武漢某地下式污水處理廠工程設(shè)計(jì)實(shí)例

夏云峰，趙 皇，周 艷，盧仲興，寧亞軍

(中建三局綠色產(chǎn)業(yè)投資有限公司，湖北武漢 430058)

地下式污水處理廠的建設(shè)形式起源于20世紀(jì)初的北歐芬蘭，最初主要為了穩(wěn)定控制生物處理的溫度條件。其主要將污水處理廠水處理構(gòu)筑物及輔助建筑物緊湊地設(shè)置在一個(gè)箱體內(nèi)，該箱體整體或部分置于地面以下。地下污水處理廠的構(gòu)筑物布置形式大致分為全地下式(單層加蓋、雙層加蓋)、半地下式雙層加蓋、半地上式雙層加蓋[1]。

相較于常規(guī)地上式污水處理廠，地下污水處理廠的優(yōu)勢(shì)在于整體布局緊湊占地少、良好的密閉性基本消除了噪聲污染、穩(wěn)定的環(huán)境溫度使出水達(dá)標(biāo)保證率高。然而，因地下式污水處理廠設(shè)于地下，對(duì)采光照明、通風(fēng)除臭、消防防洪(澇)等要求也更高，故除投資較地上式污水處理廠更高外，運(yùn)行成本也會(huì)有所增加。因此，在決策是否建設(shè)地下式污水處理廠時(shí)需統(tǒng)籌考慮城區(qū)土地價(jià)值及周邊土地利用率。

地下式污水處理廠的建設(shè)有多種應(yīng)用場(chǎng)景，如對(duì)處理后的出水有再生利用需求，需采用地下分散式污水治理思路，避免污水處理廠設(shè)置在下游，增加輸水干管敷設(shè)長(zhǎng)度；對(duì)選址用地有集約節(jié)地的要求，現(xiàn)有用地面積無(wú)法滿足常規(guī)布置需求；降低選址對(duì)周邊用地價(jià)值的鄰避效應(yīng)，以減少對(duì)周邊的噪聲污染和環(huán)境影響等。地下式污水處理廠在我國(guó)起步較晚，但發(fā)展較為迅速，目前集中應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密度高、對(duì)土地資源要求和環(huán)境質(zhì)量要求高的城市及地區(qū)。如采用多級(jí)AO工藝的全地下式北京碧水再生水廠[2]；采用“預(yù)處理+二級(jí)生物處理+混凝沉淀+反硝化過(guò)濾”工藝的全地下式上海泰和污水處理廠[3]；貴陽(yáng)南明河流域采用AAO+MBR工藝的貴醫(yī)污水處理廠[4]等。當(dāng)前，在北上廣深等一線城市、昆明和大理等環(huán)境敏感區(qū)域以及杭州、青島、合肥等人口密度較高地區(qū)均有運(yùn)行或在建的地下式污水處理廠。

1 項(xiàng)目概況

隨著人口規(guī)模的增長(zhǎng)，為有效解決武漢市某片區(qū)污水直排、旱季污水處理能力不足的問(wèn)題，擬從污水輸送的暗涵轉(zhuǎn)明渠的明渠起端進(jìn)行旱季截污，同時(shí)兼顧雨天合流制溢流污染的控制，根據(jù)修建性詳細(xì)規(guī)劃在明渠起端東側(cè)一狹長(zhǎng)形地塊選址修建一座10×104m3/d的水質(zhì)凈化廠以緩解片區(qū)水環(huán)境污染問(wèn)題。

地下式污水處理廠的建設(shè)多布設(shè)于用地條件受限或出水需就地資源化的場(chǎng)景。由于本案例選址臨近密集的住宅區(qū)和大型商圈，公用設(shè)施建設(shè)用地面積有限且為條狀，綜合考慮出水水質(zhì)、對(duì)周邊環(huán)境的影響等因素，設(shè)計(jì)確定采用全地下式污水處理廠。出水水質(zhì)按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中一級(jí)A排放要求設(shè)計(jì)，除TN含量按≤15 mg/L、SS含量按≤10 mg/L執(zhí)行外，其他指標(biāo)均執(zhí)行地表IV類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。該污水處理廠處理后尾水排入臨近明渠，作為明渠的生態(tài)補(bǔ)水。

