某多效能全地下式污水廠集約化設(shè)計(jì)方案

近三十年，我國(guó)建設(shè)了大批污水處理廠，其中大多采用地上式的布置形式。隨著城市發(fā)展，部分污水處理廠周邊已經(jīng)演變?yōu)榄h(huán)境敏感區(qū)或人員聚集區(qū)，地上式污水處理廠與區(qū)域周邊敏感環(huán)境存在不適應(yīng)、不協(xié)調(diào)情況，在一定程度上制約了周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展。

受此影響，近年來在公眾敏感區(qū)中，一批地下式污水處理廠相繼建設(shè)并投產(chǎn)運(yùn)行，如深圳布吉污水處理廠、青島高新區(qū)污水處理廠、昆明市第九污水處理廠、上海嘉定南翔污水處理廠、蕭山錢江污水處理廠四期工程、北京市槐房再生水廠等。這些地下污水處理廠將各構(gòu)(建)筑物在地下空間內(nèi)組團(tuán)式布置，并利用頂蓋建設(shè)景觀公園、休閑場(chǎng)地或體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所等，可節(jié)省占地、提高周邊環(huán)境品質(zhì)，易于獲得周邊居民的接受和支持，緩解“鄰避效應(yīng)”。保定某污水處理廠地處市區(qū)，用地分散，在二期擴(kuò)建工程中亦采取地下式集約化布置，實(shí)現(xiàn)了多方效能，可為類似工程提供一定的參考。

1 工程建設(shè)形式及特點(diǎn)分析

1.1 水廠現(xiàn)狀及二期擴(kuò)建功能需求

保定某污水廠地處市區(qū)，現(xiàn)狀處理規(guī)模為8萬m3/d，自1995年投產(chǎn)運(yùn)行后進(jìn)行多次改造。目前，設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。

污水處理工藝為“預(yù)處理+五段Bardenpho+二沉池+超細(xì)格柵+磁混凝沉淀+反硝化深床濾池+高級(jí)氧化池”，運(yùn)行良好，出水經(jīng)府河(大清河水系)最終進(jìn)入白洋淀。

污水廠現(xiàn)需進(jìn)行二期工程的建設(shè)，并滿足以下功能需求。

(1)補(bǔ)充污水處理缺口。當(dāng)前污水廠進(jìn)水量超過9萬m3/d，管網(wǎng)長(zhǎng)期高水位運(yùn)行，污水外溢現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，影響府河河道及下游白洋淀水質(zhì)。采用城市綜合用水量指標(biāo)法、綜合生活用水量及工業(yè)用水量法對(duì)污水處理廠規(guī)劃年限的污水量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，二期工程需擴(kuò)建10萬m3/d的污水處理規(guī)模。

(2)初期雨水調(diào)蓄功能。根據(jù)排水規(guī)劃，二期工程建設(shè)用地內(nèi)需設(shè)置初期雨水調(diào)蓄池，調(diào)蓄池服務(wù)地塊面積約為1 094 hm2(1 hm2=104m2)，調(diào)蓄量取6 mm，綜合徑流系數(shù)取0.55，安全系數(shù)取1.1，設(shè)計(jì)規(guī)模為40 000m3。

(3)再生水回用?，F(xiàn)狀污水處理廠出水(8萬m3/d)全部回用，二期工程出水亦須考慮全部回用，水質(zhì)滿足《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920—2020)中雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T 18921—2019)中觀賞性景觀用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

(4)污泥處理需求?，F(xiàn)狀污水廠產(chǎn)泥含水率較高，外運(yùn)處置成本高。根據(jù)規(guī)劃，需將現(xiàn)狀污水廠所產(chǎn)污泥打入二期工程，在二期工程中將18萬m3/d污水所產(chǎn)污泥全部脫水至40%含水率，外運(yùn)協(xié)同焚燒。

(5)文娛科教需求。二期工程用地地處市區(qū)，周邊居民稠密，民眾及各相關(guān)部門對(duì)二期工程用地的使用極為關(guān)注，提出了用作科教場(chǎng)所、景觀綠地、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所等建議及要求。

