地下式污水处理厂工程设计内容探讨

王 燕，孙世昌

(1.西南大学资源环境学院, 重庆 400715; 2.深圳大学化学与环境工程学院, 广东 深圳 518060 )



地下式污水处理厂工程设计内容探讨

王 燕1，孙世昌2

(1.西南大学资源环境学院, 重庆 400715; 2.深圳大学化学与环境工程学院, 广东 深圳 518060 )

总结了地下式污水处理厂在工艺、结构、安全等方面存在的问题，分析和探讨了地下式污水处理厂工程设计的主要内容，初步给出了地下式污水处理厂工程设计的主体框架：主体结构、工程工艺、构筑物布局、通风除臭、采光照明、消防安全、运营维护及地上景观设计。

地下式污水处理厂；工程设计；存在问题；设计框架

0 引言

相对于传统的地上式污水处理厂，地下式污水处理厂具有占地面积小，噪声、臭味污染小，与自然景观相协调等优势[1]，近些年来得到了越来越广泛的应用。国外地下式污水处理厂的发展和应用已有近80年的历史，至今已有200多座地下式污水处理厂处于稳定运行当中。我国在地下式污水处理厂的建设和应用方面起步较晚，现阶段稳定运行的地下式污水处理厂只有20多座。随着我国倡导生态文明建设和城市化进程的不断推进，地下式污水处理厂必定会在我国获得更多的应用和发展。

地下式污水处理厂不是简单地把地上式污水处理厂搬到地下，而是一个新的、复杂的工程设计与建设过程，在主体工艺设计、地下空间布局、地上空间景观设计、采光照明设计、除臭降噪设计等方面提出了更高的要求。鉴于目前地下式污水处理厂存在投资成本高、运行费用大、安全隐患大等问题[2]，且现有的地上式污水处理厂的相关标准和规范不能满足地下式污水处理厂的建设与稳定运行的需要，制定相关规范或标准用于指导地下式污水处理厂的建设和运行十分必要。

本文在总结了地下式污水处理厂工艺、结构、安全等方面存在问题的基础上，分析了现有地上式污水处理厂的相关标准与规范用于指导地下式污水处理厂的建设和运行时存在的问题和不足，探讨了制定地下式污水处理厂工程技术规范的必要性，并初步给出了规范的主体框架。

1 地下式污水处理厂工程设计存在问题

1.1 工艺及设备选择

目前，我国已建成和在建的地下式污水处理厂所采用的工艺技术主要有MBR工艺、A2/ O及其改进工艺两大类[3-4]，同种工艺应用到的污水处理规模变化范围大，缺乏统一的工艺设计标准。与此同时，不同污水处理工艺所需配套的处理单元及设备(例如沉淀池、除臭单元和污泥脱水单元)缺乏统一标准，造成占地及投资的浪费。例如，深圳布吉地下式污水处理厂采用了双层平流沉淀池，提高了处理效果且节省了占地面积，而我国其他大多数地下式污水处理厂的沉淀池仅是将传统的地上式沉淀池搬到地下。

1.2 结构设计

地下式污水处理厂大多采用地下组团式的设计形式，运用集成共壁技术[5]，减少污水处理构筑物的总体占地面积。然而目前仍缺少池壁共建相关技术的指导，导致不同处理单元池体间的搭配与设计标准不一；除此之外，对于地下式污水处理厂地下空间的层高设计尚缺乏统一标准，影响基坑挖掘深度及污水处理构筑物的布置，提高了总体投资与运行成本。

1.3 安全设计

目前缺少有关地下式污水处理厂抗震、抗浮、防洪、防淹等方面的相关规定，缺乏防毒、防火、防爆、危险气体防护方面的指导以及地下安全运行规范，导致地下式污水处理厂存在较大的安全与风险隐患。

1.4 其他方面

在自然采光、照明、进出通道设计、地上空间景观设计等方面也缺乏相关标准和指导，导致地下式污水处理厂的建设参差不齐，不仅影响美观，同时造成投资浪费，增加运行成本。

由于地下式污水处理厂特殊的设计与建设形式，使得传统的地上式污水处理厂的相关标准或规范，如《城市污水处理厂工程项目建设标准》(建设部2001修订版)、《GBJ15-88建筑给水排水设计规范》、《GBJ9-87建筑结构荷载规范》、《GBJ10-89混凝土结构设计规范》、《GBJ7-89建筑地基基础设计规范》等虽然在某些方面可以满足地下式污水处理厂的排水体制及规模设计、结构设计、电气设计等方面的需要，但在地下式污水处理厂的地下空间布局、构筑物组合布置、工艺设计、安全防护设计等方面存在明显缺陷。因此，编制城市地下式污水处理厂工程技术规范用于指导地下式污水处理厂的工程设计、施工、验收、运行与维护管理，作为地下污水处理技术工程设计工作的指导性文件是十分必要的，对于保证我国地下式污水处理厂的建设质量和稳定运行具有重要意义。