2 處理工藝

目前，地下式污水處理廠二級(jí)處理核心工藝通常選擇改良AAO、深床濾池、MBBR等一些運(yùn)行成熟、能耗低的工藝或其組合。據(jù)侯峰等[5]對(duì)國(guó)內(nèi)地下式污水處理廠的調(diào)研，50%以上的地下式污水處理廠采用AAO及其改良工藝作為污水處理主工藝，超過(guò)25%的地下式污水處理廠采用MBR作為主工藝，IFAS、MBBR等高效生物膜工藝在地下式污水處理廠中也有應(yīng)用。

本工程污水處理廠進(jìn)水為暗涵輸送周邊區(qū)域的生活污水，旱季為片區(qū)旱流污水，雨季則為合流污水，參考周邊區(qū)域污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)并調(diào)研晴雨季明渠水質(zhì)后確定進(jìn)水水質(zhì)，結(jié)合修建性規(guī)劃對(duì)該明渠河道的功能定位及尾水的補(bǔ)水用途，建設(shè)方對(duì)出水水質(zhì)提出了較高要求，需穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，主要指標(biāo)達(dá)到地表IV類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此，最終確定本工程進(jìn)、出水水質(zhì)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

選址現(xiàn)場(chǎng)南北兩端分別為鐵路干線和加氣站，出于安全考慮，深基坑南北兩端須退讓50.0 m以上的距離，地下空間可用面積不足2×104m2，因此，嚴(yán)格的用地限制是工藝選擇的主因，而采用常規(guī)二級(jí)處理加深度處理并不具備現(xiàn)實(shí)條件。鑒于嚴(yán)格的用地限制及周邊商住環(huán)境限制，必須選擇占地少、處理效果穩(wěn)定可靠的工藝，同時(shí)能有機(jī)組合減少環(huán)境影響，最終確定該污水處理廠的工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程示意圖Fig.1 Process Flow Diagram

該工藝采用多點(diǎn)進(jìn)水，厭、缺氧區(qū)均設(shè)進(jìn)水口，以解決缺氧區(qū)碳源不足的問(wèn)題。AAO生物池混合液采用分段回流，缺氧池混合液回流至厭氧池補(bǔ)充污泥量，降低厭氧池DO確保聚磷菌有效釋磷，好氧池混合液回流至缺氧池實(shí)現(xiàn)硝化液回流，膜池內(nèi)高濃度污泥外回流至好氧池。生物池的內(nèi)、外回流比例據(jù)進(jìn)水水質(zhì)靈活控制，可最大限度利用碳源，提高脫氮率和抗晴雨季水質(zhì)波動(dòng)的能力。

地上式污水處理廠泥水分離多采用圓形幅流式二沉池，地下式污水處理廠受限于空間及對(duì)集約用地的需求，多采用單層或雙層矩形沉淀池。此外，MBR膜也是一種常見(jiàn)的泥水分離方式。為減少占地和提高出水水質(zhì)，該工藝泥水分離通過(guò)MBR完成，污水處理車(chē)間采用全地埋設(shè)置，結(jié)構(gòu)形式采用箱體，構(gòu)筑物均加蓋以便臭氣收集和處理。

3 處理車(chē)間布置

地下式污水處理廠需考慮污水處理及輔助設(shè)施的布置，按常規(guī)分設(shè)兩組獨(dú)立處理線，這既要結(jié)合用地條件，又要結(jié)合區(qū)間功能與施工、巡檢等所需空間以及采光通風(fēng)、除臭消防等要求統(tǒng)籌考慮。

建設(shè)方給定的用地范圍是長(zhǎng)約500.0 m、寬約80.0 m的條狀地塊，南面為鐵路，西面為大型商圈，東面為高架路，綜合上述邊界條件，優(yōu)化設(shè)計(jì)后確定該地下式污水處理廠處理車(chē)間平面布置如圖2所示。

總平面打破常規(guī)的中間道路、兩邊對(duì)稱(chēng)的布置方式，結(jié)合用地紅線的特點(diǎn)，將地下道路布置在紅線的弧形一側(cè)，兩條水處理生產(chǎn)線并列緊湊地布置在另一側(cè)，盡可能減少對(duì)用地的分割。根據(jù)池體深度在豎向上的分布特點(diǎn)，利用生物池對(duì)應(yīng)路段下方的空間安排應(yīng)急溢流調(diào)節(jié)泵房和排水泵房，最大程度發(fā)揮豎向空間的作用。

