diào)蓄容積。與城市其他區(qū)域相比，其各項(xiàng)設(shè)計(jì)目標(biāo)相對易實(shí)現(xiàn)。因此，本工程海綿城市設(shè)施的建設(shè)以維持現(xiàn)狀下墊面為主，對局部下墊面進(jìn)行海綿化。

對于A1～A4 分區(qū)，無需進(jìn)行海綿化改造，A5分區(qū)為反硝化濾池及接觸消毒池不透水區(qū)域，考慮用附近海綿設(shè)施消納。S1～S13分區(qū)，對普通綠地進(jìn)行海綿化，主要設(shè)施為下凹式綠地、植草溝及普通綠地。S14分區(qū)主要為廠區(qū)道路，鑒于本工程有較多敞開式水池，道路考慮采用環(huán)保型雨水口，截留徑流污染后匯入雨水管網(wǎng)。對于擴(kuò)建用地范圍內(nèi)的建筑物，采取雨水管斷接及高位花壇的形式，實(shí)現(xiàn)屋面雨水的收集。各分區(qū)海綿設(shè)施初步布置如圖5所示。

圖5 S12分區(qū)海綿設(shè)施布置圖Fig.5 Sponge City Facilities Layout of S12

3.4 海綿城市設(shè)施規(guī)模與布局

3.4.1 海綿城市設(shè)施規(guī)模的確定

海綿城市設(shè)施的布局與規(guī)模是實(shí)現(xiàn)海綿城市年徑流控制率及SS去除率的關(guān)鍵。本文選取具有多種下墊面的S12分區(qū)為代表，分析海綿城市設(shè)施的布局與規(guī)模選擇。S12分區(qū)下墊面主要為屋面、硬質(zhì)鋪裝及綠地，各種組成如表3所示。

表3 S12分區(qū)下墊面數(shù)據(jù)一覽Tab.3 Underlying Surface Schedule of S12

本分區(qū)內(nèi)可用地主要為處理構(gòu)筑物周邊綠地，結(jié)合污水處理廠實(shí)際情況和LID措施適用性分析，本區(qū)域主要采用下凹式綠地、植草溝、普通綠地等海綿城市設(shè)施來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。由場地分區(qū)可知，本區(qū)域綠地面積較多，可以考慮適當(dāng)增加海綿城市設(shè)施的調(diào)蓄容積，以彌補(bǔ)其他分區(qū)調(diào)蓄容積的不足。結(jié)合分區(qū)布局圖，本區(qū)域共設(shè)置下凹式綠地130 m2，傳輸型植草溝37.5 m2，其余綠化區(qū)域保持為普通綠地，面積為619.29 m2。本區(qū)海綿城市設(shè)施的調(diào)蓄容積可根據(jù)式(2)計(jì)算。

V2=H·F×10-3

(2)

其中：V2——海綿城市設(shè)施可調(diào)蓄容積，m3；

H——下凹式綠地表面蓄水層厚度,mm，下凹式綠地一般取150～200 mm；

F——下凹式綠地表面積，m2。

本區(qū)海綿城市設(shè)施的調(diào)蓄容積V2=180×130×10-3=23.4 m3。本區(qū)所需調(diào)蓄容積V=10HφF=10×27.5×0.41×1 374.18=15.2 m3。調(diào)蓄容積大于所需容積，說明本區(qū)域海綿城市設(shè)施的選擇是合適的，可以以此為依據(jù)進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，實(shí)施海綿城市設(shè)施建設(shè)后，不僅可以削減本區(qū)域內(nèi)的年徑流總量，還可調(diào)節(jié)全廠的徑流總量。

其他分區(qū)以此類推，通過反復(fù)調(diào)整計(jì)算，本項(xiàng)目最終設(shè)計(jì)調(diào)蓄總?cè)莘e為206.72 m3，對應(yīng)降雨量為27.6 mm，年徑流總量控制率為80.63%。本工程所需調(diào)蓄容積為205 m3，滿足該地區(qū)公用設(shè)施用地80%年徑流總量控制率的要求。

3.4.2 海綿城市設(shè)施對SS去除率的計(jì)算

徑流污染控制是海綿城市設(shè)施建設(shè)的控制目標(biāo)之一。雨水徑流污染(以SS計(jì))去除率=年徑流總量控制率×低影響開發(fā)措施對SS的平均去除率。本項(xiàng)目雨水徑流污染控制率可按式(3)計(jì)算。

(3)

其中：η——地塊雨水徑流污染去除率；

α——年徑流總量控制率；

ηi——單項(xiàng)海綿設(shè)施徑流污染去除率；

F——場地內(nèi)總匯水面積，m2；

Fi——各單項(xiàng)設(shè)施匯水面積上各類下墊面面積，m2。

由表4可知，本分區(qū)年SS去除率為55.04%，

則S12分區(qū)對全廠年SS去除率的貢獻(xiàn)為55.04%為面 374.18 /12 622=5.99%。其他分區(qū)以此類推，通過對各分區(qū)污染物去除率的加和，得出本工程年SS控制率為70.04%，滿足上位規(guī)劃70%的要求。

表4 設(shè)計(jì)后年徑流污染控制率(S12分區(qū))Fig.4 Control Rate of Annual Runoff Pollution after Completion of Sponge City

通過上述計(jì)算過程可知，海綿城市各項(xiàng)技術(shù)措施的布局與規(guī)模是一個(gè)以結(jié)果為導(dǎo)向不斷調(diào)整的過程，使全廠設(shè)計(jì)調(diào)蓄總?cè)莘e大于所需調(diào)蓄容積，海綿設(shè)施的規(guī)模即可確定。同時(shí)，在各分區(qū)海綿設(shè)施規(guī)模的基礎(chǔ)上，計(jì)算分區(qū)污染物去除率，進(jìn)一步計(jì)算年SS總量去除率，使其滿足設(shè)計(jì)規(guī)定值。

4 結(jié)論

污水處理廠作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施之一，將其海綿化是海綿城市整體建設(shè)中不可或缺的一部分。昆山市某污水處理廠在擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)之初就融入海綿城市設(shè)施設(shè)計(jì)理念，海綿城市設(shè)施和廠區(qū)主體工程同步實(shí)施，充分利用廠區(qū)現(xiàn)有場地條件，合理確定海綿城市設(shè)施的種類，因地制宜地采用了植草溝、下凹式綠地等設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了年徑流總量控制率的目標(biāo)，為昆山市整個(gè)海綿城市的建設(shè)起到了積極的促進(jìn)作用，亦為其他污水處理廠海綿城市設(shè)施的建設(shè)提供了積極的借鑒作用。