地下式污水處理廠AAO+MBR工藝的應(yīng)用

夏云峰，周 艷，王 濤，閔紅平，盧仲興，焦 鶴，陳 騫

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

為應(yīng)對稀缺的城市土地資源和滿足高質(zhì)量的環(huán)境需求，污水處理廠的建設(shè)需尋求向下發(fā)展，以最大程度化解鄰避效應(yīng)。近年來，我國在北上廣深等一線城市及昆明滇池、貴陽南明河等城市重點(diǎn)流域的城市人口密集區(qū)建設(shè)地下式污水處理廠，以解決土地資源緊缺、城市環(huán)境要求高的矛盾[1]。據(jù)《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》，鼓勵(lì)再生水利用，地級及以上缺水城市再生水利用率要求達(dá)到25%以上，而其中主要利用水源為污水處理廠的尾水，分散式地下污水處理廠的建設(shè)更利于污水的就地處理及回用。以貴陽南明河流域治理為例，該流域采用區(qū)域污水收集處理與河流治理統(tǒng)籌的方式、污水處理廠分散布局和地下式污水處理廠相結(jié)合的建設(shè)模式，實(shí)現(xiàn)污水處理廠建設(shè)土地的集約化及污水的資源化[2]。

地下式污水處理廠以其結(jié)構(gòu)緊湊、占地小、二次污染少、地面用途多元化的優(yōu)勢正逐年增加建設(shè)規(guī)模，其運(yùn)行穩(wěn)定，受外部環(huán)境影響小，可保持甚至提升周邊土地溢價(jià)。然而，也應(yīng)清醒認(rèn)識到投資成本高、事故風(fēng)險(xiǎn)率大、運(yùn)維人員健康影響深是其推廣的最大阻力。地下式污水處理廠的豎向布置形式主要分3大類：全地下式、半地下式及隧道式[3]。除隧道式水廠主體結(jié)構(gòu)設(shè)置在隧道、巖洞或山洞中外，其余可分為全地下單層加蓋式、全地下雙層加蓋式和半地下雙層加蓋式[4-5]。

近十年以來，國內(nèi)地下式污水處理廠發(fā)展迅速，根據(jù)國內(nèi)地下式污水處理廠的調(diào)研[6]，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25%的地下式污水處理廠采用MBR作為主工藝。在諸多生物處理主體工藝中，主要聚焦兩大類。一類為短流程，其主流處理方式為AAO及其改良+MBR工藝，以全地下式廣州京溪污水處理廠[7]為代表，該廠融合了先進(jìn)的MBR工藝、優(yōu)化的土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠的儀表自控技術(shù)及安全有效的通風(fēng)系統(tǒng)，以組團(tuán)式結(jié)構(gòu)布置的形式為后續(xù)同類地下式污水處理廠MBR膜工藝的應(yīng)用提供了充分的依據(jù)和借鑒。另一類為長流程，其主流處理工藝為AAO及其改良+高效沉淀+濾池(深床濾池、轉(zhuǎn)盤濾池等)，在合肥濱湖北澇圩再生水廠[8]和錢江地下式污水處理廠[9]等均有所應(yīng)用。相較于長流程工藝，采用中空纖維膜的MBR工藝其出水水質(zhì)更優(yōu)，占地更小，利于滿足準(zhǔn)Ⅳ類及準(zhǔn)Ⅲ類出水指標(biāo)(部分指標(biāo)滿足Ⅳ類或Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn))及景觀環(huán)境用水的用途，但初投資及運(yùn)營成本相對較高。

現(xiàn)就日益廣泛應(yīng)用的AAO及其改良工藝+MBR的案例進(jìn)行總結(jié)，主要從進(jìn)出水水質(zhì)及出水用途、主要設(shè)計(jì)參數(shù)、污泥和臭氣處理工藝、消防分區(qū)等方面進(jìn)行分析，以期對后續(xù)地下式污水處理廠的建設(shè)提供參考和借鑒。

1 案例分析

鑒于不同規(guī)模的污水處理廠對占地、投資、除臭通風(fēng)及消防設(shè)計(jì)等要求不同，故篩選處理規(guī)模為10萬～15萬m3/d的地下式污水處理廠作為分析對象，針對設(shè)計(jì)所關(guān)注的關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行梳理。

1.1 進(jìn)、出水水質(zhì)及再生利用

本研究所選取的7座地下式污水處理廠：煙臺市套子灣污水處理廠二期(15萬m3/d)[10-11]、河北正定新區(qū)污水處理廠(10萬m3/d)[12]、珠海前山水質(zhì)凈化廠(10萬m3/d)[13]、昆明第九(10萬m3/d)和第十污水處理廠(15萬m3/d)[14-16]、深圳坂雪崗水質(zhì)凈化廠二期(12萬m3/d)[17]、廣州京溪污水處理廠(10萬m3/d)。其設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)如圖1和圖2所示。

