山坡半地下式污水处理厂总体设计方案

罗穆喜，朱宇峰

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

污水处理厂是城市水污染处理的主要承担者，目前污水处理的主要建设形式为地上式，占地面积较大，土地资源浪费严重，处理效果时常难以保证，且不可避免地会对周围环境和居民生活产生一些不良影响[1]。随着城市化进程的快速发展和城区外扩，原规划在城市边缘的污水处理厂逐渐被城市包围。与此同时，由于对环境产生了不利的影响，地上式污水处理厂受到民众的投诉，但将污水处理厂规划建设至更偏远的地区仍面临着诸多问题：(1)输送管网距离长，导致建设成本和运行成本的急剧上升；(2)目前城市化的进程远未结束，城市将进一步扩大，如今的偏远地区也有可能成为今后的城市中心或副中心[2]。因此，亟需一种环境友好、土地资源节省的污水处理厂建设形式以解决目前的困境。

和地上式污水处理厂相比，地下式污水处理厂发展相对较晚，第一座地下污水处理厂于1932年在芬兰建设，但当时限于技术条件，未能进一步发展[1]。近年来，随着相关技术的发展，在一些环境要求较高、用地紧张的大城市，已逐步开始建设地下式污水处理厂[2-4]。地下污水处理厂由于处于地下全封闭状态，对周围环境的影响较小、协调性强、可节约土地资源、防止周边土地贬值，特别适合在土地资源高度紧张、环境要求高的地区建设[5]。从长远看，也符合资源节约、人与自然和谐发展的科学发展观要求[6]。

我国山地城市由于其复杂的地形、地貌条件，较难具备充足的平地空间进行地上污水处理厂的建设。山地城市土地资源极为有限，尤其是靠近城市中心区域的地方，难以规划合适地块用于新建或改扩建污水处理厂，导致污水处理厂用地矛盾突出[7]。本文以福建某污水处理厂为例，重点从厂址、厂坪、总体布置等方面分析位于山坡上的半地下式污水处理厂，深入剖析平面、工艺和高程等布置方案及设计特点，为山坡式半地下污水处理厂的建设提供参考。

1 建设形式和厂坪设计

1.1 厂址分析

建设用地为山坡空地，北侧为国道，南侧为垃圾填埋场，填埋场与厂址之间有一条排洪沟隔开，西侧为一座小山头，东侧为液化气储罐站。现状厂区范围内地势由北向南抬高，场地内总共有3个平台，标高分别为169、163、141 m。场地入口设置在国道一侧，进场道路沿场地东北侧绕行分别通至场地3个地坪，其余区域均为较大斜坡，如图1所示。

图1 厂区现状地面标高Fig.1 Ground Elevation of Existing WWTP

该地块现状为一块林地，整个地块具有以下3个特点。

(1)用地面积较紧张，总占地面积约为50 400 m2。在有限的用地内要完成3万m3/d规模(且预留远期2万m3/d规模用地)、一级A排放标准的污水处理厂布置，污水处理厂的建构筑物只能采用集约化布置形式以最大程度地减小占地面积。

(2)本工程拟降低厂区整体标高，依山而建，局部架设环形高架道路，可有效提高厂区面积的综合利用率。

(3)厂址所在地块距离新区商业中心不足2 km，环境敏感度高，对厂区景观要求也较高，有必要建设成地下式的污水处理厂，减少对周边环境的影响。

结合厂址所在地块的特点，该污水处理厂不具备采用常规的地上式、建构筑物分散布置的污水厂建设形式。刘新荣等[1]研究表明，当地面上多余的土地日趋减少，土地价格过高时，地下空间开发利用的局限性(投资成本过高)相对减小，地下空间的价值明显。此时，地下式污水处理厂的价值和性能比明显要高于地上式污水处理厂。因此，有必要在经济技术可行的条件下，对山地城市地下式污水处理厂建设形式进行探索，以期合理利用空间资源，有效提升城市的经济、社会、环境效益[7]。

1.2 建设形式选择

一个环境友好的污水厂，应能使厂区环境与周边环境完全协调，在有利于污水厂运行管理的基础上，合理利用污水处理设施的上部空间，达到土地资源节约的目的[8-9]。全地下式和半地下式方案都能较好地利用上部空间，用来建设绿地、广场等公共设施甚至餐厅、商场等商业设施[3]。同时，由于池体全部加盖，污水厂的臭气和噪音影响也将明显降低，与常规污水处理厂相比可显著地改善周边环境。本工程中，2种布置形式均可满足环境和景观设计的要求，其比较分析如表1所示[10]。

