大型城市污水處理廠全地下式改建思路與方案

胡 翔

(深圳市水務(wù)<集團(tuán)>有限公司,廣東深圳 518033)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平快速提高,城市土地資源日益稀缺,同時(shí),生活水平提高又使得居民對(duì)周邊環(huán)境質(zhì)量提出更高要求。污水處理廠作為重要的城市市政基礎(chǔ)設(shè)施,在改善水環(huán)境、節(jié)約水資源、提高居民生活質(zhì)量等方面發(fā)揮著巨大作用。但傳統(tǒng)污水處理廠一方面因衛(wèi)生防護(hù)要求須占用更多土地資源且容易產(chǎn)生臭氣、噪聲等新的環(huán)境問題,另一方面廠區(qū)整體外觀一般難以與周邊城市景觀相融合,對(duì)市容市貌有負(fù)面影響,繼而制約周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,并使周邊土地貶值。

科技進(jìn)步已使地下空間的開發(fā)利用變得十分成熟,包括地下污水處理廠在內(nèi)的地下空間開發(fā)利用既是社會(huì)發(fā)展到一定程度的必然產(chǎn)物,也是現(xiàn)代化大型城市的發(fā)展趨勢(shì)[1]。國(guó)外地下空間的發(fā)展已歷經(jīng)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間,一些發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)的城市地下大型排水及污水處理系統(tǒng)都有很好的發(fā)展,如瑞典、挪威、英國(guó)、美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家的地下污水處理廠均取得巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,地下污水處理廠在我國(guó)香港和臺(tái)灣地區(qū)也經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展[2-3]。近年來,因平衡城市發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和土地資源的需要,國(guó)內(nèi)地下污水處理廠也迅速普及并開始爆發(fā)式增長(zhǎng),據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前國(guó)內(nèi)已建和在建規(guī)模在1萬m3/d以上的地下污水處理廠已超過110座,分布在國(guó)內(nèi)20多個(gè)不同省市,其中以經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的廣東和浙江數(shù)量最多[4]。一般來說,國(guó)內(nèi)地下污水處理廠以新建為主,深圳市某污水處理廠為傳統(tǒng)地面式且規(guī)模較大,綜合種種條件,決定按“下地綜合改建”思路進(jìn)行原地遷建。大型污水處理廠一般為城市污水系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn),改造升級(jí)影響較大,而原址下地改建等同于“拆舊建新”,無論影響還是困難都會(huì)更大、更多。主要困難在于須研究合理可行的分期、分階段實(shí)施方案;“新舊銜接”且過程中不能產(chǎn)生新的環(huán)境問題;須提前做好配套新進(jìn)出水管線研究以確保滿足各期及整體的規(guī)模要求等。本項(xiàng)目可總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)為類似污水處理廠下地改建提供參考。

1 項(xiàng)目背景

該污水處理廠位于深圳市西部區(qū)域,現(xiàn)狀規(guī)模為73.6萬m3/d,分為兩套系統(tǒng)建設(shè),一套系統(tǒng)于1989年11月建成投產(chǎn),后歷經(jīng)兩次擴(kuò)建,規(guī)模從5萬m3/d擴(kuò)大至35.2萬m3/d,采用一級(jí)處理;二套系統(tǒng)于2004年5月完成預(yù)處理部分建設(shè),規(guī)模為38.4萬m3/d,2009年7月二級(jí)處理生化工程建成投產(chǎn),規(guī)模為56萬m3/d,2018年10月完成二級(jí)生化系統(tǒng)的提標(biāo)改造,其出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。2021年12月完成一套系統(tǒng)升級(jí)改造(規(guī)模降低為17.6萬m3/d),提高其對(duì)SS、BOD和氨氮的去除能力,現(xiàn)狀污水流程如圖1所示。該污水處理廠目前是深圳市規(guī)模最大的污水處理廠,承擔(dān)原特區(qū)內(nèi)1/3以上面積的污水收集處理任務(wù),對(duì)保障西部海域及片區(qū)水環(huán)境意義重大。