圖2 處理車(chē)間平面布置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Sewage Treatment Unit

整個(gè)污水處理車(chē)間長(zhǎng)約282.0 m，寬約64.0 m，采用雙層加蓋形式，主要分兩層：上層層高約6.6 m，為設(shè)備操作層和車(chē)道，下層層高約7.0 m，為構(gòu)筑物層及管廊。車(chē)間頂部覆土1.6 m以上，車(chē)間下部距設(shè)計(jì)地面最深處約15.4 m(生物池和應(yīng)急溢流泵房底板內(nèi)底)，其他部分在地下9.4～13.4 m。箱體頂板向長(zhǎng)邊方向放坡，以排放景觀土壤層的積水。車(chē)道入口附近設(shè)雨篷，采用反坡設(shè)計(jì)并設(shè)置橫向截水溝。

預(yù)處理區(qū)主要為兩道格柵及沉砂區(qū)，如圖3所示，包括柵渣區(qū)，豎向上將細(xì)格柵池的下部空間作為空壓機(jī)設(shè)備間。預(yù)處理區(qū)內(nèi)充分利用高凈空部分作為格柵沖洗水箱及水泵放置區(qū)域。

生化處理區(qū)則為AAO主工藝段，如圖4～圖7所示，在結(jié)構(gòu)的豎向設(shè)計(jì)上作為最大埋深處，整體為鍋底狀，設(shè)計(jì)考慮的關(guān)鍵是AAO生物池及MBR反洗水池溢流排水的去處。為減少占地，結(jié)合管廊首層設(shè)置，將MBR反洗水池及AAO生物池溢流排水全部納入管廊最底層的排水泵房和溢流泵房?jī)?nèi)，與生物池共底板。除臭設(shè)施置于生物池頂板上，能充分利用生物池頂板上方空間。

圖3 預(yù)處理區(qū)布置圖Fig.3 Schematic Diagram of Pretreatment Area

圖5 AAO生物池下部布置圖Fig.5 Schematic Diagram of AAO Biochemical Pool in Lower Layer

圖6 膜池上部布置圖Fig.6 Schematic Diagram of Membrane Tank in Upper Layer

圖7 膜池下部布置圖Fig.7 Schematic Diagram of Membrane Tank in Lower Layer

設(shè)備及加藥間包括MBR產(chǎn)水泵、鼓風(fēng)機(jī)房、配電間等，構(gòu)成附屬綜合車(chē)間，污泥處理區(qū)則包括脫水間、泥庫(kù)、消毒間等。加藥間藥劑采用液體藥劑地面卸料方式，通過(guò)卸料泵將藥劑接入加藥間。離心濃縮脫水后的污泥通過(guò)管廊地下一層車(chē)行通道收集外運(yùn)處置。

該污水處理車(chē)間占地約1.8×104m2，考慮地上景觀及配套驛站總用地紅線的面積約2.91×104m2，根據(jù)《城市污水處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中污水處理廠對(duì)用地指標(biāo)的要求，二級(jí)處理加深度處理占地指標(biāo)為0.8 m2/t，該地下式污水處理廠占地僅為同規(guī)模常規(guī)地面污水處理廠占地(8×104m2)的36.4%。

4 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1 進(jìn)水及預(yù)處理單元

進(jìn)水由明渠自流進(jìn)入結(jié)合井，經(jīng)井內(nèi)粉碎性格柵機(jī)處理后通過(guò)下開(kāi)式堰門(mén)自流進(jìn)入地下式污水處理廠細(xì)格柵池，細(xì)格柵、曝氣沉砂池及膜格柵作為預(yù)處理單元組合在一起，在預(yù)處理終端形成兩組配水井。細(xì)格柵間安裝3臺(tái)柵隙為5 mm的內(nèi)進(jìn)流網(wǎng)板式細(xì)格柵，膜格柵間安裝4臺(tái)柵隙為1 mm的內(nèi)進(jìn)流網(wǎng)板式精細(xì)膜格柵。

曝氣沉砂池分兩格，每格裝有10處T型鋼制穿孔管，供氣由兩套磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)提供，單臺(tái)流量為18 m3/min，風(fēng)壓為39.2 kPa。每格安裝1臺(tái)漂浮螺桿，通過(guò)管道輸送至浮渣分離一體機(jī)。另設(shè)兩套氣提吸砂泵和一套砂水分離器，Q=60 m3/h。曝氣沉砂池水力停留時(shí)間為6.5 min，曝氣量為0.2 Nm3/m3污水。

