全地下式處理設(shè)施與溢流污染控制的設(shè)計(jì)與運(yùn)行

夏加華

(南京江北新區(qū)公用控股集團(tuán)有限公司，江蘇南京 210044)

自黨的十八大以來(lái)，我國(guó)堅(jiān)持“五位一體”總體布局，生態(tài)文明建設(shè)步入快車道。2015年4月，中央發(fā)布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(簡(jiǎn)稱“水十條”)，提出到2020年我國(guó)七大重點(diǎn)流域水質(zhì)優(yōu)良比例達(dá)到70%以上，地級(jí)及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)[1]，為我國(guó)“十三五”期間水環(huán)境治理指明方向?！笆濉逼陂g國(guó)家相繼發(fā)布《長(zhǎng)江保護(hù)修復(fù)攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》《中華人民共和國(guó)長(zhǎng)江保護(hù)法》等多項(xiàng)文件法規(guī)，凸顯了長(zhǎng)江作為中華民族母親河的重要地位，以及長(zhǎng)江全流域水環(huán)境治理的決心。

隨著國(guó)內(nèi)水環(huán)境治理工作和研究的不斷深入，溢流污染和初期雨水污染控制在各大城市越來(lái)越得到重視[2-3]。以上海為例，《中心城雨水調(diào)蓄池選址專項(xiàng)規(guī)劃》擬建設(shè)200座雨水調(diào)蓄池，同時(shí)，擴(kuò)建末端污水處理廠規(guī)模。江蘇省自“十三五”開始污水處理提質(zhì)增效工作。隨著雨污分流不斷推進(jìn)，合流制區(qū)域在城區(qū)內(nèi)基本以點(diǎn)狀分布，與超大型城市相比，分散調(diào)蓄和就地處理具有節(jié)省投資、高效和尾水就地回用等顯著優(yōu)勢(shì)。

南京江北新區(qū)地處長(zhǎng)江下游，是全國(guó)第13個(gè)國(guó)家級(jí)新區(qū)，規(guī)劃面積為788 km2，新區(qū)建設(shè)堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的理念。馬汊河是新區(qū)區(qū)域內(nèi)一條重要河道，末端直接匯入長(zhǎng)江。葛塘河位于馬汊河中游位置，全長(zhǎng)2.7 km。其中，蓋板溝長(zhǎng)度占比約50%，由于歷史原因，存在污水排入蓋板溝進(jìn)而進(jìn)入下游河道現(xiàn)象。為能短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)水環(huán)境改善的目的，于2019年啟動(dòng)葛塘河凈水站建設(shè)，對(duì)污水進(jìn)行處理，同時(shí)以空間換取時(shí)間，為下一步片區(qū)提質(zhì)增效創(chuàng)造條件。

1 建設(shè)規(guī)模和形式

1.1 建設(shè)規(guī)模

葛塘河排水片區(qū)面積為5.32 km2，根據(jù)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)，片區(qū)內(nèi)共分為8個(gè)匯水分區(qū)，規(guī)劃建設(shè)3座調(diào)蓄池和2座凈水站。其中，葛塘河凈水站服務(wù)范圍為1.63 km2，經(jīng)人均綜合用水指標(biāo)法和分類用地用水指標(biāo)法測(cè)算，至2025年污水量為1.16萬(wàn)m3/d。因此，確定凈水站污水處理規(guī)模為1.20萬(wàn)m3/d。

根據(jù)《南京市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》，典型流域的面源污染削減率達(dá)到50%的控制要求時(shí)，初期雨水棄流量約為5 mm，一般區(qū)域按面積加權(quán)估算的徑流系數(shù)在0.5～0.8。因此，計(jì)算確定葛塘河凈水站處的調(diào)蓄池設(shè)計(jì)規(guī)模為5 000 m3。調(diào)蓄池近期用于收集降雨期間的混合雨污水，雨污分流完善后，遠(yuǎn)期用于收集初期雨水。

1.2 建設(shè)形式

葛塘河凈水站與調(diào)蓄池合建，為充分利用公共空間，同時(shí)考慮合建一座小型地下停車場(chǎng)。由于選址位于一處廣場(chǎng)下方，為不影響原廣場(chǎng)的地上使用功能，考慮凈水站采用全地下式。通常，全地下式污水處理廠分為雙層加蓋和單層加蓋，由于該凈水站規(guī)模較小，綜合投資、周邊環(huán)境等因素，選取單層加蓋建設(shè)形式。

2 設(shè)計(jì)水質(zhì)與處理工藝

2.1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

葛塘河凈水站附近現(xiàn)有一座市政污水處理廠，經(jīng)對(duì)該市政污水處理廠原設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)和近3年實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最終確定凈水站設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)，如表1所示。