1.2 污水廠二期建設(shè)形式分析

污水廠二期可采用全地下式、半地下、地上式3種形式。相較地上式污水廠，全地下式及半地下式污水廠具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)臭氣污染小；(2)噪聲污染?。?3)結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省土地資源；(4)水溫恒定，有利于污水處理廠穩(wěn)定運(yùn)行；(5)上部空間利用方式靈活，土地利用價(jià)值高。就本工程而言，現(xiàn)狀污水廠為全地上式，1995年投產(chǎn)時(shí)，其所在區(qū)域尚為郊區(qū)。經(jīng)二十余年，其周邊區(qū)域發(fā)展為繁鬧市區(qū)。目前，污水廠東側(cè)緊鄰市政主干道路，西側(cè)為廠房或住宅，北側(cè)為工業(yè)用地，東南側(cè)為加油站?？捎糜诙诮ㄔO(shè)用地的范圍局限于現(xiàn)狀污水廠的南側(cè)及西南側(cè)的農(nóng)田與樹林被分隔為2塊獨(dú)立且不規(guī)則的地塊，并受到周邊商鋪、居住區(qū)、市政道路、加油站、高壓電力塔、工廠、居民祠堂等多因素制約。經(jīng)實(shí)地踏勘，結(jié)合相關(guān)政府部門建議及民眾訴求，本著少拆遷、少占地的原則，污水廠二期擴(kuò)建工程共設(shè)置2個(gè)廠區(qū)，涉及2個(gè)不規(guī)則地塊。地塊一現(xiàn)狀主要為農(nóng)田與樹林，占地面積共41 550m2；地塊二現(xiàn)狀主要為農(nóng)田，占地面積共35 761m2。

考慮二期工程用地緊張，周邊環(huán)境敏感因素多，土地功能要求較多，不適合采用地上式污水廠建設(shè)形式。若采用半地下式建設(shè)形式，由于箱體二層高出地面7～8 m，現(xiàn)狀地面需要較大放坡才能過渡至箱體頂部，不便于對(duì)箱體頂部面積的開發(fā)利用，且二期工程需建設(shè)埋深較大的初雨調(diào)蓄池，半地下形式的基坑開挖深度較大。

因此，二期工程采取全地下形式，將污水處理構(gòu)(建)筑物整體下沉，操作層位于地面以下，環(huán)境友好，上部空間利用方式靈活，景觀布局美觀實(shí)用。針對(duì)用地分散且不規(guī)則的特點(diǎn)，二期工程統(tǒng)籌各構(gòu)(建)筑物特點(diǎn)及占地，設(shè)置兩座功能獨(dú)立的地下箱體。二期工程用地條件及基本布局如圖1所示。西側(cè)廠區(qū)設(shè)置全地下1#箱體，承擔(dān)污水處理功能，地表建有文體綠地公園、環(huán)保科普教育基地及部分工藝構(gòu)筑物。1#箱體用地避開了東側(cè)高壓線及西側(cè)現(xiàn)狀商鋪區(qū)域，減弱了對(duì)周邊環(huán)境的影響。東側(cè)廠區(qū)設(shè)置全地下2#箱體，承擔(dān)預(yù)處理、污泥處理及雨水調(diào)蓄池功能，地表建有綜合樓、廠前區(qū)等。

2 二期工程設(shè)計(jì)方案

針對(duì)用地限制因素多、功能需求多樣化特點(diǎn)，二期工程因地制宜，采取全地下式污水廠形式，設(shè)置2座功能獨(dú)立的地下箱體。

2.1 設(shè)計(jì)水質(zhì)

設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表2所示。

2.2 工藝路線

二期工程工藝流程如圖2所示。二期工程中，超濾膜車間與中間提升泵房并行設(shè)置，超濾膜單元抽吸泵可將污水抽濾提升至臭氧及加氯接觸池單元，當(dāng)超濾膜單元故障時(shí)，可由中間提升泵房將污水提升至下一單元。此外，初雨調(diào)蓄池的排空出水接至二期工程的細(xì)格柵前端。

2.3 1#箱體廠區(qū)布局及豎向設(shè)計(jì)

1#箱體面積約為26 155m2，箱體內(nèi)布置有生物反應(yīng)池、二沉池、氣浮池、中間提升泵房、超濾池、臭氧加氯接觸池、放空泵房、出水及回用水泵房、鼓風(fēng)機(jī)房、加藥間、污水源熱泵間等構(gòu)(建)筑物。地表設(shè)置有文體綠地公園、環(huán)?？破战逃?、臭氧及加氯接觸池、紫外消毒池及出水泵房。1#箱體內(nèi)布局如圖3所示。

1#箱體進(jìn)水接自2#箱體初沉池出水，考慮到臭氧在地下空間內(nèi)的安全性，1#箱體將臭氧及加氯接觸池設(shè)置在高位，露出地表，與全地下箱體內(nèi)其他構(gòu)筑物隔絕，可避免臭氧散逸在地下空間的風(fēng)險(xiǎn)，并可使出水在常態(tài)下自流至水體。極端工況下打開出水提升泵進(jìn)行強(qiáng)排，節(jié)省能耗。1#箱體內(nèi)高程布置如圖4所示。