圖1 污水處理廠現(xiàn)狀工藝流程

隨著服務(wù)片區(qū)城市建設(shè)及更新的快速發(fā)展以及深圳市治水提質(zhì)工作的穩(wěn)步推進(jìn),該污水處理廠現(xiàn)狀處理能力已無法滿足片區(qū)污水量的增長(zhǎng)需求,急需進(jìn)一步擴(kuò)能。另外,城市發(fā)展對(duì)于環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高,因此,對(duì)污水處理廠的污染物排放、廠容廠貌、廠區(qū)景觀等提出了新的要求,該污水處理廠亟需整體提升。

2 用地條件與建設(shè)目標(biāo)

該污水處理廠現(xiàn)狀被高速公路分為A、B兩個(gè)地塊,合計(jì)面積約為42.1萬m2,其中東北側(cè)B地塊面積約為20.3萬m2,主要包括辦公生活區(qū)、一級(jí)處理區(qū)、污泥處理區(qū)、規(guī)劃市政道路和預(yù)留用地;西南側(cè)A地塊面積約為21.9萬m2,主要為二級(jí)生化區(qū)。本次改造主要占用西南側(cè)A地塊+市政道路地下空間(可用面積約為1.7萬m2),合計(jì)約為23.6萬m2,改建完成后將釋放東北側(cè)B地塊用于綜合開發(fā)(圖2)。為最大限度減少傳統(tǒng)污水處理廠對(duì)周邊環(huán)境的影響并高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)打造城市公共空間,本次改建通過分期下地、集約化方式對(duì)其進(jìn)行全地下式改擴(kuò)建,實(shí)現(xiàn)包括提標(biāo)、擴(kuò)容、景觀提升、釋放地塊的目標(biāo)。改建完成后,該污水處理廠將變?yōu)槿叵率轿鬯幚韽S,處理規(guī)模由73.6萬m3/d擴(kuò)容至100萬m3/d,預(yù)計(jì)為亞洲最大的地下污水處理廠,而目前國(guó)內(nèi)已建成或部分建成的規(guī)模最大的類似污水處理廠為60萬m3/d,如北京槐房廠、上海泰和廠等[5-6]。

圖2 用地條件

3 整體工程方案研究

3.1 改建策略及用地分析

該污水處理廠在整體改建過程不能降低處理水量和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),只能采用“先建后拆、逐步替換下地”的策略,通過合理分期布置相關(guān)設(shè)施,逐步擴(kuò)大規(guī)模及提高處理標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)現(xiàn)有用地條件,目前在A地塊內(nèi)尚有預(yù)留用地兩塊,面積分別為4.7萬m2和1.2萬m2,加上西側(cè)道路地下空間,總計(jì)約7.6萬m2土地可用于一期工程的建設(shè)。項(xiàng)目總用地面積約為23.6萬m2,按100萬m3/d設(shè)計(jì)規(guī)模計(jì)算,噸水用地指標(biāo)可從現(xiàn)狀約0.478 m2/(m3·d-1)降至0.236 m2/(m3·d-1),而一期工程按40萬m3/d設(shè)計(jì)規(guī)模計(jì)算,噸水用地指標(biāo)僅為0.19 m2/(m3·d-1)。根據(jù)《深圳市城市規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)則》,100萬m3/d規(guī)模污水處理廠的標(biāo)準(zhǔn)用地指標(biāo)約為0.6 m2/(m3·d-1),40萬m3/d規(guī)模污水處理廠的標(biāo)準(zhǔn)用地指標(biāo)約為0.93 m2/(m3·d-1),即總用地指標(biāo)為規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的39%,一期工程用地指標(biāo)僅為規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的20%,充分體現(xiàn)了地下污水處理廠的節(jié)地優(yōu)勢(shì)[7]。