根據(jù)目前國(guó)家對(duì)污水處理廠出水水質(zhì)的統(tǒng)一要求，參考南京市江北新區(qū)目前排放標(biāo)準(zhǔn)考核要求，確定本項(xiàng)目設(shè)計(jì)出水水質(zhì)采用《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

表1 進(jìn)水水質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析Tab.1 Statistical Analysis of Influent Quality

2.2 工程難點(diǎn)

經(jīng)對(duì)進(jìn)出水水質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析和建設(shè)條件分析，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)施主要有以下3個(gè)工程難點(diǎn)。

(1)用地緊張，布局緊湊：本工程合建凈水站、調(diào)蓄池和停車場(chǎng)，選址用地面積僅為6 100 m2(含進(jìn)出通道)，需采用節(jié)地型工藝。

(2)兼顧地上地下功能需求：地下設(shè)施需滿足污水處理達(dá)標(biāo)排放，并需考慮人員、物料、設(shè)備進(jìn)出通道問題，地上在建設(shè)后需恢復(fù)公共空間功能。

(3)兼顧旱天和雨天處理運(yùn)行需求：工程設(shè)計(jì)對(duì)旱天和雨天兩種工況的水量和水質(zhì)進(jìn)行校核，確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

2.3 主體工藝方案選擇

活性污泥法在大型污水處理廠有較多的應(yīng)用，根據(jù)國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2010年，在已投入運(yùn)行的2 739座城市污水處理廠中，10萬(wàn)m3/d 規(guī)模以上的污水處理廠有190座，而其中的40%采用了AAO或AO工藝。故本次將AAO工藝作為比選工藝之一。改良式序列間歇反應(yīng)器(MSBR)工藝由于較小的占地面積，在市政污水處理中也有較多的應(yīng)用實(shí)例，也可以達(dá)到穩(wěn)定的出水效果，且在江蘇地區(qū)也有應(yīng)用。故也作為比選方案之一。而近年來(lái)膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝也廣泛用于污水廠的處理中，將MBR工藝作為AAO工藝后端的超濾設(shè)施，可以大大提高AAO系統(tǒng)的污泥濃度，減少整個(gè)生化系統(tǒng)的體積，從而大幅度減少占地。本工程中污水廠采用地下式的布置方式，而AAO + MBR工藝可實(shí)現(xiàn)集約化的布置，節(jié)省用地，故本工程也將AAO + MBR工藝作為比選工藝。具體方案優(yōu)缺點(diǎn)比較如表2所示。

表2 方案優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.2 Comparison of Advantages and Disadvantages of the Schemes

由表2可知，AAO + MBR工藝由于膜的維護(hù)和更換，雖然運(yùn)行成本高于另外兩個(gè)方案，但其處理效果較好，占地面積小，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。此外，其節(jié)能減排的效果要遠(yuǎn)高于其他工藝。朱園園等[4]在AAO+MBR工藝在大型地下式污水處理廠中的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：AAO+MBR工藝能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)CODCr、TN、氨氮、TP、SS的去除，出水優(yōu)于GB 18918—2002一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)要求，且MBR運(yùn)行穩(wěn)定。綜合考慮到行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)、用地條件、節(jié)能減排及項(xiàng)目投資等方面，本工程采用AAO+MBR工藝。

2.4 工藝方案確定

葛塘河凈水站存在旱天和雨天兩種運(yùn)行工況，旱天時(shí)生活污水直接進(jìn)入污水處理單元，調(diào)蓄池空置；雨天時(shí)混合雨污水一邊進(jìn)入污水處理單元，一邊進(jìn)入調(diào)蓄池儲(chǔ)存，調(diào)蓄池儲(chǔ)滿后雨水溢流，并在雨后緩慢將調(diào)蓄水送至污水處理單元處理。雨天時(shí)進(jìn)水濃度降低，污水處理單元進(jìn)水流量可短時(shí)適當(dāng)增加，最大流量按增加50%考慮，進(jìn)水量由進(jìn)水泵房控制并設(shè)置3臺(tái)變頻潛水離心泵。

進(jìn)水預(yù)處理設(shè)置4處格柵。其中，前置50 mm粗格柵設(shè)置于總進(jìn)水端共用，調(diào)蓄池進(jìn)水泵房前設(shè)置20 mm粗格柵，凈水站進(jìn)水泵房后設(shè)置5 mm細(xì)格柵和1 mm精細(xì)格柵，以保障后續(xù)水處理設(shè)備和膜過濾正常運(yùn)行，格柵配備按照雨天最大流量考慮。曝氣沉砂池設(shè)置于細(xì)格柵和精細(xì)格柵之間，旱天停留時(shí)間為7.5 min，雨天停留時(shí)間為5.0 min。

