全地下式污水處理廠設計要點分析

李慶桂

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

城鎮(zhèn)污水處理廠是污染減排的主要承擔者，對保障城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展起到重要作用。根據(jù)《2020年中國城鄉(xiāng)建設統(tǒng)計年鑒》[1]，截至2020年，我國現(xiàn)有城市污水處理廠2 618座，縣城污水處理廠1 708座。由于城鎮(zhèn)化進程的快速推進，早期建設的很多污水處理廠逐漸被居民區(qū)包圍[2]。隨著人們環(huán)保意識的增強，城鎮(zhèn)污水處理廠惡臭氣體污染問題日益突出，特別是在中心城區(qū)的環(huán)境敏感區(qū)域，“廠群矛盾”突出，嚴重影響了污水處理廠的社會形象，引起社會的廣泛關注。同時，對常規(guī)地面污水處理廠來說，環(huán)境保護距離導致大量土地無法使用，造成土地財政的巨大浪費。

因此，地下式污水處理廠應運而生，全球第一座地下式污水處理廠在1932年起源于芬蘭，隨后在歐洲、韓國、日本等用地緊張的國家和地區(qū)應用較廣泛。我國從21世紀開始應用，國內(nèi)最早的地下式污水處理廠是建于2010年的深圳布吉污水處理廠。

近些年，地下式污水處理廠由于具有環(huán)境友好、占地面積小、能夠帶動提升周邊地塊品質(zhì)、與綠化和水景有機結合、美觀性好等優(yōu)點得到了各地政府和周邊居民的認可，建設需求急劇增加，已成為城市污水工程建設的新方向。地下式污水處理廠主要建設形式分為全地下式、半地下式、地坪式3種(圖1)。這3種建設形式的特點比較如表1所示。

圖1 地下式污水處理廠建設形式Fig.1 Construction Forms of Underground WWTP

表1 地下式污水廠型式比較Tab.1 Comparison of Underground WWTP Types

地坪式布局的上部空間有較多的安裝孔，運行時需要人員巡檢，生產(chǎn)區(qū)和上部功能開發(fā)層無法有效分隔，上部空間利用難度較大。全地下式布局相比半地下式布局在土地利用效率、景觀效果、土地開發(fā)等方面更具優(yōu)勢，在實際工程中應用更為廣泛。

污水處理廠埋入地下后，四周形成維護墻，上部加了頂蓋，形成具有建筑屬性的三維空間。同時，因為工藝的要求，一些設備及部分配電設施要放到地下，需要人員定時巡檢，給設計帶來了較大的難度。全地下式污水處理廠的設計要點和難點主要集中在工藝、平面高程、結構、通風、除臭、消防、電氣、自控、安全、衛(wèi)生、交通等方面。本文將重點從與投資運行成本密切相關的工藝選擇及平面高程布置、與人員安全密切相關的通風消防方面展開詳細論述，以期為全地下式污水處理廠的設計提供可參考借鑒的解決方案。

1 工藝選擇

全地下式污水處理廠由于土建投資較大，運行成本較高，工藝選擇時建議采用占地面積小、布置緊湊、運行維護方便、低碳節(jié)能的處理工藝。本文調(diào)研了國內(nèi)已建大型全地下式污水處理廠的主流處理工藝，如表2所示。由表2可知，目前國內(nèi)已建大型全地下式污水處理廠的處理工藝多為AAO和MBR，高效生物膜工藝在全地下式污水處理廠中也得到應用。此外，CAST和CASS工藝在小規(guī)模全地下式污水處理廠中也有少量應用。

表2 大型全地下式污水處理廠處理工藝統(tǒng)計Tab.2 Statistics of Treatment Process of Large Underground WWTP

MBR工藝具有效率高、處理時間短、占地小等優(yōu)點，但其設備造價高于常規(guī)深度處理設施，且壽命一般為5年，5年后就需更換，運行成本較高，適用于進水濃度不高、環(huán)境敏感、用地困難、對尾水要求高的項目。但在目前“碳中和”“碳達峰”背景下，MBR工藝因自身高能耗的特點，其應用將受到一定程度的限制。

AAO工藝因其工藝成熟、處理效果穩(wěn)定、運行安全且穩(wěn)定、維護少、投資適中、運行成本低等優(yōu)點，在實際工程中應用更為廣泛。實際設計中，工藝選擇需根據(jù)項目進水水質(zhì)、排放標準、用地條件等進行技術經(jīng)濟比選后確定。

2 平面和高程布置

(1)工程選址

全地下式污水處理廠一般位于土地稀缺的市中心或距離綜合體和居民區(qū)等敏感設施較近。廠址選擇時，首先考慮與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性，優(yōu)先使用規(guī)劃綠地或公共設施用地；其次，占地面積需滿足工藝要求，便于污水收集和處理后排放；同時，廠區(qū)防洪標準應不低于城鎮(zhèn)防洪標準，具有良好的排水條件；此外，廠址還需滿足交通便利、物流運輸方便等條件。