4.2 二級(jí)處理及消毒出水

生化單元為AAO生物池，設(shè)兩組，對(duì)稱(chēng)布置形成整體，隔墻分隔，每座由厭氧區(qū)、缺氧區(qū)及好氧區(qū)組成，厭、缺氧區(qū)分段進(jìn)水，既補(bǔ)充了反硝化碳源以提高脫氮效率，又降低了回流硝化液攜帶的溶解氧。

厭、缺氧區(qū)及好氧區(qū)均為導(dǎo)流墻形成推流式的矩形水池，厭、缺氧區(qū)內(nèi)均設(shè)潛水推進(jìn)器，各分區(qū)均設(shè)3臺(tái)穿墻潛水泵。MBR膜池內(nèi)污泥回流到好氧區(qū)的回流比為300%～400%，回流渠道內(nèi)設(shè)8臺(tái)(6用2備)污泥回流泵，將膜池污泥回流至好氧區(qū)起端，兩臺(tái)剩余污泥泵的單泵流量為130 m3/h，揚(yáng)程為16 m。AAO生物池設(shè)計(jì)泥齡為12 d，污泥負(fù)荷為0.055 kg BOD5/(kg MLSS·d)，總停留時(shí)間為10.35 h。

生物池好氧區(qū)采用板條式曝氣器，設(shè)計(jì)氣水比為5.2∶1.0，由鼓風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)3臺(tái)帶變頻裝置的空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)提供曝氣，單機(jī)供氣量為181 m3/min。

AAO生物池后接MBR池及紫外線消毒間，MBR膜池分2組，承擔(dān)泥水分離功能，另外可強(qiáng)化有機(jī)物和氮的去除效果。該工藝將MBR膜池與AAO好氧池合建，通過(guò)渠道調(diào)整MBR進(jìn)、出水方向，將膜池的進(jìn)水引入后端，而回流液在膜池前端，采用穿墻泵和回流渠完成污泥回流。每組膜池共分為7列，每列有膜組件19個(gè)，每列預(yù)留膜組件安裝空位1個(gè)，該單元共安裝膜組件數(shù)量為133個(gè)。選用聚偏氟乙烯(PVDF)浸沒(méi)式中空纖維膜，孔徑為0.04 μm，膜面積共237 910.4 m2，平均膜通量為17.5 L/(m2·h)，最大跨膜壓差為0.05 MPa，膜組件產(chǎn)水10～12 min，反吹掃1 min。MBR膜池一側(cè)設(shè)置酸洗池、堿洗池、沖洗水池及反沖洗水池。膜池吹掃由鼓風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)3臺(tái)帶變頻空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)提供，氣水比為9.0∶1.0。

采用3套管式紫外線消毒裝置，每套平均處理流量為1 389 m3/h，紫外消毒設(shè)備紫外線劑量在15～22 mJ/cm2。此外，預(yù)留應(yīng)急時(shí)NaClO的投加及相應(yīng)管路系統(tǒng)，出水經(jīng)巴氏計(jì)量槽計(jì)量后排入臨近明渠作為生態(tài)補(bǔ)水。

4.3 污泥處理單元

污泥處理單元由污泥緩沖池、離心式濃縮脫水一體機(jī)及污泥料倉(cāng)組成，設(shè)5套離心濃縮脫水一體設(shè)備(4用1備)，每套處理量為50 m3/h，剩余污泥含水率由99.4%降至80.0%以下，每日運(yùn)行16 h。輔助設(shè)施包括污泥切割機(jī)、污泥進(jìn)料泵、加藥泵、沖洗裝置及制藥設(shè)備。每臺(tái)脫水機(jī)配套脫水后干污泥輸送泵，脫水污泥被送至料倉(cāng)，兩套污泥料倉(cāng)總?cè)莘e為100 m3，卸料能力為30 m3/h。脫水機(jī)設(shè)兩套PAM制配系統(tǒng)，1用1備，配置能力為5 kg/h，配備5臺(tái)PAM投藥泵，單泵流量為1 500 L/h，投加點(diǎn)位包括污泥脫水前和污泥緩沖池。