1#箱體地表將海綿技術(shù)與公園科普有機(jī)結(jié)合，設(shè)置生態(tài)海綿示范綠地。水景利用污水處理廠再生水做為補(bǔ)水水源，使游客在參觀行進(jìn)過程中，先后經(jīng)過跌水增氧、物理過濾凈化、生物沉淀凈化、植物吸附凈化等自然凈化過程展示區(qū)，體驗(yàn)生態(tài)凈化功能。此外，在公園中北部環(huán)?？破战逃啬蟼?cè)設(shè)置體育場(chǎng)、部分水處理構(gòu)筑物或附屬構(gòu)筑物。

2.4 2#箱體廠區(qū)布局及豎向設(shè)計(jì)

2#箱體占地面積約為11 092m2，箱體內(nèi)布置有粗格柵及進(jìn)水泵房、細(xì)格柵及曝氣沉砂池、初沉池、儲(chǔ)泥池、污泥脫水及干化車間、雨水調(diào)蓄池這些構(gòu)筑物，地表設(shè)置有綜合樓、廠前區(qū)等。2#箱體內(nèi)布局如圖5所示。

2#箱體將預(yù)處理區(qū)、污泥處理區(qū)這些臭味較濃的構(gòu)筑物集中在一處，方便集中處理臭氣。另將污水處理粗格柵與初期雨水調(diào)蓄池粗格柵并列布置，方便管理。同時(shí)，初期雨水調(diào)蓄池放空時(shí)，可就近提升至污水處理細(xì)格柵前端，運(yùn)行方便。此外，初期雨水調(diào)蓄池可兼作污水廠的應(yīng)急事故池，當(dāng)細(xì)格柵后端構(gòu)筑物故障且無法超越時(shí)，可將污水就近排入初期雨水調(diào)蓄池內(nèi)儲(chǔ)存應(yīng)急，當(dāng)故障排除后再排空至水廠細(xì)格柵前端。2#箱體內(nèi)的污泥處理區(qū)域按照18萬m3/d的污水處理規(guī)模設(shè)置，現(xiàn)狀污水廠的污泥(含水率為80%)泵送至2#箱體的儲(chǔ)泥池，與二期工程的污泥混合后，經(jīng)濃縮、低溫風(fēng)冷干化后，外運(yùn)處置。低溫風(fēng)冷干化工藝可根據(jù)處置要求，靈活調(diào)節(jié)出泥含固率。2#箱體內(nèi)高程布置如圖6所示。

2.5 廠區(qū)除臭及通風(fēng)設(shè)計(jì)

本工程對(duì)部分構(gòu)(建)筑物加蓋，在平面布局中考慮將臭氣較為集中的預(yù)處理區(qū)和污泥處理區(qū)置于東側(cè)地塊的2#箱體內(nèi)，需處理的惡臭氣體散發(fā)點(diǎn)為粗格柵、細(xì)格柵及曝氣沉砂池、初沉池、污泥處理區(qū)域、雨水調(diào)蓄池。1#箱體需將生物反應(yīng)池加蓋。

根據(jù)本工程不同構(gòu)筑物及設(shè)備產(chǎn)生臭氣的特點(diǎn)，本工程擬采用全過程除臭+生物濾池除臭+離子送風(fēng)的組合除臭工藝。其中，生化處理系統(tǒng)采用全過程除臭，從根源上降解臭氣成分；臭氣較為集中的2#箱體預(yù)處理區(qū)域、1#箱體的生物反應(yīng)池區(qū)域、污泥處理區(qū)域及調(diào)蓄池采用生物濾池除臭工藝，臭氣通過風(fēng)機(jī)及除臭風(fēng)管系統(tǒng)收集處理，15 m高空排放；污泥脫水車間及污泥干化車間輔以離子新風(fēng)系統(tǒng)。

此外，本工程設(shè)置機(jī)械送、排風(fēng)風(fēng)機(jī)，預(yù)處理區(qū)、污泥處理區(qū)、加藥間區(qū)域等按照12次/h的換風(fēng)量設(shè)置，對(duì)生物反應(yīng)池、二沉池及深度處理區(qū)上方的大空間區(qū)域按照6次/h的換風(fēng)量設(shè)置。

3 主要構(gòu)筑物工藝設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)處理區(qū)

預(yù)處理區(qū)位于2#箱體內(nèi)。進(jìn)水端設(shè)置粗格柵及進(jìn)水泵房1座，平面尺寸為23.5 m×15.3 m。其中，污水4條格柵渠道，初期雨水2條格柵渠道，柵條間隙為20 mm。

