下沉式污水处理厂集约化设计——以贵阳龙洞堡再生水厂为例<br/>

下沉式污水处理厂集约化设计——以贵阳龙洞堡再生水厂为例

2021-07-17高靖伟葛英振杨茂东邵彦青

净水技术 2021年7期

侯锋，高靖伟,，韩磊,,*，葛英振,，熊雯，杨茂东,，邵彦青

(1.国投信开水环境投资有限公司，北京 101101；2.四川蓉信开工程设计有限公司，四川成都 610101)

为应对日益稀缺的土地资源及不断提高的环保要求，消除传统地上污水处理厂的邻避效应。近年来，越来越多污水处理厂采用下沉式的建设形式，仅“十三五”期间，国内就增加40余座下沉式污水处理厂，总规模超700万m3/d[1]。下沉式建设形式逐渐成为污水处理厂发展的重要方向，其构建了水处理功能、生态景观功能共存的综合体，实现了环境友好、土地集约、资源利用、生态安全，具有明显的社会、经济和环境优势。

下沉式污水处理厂并不是简单的将传统地上式污水处理厂“按于地下”，而是通过集约化布局，将各水处理单元、附属设备房间、疏散楼梯间、送排风机房、各类管线等集中于“箱体”内，并结合项目周边地形地貌、安全风险、建设投资等综合确定“箱体”埋深。因此，下沉式污水处理厂对平面及竖向布置、结构、建筑消防、采光照明、通风除臭等设计具有更高要求。

本文结合工程实例，重点从平面及竖向布置、工艺设计、结构及基坑支护设计、建筑及消防设计、电气自控设计、通风系统设计等方面进行详细介绍分析，总结了本工程各专业的设计特点及相关参数取值，为相关工程建设提供参考。

1 项目背景

根据《贵州双龙航空港经济区总体规划(2015—2030)》的规划，为解决双龙航空港经济区污水处理厂缺失、流域河道污染严重等问题，规划在双龙航空港经济区分散建设5座污水处理厂及配套截污管沟，并实施河道综合治理工程。

本项目服务片区处于鱼梁河的中上游地带，下游是贵阳东郊水厂的取水口及市级著名旅游景点。为满足服务片区高速发展带来的污水增长需求，提高污水处理效率，去除入河污染物，改善鱼梁河水环境质量，促进区域健康发展，本项目的建设非常迫切和必要。

2 项目概况

本项目规划位于小寨村西北侧，朝纲路东南侧，紧邻工业园区。规划厂址用地面积为103 000 m2，规划远期总规模为1.0×105m3/d。

2.1 设计进水水质

为明确本项目设计进水水质，分别对现状渔梁河截污沟沿线重点企业排污情况、河道溢流工业废水情况进行摸排并进行水质取样监测，根据取样检测结果进行加权计算，如表1所示。

表1 截污沟下游终点污染物浓度

根据规划资料及现场调研，本项目服务片区内工业废水和生活污水约为1∶1。生活污水水质根据《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)(2016年版)第3.4.1条的参数进行预测计算。对工业废水、生活污水水质加权计算后，结合《污水排入城镇下水道水质标准》(GB/T 31962—2015)规定的排放限值，综合确定本项目设计进水水质，如表2所示。

表2 设计进水水质指标

2.2 设计出水水质

为了保护鱼梁河饮用水源地，本项目尾水无法就近排入鱼梁河，而是通过现状已建的鱼梁河排污隧洞，转输排入南明河作为南明河的生态补充水，缓解南明河市区段河道基流不足问题。根据当地南明河水环境保护要求，本项目出水水质执行《城镇污水厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准，其中出水COD、氨氮需满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)IV类水体水质标准，即CODCr≤30 mg/L，NH3-N≤1.5 mg/L，如表3所示。