由表1可知，2种方案各有优缺点，方案的最终取舍取决于各因素在方案决策中的权重。因此，可设定以上各比较因素的综合量化指标，结合本工程的实际情况，对各元素进行比值分配。如图2所示，方案二的加权比重明显优于方案一。此外，由于本工程所处位置的敏感性、工期的急迫性以及工程总投资的局限性，建筑形式的选择更多的侧重于厂区的运行风险、应急措施、基坑围护、工程投资及运行费用等方面。因此，综合考虑各方面因素，该污水处理厂的建设形式采用半地下式方案，能更好地满足要求。

1.3 厂坪设计

根据现场用地厂址范围和周边环境，综合考虑场地周边地势、厂区高程布置及厂区进出道路布置等因素。场地的布置依靠现有山势，由南向北构建3个平台，标高逐渐降低，三个平台标高分别为135、134.5、133 m，如图3所示。厂区地坪与厂外道路基本接顺，无进场道路长度限制，有利于厂区道路、设备运输及人员安全疏散。

表1 全地下式和半地下式方案比较Tab.1 Comparative Analysis of Fully Underground and Semi-Underground Schemes

图2 全地下和半地下方案的综合量化图Fig.2 Comprehensive Quantitative Evaluation Index of Fully Underground and Semi-Underground Schemes

图3 厂区标高设计方案Fig.3 Elevation Design Scheme of WWTP

2 总体布置设计

结合本工程污水处理厂的厂址和厂坪布置，建设山坡式半地下污水处理厂需遵循以下总体布置原则。

(1)结合山坡现状地形条件、土方开挖量等综合平衡考虑厂坪布置。

(2)结合工程规模及实际情况，考虑近远期工程的实施，节约工程投资。

(3)充分利用地下空间，节约管路系统。

(4)充分考虑可能发生的事故工况及对策。

(5)利用厂坪和高程布置，减少污水处理厂提升的次数。

(6)根据消防要求严格分区，符合相关规范要求。

2.1 平面布置

本工程污水处理厂建设总用地面积约为51 300 m3。场地坐落于山体之上，场地东西长约为350 m，南北宽约为240 m，整体坐南朝北。

本工程充分利用场地平面尺寸及竖向高程，依山而建一座山地式双层箱体结构污水处理厂房。近远期工程东西向并排布置，近期工程拟在场地西侧新建3万m3/d一体化处理厂房，结构形式采用封闭箱体，箱体平面尺寸约为107 m×75 m，场地东侧为远期预留用地(2万m3/d)，箱体北侧距红线退界20 m，西侧满足山体放坡距离要求。

整个场地围绕近远期厂房用地设置环形道路，道路宽度为7 m，转弯半径为9 m，坡度为5%～6%，满足消防通道要求；道路标高为133.0～149.5 m，与厂外国道接顺，并满足进出近远期箱体操作层和顶层需要。场地在东北侧及北侧沿国道方向设2座大门，东北侧大门可经过环线道路爬坡进入箱体操作层及顶层，北侧大门可直接进入箱体底层。厂区近远期合用综合楼1座，坐落于近期箱体顶部。厂区平面布置如图4和图5所示。

图4 厂区平面布置图Fig.4 General Layout of the WWTP

图5 厂区平面效果图Fig.5 Design Sketch of the WWTP

2.2 高程布置

为满足处理功能及箱体内部设备进出，箱体共分为3层(底层、操作层、顶层)，底层至操作层间高差约为8 m，主要容纳各水处理构筑物及辅助设施；操作层至顶层间净空约为6 m，主要满足设备运输及人员操作管理需要。一体化处理厂房底层标高约为133.5～134 m，操作层标高约为141.3～142.3 m，顶层标高约为148.5～149.5 m，顶层作为综合楼的室外地坪和公园。

箱体北面无山体遮挡，直接面对国道，可通过在北侧操作层平台外设置高架道路作为操作层的主要出入通道，高架道路东西两侧与厂区环形坡道接顺，作为环形道路的一部分；箱体西、南面均被山体环绕，高差较大无法与箱体直接连接，需设置二级放坡至箱体位置，同时第一级放坡平台作为环形道路的路基；场地东侧预留用地平整至140.5 m标高，减小与本工程箱体间的高差，基本与箱体操作层接平，形成“阶梯式绿化”的景观绿化，达到较好的隐蔽与景观效果，还可降低地质灾害风险。箱体北侧高程关系如图6所示。

图6 箱体结构北侧高程关系图Fig.6 Elevation Relation Diagram of the Box Construction on North Side