2 地下式污水处理厂工程设计内容与主体框架

地下式污水处理厂工程设计要以《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国水污染防治法》为指导，以为水环境污染控制措施提供技术规范、指导水污染治理设施的建设和运行管理、提高水污染控制与管理水平、保护环境和保障人体健康为宗旨，突出科学性、普遍性、实用性和可操作性。

按设计内容建设的地下式污水处理厂要综合考虑工艺设计多选择性、空间布局优化、节能降耗、安全保障以及土地资源综合利用等方面的问题，在确保稳定达到《GB18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准》中排放标准或更高标准排放的前提下，选择投资少、运行成本低的工艺和设计参数。

2.1 术语和定义

除应包含部分地上式污水处理厂相关术语和定义之外，还应包含地下式污水处理厂、全地下式、全地下式双层加盖、全地下式单层加盖、半地下式双层加盖、集成共壁、地下组团式等。

2.2 排水体制与处理规模

对于雨污合流系统，在污水进入水厂之前要考虑截流，同时污水厂还应考虑设置溢流设计，使超出处理能力部分的污水溢流，以保证后续处理工艺的正常进行；在进行地下式污水处理厂处理规模设计时，要考虑水厂所在区域的社会经济现状、规划人口、服务区内的用地规划、所在城市历年污水总量和已有水厂的污水处理总量，同时要留有余地。

2.3 进出水水质

地下式污水处理厂的进水水质设计需要考虑城市污水管道中的实际进水水质，并结合城市发展规划、排水系统建设发展趋势来确定。出水则要满足《GB18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准或更高标准。考虑到地下式污水处理厂升级较为困难，因此建议在成本允许的前提下，把出水水质设计为最高标准。

2.4 规划用地与设计形式

地下式污水处理厂的建设用地一般为同等规模地上式的1/3～1/2左右[6]，因此在进行规划用地估算时可根据传统地上式的规划用地规模进行估算，具体需视所采用的设计形式、工艺类型及景观设计需求等而定。地下式污水处理厂有全地下式和半地下式两种设计形式，工程投资、地质条件、岩层深度、规划用地面积等都对地下式污水处理厂的设计形式有影响。相对于全地下式的设计形式，半地下式投资少、通风采光更好、节省能耗且更安全稳定。因此，在外部条件许可下，可优先考虑半地下式的设计形式。

2.5 地下布局与结构设计

地下式污水处理厂土建工程部分的投资占水厂总投资的50%以上[7]，较地上式污水处理厂高，对结构设计方案进行优化以节约土建工程投资是结构设计的重要工作。

(1)构筑物布局。 地下式污水处理厂构筑物布局直接影响水厂的占地面积和工程投资。虽然地下式设计有全地下单层加盖、全地下双层加盖和半地下双层加盖三种形式，但构筑物的布局大多采用的是依托集成共壁技术的组团式布置形式。

(2)埋置深度。地下深度是影响地下式污水处理厂土建工程造价的重要因素之一。在设计埋置深度时，一般可以通过建立不同地下深度地下式污水处理厂的工程造价的非线性目标方程，同时结合主体处理工艺及工程总投资，选取相对经济合理的埋置深度。

(3)基坑支护。地下式污水处理厂的基坑支护设计需根据地质情况及地形条件来决定，可采用的途径有拉森钢板桩、钢管斜支撑支护、中心岛法开挖施工等。除了基坑支护设计之外，有研究指出沉井结构也可以起到施工阶段的支护与止水作用，且可节省基坑支护及止水帷幕工程投资[8]。

(4)抗浮设计与空间受力计算。尽管地下式污水处理厂由无数个小部件组成，但都将其看作一个整体来计算所受浮力和横向受力。然而，在进行抗浮设计时，仍要分成各个小块来进行，根据工程所在区域的地质、地形条件，采用抗浮锚杆或抗拔桩等抗浮设计。在空间受力计算时，垂直方向上要考虑支撑结构的静态负载和动态负载、设备自身载重和上部景观的静态负载，水平方向上要考虑水压、土压以及设备载荷的变化。