表3 设计出水水质指标

2.3 建设形式

本项目总规模为10万m3/d，近期建设5万 m3/d，其中预处理单元按远期10万m3/d规模土建一次完成。根据规划，本项目厂址周边为工业园区及滨河景观带，如果采用传统地上式污水处理厂的建设形式，会带来严重的嗅味、噪声污染，并严重影响工业园区的招商引资及企业经济发展。为解决上述矛盾，本项目采用下沉式建设形式，将污水处理设施与生态景观公园、绿色节能技术有机结合，充分与周边环境和谐共存。

3 工艺流程设计

3.1 优化工艺选择

常见的生化处理工艺主要为传统活性污泥法的AAO、SBR、氧化沟及其改良工艺等，以及膜生物反应器MBR工艺。而SBR工艺存在池容、设备闲置率较高、水头浪费较大、运行控制复杂的确定；氧化沟工艺存在池深浅，占地面积大的缺点。因此从下沉式污水处理厂的箱体运行安全性、运营维护便捷性、平面布局集约型等方面，对比改良AAO与MBR工艺(表4)。

表4 生化处理工艺综合对比

本项目下沉式建设形式，对箱体的操作环境、运营维护、臭气控制、防灾避险要求较高，因此推荐采用改良AAO工艺。结合本项目的水质特点和运营经验，对传统改良AAO进行了优化设计，采用多点进水前置预缺氧的改良AAO工艺，并在好氧区投加悬浮填料，材质为HDPE，比表面积≥650 m2/m3。投加填料可丰富微生物的生存空间形式，强化活性污泥处理系统，提高负荷率，并增加脱氮除磷能力，对含工业废水的市政污水处理厂有较好的适用性[2]。

综合考虑箱体结构、设计规模、用地情况等因素，单层平流式二沉池和圆形二沉池均无法应用于本项目，而双层平流沉淀池池体构造复杂，池深较深，设计、施工、运营维护难度极大。因此本项目推荐采用周进周出矩形沉淀池，其具有高表面负荷、低水头损失、沉淀效率高等特点[3]。同时，其由于池体构造简单，施工容易，更适合应用于下沉式污水处理厂。

3.2 深度处理工艺选择

为保证出水SS、TP达标，深度处理采用混凝沉淀+滤池工艺。高效沉淀池具有表面负荷高、占地面积小、池型规整、出水水质稳定的优势，混凝沉淀工艺推荐采用高效沉淀池。连续流砂过滤器不需停机反冲洗，具有模块化、能耗低、节约空间和占地、运行维护方便、投资成本低的特点[4]，非常适用于下沉式污水处理厂。因此，滤池推荐采用连续流砂过滤器。

本项目工业废水占比较高，仅采用二级生化处理工艺，无法有效保证出水COD、色度等稳定达标。因此深度处理单元需要增加高级氧化工艺作为出水保障措施。结合国内众多类似项目设计经验，本项目选择臭氧接触氧化池来进一步去除COD和色度。

最终确定的工艺流程如图1所示。

4 工艺设计

4.1 平面及竖向布置

本项目厂外进水管线沿河而建，从一期用地东北角进入厂区，因此进水提升泵房及调节池布置在一期用地的东北角，依据地势，与主箱体分缝连接，满足生产需要节约用地。主箱体成矩形，长向纵贯东西，短向横跨南北，箱体布置考虑近远期结合。车行道路布置在主箱体的东西两端，连接市政道路形成环路，车辆可通过车行道路直接进入场地内部到达生产区，箱体内部车道设置在北侧，可以与远期共用。综合楼布置在地块西南角，与规划道路入口紧密相连，交通便捷，充分利用地块西南角空地，作为综合楼前广场，满足停车绿化活动等功能，综合楼地下一层，地上四层，总建筑面积为2 993.95 m2。臭氧发生间位于综合楼东侧，总建筑面积为140 m2，平面布置如图2所示。