二級(jí)處理采用AAO + MBR工藝。經(jīng)比選，該工藝尤其適用于小規(guī)模、用地緊湊的污水處理中[5]。其中，膜分離較常規(guī)平流二沉池節(jié)地約50%，同時(shí)由于膜池污泥富集濃度高，通過污泥回流可使生物反應(yīng)池內(nèi)平均污泥濃度較常規(guī)活性污泥法高約60%[6]，具有明顯的節(jié)地優(yōu)勢(shì)。二級(jí)處理總體設(shè)置1次污泥回流和2次內(nèi)回流，出水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定。

尾水消毒采用紫外線消毒工藝，設(shè)備選用管道式，與MBR產(chǎn)水泵銜接；污泥處理采用疊螺式污泥脫水機(jī)脫水至80%含水率，外運(yùn)處置；除臭土壤濾池采用生物除臭工藝，臭氣經(jīng)管道收集后送至地面土壤濾池，結(jié)合地面綠化設(shè)置?？傮w工藝流程如圖1所示。

圖1 凈水站工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of WWTP

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 平面設(shè)計(jì)

根據(jù)進(jìn)出水位置和用地條件，凈水站將污水處理設(shè)施、調(diào)蓄池和地下停車場(chǎng)合建，具體平面布置如圖2和圖3所示。其中，箱體最大尺寸為88.5 m×75.5 m。為便于地下建筑內(nèi)設(shè)備和膜池產(chǎn)水泵區(qū)域操作與巡檢，箱體內(nèi)長(zhǎng)度方向上設(shè)置一條走廊，人員可通過樓梯間進(jìn)入走廊，到達(dá)膜池和輔助用房區(qū)域。

圖2 凈水站下層平面布置圖Fig.2 Lower Floor Layout Plan of WWTP

圖3 凈水站上層平面布置圖Fig.3 Upper Floor Layout Plan of WWTP

由于該箱體采用單層全地下建設(shè)方式，部分設(shè)備、柵渣和污泥等需在地面設(shè)置檢修或進(jìn)出通道。頂層地面洞口分為4類，包括不常開啟的設(shè)備檢修洞口、膜池區(qū)域覆面鋼格柵蓋板、地面風(fēng)井和人員出入樓梯井。結(jié)合景觀公園綠化，地面上設(shè)置土壤除臭生物濾池1座。結(jié)合市民廣場(chǎng)功能需求，地面完全敞開。地下停車場(chǎng)設(shè)置28個(gè)停車位，單獨(dú)設(shè)置進(jìn)出坡道。

3.2 豎向設(shè)計(jì)

市民廣場(chǎng)地面標(biāo)高為10.7～11.0 m，箱體位于市民廣場(chǎng)下方，整體埋深為5.5 m左右；停車場(chǎng)、脫水機(jī)房、鼓風(fēng)機(jī)房及變配電間等地下建筑地面標(biāo)高為6.35 m，凈空高度約為4.5 m；預(yù)處理區(qū)頂標(biāo)高為11.30 m，略高于廣場(chǎng)地面，箱體內(nèi)設(shè)置該區(qū)域操作空間；生物反應(yīng)池頂板標(biāo)高為10.70 m，超高為90 cm，上部淺覆土為30 cm；膜池頂標(biāo)高為11.30 m，超高為180 cm；調(diào)蓄池頂標(biāo)高為9.90 m，上部覆土為110 cm。凈水站剖面圖如圖4所示。

圖4 凈水站剖面圖Fig.4 Longitudinal Section of WWTP

箱體位于全地下，為避免強(qiáng)降雨時(shí)大量雨水進(jìn)入箱體對(duì)人員、電氣設(shè)備等造成威脅，于進(jìn)水端設(shè)置速閉閘。同時(shí)，在設(shè)備檢修孔蓋板開啟相對(duì)頻繁處，箱體頂設(shè)計(jì)標(biāo)高高出廣場(chǎng)地坪30 cm，開啟不頻繁處的蓋板采用密閉式蓋板。車庫(kù)坡道處設(shè)置截洪溝和強(qiáng)排雨水泵，防止雨水進(jìn)入箱體。