(5)钢筋混凝土与防渗、防腐蚀设计。为满足大型水处理构筑物的工艺要求，减少储水构筑物的渗漏隐患，需要尽量减少变形缝的数量。与此同时，为提高混凝土的防渗抗裂性能，要进行钢筋混凝土结构设计。在进行防水防腐蚀设计时，要严格执行《GB50046-2008工业建筑防腐蚀设计规范》及其他相关规定，进而提出相应的设计要求。

2.6 单体构筑物设计

单体构筑物主要包括一级处理单元的各个环节(格栅、提升泵房、沉砂池)、二沉池、污泥处理单元等。其中，污泥处理单元由储泥池、浓缩脱水一体机及污泥料仓等组成，辅助设施包括污泥切割机、污泥进料泵、加药泵、冲洗装置及制药设备。

2.7 主体工艺设计

地下式污水处理厂对出水水质的要求较高，一般需要达到《GB18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A 标准或更高标准，因此主体工艺的设计应包括二级处理和三级处理工艺。污水处理工艺的选择应充分考虑技术的可行性、经济的合理性，并依据规划用地面积、工程投资、进出水水质要求、污泥处理处置方案等综合考虑后确定。常用的二级处理工艺有MBR工艺、A2/ O工艺及其改进工艺；三级处理工艺有混凝沉淀、吸附、臭氧氧化、膜分离和消毒等。

2.8 通风除臭设计

污水处理系统中的臭气源主要分布在进水粗格栅、进水泵房、细格栅、沉砂池、厌氧池等，污泥处理系统中的臭气来源主要分布在污泥浓缩、污泥脱水及外运过程。对污水、污泥处理单元进行密闭，再通过进风口和出风口进行换气，把恶臭气体抽送到处理装置中进行处理是地下式污水处理厂通风除臭设计的关键。常用的除臭工艺有天然植物液喷淋法、高能离子法、生物过滤法、化学反应法、活性炭吸附法、光氧催化法、土壤脱臭法等，这些方法在应用中各有特点和利弊，需要根据污染程度、使用环境与条件来权衡。

2.9 采光照明设计

由于采用地下式的设计和运行模式，进行采光照明设计显得至关重要。不同的地下式建设形式会获得不同的自然采光效果，而对于人工照明的需求也不相同。地下式污水处理厂在进行采光照明设计时，可依据《GB50034-2013建筑照明设计标准》的要求进行设计，尽可能通过增加自然采光来降低因照明所产生的能耗，从而降低地下式污水处理厂的总体运行成本。

2.10 消防与安全设计

地下式污水处理厂消防设计包括总图、建筑、结构、给排水、电气和暖通等各项的消防设计，如消防车道设计、建筑消防及防火分区、消防给水设计、电气消防设计、防排烟系统设计等。相对于地上式污水处理厂，地下式污水处理厂在消防设计方面要增加必需的消防排烟设施；在安全设计方面，应重视防洪排涝问题、防爆问题，以及地下水厂和公共设施相连接的安全管理等问题。

2.11 运营维护设计

由于处于地下，地下式污水厂的运行维护相对困难，使得自动化控制与闭路电视监控系统成为必不可少的部分。相对于同规模的地上式污水处理厂，地下式污水厂自控仪表系统、视频监控系统的设备数量及技术指标均较高，安全监测系统、消防及联动控制系统则是地下式污水处理厂的新增内容。

2.12 地上景观设计

地下式污水处理厂的地上景观设计可提高地上空间及其周边土地价值，可带动水厂周边社会经济的发展，因而可以从总体上削减地下式污水处理厂的成本。地上景观设计一般包括公园、湿地、园林以及文体娱乐等设施，具体设计时应综合考虑景观设计的特色、社区友好和生态友好、景观风格以及设计与维护的成本，同时提升地下式污水处理厂的生态环境价值及社会经济价值。

3 结论

地下式污水处理厂工程设计主要包含主体结构、工程工艺、构筑物布局、通风除臭、采光照明、消防安全、运营维护及地上景观设计等方面的内容。本文探讨内容可用于指导地下式污水处理厂的设计和运行，减少投资及运行成本并降低安全风险与隐患。

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Primary Exploration of Engineering Design of Underground Sewage Treatment Plant

WANG Yan1, SUN Shi-chang2

(1.College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China)

The problems of the process, structure and safety of the underground sewage treatment plant were summarized, the necessity of formulating the engineering design of underground sewage treatment plant was analyzed, and its main frame was introduced tentatively.

underground sewage treatment plant; engineering design; problems; main frame

2017-03-18

王燕，西南大学资源环境学院2014级本科生，研究方向：环境工程。

孙世昌，博士后，深圳大学化学与环境工程学院，研究方向：环境工程。

X703

A

1673-9655(2017)05-0055-04