3.2 進(jìn)出水水質(zhì)與污水工藝選擇

結(jié)合該污水處理廠近幾年進(jìn)水水質(zhì)分析,以及深圳市污水處理廠相關(guān)出水水質(zhì)要求,初步擬定改建后污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)主要指標(biāo)

通過上述指標(biāo)分析進(jìn)廠污水的可生化性和生物脫氮除磷可行性,表明該污水處理廠在正常工況時(shí)完全可以采用生物法脫氮除磷,同時(shí)鑒于TN、TP出水標(biāo)準(zhǔn)高,擬輔以化學(xué)除磷和增設(shè)專門的脫氮工藝。

基于該污水處理廠規(guī)模、用地、進(jìn)出水質(zhì)、全地下式建設(shè)形式等邊界條件,擬比選出一個(gè)用地合適、投資較省、運(yùn)行費(fèi)用低、技術(shù)成熟、處理效果穩(wěn)定可靠、運(yùn)行管理方便的工藝方案。為此,對(duì)多段缺氧-好氧(AO)、厭氧-好氧-缺氧(AOA)、移動(dòng)床生物反應(yīng)器(MBBR)、膜生物反應(yīng)器(MBR)4個(gè)相對(duì)主流的工藝方案進(jìn)行比較,如表2所示。

表2 污水處理工藝比選

由表2可知,4種工藝各有優(yōu)劣,考慮到本項(xiàng)目規(guī)模大、投資高,同時(shí)又是主城區(qū)污水系統(tǒng)的主要兜底節(jié)點(diǎn),加上全地下式建設(shè)形式,決定了項(xiàng)目對(duì)安全穩(wěn)定的要求較高,故推薦該污水處理廠生化工藝采用穩(wěn)定可靠、處理效率高、低碳節(jié)能、運(yùn)行成本相對(duì)較低的多段AO工藝。污水處理整體工藝流程如圖3所示。

圖3 污水處理工藝流程

3.3 平面布置

本項(xiàng)目主要布置在現(xiàn)狀西南側(cè)地塊,建成后該地塊地下為污水處理廠,地面為公園及新型產(chǎn)業(yè)用房,并釋放現(xiàn)狀東北側(cè)地塊用于綜合開發(fā)。整個(gè)地下污水處理廠按功能主要分為預(yù)處理區(qū)、二級(jí)生物處理區(qū)、深度處理區(qū)、消毒及排放區(qū)、污泥處理區(qū)及調(diào)蓄池區(qū)6個(gè)區(qū)域,東北角可作為地下車庫為地面公共空間服務(wù),并與生產(chǎn)區(qū)域完全隔離(圖4)。

圖4 地下污水處理廠平面分區(qū)

3.4 豎向布置

本項(xiàng)目采用全地下廠形式,在滿足地面相關(guān)工程的基礎(chǔ)上對(duì)豎向空間進(jìn)行了合理布置,以地面相對(duì)標(biāo)高0.00計(jì),地下箱體頂板標(biāo)高-2.00 m,操作層底標(biāo)高-9.00 m,池底標(biāo)高-20.00 m(圖5)。

注:圖中標(biāo)高尺寸單位為m。

4 工程分步實(shí)施方案

本項(xiàng)目規(guī)模大,又是在現(xiàn)狀廠區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行下地改建,且改建期間不減量、不降標(biāo),這些約束條件決定了整個(gè)地下污水處理廠不可能一次性建成,需要合理地分階段、分步驟來實(shí)施,并以此進(jìn)行水量騰挪,確保滿足建設(shè)期間處理污水不減量、出水標(biāo)準(zhǔn)不降低的要求。擬將整個(gè)工程分為三期進(jìn)行建設(shè),采用“建一拆一、先建后拆”的原則對(duì)全廠進(jìn)行逐步下地改建。