圖1 7座地下式污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)Fig.1 Design Influent Quality for Seven UWWTPs

圖2 7座地下式污水處理廠設(shè)計(jì)出水水質(zhì)Fig.2 Design Effluent Quality for Seven UWWTPs

除深圳坂雪崗水質(zhì)凈化廠出水執(zhí)行準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(除TN外，其他指標(biāo)執(zhí)行Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn),TN≤10 mg/L)外，其余地下式污水處理廠出水均按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級A標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，且廣東省2座污水處理廠還需符合地標(biāo)《水污染物排放限值》(DB 44/26—2001)第二時(shí)段的一級標(biāo)準(zhǔn)要求，主要是CODCr限值降至40 mg/L。

盡管目前污水處理廠出水指標(biāo)多按一級A排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，但隨著環(huán)保要求的提高，各地污水排放標(biāo)準(zhǔn)也日趨嚴(yán)格。目前除北京、天津等發(fā)達(dá)區(qū)域及太湖、滇池等重要流域外，廣東、山東等省及市也出臺了相對嚴(yán)格的地方標(biāo)準(zhǔn)，管控嚴(yán)格的受納水體如岷江和沱江、梁灘河和大清河流域等污染物排放限值已近地表Ⅲ類和Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。再生水利用率作為“十四五”城鎮(zhèn)排水規(guī)劃的重大指標(biāo)，能否完成目標(biāo)首要保障為再生水水質(zhì)。MBR膜技術(shù)是一種活性污泥法與膜分離相結(jié)合的水處理技術(shù)，對于SS及渾濁度的去除具有先天優(yōu)勢，相較常規(guī)深度處理，該工藝能顯著縮短流程，對地下式污水處理廠而言尤能減少占地，同時(shí)增強(qiáng)抗沖擊負(fù)荷能力，減少剩余污泥排放。因此，MBR膜技術(shù)在地下式污水處理廠中擁有較大市場占有率。

1.2 污水處理主要工藝參數(shù)

本次研究所選取的7座污水處理廠中2座來自北方城市，5座來自南方城市，污水處理廠運(yùn)行效果均達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，滿足設(shè)計(jì)出水水質(zhì)要求。鑒于北方城市進(jìn)水濃度相對較高，針對南方深圳、珠海及昆明的5座地下式污水處理廠相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 南方城市5座地下式污水處理廠主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Main Design Parameters of Five UWWTPs in Southern Cities

結(jié)合進(jìn)、出水水質(zhì)，通過相似規(guī)模的地下式污水設(shè)計(jì)參數(shù)可知，廣州京溪污水處理廠因進(jìn)水中有機(jī)物濃度偏低，生化段總停留時(shí)間較小，不足8 h；昆明第九、第十污水處理廠由于進(jìn)水TN質(zhì)量濃度相對較高，達(dá)45 mg/L，設(shè)計(jì)在AAO的好氧段后接缺氧段以強(qiáng)化TN脫除，因此，總停留時(shí)間有所增加；坂雪崗水質(zhì)凈化廠二期因出水執(zhí)行準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(TN≤10 mg/L)，有機(jī)物和TN去除要求更高，除預(yù)處理段采用10 min預(yù)沉砂及50 min速沉外，總停留時(shí)間也相對較長，主要增加在AAO中缺氧段和好氧段。

在MBR池中，5座污水處理廠的膜濾徑基本相當(dāng)，大部分為0.2 μm，出水達(dá)到再生水水質(zhì)要求，通常再生利用場景可直接回用，平均膜通量在18 L/(m2·h)左右。為保證生物池內(nèi)高濃度污泥，在MBR池污泥回流量上均比較高，達(dá)到300%～500%，充分利用膜池的高濃縮污泥進(jìn)行回流補(bǔ)充生物池泥量。在泥齡方面，總泥齡平均在20 d，適合世代周期長的硝化菌生長，利于生物脫氮。

根據(jù)這5座地下式污水處理廠的設(shè)計(jì)運(yùn)行情況，針對南方城市以市政污水為主的城鎮(zhèn)污水水質(zhì)，當(dāng)進(jìn)水CODCr≤400 mg/L、TN≤45 mg/L時(shí)，相較于傳統(tǒng)AAO+深度處理工藝，采用AAO+MBR工藝時(shí)污泥負(fù)荷為0.07 kg BOD5/(kg MLSS·d)，低于傳統(tǒng)AAO工藝30%以上污泥負(fù)荷，一定程度增加抗沖擊負(fù)荷能力；且生物池平均污泥質(zhì)量濃度為8 g/L，高于傳統(tǒng)的污泥質(zhì)量濃度(2.5～4.0 g/L)兩倍以上，可提高生物量降低生物池體積，同時(shí)MBR工藝的低排泥量在地下式污水處理廠降低了藥耗和人工運(yùn)輸成本。雖然MBR在工藝上具有較大優(yōu)勢，但也應(yīng)客觀認(rèn)識到在地下式污水處理廠生物池一般作為基坑最深處，MBR的膜組件起吊高度是影響地下式污水處理廠埋深的關(guān)鍵控制因素。

