国内地下式污水处理厂的发展现状和关键技术分析

杨一烽，杜 炯，张 欣

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

为切实提升水环境质量，加大水污染防治力度，保障国家水安全，《水污染防治行动计划》(简称“水十条”)明确提出“强化城镇生活污染治理”的规划要求：加快城镇污水处理设施建设与改造。因此，现有城镇污水处理设施，要因地制宜进行改造，2020年底前达到相应排放标准或再生利用要求。污水处理厂是削减城市水污染、保护水环境的重要基础设施。常规的污水处理厂一般建设在地面以上，随着城镇化的高速发展，城市边界不断扩大，早期建设的地上污水处理厂已逐渐被城区包围，噪声、臭气等二次污染的邻避效应逐渐凸显，对城市生态文明建设产生了负面影响。同时，若采取原厂拆除，在城市边缘新建地上式污水处理厂，又将存在征地费用高、新增管网及未来面临再次拆除、择地新建的问题。因此，传统地上式污水处理厂已难以满足城镇发展建设的需求。

地下式污水处理厂，又称下沉式污水处理厂或地埋式污水处理厂，是指污水处理构(建)筑物合建在一个或若干箱体内，箱体上部加设构(建)筑物，将操作层封闭在室内的污水处理厂，可分为全地下式污水处理厂和半地下式污水处理厂[1]。地下式污水处理厂在国外已有80年以上的发展历史，最早兴起于芬兰、荷兰、日本等国。我国地下式污水处理厂的建设起步较晚，集中发展则在2010年以后，北京、上海、广州、深圳、浙江等全国各地均在建造一批地下式污水处理厂，以此节约建设用地，将污水处理厂变成环境友好型设施，达到“邻避”变“邻利”的目的。地下式污水处理厂最大的特点是节省地上空间，目前,我国地下式污水处理厂的地上空间应用多以绿化为主，未来可通过构建污水处理与生态和谐共存的城市生态综合体，其涵盖体育健身、休闲娱乐、科普教育等多种公共服务功能，以提升地下式污水处理厂及其周边土地的综合利用价值。地下式污水处理厂上部兴建的市政花园等利民的公共设施，不仅不会对自然景观造成影响，而且可美化市容，又增加城市绿化面积，利于周边地段的升值，可为提高城市居民生活质量作出贡献。我国地下式污水处理厂的建设和运营尚处理发展初期，很多设计施工经验以及管理经验仍有待完善，因此，我国在技术标准和规程制定上应加快步伐，进一步规范和指导新建、扩建的地下式污水处理厂。鉴于当前我国地下式污水处理厂处于蓬勃发展的阶段，切实有必要分析和总结地下式污水处理厂在设计和建设过程中的关键技术特征，为地下式污水处理厂的发展提供技术参考。

1 地下式污水处理厂的现状特征

1.1 运行现状

据文献调研，汇总了我国10余座代表性地下式污水处理厂的基本情况(表1)。我国地下式污水处理厂的运行时间基本上始于2010年，区域分布上以一线城市和省会城市为主，最大的设计运行规模为60×104m3/d(分别为天津东郊污水处理厂和北京槐房污水处理厂)；污水处理主体工艺大多采用AAO或AAO+MBR，深度处理工艺一般采用高效沉淀池+不同形式的滤池，以进一步去除悬浮物(SS)和总氮(TN)，在当前我国污水处理厂普遍执行严格的排放标准下，地下式污水处理厂与传统地上污水处理厂的污水处理工艺基本处于同步水平。我国地下式污水处理出水水质基本执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准，实际运行情况表明，大多数地下式污水处理厂出水的COD、总磷(TP)、氨氮等指标均可达到地表水环境质量标准(GB 3838—2002)中准IV类标准，尾水多用于补给河道。

表1 我国部分代表性地下式污水处理厂汇总Tab.1 Summary of Typical UWWTPs at Home

1.2 标准和规范现状

国外地下大型排水及污水处理系统最早出现于气候寒冷的北欧地区，目前主要分布在欧洲和亚洲，如荷兰、挪威、瑞典、法国、日本、韩国、马来西亚等国。虽国外地下式污水处理厂建设起步较早，但环境容量大，出水水质要求不及国内严格，因此，国内的标准和规范无法完全借鉴其设计建设、运行维护方面的工程经验。在发展初期，我国地下式污水处理厂的设计建设主要依据传统地上城镇污水处理厂标准规范体系，并结合传统城镇地上污水处理厂和地下空间构筑物的建设特点。工程建设过程中虽可在处理工艺方面参考地上污水处理厂的建设模式和经验，但地下式污水处理厂要求占地更省、处理效率更高、改扩建冗余度更高、节能要求更严、安全性更高。此外，采用地下空间开挖建设的形式，因此，地下式污水处理厂在建筑结构设计方面的要求更严格，地下封闭的作业环境也对通风、除臭、照明、防淹、防潮、防腐消防、安全操作、应急措施等方面提出高于(或异于)传统地上污水处理厂的要求，现行参考的相关标准和规范无法满足。