4.1 一期工程

4.1.1 概況

一期工程包括地下污水處理廠及其地上配套設(shè)施,地下污水處理廠規(guī)模為40萬m3/d,主要利用A地塊西側(cè)預(yù)留用地及西側(cè)道路地下空間進(jìn)行建設(shè),同時(shí)利用B地塊北側(cè)用地新建污泥臨時(shí)處理設(shè)施,并完成整個(gè)進(jìn)出水干管建設(shè)。地上配套設(shè)施包括污水處理廠管理用房、相應(yīng)地面公園設(shè)施和市政修復(fù)道路。一期工程有兩個(gè)箱體,通過地下通道連接。其中,1#主箱體位于A地塊西側(cè),面積約為6.4萬m2;2#箱體位于A地塊北側(cè),面積約為1.2萬m2。

4.1.2 現(xiàn)狀設(shè)施拆除及土地釋放

一期工程建成后,新增40萬m3/d污水處理能力并新建管理用房,可將部分污水調(diào)入一期工程進(jìn)行處理。二套預(yù)處理系統(tǒng)、2/3的二套生化系統(tǒng)等部分現(xiàn)狀生產(chǎn)設(shè)施及附屬設(shè)施可以進(jìn)行拆除,拆除后總計(jì)可空出約13.5萬m2土地,其中A地塊約7.8萬m2土地用于二期建設(shè),B地塊可釋放約5.7萬m2土地(圖6)。

圖6 一期工程建設(shè)

4.1.3 期間污水處理能力變化

一期工程利用現(xiàn)狀空地及道路地下空間進(jìn)行建設(shè),施工期間對(duì)現(xiàn)狀污水處理廠運(yùn)行基本沒有影響。一期工程建成后,污水處理能力變?yōu)?13.6萬(56萬+17.6萬+40萬)m3/d。

4.2 二期工程

4.2.1 概況

二期工程包括地下污水處理廠及其地上配套設(shè)施,地下污水處理廠規(guī)模為40萬m3/d,利用一期工程建成后拆除A地塊現(xiàn)狀部分二套生化系統(tǒng)空出地塊的地下空間進(jìn)行建設(shè);地上配套設(shè)施包括相應(yīng)地面公園設(shè)施和新型產(chǎn)業(yè)用房。二期工程只有一個(gè)箱體,位于A地塊東側(cè),面積約為6.5萬m2,一、二期箱體通過地下通道連接。

4.2.2 現(xiàn)狀設(shè)施拆除及土地釋放

二期工程建成后,新增40萬m3/d污水處理能力,加上一期工程,共計(jì)新增80萬m3/d污水處理能力,已超過現(xiàn)狀處理設(shè)施73.6萬m3/d的總規(guī)模。可將剩余污水調(diào)入二期工程進(jìn)行處理,A地塊余下現(xiàn)狀設(shè)施均可以進(jìn)行拆除,其中一套預(yù)處理系統(tǒng)位于B地塊,對(duì)A地塊下地改建基本沒有影響,并于2021年完成提標(biāo)改建,出水水質(zhì)除TN外可達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)且出水直接排海,故暫時(shí)保留以應(yīng)對(duì)雨季高峰流量。對(duì)應(yīng)設(shè)施拆除后,總計(jì)可空出約9.5萬m2土地用于三期建設(shè),基本位于A地塊(圖7)。

4.2.3 期間污水處理能力變化

二期工程實(shí)施時(shí)已拆除現(xiàn)狀二套生化系統(tǒng)2/3處理能力,即施工期間污水處理能力變?yōu)?6.3萬(18.7萬+17.6萬+40萬)m3/d。二期工程建成后,污水處理能力變?yōu)?16.3萬(18.7萬+17.6萬+40萬+40萬)m3/d。

4.3 三期工程

4.3.1 工程概況

三期工程包括地下廠及其地上配套設(shè)施,地下污水處理廠規(guī)模為20萬m3/d,利用二期工程建成后拆除現(xiàn)狀剩余設(shè)施后空出地塊的地下空間進(jìn)行建設(shè),同時(shí)新建全廠配套的污泥處理系統(tǒng)及事故調(diào)蓄池;地上配套設(shè)施包括相應(yīng)地面公園設(shè)施。三期工程有3個(gè)箱體,占地面積約為9.5萬m2。