1.3 污泥處理及除臭通風(fēng)

作為有效節(jié)省地下空間占地的方式，濃縮和脫水在一體機(jī)是地下式污水處理廠污泥處理的必然趨勢，MBR工藝產(chǎn)泥量少，10萬m3/d規(guī)模的污水處理廠日產(chǎn)泥量尚不足以就地經(jīng)濟(jì)性消納，且受限于鄰近環(huán)境，多采用脫水至含水率為80%后外運(yùn)填埋處置方式。除深圳坂雪崗水質(zhì)凈化廠二期采用濃縮調(diào)理+板框壓濾的脫水方式外，其余6座污水處理廠均采用機(jī)械濃縮脫水一體機(jī)，因此，污泥的處理工藝更多考慮節(jié)地需求，若對污泥含水率有更高要求則需采取成熟穩(wěn)定的調(diào)理方式結(jié)合板框壓濾進(jìn)行脫水，以降低含水率。污泥的最終處置主要包括外運(yùn)焚燒和衛(wèi)生填埋，需結(jié)合當(dāng)?shù)匚勰嗵幹玫膱龅丶爸苓吙捎玫馁Y源。

地下式污水處理廠因整個(gè)箱體設(shè)于地下，臭氣處理及通排風(fēng)要求相較地上式更嚴(yán)格。調(diào)研的7座污水處理廠在臭氣處理上均采用生物(濾池)除臭方式，如表2所示?？傮w而言，地下式污水處理廠的臭氣處理以低成本生物除臭為主，但鑒于對周邊的環(huán)境影響，多輔以離子除臭或活性炭吸附等物化法以保障除臭效果。因此，單一的生物除臭作為地下式污水處理廠常用臭氣處理方式，需配套物理化學(xué)除臭方式保障去除效果。

表2 地下式污水處理廠污泥和臭氣處理及排風(fēng)形式Tab.2 Sludge and Odor Treatment and Venting Form of UWWTPs

在排風(fēng)形式上，全地下式污水處理廠位于地面下，缺乏自然排風(fēng)條件，而半地下式污水處理廠則可部分利用自然通風(fēng)以降低能耗。深圳坂雪崗水質(zhì)凈化廠二期為半地下式，除充分利用四周開敞空間實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)外，同時(shí)對各功能建筑布置側(cè)墻風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)。其余幾座地下式污水處理廠均采用機(jī)械通風(fēng)為主的通排風(fēng)形式，地下式污水處理廠的通風(fēng)效果直接影響運(yùn)營人員的身心健康。相較于地上式，地下式污水處理廠的機(jī)械送排風(fēng)也成為了繼采光照明后地下式污水處理廠運(yùn)營能耗增加的第二大因素，因此，設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)厝照占跋募局鲗?dǎo)風(fēng)向酌情考慮設(shè)置自然采光井及風(fēng)環(huán)境模擬，形成一定程度自然通排風(fēng)。

1.4 消防分區(qū)設(shè)計(jì)

根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)第5.3.1條，地下或半地下建筑設(shè)備用房防火分區(qū)的最大允許建筑面積不應(yīng)大于1 000 m2；若防火分區(qū)面積超過1 000 m2，則須考慮增設(shè)自動滅火系統(tǒng)，此時(shí)防火分區(qū)面積上限為2 000 m2；若超過2 000 m2，則需經(jīng)過消防主管部門的性能化設(shè)計(jì)審查。各水廠消防設(shè)計(jì)思路如表3所示。

表3 地下式污水處理廠消防設(shè)計(jì)要點(diǎn)Tab.3 Main Points of Fire Protection Design for UWWTPs

地下式污水處理廠與常規(guī)地下室設(shè)備房不同，其操作區(qū)內(nèi)生物池、膜池等水工構(gòu)筑物檢修平臺均為大面積檢修蓋板，設(shè)備和管道用不燃材料制造，其他可燃物很少，火災(zāi)危險(xiǎn)性小。但現(xiàn)行消防分區(qū)暫無規(guī)律可循，一般采用室內(nèi)消火栓系統(tǒng)+室內(nèi)自噴系統(tǒng)的形式，以最大程度減少防火分區(qū)數(shù)量和疏散出口設(shè)置，變配電間采用氣體滅火系統(tǒng)。該方式可在減少地上出入口的同時(shí)降低對地面景觀設(shè)計(jì)的影響。