图2 龙洞堡下沉式再生水厂总平面布置图

污水由厂外进入提升泵房箱体，经粗格栅、预沉砂池、中格栅后提升至主箱体。再经细格栅、曝气沉砂池、生化系统、深度处理系统后排放。污泥脱水及干化间、高低压配电间、水源热泵间的辅助用房位于操作层。为满足管线综合布置、设备吊装，操作层净高为5.8～6.4 m，箱体顶部景观公园覆土厚度为1.5 m，箱体占地面积为18 206 m2，本项目箱体平面布置如图3所示。

图3 龙洞堡下沉式再生水厂箱体平面布置图

4.2 主要构筑物及设计参数

4.2.1 预处理单元

前置粗格栅井1座，土建按远期10万m3/d设计，设备按近期5万m3/d安装，近期安装1台栅间隙为50 mm的回转式机械格栅除污机。

预沉砂池1座，土建按远期10万m3/d设计，设备按近期5万m3/d安装，预沉砂池的水力停留时间为6.0 min，有效水深为1.8 m，水平流速为0.05 m/s，采用空气压缩机和凸轮洗砂泵联合洗砂排砂。

中格栅井及污水提升泵井1座，土建按远期10万m3/d设计，设备按近期5万m3/d安装，近期安装2台栅间隙20 mm的回转式机械格栅除污机；进水提升泵采用3台大泵1台小泵的搭配形式，其中大泵：Q=1 050 m3/h，H=33 m，N=145 kW；小泵：Q=800 m3/h，H=33 m，N=110 kW。

调节池按近期工业废水2.5万m3/d规模设计，停留时间为6.0 h，出水提升泵共3台，Q=610 m3/h，H=8.3 m，N=21 kW，2用1备。

细格栅渠及曝气沉砂池，土建按5万m3/d设计，共设3条渠，分别安装2台栅间隙为3 mm的阶梯网板格栅和一道人工检修格栅；曝气沉砂池水力停留时间为8.0 min，曝气量为575 m3/h，采用气提排砂。

4.2.2 二级处理单元

生化池共分2格，按进水方向分别为预缺氧区、厌氧区、缺氧区、好氧区、好氧悬浮填料区。总水力停留时间为19.0 h，其中预缺氧池为0.50 h，厌氧池为1.00 h，缺氧池为4.00 h，好氧池为13.5 h，污泥负荷为0.093 kg BOD5/(kg MLSS·d)，污泥回流比为0～100%，混合液回流比为100%～200%，悬浮填料填充比为27%。

生化池曝气采用无油螺杆鼓风机，并采用大小风量搭配的形式，其中小风机：Q=1 200～2 760 m3/h，P=30～120 kPa，N=75 kW，1台；大风机：Q=2 005～4 486 m3/h，P=30～120 kPa，N=132 kW，2台，1用1备。

矩形周进周出二沉池共设3座，表面负荷为1.13 m3/(m2·h)，有效水深为4.50 m。配水孔直径为200 mm，分四段不等间距布置，可确保流量均匀分配，避免进水造成任何的短流和涡动，提高污泥沉降效率[5]。

4.2.3 深度处理单元

高效沉淀池共2座，其中混合区1格、絮凝区2格、斜管沉淀区2格。混合区停留时间为2.1 min，投加PAC药剂，使悬浮颗粒脱稳并流入絮凝区。絮凝区总停留时间为21.3 min，投加PAM药剂，继续形成个大密实、易于沉淀的絮凝体[6]。推流反应区上升流速为18.54 mm/s，较慢的上升流速可降低矾花碎裂几率。斜管沉淀区表面负荷为10.75 m3/(m2·h)，沉淀的较高密度污泥继续回流至混合区，以提高絮凝体有效碰撞几率，降低药耗。单座共设3台污泥螺杆泵，Q=30～50 m3/h，H=30 m，N=11 kW，1台用于污泥回流，1台用于排泥并兼全池放空，1台互为备用，日常运行中根据泥位高度来控制排泥量[7]，臭氧接触池停留时间为30 min，臭氧投加量为5 mg/L，采用管式臭氧发生器(12 kg/h，1台)，进一步去除出水中难降解的污染物及色度[8]。