(2)平面布置

鑒于全地下式污水處理廠建設難度大，建成后難以擴建，建議采用“土建按遠期規(guī)模一次建成，設備分階段安裝”的建設模式。上海嘉定南翔污水處理廠(土建按10萬m3/d規(guī)模一次建成，設備按近期5萬m3/d規(guī)模安裝)和蘭州市鹽場污水處理廠二期工程(土建按10萬m3/d規(guī)模一次建成，設備按近期7.5萬m3/d規(guī)模安裝)均按上述模式建設。

本文還調(diào)研了國內(nèi)已建大型全地下式污水處理廠的用地面積，結果如表3所示。由表3可知，全地下式污水處理廠用地面積受用地情況、處理工藝和出水標準等因素影響，用地指標為0.3～0.5 m2/(m3·d-1)，通常情況下較同類型地上污水處理廠可節(jié)地40%～60%。

表3 全地下式污水處理廠用地面積統(tǒng)計Tab.3 Statistics of Land Area Use for Underground WWTP

全地下式污水處理廠的總平面布置不受風向的影響，因此，平面布置時主要根據(jù)污水處理廠進、出水方向和用地情況進行集約化布置，做到布局合理、水流順暢。平面布置還需結合豎向布置，充分利用現(xiàn)狀地形，減小土石方量，節(jié)省工程投資。構筑物的布置受柱網(wǎng)的影響，應避免柱子布置在構筑物內(nèi)部，減少對水流條件的影響。構建筑物的組合、疊放對總平面布置的影響極大，應合理組合，達到充分利用空間、減少占地、減少構筑物之間的連接管道(相應減少水頭損失)的目的。平面布置還需充分考慮人流、物流、信息流，保證交通順暢，便于維護和管理。

(3)高程布置

全地下式污水處理廠豎向可分為3層，分別為上部功能開發(fā)層、操作層(負一層)、池體和管廊層(負二層)。池體和管廊層(負二層)主要為污水處理構筑物，通常情況下沒有人員活動。操作層(負一層)主要為輔助生產(chǎn)建筑，承擔污水處理廠的巡檢功能。為使污水處理廠操作層顯得整潔、美觀，操作層沒有過多的凸起而影響地下的交通運輸，需要力求各處理構筑物的頂標高基本一致。

污水處理廠上部空間應按照規(guī)劃要求進行開發(fā)利用，可建成對環(huán)境影響小且美觀的開放式公園，如上海嘉定南翔污水處理廠；也可與停車場合建，提高土地利用率，如蘇州新區(qū)污水處理廠；還可以結合地塊開發(fā)，建成寫字樓對社會開放，提高土地綜合利用價值，如東京都芝浦污水處理廠。

3 通風設計

全地下式污水處理廠因處于封閉空間，需設置機械通風系統(tǒng)保證空氣質(zhì)量。目前，全地下式污水處理廠負一層大空間一般采用混合通風，在內(nèi)部布置大量風管，且風管斷面尺寸較大。地下箱體操作層一般具有面積大、結構頂板主次梁大而多的特性，大斷面風管占用了大部分管線空間，往往與結構主次梁交叉，不易布置。由于通風管的存在，在覆土厚度相同的情況下，整個地下式污水處理廠埋深將增加1～2 m，土建成本大大增加。同時還存在通風換氣死角、施工吊裝困難、維修保養(yǎng)不便等問題。

為解決上述問題，在地下箱體大空間可采用新型無風管通風系統(tǒng)，主要利用送、排風風機形成大空間內(nèi)類活塞流動，并配合誘導風機實現(xiàn)污染物排除，可有效避免風管大量占用空間和與結構梁交叉的問題，有效降低負一層凈高和埋深，節(jié)省工程投資。同時，還具有送排風均勻無死角、耗能低且布置方式靈活、噪聲小等諸多優(yōu)點。

加氯加藥間、除臭設備間等生產(chǎn)運行過程中產(chǎn)生有毒有害氣體的房間或區(qū)域平時設置機械送排風，同時兼顧事故通風，換氣次數(shù)按不小于12次/h設計，通風設備均與儀表檢測裝置聯(lián)動。操作層大空間區(qū)域和進出通道設機械送排風系統(tǒng)，通風換氣次數(shù)按不小于6次/h設計。通風換氣通過土建風井送出地面，地下箱體內(nèi)設送排風機吊裝于頂板下，風機的位置和內(nèi)部氣流組織根據(jù)數(shù)值模擬結果進行確定。對產(chǎn)生振動、噪聲的設備采取減振消聲措施，減小噪聲對周邊聲環(huán)境的影響。

操作層大空間區(qū)域的機械排風系統(tǒng)需同時兼顧各構筑物放空檢修時的臨時送風，在除臭系統(tǒng)正常運行的情況下，當某一組構筑物需要放空檢修時，將移動式風機通過軟風管接采光天窗將室外新鮮空氣不斷壓入構筑物內(nèi)部。同時，由除臭系統(tǒng)對構筑物進行抽風，使構筑物內(nèi)部形成負壓，從而使放空的構筑物內(nèi)部散發(fā)的有毒有害氣體不會泄漏至負一層的空間內(nèi)。對構筑物內(nèi)部通風換氣一段時間后，采用移動式儀表對構筑物內(nèi)部環(huán)境進行檢測，內(nèi)部環(huán)境滿足要求后，方可允許人員做好各項防護措施后進入。在人員進入期間，臨時通風系統(tǒng)需持續(xù)運行。