粗格柵及進(jìn)水泵房后設(shè)置細(xì)格柵及曝氣沉砂池1座，平面尺寸為42.0 m×15.3 m。其中，細(xì)格柵4條渠道，柵條間隙為3 mm；曝氣沉砂池2條廊道，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為5.97 min。

曝氣沉砂池后設(shè)置精細(xì)格柵1座，平面尺寸為9.5 m×15.3 m，4條渠道，柵條間隙為1 mm。

精細(xì)格柵出水均勻配水至2座初沉池，每座2格，單座尺寸為36.9 m×17.6 m，有效水深為3.3 m，表面負(fù)荷為6.5m3/(m2·h)。考慮后端可能存在碳源不足情況，二期工程采用了較高的表面負(fù)荷。

預(yù)處理區(qū)充分考慮利用細(xì)格柵及超細(xì)格柵渠道下的空間，布置羅茨風(fēng)機(jī)、初沉污泥泵、吸砂泵、洗砂機(jī)等，對(duì)減小噪聲、優(yōu)化參觀層(負(fù)一層)外觀、節(jié)省占地較為有利。

3.2 二級(jí)處理區(qū)

二級(jí)處理區(qū)位于1#箱體內(nèi)。2#箱體初沉池出水通過管道流至1#箱體生物反應(yīng)池前端。

1#箱體內(nèi)設(shè)置生物反應(yīng)池1座2池，平面尺寸為175 m×74 m，有效水深為8.5 m。設(shè)計(jì)最低水溫為13 ℃，總泥齡SRT=26.4 d，污泥負(fù)荷F/M=0.056 kg BOD/(kg MLSS)，產(chǎn)泥率Y=0.68 kg SS/(kg BOD)，混合液懸浮固體濃度MLSS=3.5 g/L。內(nèi)回流比為300%，外回流比為100%。平均流量下停留時(shí)間為22.0 h，其中，厭氧段為1.5 h，第一缺氧段為5.0 h，第一好氧段為11.5 h，第二缺氧段為3.0 h，第二好氧段為1.0 h。曝氣池供氣量為474.5m3/min，氣水比為6.83∶1。

生物反應(yīng)池后設(shè)置二沉池1座，6條廊道，單條平面尺寸為76 m×10 m，有效水深為3.5 m。表面負(fù)荷為1.37m3/(m2·h)，設(shè)計(jì)沉淀池固體負(fù)荷為8 kg SS/(m2·h)，沉淀時(shí)間為2.55 h。

3.3 深度處理區(qū)

深度處理區(qū)位于1#箱體內(nèi)。二沉池出水進(jìn)入高效離子氣浮池，高效離子氣浮池設(shè)置1座3格，單格尺寸為22.0 m×19.8 m×5.7 m，有效水深為3.9 m，表面負(fù)荷均值為18m3/(m2·h)，峰值為27m3/(m2·h)。

高效離子氣浮池出水進(jìn)入浸沒式超濾池或中間提升泵房，設(shè)置浸沒式超濾池及中間提升泵房1座，平面尺寸為32.6 m×65.6 m。浸沒式超濾池設(shè)置10套超濾設(shè)備單元，單套處理能力為1萬m3/d，采用浸沒式中空纖維超濾膜元件，膜絲公稱孔徑為0.03 μm，通過抽吸泵產(chǎn)生的壓差將污水濾過超濾膜并提升至下一工藝單元。與浸沒式超濾池并行設(shè)置中間提升泵房，配泵能力為10萬m3/d，當(dāng)浸沒式超濾池不全開時(shí)，其余污水可通過中間提升泵房提升至下一單元。

超濾池出水進(jìn)入臭氧接觸池，臭氧接觸池露出地表，平面尺寸為52.5 m×19.4 m，有效水深為7 m，水力停留時(shí)間為50 min。

臭氧接觸池后設(shè)置加氯接觸池、紫外消毒池及出水泵房1座，平面尺寸為52.5 m×19.6 m。加氯接觸池有效水深為7 m，水力停留時(shí)間為30 min。受新冠病毒影響，加氯接觸池后設(shè)置紫外線消毒系統(tǒng)2套，有效紫外劑量≥25 W·s/cm2。紫外消毒池出水進(jìn)入出水泵房，在常態(tài)下可自流至一畝泉河，極端工況下開提升泵進(jìn)行強(qiáng)排。

3.4 污泥處理區(qū)