中间提升泵房1座，共设5台提升泵：Q=520.8 m3/h，H=3.6 m，N=9 kW，4用1备。

连续流砂过滤器共1座分7格，每格设置8套过滤器设备，共56套，单套过滤器面积为6 m2，设计滤速为6.2 m/h。

4.2.4 尾水消毒排放及回用单元

紫外线消毒渠1座，设备1套，共112支，功率为20.7 kW，有效生物验定剂量≥22 mJ/cm2。巴氏计量槽1座，喉宽为0.75 m，测量为25～1 100 L/s。

综合水池1座，采用次氯酸钠辅助消毒，停留时间为30 min，有效水深为4.6 m。配有变频恒压供水系统1套，其中供水泵3台，2用1备，Q=30 m3/h，H=40 m，N=7.5 kW。稳压泵1台，Q=6 m3/h，H=30 m，N=1.5 kW。尾水提升采用干式泵：Q=700 m3/h，H=50.0 m，N=160 kW，4台变频，3用1备。

4.2.5 污泥理单元

污泥脱水工艺前设贮泥池1座，并从鼓风机房引曝气管，采用微孔曝气。脱水采用离心浓缩脱水一体机，单台流量为20～30 m3/h，共设3台，2用1备。脱水后的污泥由螺杆泵输送至污泥低温风冷干化系统，最终出泥含水率降低至50%。

4.2.6 除臭系统

污水处理厂的臭气污染物成分比较复杂，主要以NH3为主，其次为H2S[9]。本项目臭气主要来自：预处理区、生化区、污泥脱水及干化间。受限于地下污水处理厂柱网间距特点，无法在地下箱体内布置超大除臭装置，同时为了避免长距离除臭管路造成的管线碰撞、气压分布不均等问题，采取分区域分单元除臭方式。因此共设4套生物除臭系统，分别为：预处理除臭系统1套，除臭风量Q=12 000 m3/h；生化池除臭系统2套，除臭风量Q=30 000 m3/h；污泥脱水单元除臭系统1套，除臭风量Q=13 000 m3/h；污泥干化间除臭系统1套，除臭风量Q=10 000 m3/h。

4.2.7 水源热泵系统

本项目从污水余温热能中提取热量为水厂附属综合楼制冷供热[10]。水源热泵间位于综合水池上，设计污水温差冬季为3 ℃、夏季为5 ℃，最大制冷量为345 kW，最大制热量为345 kW。

5 辅助专业设计

5.1 结构及基坑支护设计

本项目池体层为现浇钢筋混凝土水池结构，操作层为钢筋混凝土框架结构。本项目地质条件良好，箱体底板位于中风化灰岩层，该处地基强度、稳定性较好，是良好的天然地基持力层，因此本项目无需地基处理，但需要对局部溶洞区域进行处理。同时，本项目场地地势较高，地下水位较深，主箱体底板标高也高于鱼梁河百年一遇洪水位，经核算箱体结构自重即可满足抗浮要求。

本项目基坑开挖后将在四周形成高为3.5～15.0 m的基坑边坡，根据边坡工程地质条件和开挖高度，本项目采用坡率法+锚杆或中空锚杆+挂网喷浆护坡+局部竖向肋柱支护+截水沟方案进行支护。

5.2 建筑及消防设计

对于下沉式污水处理厂而言，可通过人工照明解决日常工作生活的需求，但没有自然光，一个空间无法成为真正的建筑[11]。因此,本项目箱体顶部开设自然采光孔，箱体四周采用下沉式廊道设计，进行自然补光照明，同时节约大量电能，为下沉式污水处理厂自然采光起到示范作用。

