全地埋式污水處理廠設(shè)計(jì)難點(diǎn)淺析

張琪， 朱揚(yáng)帆， 谷昊偉

（中節(jié)能國(guó)禎環(huán)保科技股份有限公司， 合肥 230088）

近年來(lái)， 隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展， 生活、 工業(yè)用水量都在大幅增加， 為保護(hù)水資源、 治理水污染， 大量的給排水設(shè)施如雨后春筍般發(fā)展起來(lái)。 針對(duì)城市用地越來(lái)越緊張的現(xiàn)狀， 全地埋式污水處理廠具有環(huán)境污染小、 噪音污染小、 節(jié)約土地資源、地面可做綠化等優(yōu)點(diǎn)， 自廣州京溪污水處理廠以來(lái)， 在全國(guó)陸續(xù)推廣開來(lái)。 本文以安徽省某全地埋式污水處理廠為例， 從工藝總圖布置、 工藝流程設(shè)計(jì)、 結(jié)構(gòu)計(jì)算、 變形縫設(shè)置、 抗浮設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了難點(diǎn)分析， 可為其他類似工程的建設(shè)提供借鑒。

1 工程概況

本工程位于安徽省， 占地約90 畝（6 萬(wàn)m2， 含代征市政道路和綠地）， 服務(wù)范圍66 km2。 設(shè)計(jì)規(guī)模為20 萬(wàn)m3／d， 其出水水質(zhì)中TP、 TN、 氨氮、 COD 4 項(xiàng)主要指標(biāo)的質(zhì)量濃度分別不高于0.3、 5、 1.5、30 mg／L， 其余指標(biāo)要求穩(wěn)定達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)， 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1 所示。 尾水排放至南淝河。 地上布置為景觀綠地， 地下分2 層， 地下一層為操作層， 層高5.7 m， 地下二層為水處理層， 層高10 m，地下箱體占地面積為37 807 m2。 地面設(shè)計(jì)為景觀公園。 該工程平面尺寸為237.7 m×170.0 m， 平均埋深約為17 m， 抗震設(shè)防烈度為7 度， 設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g（第一組）。 場(chǎng)地為中軟場(chǎng)地土， 建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類， 基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化巖。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab. 1 Design influent and effluent water quality

2 工藝設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

（1） 出水水質(zhì)要求高。 全地埋式污水處理廠采用“A2／O＋深度處理”［1］的核心路線， 出水水質(zhì)需穩(wěn)定達(dá)到GB 18918—2002 中一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)， 其中出水TP、 TN、 氨氮、 COD、 出水水質(zhì)應(yīng)達(dá)到地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大。 從該廠址周邊某污水處理廠2008 ～2014 年實(shí)測(cè)進(jìn)水水質(zhì)看， 該廠進(jìn)水水質(zhì)的波動(dòng)較大。 本次設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮進(jìn)水的波動(dòng)性， 增強(qiáng)全地埋污水處理廠的抗沖擊負(fù)荷能力，確保出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

（3） 采用全地埋式設(shè)計(jì)， 結(jié)構(gòu)等專業(yè)要求標(biāo)準(zhǔn)高。 除綜合管理用房外， 所有污水、 污泥處理構(gòu)（建）筑物及附屬生產(chǎn)建筑物均位于地下箱體內(nèi)， 箱體頂部為景觀綠化、 必要的人員疏散出口及氣體排放設(shè)施。 占地面積緊湊， 構(gòu)筑物布置、 管線設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等非常復(fù)雜［2］。 具體三維示意見圖1。

圖1 某全地埋式污水處理廠三維示意Fig. 1 Three-dimensional view of a whole buried sewage treatment plant

廠址處的路面標(biāo)高由西至東為18.00 ～20.00 m（吳淞高程）， 要求凈水廠頂層（結(jié)構(gòu)層）標(biāo)高不高于20.00 m（吳淞高程）。 為便于設(shè)備、 材料運(yùn)輸， 操作層層高不小于5.7 m。 全地埋污水處理廠至少應(yīng)有4 個(gè)對(duì)外出入口， 能滿足載重量20 t 汽車通行要求。 廠內(nèi)至少有2 個(gè)車行通道， 通道凈寬不小于6.00 m， 荷載滿足載重量20 t 汽車滿載要求； 廠內(nèi)人行通道除滿足滿載消防疏散要求外， 還應(yīng)便于污水處理廠運(yùn)行管理； 廠內(nèi)應(yīng)設(shè)有各設(shè)備的起吊、 運(yùn)輸設(shè)備， 并留有設(shè)備檢修與維護(hù)的空間和通道。