3.3 AAO生物反應(yīng)池與膜池設(shè)計(jì)

AAO生物反應(yīng)池設(shè)置兩組，每組可單獨(dú)運(yùn)行，有效水深為3.6 m。旱天總水力停留時(shí)間為10.9 h，其中厭氧區(qū)為2.2 h，缺氧區(qū)為3.3 h，好氧區(qū)為5.4 h。設(shè)計(jì)外回流比為400%，好氧至缺氧內(nèi)回流比為200%，缺氧至厭氧內(nèi)回流比為100%。由于系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置多處回流，生物反應(yīng)池內(nèi)污泥質(zhì)量濃度呈梯度變化，厭氧區(qū)為3.2 g/L，缺氧區(qū)為6.4 g/L，好氧區(qū)為9.6 g/L，平均污泥質(zhì)量濃度為7.4 g/L。雨天較旱天進(jìn)水濃度降低40%～50%，按水力負(fù)荷增加50%校核生物反應(yīng)池，雨天總水力停留時(shí)間為7.3 h，外回流泵備用泵開啟，維持生物反應(yīng)池污泥濃度，確保旱雨天二級(jí)出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

膜池共設(shè)置4格，水深為3.4 m，平均濾速為12.1 L/(m2·h)，雨天峰值濾速為19.4 L/(m2·h)，池內(nèi)污泥質(zhì)量濃度為12.0 g/L。膜過濾采用0.03 μm孔徑的聚偏二氟乙烯(PVDF)改性中空纖維膜，膜清洗采用連續(xù)曝氣膜擦洗+間歇在線加藥清洗，產(chǎn)水泵揚(yáng)程為10 m。

根據(jù)《城市污水處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(建標(biāo)198—2022)規(guī)定，Ⅳ類(1萬(wàn)～5萬(wàn)m3/d)污水廠單位水量的建設(shè)用地控制指標(biāo)不應(yīng)超過1.50～1.20 m2/(m3·d-1)。本工程污水處理規(guī)模為1.20萬(wàn)m3/d，由內(nèi)插法計(jì)算可得本工程單位水量的建設(shè)用地控制指標(biāo)不應(yīng)超過1.485 m2/(m3·d-1)，即單位面積不超過17 820 m2。本工程AAO生物反應(yīng)池與膜池共占地約為2 150 m2，遠(yuǎn)小于建標(biāo)198—2022計(jì)算出的建設(shè)用地面積，進(jìn)一步展現(xiàn)了本工程的節(jié)地優(yōu)勢(shì)。

3.4 調(diào)蓄池設(shè)計(jì)

調(diào)蓄池設(shè)計(jì)有效水深為3.6 m，內(nèi)部分為4條廊道，單格寬度為5 m，長(zhǎng)度為50.5 m。調(diào)蓄池沖洗采用門式?jīng)_洗設(shè)備(圖5)，利用水力學(xué)原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)相結(jié)合，調(diào)蓄池放空后利用廊道始端設(shè)置的存水室和沖洗門即可實(shí)現(xiàn)無(wú)動(dòng)力、無(wú)外部供水自動(dòng)沖洗[7]。工作過程是液壓控制的2套浮筒(主浮筒和控制浮筒)與數(shù)套沖洗門之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作，其間相連接的是全封閉的液壓系統(tǒng)。調(diào)蓄池與凈水站進(jìn)水泵房聯(lián)通，雨后晴天時(shí)錯(cuò)峰放空。

注：i為坡度。圖5 門式自動(dòng)沖洗系統(tǒng)Fig.5 Automatic Gate-Type Flushing System

3.5 消防設(shè)計(jì)

地下設(shè)備用房耐火等級(jí)為一級(jí)，整體火災(zāi)危險(xiǎn)性類別定位為丁類。地下設(shè)備用房總建筑面積為1 115.87 m2，分為2個(gè)防火分區(qū)，于走廊中間處設(shè)置防火墻分隔，每個(gè)防火分區(qū)設(shè)置1個(gè)安全疏散口。

地下停車場(chǎng)共設(shè)置28個(gè)停車位，建筑面積為1 107.31 m2，作為一個(gè)防火分區(qū)，設(shè)置1個(gè)安全疏散口和1處車輛進(jìn)出坡道。

4 運(yùn)行管理

4.1 實(shí)際運(yùn)行狀況

葛塘河凈水站自2020年下半年開始逐步進(jìn)入調(diào)試運(yùn)行期，近一年運(yùn)行進(jìn)水量和進(jìn)水水質(zhì)如圖6和圖7所示，自2021年下半年開始，進(jìn)水量穩(wěn)步提升，日運(yùn)行水量在8 000～10 000 m3/d，且雨季明顯高于旱季。從進(jìn)水水質(zhì)情況來(lái)看，旱季進(jìn)水平均CODCr質(zhì)量濃度在200 mg/L左右、平均氨氮質(zhì)量濃度在20 mg/L左右，而雨季進(jìn)水平均CODCr質(zhì)量濃度在120 mg/L左右、平均氨氮質(zhì)量濃度在14 mg/L左右。水量和進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù)說(shuō)明，片區(qū)管網(wǎng)有待于進(jìn)一步修復(fù)完善。