本项目生产区为水工构筑物，按生产类别定义为戊类厂房，参考《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)(2018年版)第3章厂房(仓库)防火分区要求进行设计[12]，即防火分区的最大允许建筑面积小于1 000 m2，当设置自喷时，防火分区的面积可增加至2 000 m2，厂房内任一点至最近的安全出口的直线距离不能超过60 m。但由于本项目采用下沉式廊道，箱体操作层可直通室外，因此本项目箱体操作层为一个大防火分区。箱体池体层共设6个防火分区，其中防火分区1#～防火分区5#面积均小于1 000 m2，防火分区6#设自动喷淋系统，防火分区面积为1 946 m2。

目前，随着国内下沉式污水处理厂的飞速建设发展，越来越多的消防专项评估；相关指南、规程、规范等对地下厂的消防设计进行了深化明确。例如，正定新区全地下污水处理厂、太原晋阳污水处理厂、青岛高新区污水处理厂、昆明第十一污水处理厂、郑州南三环污水处理厂均通过消防专项评估方式，突破了规范要求的防火分区面积上限，最大防火分区面积做到4 000 m2[13-14]。2020年1月1日实施的《地下式城镇污水处理厂工程技术指南》(T/CAEPI 23—2019)中，第7.4.2条明确提出“地下厂如需突破GB 50016对防火分区最大允许建筑面积的限制，应进行消防专项论证”。浙江省住建厅2020年6月2日发布的《地埋式城镇污水处理厂建设技术导则(试行)》文件中，对全地埋式污水处理厂的操作层、管廊层的防火分区面积进行了突破，允许最大单个防火分区的面积不超5 000 m2；同时界定了操作层、管廊层的最远疏散距离分别为70 m和200 m。2019 年11 月发布的《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)局部修订征求意见稿中，对地下污水处理厂按设备用房和水工构筑物进行了区分，要求设备用房最大防火分区面积为1 000 m2，而水工构筑物则按照工艺要求确定防火分区面积。因此随着关于地下污水处理厂相关规范的推出，以及相关专项评估论证的推进，在满足消防安全的前提下，防火分区、疏散距离等设计难点逐渐被合理化，更有利于地下箱体工艺处理单元集约化布置、降低地下箱体的压抑感、提升操作管理舒适度，更能充分释放箱体顶部可利用空间，打造更加精美的景观公园。

5.3 电气设计

本项目供电系统按照二级负荷设计，并设计两回路10 kV电源，两回路电源1用1备，并为二期工程预留足够的增容能力。生化池操作层上设有2座变配电站，每座变配电站皆深入负荷中心。10 kV配电中心与1#变配电间合建，临近鼓风机房及预处理单元，设有2台1 600 kVA的干式变压器，同时使用，互为备用。2#变配电间临近污泥处理系统，设有2台800 kVA的干式变压器，近期1用1冷备，远期同时启用，可满足远期污泥处理系统的用电需求。为防止变电间被淹，其室内地坪高于箱体操作层1.0 m，电缆铺设于电缆沟内；为保证顶部电缆桥架安装，房间梁下净高为5.0 m。

5.4 通风系统设计

本项目池体管廊层设置机械送、排风系统，换气次数为4次/h，操作层大空间设置机械排风系统、自然补风，预处理及生化池上部空间换气次数为4次/h，二沉池及深度处理区上部空间换气次数为3次/h。其中，污泥脱水间、鼓风机房、高低压配电间、加药间换气次数为12次/h，污泥转运间换气次数为6次/h，进出水监测室、消防泵房、水源热泵间、机修仓库换气次数为4次/h。

6 技术经济指标

本项目总规模为10万 m3/d，一期规模为5.0万 m3/d(其中预处理按10万 m3/d土建施工)，一期箱体占地指标为3 640 m2/m3。因进水成分复杂、浓度较高；出水标准高、出厂污泥含水率低；基坑灰页岩开挖、溶洞处理等特点，本项目在设计参数、设备质量、材料材质防腐、施工措施等方面投资较高。一期工程费用为4.32亿元，单位运行总成本为1.65 元/m3。