（4） 環(huán)境保護(hù)要求高。 由于工程規(guī)模較大， 構(gòu)筑物表面積也大， 設(shè)備裝機(jī)功率高， 且均位于密閉的地下空間內(nèi)， 故處理過程中的污染物（如臭氣、噪聲等）對(duì)內(nèi)部空間的影響極大， 因此對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求也相應(yīng)更高。

（5） 消防、 安全要求高。 由于本工程為全地埋式， 消防系統(tǒng)、 人員安全疏散及安全生產(chǎn)要求高。

3 總體工藝路線

根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)， 確定本工程采用“污水強(qiáng)化二級(jí)處理＋深度處理”的總體工藝路線。 通過對(duì)各種類型的A2／O 工藝的比較、 分析， 結(jié)合本工程特點(diǎn)， 本方案選用以改良A2／O 工藝為主的活性污泥法工藝方案， 污水深度處理工藝方案確定為反硝化深床濾池工藝， 工藝流程如圖2 所示。 脫水采用離心脫水機(jī)， 脫水后泥餅含水率小于80%，除臭采用生物除臭法集中進(jìn)行除臭處理。

圖2 污水處理廠工藝流程Fig. 2 Process flow of sewage treatment plant

對(duì)改良A2／O 工藝的運(yùn)行模式、 功能區(qū)布置進(jìn)一步改進(jìn)、 優(yōu)化， 以滿足本工程的需要。 主要優(yōu)化措施包括：

（1） 曝氣池采用完全混合式布置， 提高系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力。 在改良A2／O 工藝基礎(chǔ)上， 通過將好氧區(qū)分為串聯(lián)的2 個(gè)或3 個(gè)獨(dú)立區(qū)域， 每個(gè)區(qū)域通過推流器實(shí)現(xiàn)污水的完全混合， 從而強(qiáng)化了每個(gè)區(qū)域中的系統(tǒng)環(huán)境和生物相， 提高處理效率， 也易于控制各分區(qū)的曝氣量， 從而克服了完全推流的不足， 達(dá)到提高污水處理效果和節(jié)約能耗的目的。

（2） 曝氣池水深8.5 m， 減小曝氣池占地面積，提高氧轉(zhuǎn)移率， 降低能耗［1］。

（3） 分兩段布置缺氧區(qū)， 強(qiáng)化TN 去除， 降低混合液回流比。 第2 段缺氧區(qū)除布置攪拌器外， 還布置了曝氣系統(tǒng)， 可按缺氧池運(yùn)用， 也可按好氧池運(yùn)行。 通過運(yùn)行模式調(diào)整， 可提高系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)的應(yīng)變能力， 同時(shí)， 可大大降低內(nèi)回流比， 降低運(yùn)行成本。

（4） 曝氣鼓風(fēng)機(jī)采用精確曝氣控制系統(tǒng)， 在保證處理效果的前提下， 節(jié)省能耗。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析及優(yōu)化

大型全地埋式污水處理廠采用集約化組合式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式， 主要構(gòu)筑物組合設(shè)計(jì)為地下箱體結(jié)構(gòu)， 埋深較大。 本工程地下箱體埋深達(dá)到16.80 m，計(jì)算模型的選擇對(duì)箱體截面尺寸及配筋影響較大。地下箱體長(zhǎng)度超過200 m， 屬于超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)，且箱體采用共壁技術(shù)以減少構(gòu)筑物的占地面積， 如何合理選擇并設(shè)置變形縫對(duì)結(jié)構(gòu)整體性以及后期使用維護(hù)的影響較大。 箱體埋深大， 抗浮方案及抗浮設(shè)計(jì)水位的的選擇對(duì)工程造價(jià)的影響大。 針對(duì)上述設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行以下幾個(gè)方面的淺析：