4.3.2 現(xiàn)狀設(shè)施拆除及土地釋放

三期工程建成后,新增20萬m3/d污水處理能力和100萬m3/d污泥處理能力,污水、污泥處理規(guī)模均達(dá)到100萬m3/d?？刹鸪鼴地塊剩余所有現(xiàn)狀設(shè)施,污水、污泥全部轉(zhuǎn)入地下處理,可釋放B地塊約13.9萬m2土地,總計(jì)釋放約19.6萬m2土地(圖8)。

4.3.3 期間污水處理能力變化

三期工程實(shí)施時(shí)已拆除現(xiàn)狀二套生化系統(tǒng)剩余1/3處理能力,污水處理能力為97.6萬(17.6萬+40萬+40萬)m3/d。三期工程建成后再拆除完成提標(biāo)改建的一套系統(tǒng),污水處理能力變?yōu)?00萬(40萬+40萬+20萬)m3/d。

4.4 土建分期建設(shè)可實(shí)施性

根據(jù)上述工程分期內(nèi)容,一期工程有兩座獨(dú)立基坑,二期工程有一座獨(dú)立基坑,三期工程結(jié)合先期完成的一、二期基坑,分為3座獨(dú)立基坑。一期基坑施工時(shí),需對(duì)其東北側(cè)現(xiàn)狀污水處理構(gòu)筑物進(jìn)行保護(hù),確保污水處理構(gòu)筑物能正常運(yùn)行;二期基坑施工時(shí),需部分拆除現(xiàn)狀污水處理構(gòu)筑物,地下連續(xù)墻位置處需清除地下廢棄管線、構(gòu)筑物樁基等障礙物,同時(shí)需對(duì)其西南側(cè)剩余的污水處理構(gòu)筑物進(jìn)行保護(hù);三期基坑施工時(shí),需拆除剩余的污水處理構(gòu)筑物,同時(shí)需對(duì)新建成、已運(yùn)行的一、二期污水處理構(gòu)筑物進(jìn)行保護(hù)。

對(duì)一、二期地下箱體的保護(hù),最重要的是減小和限制三期工程基坑開挖時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。合理設(shè)置基坑支撐體系是減小基坑變形的關(guān)鍵。本項(xiàng)目各期地下箱體的基坑支撐主要利用永久性結(jié)構(gòu)水平框架作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平支撐,并將一、二期工程基坑支撐設(shè)置在箱體結(jié)構(gòu)中層板及頂板位置,利用兩層樓板作為支撐體系的一部分,避免基坑換撐工況,減小由于支撐拆除造成的廢棄工程及工期延長(zhǎng)。同時(shí)三期工程基坑支撐可直接支承于已完成的一、二期地下箱體中兩層樓板上,能較好限制圍護(hù)墻的變形,減小三期工程基坑施工時(shí)對(duì)一、二期地下箱體的影響。

5 項(xiàng)目初步效益分析

有別于傳統(tǒng)污水處理廠,本項(xiàng)目將采用先進(jìn)的工藝和設(shè)計(jì)理念對(duì)污水、污泥、臭氣進(jìn)行全面處理,結(jié)合全方位的再生水回用(15萬m3/d),實(shí)現(xiàn)該污水處理廠生態(tài)、低碳、節(jié)能、環(huán)境友好的目標(biāo)。

作為城市基礎(chǔ)設(shè)施,污水處理廠以服務(wù)社會(huì)為主要目的,對(duì)城市經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)為外部效果,所產(chǎn)生的效益除部分經(jīng)濟(jì)效益可以定量計(jì)算外,大部分則表現(xiàn)為難以用貨幣量化的社會(huì)效益和環(huán)境效益,因此,從系統(tǒng)角度出發(fā)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)較為合適。