4.4 加藥單元

加藥間藥劑配置采用液態(tài)藥劑，包括混凝劑PAC、碳源NaAc、檸檬酸和NaClO，設(shè)卸藥泵，流量為20 m3/h，并配置藥劑儲(chǔ)罐及投配系統(tǒng)。PAC藥劑投加點(diǎn)為好氧池出水端，單泵流量為350 L/h；NaAc投加至生物池缺氧區(qū)補(bǔ)充碳源，單泵流量為500 L/h；檸檬酸原位清洗投加至產(chǎn)水泵吸水管、酸洗池和水洗池；NaClO原位清洗投加至產(chǎn)水泵吸水管、堿洗池、水洗池和反沖洗池。

4.5 除臭及通風(fēng)單元

除臭采用生物除臭，所需密閉、收集及除臭的構(gòu)筑物及設(shè)施主要為進(jìn)水及預(yù)處理單元、二級(jí)生化單元和污泥脫水機(jī)房等，除臭為兩套系統(tǒng)，總風(fēng)量為100 000 m3/h。

車(chē)間內(nèi)地下一層過(guò)道、二層管廊、鼓風(fēng)機(jī)房、加藥間、膜設(shè)備間、細(xì)格柵、膜格柵、曝氣沉砂池等設(shè)備集中區(qū)域采用機(jī)械排煙、自然補(bǔ)風(fēng)的方式；脫水車(chē)間、儲(chǔ)泥池、變配電間、生物池上部及地下一層走道和二層管廊采用加壓送風(fēng)。設(shè)計(jì)選用單速導(dǎo)翼型風(fēng)機(jī)和高溫雙速消防風(fēng)機(jī)，雙速消防風(fēng)機(jī)平時(shí)低速排風(fēng)，火災(zāi)時(shí)高速排煙。脫水機(jī)、變配電間、MBR膜池及生物池上部、地下一層走道采用單速導(dǎo)翼型；泥庫(kù)、鼓風(fēng)機(jī)房、加藥間、膜設(shè)備間、預(yù)處理區(qū)、儀表間及地下一層走道及地下二層管廊采用高溫消防風(fēng)機(jī)；脫水間、變配電間及地下一層走道采用單速消防加壓送風(fēng)機(jī)。共設(shè)置9套排風(fēng)(煙)系統(tǒng)，換風(fēng)次數(shù)根據(jù)區(qū)域性質(zhì)按3～8次/h設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

(1)該地下式污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為10×104m3/d，采用AAO+MBR作為核心生物處理組合工藝，設(shè)計(jì)出水除TN和SS的限值分別為15 mg/L和10 mg/L，其他出水水質(zhì)均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中地表水IV類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，處理后尾水排入臨近明渠作為其生態(tài)補(bǔ)水，目前該污水處理廠正處于建設(shè)中。

(2)全地下式污水處理廠工藝設(shè)計(jì)需充分結(jié)合下沉箱體的各平面功能和豎向結(jié)構(gòu)，為便于開(kāi)挖支護(hù)、地基處理及抗浮設(shè)計(jì)，箱體總體布置應(yīng)將埋深相近的構(gòu)筑物集中布設(shè)，達(dá)到同標(biāo)高、共底板。此外，從運(yùn)維角度需重點(diǎn)統(tǒng)籌采光通風(fēng)和消防的設(shè)計(jì)，方可在保障污水處理廠安全運(yùn)行的前提下節(jié)省運(yùn)維成本。

(3)地下箱體平面布置應(yīng)因地制宜，豎向上綜合利用。該工程結(jié)合帶狀地形將地下車(chē)行道布設(shè)在紅線的弧形一側(cè)單向通行，兩條水處理生產(chǎn)線并列緊湊地布置在另一側(cè)，以減少對(duì)用地的分割。并結(jié)合池體深度在豎向上的分布特點(diǎn)，利用生物池對(duì)應(yīng)路段下方的空間設(shè)置應(yīng)急溢流調(diào)節(jié)泵房和排水泵房，最大程度發(fā)揮豎向空間的作用。

(4)本項(xiàng)目總投資約6億元，單方投資約6 000元/m3污水，較常規(guī)地上式污水處理廠建造成本3 000元/m3污水增加約一倍。因此，采用全地下式污水處理廠必須權(quán)衡周邊影響和投資成本兩者的關(guān)系。