4.1 大型地埋式污水處理廠計(jì)算模型的選擇

選擇合理的簡(jiǎn)化計(jì)算模型， 合理確定結(jié)構(gòu)斷面， 使其配筋率在經(jīng)濟(jì)配筋率范圍內(nèi)， 重點(diǎn)為計(jì)算模型的選擇：

（1） 方法一： 傳統(tǒng)的水池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算。 根據(jù)水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程［3］和設(shè)計(jì)手冊(cè)［4］， 通常將水池池壁根據(jù)受力情況簡(jiǎn)化為板進(jìn)行計(jì)算。 箱體長(zhǎng)高比遠(yuǎn)大于2 時(shí)， 簡(jiǎn)化為單向受力模式， 取1 m 寬板帶計(jì)算。 水池池壁主要受到池外水土合力以及池內(nèi)水壓力的作用， 計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

圖3 主池壁計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig. 3 The main wall calculation

根據(jù)規(guī)范規(guī)定， 豎向單向板的豎向彎矩可以按照連續(xù)梁模型計(jì)算， 水平向彎矩仍按板塊模型計(jì)算。 在豎向， 雙層式污水處理廠池壁可以視為兩端固支， 中間支座簡(jiǎn)支的連續(xù)梁， 通過理正工具箱計(jì)算得到豎向彎矩如圖4 所示。

圖4 準(zhǔn)永久組合豎向彎矩Fig. 4 Quasi-permanent combined vertical bending moment

（2） 方法二： 基于有限元的計(jì)算。 選取以引發(fā)縫分割的各部分水池分別建立模型［5］， 對(duì)布局進(jìn)行簡(jiǎn)化， 如圖5 所示。 池壁及頂板、 底板采用厚板單元（考慮剪切變形）， 梁柱采用梁?jiǎn)卧?外側(cè)水土壓力分別按流體壓力荷載加載到池壁上。 用面彈性支承模擬地基土對(duì)水池底板的豎向支承作用， 引發(fā)縫位置采用約束相應(yīng)水平方向的自由度， 底板四角4個(gè)節(jié)點(diǎn)約束X、 Y 2 個(gè)方向的自由度來(lái)模擬池體在整體結(jié)構(gòu)中的實(shí)際情況。 外側(cè)主池壁， 負(fù)一層原設(shè)計(jì)厚度為600 mm， 負(fù)二層原設(shè)計(jì)厚度為1 000 mm， 針對(duì)負(fù)二層建模分別按1 000、 900、 800 mm進(jìn)行模擬。 有限元計(jì)算模型如圖5 所示。

圖5 有限元計(jì)算模型Fig. 5 Finite element calculation model

2 種算法計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析如表2 所示。 采用有限元算法模擬得出的彎矩在池壁底部與底板交接處較規(guī)范算法較小， 但層高一半左右位置的彎矩則更大。 采用有限元算法更為接近真實(shí)受力情況， 在截面尺寸不變的情況下， 鋼筋用量比原設(shè)計(jì)節(jié)省了約7.8%。

表2 優(yōu)化設(shè)計(jì)水池池壁受力對(duì)比Tab. 2 Optimized design of pool wall stress constrast

4.2 超長(zhǎng)混凝土水池的變形縫設(shè)置

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)伸縮縫間距均有明確要求： 地下式或有保溫現(xiàn)澆式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 伸縮縫間距不宜大于30 m［6］。 地下箱體長(zhǎng)度超過200 m， 屬于超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)， 規(guī)范要求宜設(shè)置適應(yīng)溫度變化的伸縮縫， 考慮到設(shè)置大量伸縮縫會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性較差、 容易產(chǎn)生滲漏， 本工程混凝土采用補(bǔ)償收縮混凝土， 同時(shí)設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶＋引發(fā)縫的構(gòu)造將池體分割為單個(gè)長(zhǎng)度約70 m 的單元［7］。 在不影響工藝流程的前提下， 將變形縫設(shè)置為不完全收縮縫（引發(fā)縫）的形式， 既保證結(jié)構(gòu)的整體性， 又有效地傳遞地下室外側(cè)土壓力產(chǎn)生的水平軸向力， 使地下室外墻兩端對(duì)稱受力， 改善了框架的受力狀態(tài)。 污水處理廠與周邊車道采用沉降縫。 在變形縫中設(shè)置CB400×10－30 橡膠止水帶， 收縮縫兩側(cè)（或單側(cè)）設(shè)置30 mm×30 mm 槽口并用密封膏材料嵌縫。