5.1 環(huán)境效益

本項(xiàng)目改建完成后,出水標(biāo)準(zhǔn)整體提升至“準(zhǔn)Ⅳ類”(除TN ≤8mg/L外,其余主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到地表Ⅳ類水要求)。處理后的尾水將作為寶貴水資源用于城市水廊道補(bǔ)水,一是改善城市水環(huán)境質(zhì)量,頂托咸潮,促進(jìn)城市水生態(tài)健康發(fā)展;二是改善區(qū)域水環(huán)境污染狀況,緩解西部海域環(huán)境容量壓力。預(yù)計(jì)改建成后至少可削減排放至水體的污染物總量如表3所示。

5.2 社會(huì)效益

目前,環(huán)境保護(hù)已成為一項(xiàng)基本國(guó)策,水污染所引發(fā)的各種問題也日益受到全社會(huì)的關(guān)注和重視,而本項(xiàng)目將市政設(shè)施建設(shè)與城市更新開發(fā)創(chuàng)新融合,在顯著改善周邊環(huán)境、釋放土地價(jià)值的同時(shí),通過置換土地平衡污水處理廠建設(shè)資金,開創(chuàng)有特區(qū)特色的開發(fā)模式。本項(xiàng)目一方面為城市提供了全新的市政污水處理基礎(chǔ)設(shè)施,另一方面還通過“工業(yè)上樓”“地面公園”為城市新型產(chǎn)業(yè)開拓發(fā)展空間,為群眾提供環(huán)境優(yōu)美的高質(zhì)量休閑活動(dòng)場(chǎng)所,有利于建設(shè)和諧社區(qū)以及促進(jìn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展,進(jìn)一步樹立城市的良好形象。

5.3 經(jīng)濟(jì)效益

本項(xiàng)目作為市政污水處理設(shè)施,通過污水處理量進(jìn)行定量收費(fèi)可以為項(xiàng)目產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益,但重要的是通過改善城市環(huán)境為社會(huì)產(chǎn)生間接經(jīng)濟(jì)效益。污水處理廠對(duì)區(qū)域水環(huán)境有著廣泛的影響,使該地區(qū)工業(yè)及旅游業(yè)發(fā)展不受環(huán)境條件制約,并協(xié)調(diào)好社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)目標(biāo),本項(xiàng)目可以通過拓展產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間、實(shí)現(xiàn)區(qū)域土地增值兩個(gè)方面增益該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

6 結(jié)語

(1)傳統(tǒng)污水處理廠占地較大,功能上以削減污染物為主,一般來說環(huán)境友好度不足,越來越不適應(yīng)城市發(fā)展。通過“上園下廠”或“上樓下廠”等綜合開發(fā)方式,可實(shí)現(xiàn)釋放土地、規(guī)模擴(kuò)能、提標(biāo)升級(jí)、生態(tài)友好及拓展產(chǎn)業(yè)空間等多重建設(shè)目標(biāo),在解決城市基礎(chǔ)設(shè)施更新需求的同時(shí),又緊跟城市建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展的趨勢(shì),能形成良好的項(xiàng)目效益。

(2)經(jīng)綜合比選,本項(xiàng)目生化方案采用技術(shù)成熟可靠、處理效果穩(wěn)定、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單的多段AO工藝,并輔以深度處理提升出水TN和SS指標(biāo);基于改建期間不減量、不降標(biāo)的要求,采用“建一拆一、先建后拆”的分階段實(shí)施方案,通過合理分期可以確保水量平衡及下地改建的可行性。

(3)污水處理廠原址下地改建應(yīng)基于自身的邊界條件來策劃實(shí)施方案,一是要明確切實(shí)可行的分期方案,保證各期箱體既能獨(dú)立建設(shè)又能在建成后進(jìn)行獨(dú)立處理,并能在不同階段組合成大的整體;二是要提前開展新進(jìn)出水管線的研究,管線建設(shè)要有前瞻性,既能滿足當(dāng)期箱體獨(dú)立運(yùn)行需要又能匹配項(xiàng)目整體規(guī)模。