2.3 功能分区布置

本工程污水、污泥处理构筑物及辅助设施均为高度集约化布置，污水处理工艺采取“粗、细格栅+曝气沉砂池+AAO生物反应池+二沉池+高效沉淀池+纤维束滤池+加氯接触池”，污泥处理工艺采取“浓缩-脱水-泥饼外运”的处理方式。箱体内部功能分区如下。

(1)箱体底层布置主要处理构筑物，箱体两侧对称布置，由南向北根据依次为AAO生物反应池、平流二沉池、高效沉淀池和高效纤维滤池，限于用地面积和能耗控制，将加氯接触池及放空调蓄池下叠于二沉池底部；箱体中部由南向北依次为细格栅曝气沉砂池、污泥脱水机房和粗格栅进水泵房。一体化污水处理构筑物位于厂区地下，地上部分设置鼓风机房、加氯加药间和不受污水处理水力高程影响的构筑物。污泥浓缩池和储泥池对称布置于细格栅曝气沉砂池两侧，箱体西北部为变配电间。车辆可通过中央北侧通道由133.0 m标高直接进入箱体底层。

(2)箱体操作层为处理构筑物操作巡检平台及设备吊装空间，操作层中南部设鼓风机房及加药间。车辆可通过中央通道由141.0 m高架道路直接进入操作层。

(3)箱体北侧设箱体底部主要进出通道，与133.00 m厂坪标高接顺，以便于管廊层及污泥脱水机房的操作及运维。

2.4 设计特点

结合污水、污泥处理工艺和现状厂坪情况，山坡式半地下污水处理厂的建设主要有以下特点。

(1)总图布置紧凑、用地节约

本工程把优化污水厂总平布置、节约工程用地作为设计的一个着力点，通过集约化设计和总体布置的优化，在规划用地范围内完成了污水厂所有建构筑物的布置，加氯接触池和调蓄池与处理区上下重叠布置以节约用地，在节约用地的同时，也节省了工程投资和运行能耗。

(2)功能分区清晰、布局合理

本工程污水厂内的全部设施分3部分集约化布置。结合厂区现有山势，由南向北构建3个平台，标高逐渐降低。污水厂水力高程顺应山势，对处理构筑物分别布置预处理区和生物反应池等，二沉池及污泥泵房，深度处理区、泥区、消毒出水区等末端水力高程较低的处理单元。箱体北面无山体遮挡，北侧立面直接面对国道，在北侧操作层平台外设置高架道路作为操作层的主要出入通道，高架道路东西两侧与厂区环形坡道接顺，作为环形道路的一部分。总体设计可改善整体景观效果，并可降低地质灾害风险。

(3)水流、泥流、人流和车流的组织顺畅有序

在污水厂的总平布置方案中，一体化处理厂房分为底层、操作层、顶层3层标高，厂房顶部设综合楼。环形高架的设计及处理区的分布充分考虑了水流、泥流、人流、车流和信息流的合理组织，实现了各种流线的顺畅有序衔接。

3 事故工况应对策略分析

污水厂可能面临的事故工况主要有2种：污水厂事故停运和厂外来水超标[12-13]。本工程可分别采取以下应对策略。

(1)污水厂事故停产及检修

本工程每段处理构筑物均设置超越管，当污水厂局部或全厂事故停运时，可通过各段逐级超越或全厂超越，保证水量的正常通过[13-14]。

本工程污水处理工艺分为2组，分组运行，同时可通过细格栅出水段的控制闸门进行切换。当污水厂局部处理段故障检修时，可通过控制闸门调控水量进入正常段处理。

(2)厂外超标来水

本工程设置放空调蓄池1座，调蓄时间约为45 min。当厂外来水超标时，可通过以下途径降低对污水厂的影响：放空调蓄池对超标来水的临时应急储存；通过厂外管网、泵站水位调控，充分利用管网系统调蓄能力储存稀释超标来水，后续逐步进入污水厂处理；通过进水端的应急加药，强化进水预处理，降低水质冲击。

4 结语

山坡式半地下污水处理厂的建设需结合现状地形和周边环境情况，合理进行厂坪布置和建设形式的选择，需充分利用地质条件好的山地，合理利用地下空间和高程布置，选择合适的污水处理厂建设形式。当厂址靠近市区时，可结合城市地形地貌，丰富山地城市景观特色，有效提升山地城市的经济、社会、环境效益。本文结合实际工程案例设计，揭示山坡式污水处理厂在占地、厂址、建设形式、总体布置功能设计等方面的设计和特点，为山坡上建设污水处理厂提供设计分析和参考，有助于为我国山地城市污水处理厂的厂坪布置及建设提供更多的选择。