4.3 抗浮方案及抗浮設(shè)計(jì)水位的選擇

地下箱體持力層為基巖， 經(jīng)方案比選， 采用錨桿抗浮更為經(jīng)濟(jì)合理。 地勘報(bào)告顯示， 現(xiàn)狀水位埋深為地表下0.9 ～5.6 m， 標(biāo)高11.70 ～15.59 m， 地下水位年變化幅度為3.00 m。 當(dāng)?shù)氐牡叵陆ǎ?gòu)）筑物抗浮設(shè)防管理規(guī)定， 建議抗浮設(shè)防水位為建（構(gòu)）筑物設(shè)計(jì)室外地坪下1.0 m， 但擬建場(chǎng)地地勢(shì)南高北低， 南側(cè)道路路面標(biāo)高18.80 ～20.00 m， 北側(cè)路面標(biāo)高14.50 ～15.50 m。 根據(jù)以上資料， 本工程抗浮設(shè)計(jì)水位如按百年一遇洪水位取16.20 m 進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性設(shè)計(jì)， 則需要錨桿總長(zhǎng)約65 300 m。

根據(jù)國(guó)內(nèi)工程慣例， 抗浮措施除工程措施以外（工程措施包括配重、 抗浮錨桿、 抗拔樁等）， 還可采用管理抗浮， 如沿構(gòu)筑物周邊設(shè)置地下水位觀測(cè)井， 觀測(cè)池外地下水位標(biāo)高， 當(dāng)?shù)叵滤粯?biāo)高或河洪水位標(biāo)高超過管理抗浮設(shè)計(jì)水位時(shí)， 不得放空檢修。 若采用管理抗浮， 即降低抗浮設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， 可以減少一定工程量， 但存在管理風(fēng)險(xiǎn)， 管理難度較大。考慮項(xiàng)目建設(shè)單位有較為專業(yè)的運(yùn)營(yíng)管理團(tuán)隊(duì)， 在項(xiàng)目建成后對(duì)運(yùn)行水位和工程檢修的管控有充足的把握， 決定采用管理抗浮措施， 將抗浮設(shè)計(jì)水位從16.20 m 調(diào)整至14.60 m， 設(shè)置水位觀測(cè)井， 優(yōu)化后抗浮錨桿總長(zhǎng)約43 700 m， 總長(zhǎng)度節(jié)約33%。

5 結(jié)語(yǔ)

大型全地埋式污水處理廠的水處理層與操作層均位于地下， 且布置高度集約化， 運(yùn)行管理均集中在相對(duì)密閉的地埋式車間內(nèi)， 對(duì)污水處理廠的設(shè)計(jì)、 建設(shè)、 運(yùn)營(yíng)管理等各方面的要求均高于傳統(tǒng)的地上污水處理廠。 尤其針對(duì)大型地埋式箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 對(duì)結(jié)構(gòu)布置、 箱體的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型、 變形縫的設(shè)置、 抗浮設(shè)計(jì)水位的選擇， 均提出了更高的要求； 在結(jié)構(gòu)安全合理的前提下， 通過優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠有效降低工程成本。 工程建成后， 出水水質(zhì)長(zhǎng)期穩(wěn)定優(yōu)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， 可直接用于綠化灌溉、 洗車、 澆地， 還可補(bǔ)充近河水量。 同時(shí)， 結(jié)合地上景觀設(shè)計(jì)， 建成以水文化為主題的市民休閑廣場(chǎng)， 滿足體育健身、 科普教育、 城市綠地3 大功能要求。立體開發(fā)節(jié)地率達(dá)70%。 體現(xiàn)了人與自然和諧共處， 值得推廣借鑒。