污泥處理區(qū)位于2#箱體內(nèi)，污泥處理量為240 t/d(以18萬m3/d污水規(guī)模計(jì)，80%含水率)。

污泥處理區(qū)設(shè)置儲(chǔ)泥池2座，單座平面尺寸為16.9 m×10.9 m，有效水深為2.7 m，單座配備潛水?dāng)嚢杵?臺(tái)。儲(chǔ)泥池用以存儲(chǔ)并混合以下3部分污泥：1#箱體泵送的化學(xué)污泥、剩余污泥；2#箱體泵送的初沉污泥；現(xiàn)狀污水處理廠泵送的污泥。

儲(chǔ)泥池出泥經(jīng)濃縮機(jī)濃縮后，進(jìn)入污泥脫水車間。污泥脫水車間平面尺寸為35.0 m×22.7 m，共配備板框壓濾機(jī)5臺(tái)(4用1備)，單臺(tái)能力Q=12 t DS/d，脫水后污泥含水率為60%，單臺(tái)工作時(shí)間為24 h，分三班次。

板框脫水污泥進(jìn)入污泥干化車間，污泥干化車間平面尺寸為22.7 m×27.7 m，配備污泥低溫風(fēng)冷干化機(jī)1套，單臺(tái)脫水量Q=1 800 kg/h(進(jìn)泥60%含水率，出泥40%含水率)。低溫風(fēng)冷干化設(shè)備可隨污泥外運(yùn)處置地對(duì)含水率的要求，進(jìn)行靈活調(diào)整。

3.5 初雨調(diào)蓄池

污泥處理區(qū)位于2#箱體內(nèi)，設(shè)計(jì)規(guī)模為4萬m3，共設(shè)置1座6廊道，平面尺寸為100.0 m×51.6 m，有效水深為8.5 m，采用真空沖洗方式。調(diào)蓄池排空直接進(jìn)入預(yù)處理區(qū)細(xì)格柵前端，同時(shí)調(diào)蓄池可兼作二期污水廠的應(yīng)急事故池。初雨調(diào)蓄池的頂板上布置有真空沖洗設(shè)備、變配電間、水廠進(jìn)水儀表間、除臭系統(tǒng)等功能區(qū)，充分利用了空間。

4 結(jié)論

(1)本工程是保定市除雄安新區(qū)外的第一座地下污水處理廠，地處市區(qū)，用地分散且不規(guī)則，周邊限制因素較多。本設(shè)計(jì)設(shè)置了2座獨(dú)立的功能各異的全地下箱體及廠區(qū)，布置集約緊湊，生產(chǎn)構(gòu)筑物(含初雨調(diào)蓄、污水處理、再生水處理、污泥處置功能)用地指標(biāo)為0.372 5m2/(m3·d-1)，用地節(jié)約，減少了拆遷及對(duì)周邊居民環(huán)境的不利影響。實(shí)現(xiàn)了10萬m3/d污水處理增容、18萬m3/d規(guī)模污泥優(yōu)化處理、10萬m3/d再生水回用、4萬m3初雨調(diào)蓄及民眾文娛科教的場(chǎng)所功能，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)效益、社會(huì)效益雙贏。

(2)本設(shè)計(jì)將產(chǎn)臭較多的預(yù)處理區(qū)、污泥處理區(qū)、初雨調(diào)蓄池集中布置在2#箱體，方便臭氣的集中處理，使水廠整體保持了潔凈的操作環(huán)境，并結(jié)合除臭技術(shù)措施，減少了臭氣對(duì)周邊環(huán)境的影響，可為分散用地條件的地下污水廠項(xiàng)目提供參考。

(3)本設(shè)計(jì)將污水廠預(yù)處理區(qū)與初期雨水調(diào)蓄池相鄰布置在2#箱體，優(yōu)化高程及平面布置，方便初雨調(diào)蓄池就近排空至污水廠前端。此外，初雨調(diào)蓄池也可作為污水廠的應(yīng)急事故池，為類似功能需求(建設(shè)初雨調(diào)蓄池)的全地下污水廠項(xiàng)目提供參考。

(4)本設(shè)計(jì)優(yōu)化高程布置及工藝流程，中間提升泵房與超濾膜構(gòu)筑物并聯(lián)設(shè)置，當(dāng)超濾工藝裝置全開時(shí)，中間提升泵房可以停泵，減少二級(jí)提升能耗，可為地下式污水處理廠站項(xiàng)目提供一定的參考。

(5)由于防燃防爆要求較高，臭氧接觸工藝在全地下污水廠中受到一定限制。本設(shè)計(jì)中，臭氧接觸池抬高至地表，接觸池頂板、尾氣消除裝置結(jié)合地表景觀設(shè)置，防止臭氧在地下空間的散逸，為地下式污水廠深度處理區(qū)域設(shè)計(jì)提供一定參考。