4 消防設計

2021年《城鎮(zhèn)地下式污水處理廠技術規(guī)程》[3]實施前，國內(nèi)尚無針對全地下式污水處理廠消防設計的規(guī)范，國內(nèi)已建的全地下式污水處理廠消防設計大多采用“一事一議”的審批原則[4]，其消防設計方案無統(tǒng)一的設計標準。

本文調(diào)研了目前國內(nèi)已建的全地下式污水處理廠防火分區(qū)劃分方式，如表4所示。在防火分區(qū)的劃分上主要采用兩種方案。方案一：將整個地下箱體作為一個整體建筑進行防火分區(qū)的劃分，主要案例有蘇州新區(qū)污水處理廠、昆明市第十一水質(zhì)凈化廠等[5]；方案二：按照功能的不同將地下空間分為廠房和構筑物，操作層構筑物區(qū)域的防火分區(qū)面積按工藝要求確定，敞開的水面面積不計入防火分區(qū)[4]，主要案例有上海白龍港提標工程西北地下廠、上海嘉定南翔污水處理廠等。

表4 全地下式污水處理廠防火分區(qū)劃分方式統(tǒng)計Tab.4 Statistics of Division Method of Fire Compartment for Underground WWTP

本文認為方案二的劃分方式更為合理，主要原因如下。

(1)地下箱體分為兩層，負二層為水池，負一層為操作層。負二層水池大部分加蓋密封，根據(jù)工藝布置特點，將生產(chǎn)性設備集中布置在負一層的部分區(qū)域；大部分加蓋水池上方的負一層空間中，除與構筑物本身直接相關的設備外不布置生產(chǎn)設備，蓋板上無可燃物，除故障檢修外人員幾乎不到達該區(qū)域，無火災安全隱患，可作為構筑物區(qū)域。

(2)全地下式污水處理廠設計了全廠綜合自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)污水處理廠生產(chǎn)和管理的自動化和信息化，地下箱體平時無需人員值班留守，僅定時巡視。

(3)生產(chǎn)原料、生產(chǎn)產(chǎn)品、生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)過程都沒有任何可燃材料以及產(chǎn)生可燃材料的因素，池中水是滅火劑。

今后，全地下式污水處理廠消防設計時，建議根據(jù)《城鎮(zhèn)地下式污水處理廠技術規(guī)程》[3]進行防火分區(qū)劃分，即“操作層設備用房的消防設計應符合現(xiàn)行國家標準《建筑設計防火規(guī)范》的有關規(guī)定；生物反應池、二沉池等池頂操作層處理區(qū)的防火分區(qū)面積可按工藝要求確定，敞開的水面面積可不計入相應防火分區(qū)的允許建筑面積”[4,6]。

5 展望

全地下式污水處理廠在具有環(huán)境友好等優(yōu)點的同時,存在投資高、建設周期長、運行成本高、運行維護不便等缺點。在“碳中和”“碳達峰”背景下，處理工藝需要進行重新梳理、評估和變革，高效低碳工藝的研發(fā)將成為重點。針對建設周期長的問題，可在全地下式污水處理廠的建設中大規(guī)模引入預制裝配技術，在實現(xiàn)快速化、標準化施工的同時還可提高施工質(zhì)量。針對運行維護不便的問題，可引入“智慧”概念，大量布置高度自動化檢測控制設備，實時動態(tài)監(jiān)視全廠運行數(shù)據(jù)。同時加強信息化平臺建設，實現(xiàn)污水處理廠正常運行時現(xiàn)場無人值守，操作人員定時巡檢。針對全地下式污水處理廠管線眾多、易碰撞的問題，可通過BIM正向設計避免碰撞，節(jié)約設計周期，也為后續(xù)施工和運行帶來極大的便利。

6 結論

(1)目前，國內(nèi)已建全地下式污水處理廠的處理工藝大多為AAO或MBR，這兩種工藝各有利弊，實際工程中，AAO工藝應用更為廣泛。

(2)全地下式污水處理廠通常情況下較同類型地上污水處理廠可節(jié)約用地30%～40%，其總平面布置不受風向的影響，主要根據(jù)污水處理廠進、出水方向和用地情況進行布置，上部空間應按照規(guī)劃要求進行開發(fā)。

(3)通風建議采用新型無風管通風系統(tǒng)，可有效避免風管大量占用空間和與結構梁交叉的問題，有效降低負一層凈高和埋深，節(jié)省工程投資，降低通風換氣的運行維護成本。

(4)消防設計時，建議根據(jù)《城鎮(zhèn)地下式污水處理廠技術規(guī)程》進行防火分區(qū)劃分。