圖6 2021年3月—2022年2月的日進(jìn)水量與月降雨量Fig.6 Influent and Rainfall during March 2021 to February 2022

注：虛線框表示雨季監(jiān)測(cè)時(shí)段。圖7 2021年1月—2021年12月的日進(jìn)水水質(zhì)Fig.7 Influent Quality during January 2021 to December 2022

凈水站出水水質(zhì)(圖8)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，其中CODCr質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定在40 mg/L以下，氨氮質(zhì)量濃度均不超過1.0 mg/L，TP質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.4 mg/L左右。

圖8 CODCr、氨氮、TP出水水質(zhì)Fig.8 Effluent Quality of CODCr, Ammonia Nitrogen and TP

4.2 運(yùn)營(yíng)管理要點(diǎn)

葛塘河凈水站運(yùn)營(yíng)管理采取遠(yuǎn)程控制為主、人員定期巡檢為輔的模式，較常規(guī)地上式污水處理廠，運(yùn)營(yíng)管理要點(diǎn)包括以下3點(diǎn)。

(1)調(diào)蓄池單次使用放空時(shí)間不大于24 h，以確保調(diào)蓄池的使用效率。放空的平均流量為208 m3/h。盡管現(xiàn)狀凈水站未達(dá)到滿負(fù)荷，但調(diào)蓄池放空仍采取變流量形式，即污水進(jìn)水流量低峰時(shí)為調(diào)蓄池放空流量高峰。同時(shí)，凈水站與市政污水處理廠協(xié)同調(diào)度，以期凈水站相對(duì)平穩(wěn)運(yùn)行。

(2)每日柵渣、污泥清運(yùn)等需開啟地面蓋板，而地面為市民廣場(chǎng)開放空間，為減小影響，選擇每日廣場(chǎng)人員少時(shí)作業(yè)。

(3)人員巡檢與遠(yuǎn)程監(jiān)控尤其注意樓梯井出入口和地面蓋板開關(guān)狀態(tài)，非巡檢時(shí)間均采取關(guān)閉鎖死措施，防止非相關(guān)人員進(jìn)入凈水站內(nèi)或發(fā)生安全事故。

5 投資與環(huán)境效益

本工程總投資約為1.6億元，其中工程費(fèi)用約為1.4億元。該項(xiàng)目滿負(fù)荷投入運(yùn)行后，可削減旱天入河污染物CODCr為1 533 t/a，氨氮為109.5 t/a；以南京市典型年降雨120場(chǎng)測(cè)算，可削減雨天入河污染物CODCr為210 t/a，SS為144 t/a。

6 工程總結(jié)與思考

(1)葛塘河凈水站采用污水處理設(shè)施、調(diào)蓄池和地下停車場(chǎng)一體化合建方式，兼具污水處理、雨水調(diào)蓄以及城市交通調(diào)節(jié)等功能，同時(shí)具備布局緊湊、節(jié)地、運(yùn)行靈活、工藝高效等特點(diǎn)。本工程占地面積遠(yuǎn)小于建標(biāo)198—2022相關(guān)要求，進(jìn)一步展現(xiàn)了本工程的節(jié)地優(yōu)勢(shì)。

(2)采用單層全地下式建設(shè)方式，充分利用公共用地地下空間，且建成后不影響公共用地的地上使用功能，對(duì)此類分散式凈水站的選址和建設(shè)具有一定借鑒參考意義。同時(shí)，也為建設(shè)環(huán)境友好的地下式污水處理廠提供了設(shè)計(jì)參考以及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。

(3)采用生物法和物理化學(xué)吸附相組合的除臭技術(shù)，在地面結(jié)合綠化設(shè)置土壤除臭生物濾池一座。既能有效降低地下式污水處理廠臭氣濃度且運(yùn)行管理便利，又可與地面景觀公園及周邊環(huán)境相融合，達(dá)到“鄰避”變“鄰利”的目的。

(4)本工程將雨天雨污混合水處理標(biāo)準(zhǔn)按照國(guó)標(biāo)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，與旱天污水處理標(biāo)準(zhǔn)一致?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)其他城市大部分此類凈水站均按此標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，雨天增大進(jìn)水流量，適當(dāng)降低處理標(biāo)準(zhǔn)的可行性仍有待于業(yè)界進(jìn)一步探討研究。