由于各地方消防政策的差異，地下式污水處理廠的消防設(shè)計(jì)過程中應(yīng)多與當(dāng)?shù)叵乐鞴懿块T溝通協(xié)商，明確地下箱體空間的消防設(shè)施的設(shè)置。相關(guān)部門于2019年末在《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》局部修訂條文(征求意見稿)中針對地下式污水處理廠操作區(qū)生物池、二沉池等水工構(gòu)筑物檢修平臺的防火分區(qū)面積做出彈性規(guī)定，根據(jù)工藝要求確定，但因修訂稿尚未發(fā)布，目前的規(guī)劃和設(shè)計(jì)仍以增設(shè)自噴系統(tǒng)居多。因此，結(jié)合自然采光和消防應(yīng)急出口設(shè)計(jì)一定程度能提高消防安全保障性。

1.5 用地投資及地上空間

7座污水處理廠單位水量的用地及建設(shè)成本如表4所示。根據(jù)《城市污水處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，包含深度處理的污水處理廠占地面積為0.80～0.95 m2/(m3·d-1)，而表4中地下式污水處理廠的用地指標(biāo)為0.17～0.45 m2/(m3·d-1)，均小于建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。采用半地下式污水處理廠其噸水建設(shè)成本顯著低于全地下式，由于地下污水處理廠大多采用一體化箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其優(yōu)勢為在功能上高度集約，將水平地面上的功能往豎向集聚；在用地面積上占地小，節(jié)省了大量土地資源。另一方面，國內(nèi)南方城市地上式污水處理廠的噸水平均投資一般在3 000元/m3，從初期投資來看主流MBR工藝的地下污水處理廠投資約為常規(guī)地上污水處理廠的2倍。

表4 單位用地及建設(shè)成本Tab.4 Unit Land Use and Construction Costs

由于MBR工藝初期投資成本高，在地下式污水處理廠的地上空間利用希望可多元化、商業(yè)化，諸如景觀水系、公園綠地、科普館、公共停車場等。然而，目前規(guī)劃或建設(shè)的地面空間設(shè)計(jì)的理念相對落后，模式較為單一[18]，多為綠地公園或水系，一定程度發(fā)揮了土地的社會價(jià)值但未尋找到商業(yè)開發(fā)的合適路徑，無法補(bǔ)貼地下空間的采光和通風(fēng)能耗。在貴陽南明河流域系統(tǒng)治理工程中配套的貴醫(yī)污水處理廠、六廣門污水處理廠等幾座全地下式污水處理廠，其地上及地下空間的復(fù)合利用已逐步走向多功能化、商業(yè)化和協(xié)同化，但運(yùn)營后效果仍待觀察。此外，污水處理廠地上空間以景觀公園或公共停車場的形式開發(fā)，依然要考慮污水處理廠的運(yùn)維與空間管理界面的劃分，主要是污水處理廠運(yùn)維人員巡檢路線與地上開發(fā)區(qū)域行經(jīng)路線的分隔，以保證安全獨(dú)立。

2 結(jié)論

(1)隨著國家對環(huán)境保護(hù)及再生水資源化的日益重視，城鎮(zhèn)污水處理廠排放限值也日益嚴(yán)格，地下式污水處理廠以其分散式布設(shè)及就地回用的優(yōu)勢正逐步應(yīng)用在城鎮(zhèn)污水處理及水環(huán)境綜合治理工程中。AAO+MBR工藝以其較強(qiáng)抗沖擊負(fù)荷能力和較高污泥濃度在地下式污水處理廠建設(shè)中可作為優(yōu)先考慮工藝類型。

(2)相較于全地下式污水處理廠，采用半地下式可有效降低照明和通風(fēng)在污水處理廠運(yùn)行維護(hù)上的能耗和成本，因此，如有條件建議采用半地下或人造坡地的形式建設(shè)地下污水處理廠，充分發(fā)揮自然采光井及風(fēng)環(huán)境模擬形成的自然通排風(fēng)。

(3)作為地下式污水處理廠，占地平面及空間多為有限，因此，污泥脫水后含水率不宜過低，以增加用地負(fù)擔(dān)及調(diào)理流程，建議脫水至行業(yè)及地方要求含水率后外運(yùn)，以減少在地下箱體的停留和處理時(shí)間。

(4)采用AAO+MBR工藝作為地下式污水處理廠主體工藝，較《城市污水處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》所提供的用地限值可節(jié)省一半以上的用地面積；該工藝平均污泥負(fù)荷為0.07 kg BOD5/(kg MLSS·d)，污泥齡為20 d，可滿足市政污水一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。