目前，我国可供地下式污水处理厂工程建设参考或执行的专业标准和规程处于起步阶段。随着地下式污水处理厂规模的快速扩大，在设计建设、运行维护等过程中标准化、规范化的需求也愈发迫切。《城镇污水处理厂节地技术导则》(T/CECS 511—2018)从节地的角度对地下式污水处理厂的主要工艺、配套设计进行了简述，但在重要设计参数方面仍缺乏结合工程实践验证的推荐值。在上述背景下，中国环境保护产业协会于2019年底发布了《地下式城镇污水处理厂工程技术指南》(T/CAEPI 23—2019)，浙江省住建厅于2020年发布《地埋式城镇污水处理厂建设技术导则(试行)》，中国工程建设标准化协会于2020年发布《城镇地下式污水处理厂技术规程》(T/CECS 729—2020)，以上标准和规程从污染防治角度下规定地下式污水处理厂的总体技术要求，同时，也明确了在工艺、建筑、结构、通风、除臭、电气、仪表等行业下全专业、全系统的针对性规定。未来需要逐渐扩充和完善的地下式污水处理技术标准体系，将确保我国地下污水处理厂设计更经济、安全、可靠，在运行控制上更高效节能。

2 地下式污水处理厂的关键技术特征

我国已建成并运行的地下式污水处理厂已逐渐形成规模，通过研究规模型污水处理厂案例中各专业设计特点，总结了具有地下式污水处理厂特色的几项重要技术，分别针对地下箱体基坑开挖、除臭系统、通风系统、采光照明系统、消防安全系统的关键技术进行探讨。

2.1 结构关键技术

地下式污水处理厂将水处理构筑物设置于地面以下，操作检修层设置于水处理构筑物之上，形成两层的地下空间形式。这些水处理构筑物及操作层层高一般比较大，因此，地下式污水处理厂建设往往对应着大规模深基坑的设计与施工问题：(1)基坑面积巨大，水平支撑体系复杂，造价高昂；(2)深度大，层数少，缺乏换撑条件；(3)大面积基坑水平支撑施工周期长，水平支撑造成基坑开挖及地下构筑物施工不便，对工期紧张的工程项目难以适用。采用无支撑支护形式则可以避免这些问题。

传统无支撑支护形式，如重力挡墙、排桩或型钢水泥土搅拌墙等悬臂支护形式，无法满足软土地区深基坑的稳定、变形及内力控制要求，因此，需采用新型无支撑支护形式。2012年开始实施的《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)已将双排桩设计计算方法列入，各地基坑设计规范中也有不少已经增加了双排桩设计计算的内容。一般双排桩支护结构形式如图1所示，其主要组成部分包括前排桩、后排桩、前后排桩顶部的冠梁、连接前后排桩的连梁、桩间土体及基坑被动区土体的加固等。

图1 双排桩典型结构形式Fig.1 Structure of Double-Row Piles

近年来，双排桩支护形式在深基坑工程中的应用越来越多。例如，辽宁省盘锦市某工程基坑开挖深度达9.75 m，桩锚支护形式对邻近建筑桩基有影响，且施工复杂、工期较长，因此，选用双排桩支护形式，取得较好效果[16]。福建沿海软土地区某工程基坑开挖深度约为9 m，基坑平面尺寸约为100 m×120 m。该工程对比单排桩加内支撑和双排桩加内支撑2种方案，采用双排桩可大幅减小桩身弯矩，使该方案可采用预制管桩作为支护桩，大大节省支护工程的造价[17]。无支撑双排桩支护技术已在白龙港地下式污水厂基坑中得到应用，既缩短工期，又效果良好[18]。

2.2 除臭关键技术

地下式污水处理厂运行过程中产生的恶臭气体主要成分为H2S和NH3。地下式污水处理厂的地下空间为相对密闭的环境，污水和污泥处理过程中产生的臭气易于富集，因此，通风除臭系统是保证地下污水处理厂安全运行和人员安全的关键。多项研究表明，污水预处理和污泥处理是地下式污水处理厂产生的各类恶臭物质浓度相对较高的单元，尤其污泥脱水机房有大量恶臭气体富集，其次是生化处理单元[19-20]。目前，我国地下式污水处理厂恶臭气体污染的治理流程包括收集、处理和排放(图2)。

图2 地下式污水处理厂恶臭气体污染的常规 收集及治理模式Fig.2 Conventional Treatment Process of Malodorous Gas Pollution in UWWTPs

地下式污水处理厂的臭气收集既要注重除臭加罩的密封性，又要兼顾运行管理的便利性。对于巡视强度较低或一般的区域宜采用混凝土现浇板加罩，而巡视强度高的区域宜采用滑动高强度玻璃钢盖板加罩。格栅、螺旋输送机、栅渣外运区域建议采用透明材质加罩。在生物反应池好氧区中，由于要观察池内曝气情况，加罩建议设置采光观察窗。地下式污水处理厂的腐蚀性较地上式更强，臭气收集管路材质的选择取决于污染物的浓度和湿度较大的区域(如进水泵站粗格栅间、细格栅间及污泥处理车间)，因此，可选用玻璃钢管道来收集臭气，污染物浓度较小的区域(如初沉池、生化池等)则可选用铝制风管收集臭气[21]。臭气收集系统在不影响操作和维护的前提下，尽可能减小除臭空间。收集系统内应保持适度负压，并根据构筑物内臭气浓度选择分区和换气率。水平管道建议设置0.5%的坡度，采用V字形敷设，并在低点设置冷凝水排放阀及管道。为方便观测池内抽风情况，可在除臭立管上安装可读数流量指示计。

臭气处理技术一般可分为生物法、物理法和化学法。由于场地控制，地下式污水处理厂的除臭技术选用原则上应考虑占地少、运行相对简单、效果显著及经济性高的方法[22]。我国大型地下式污水处理厂采用的除臭技术以生物除臭为主。其中，广州京溪地下式污水处理厂采用生物除臭和离子除臭两种除臭技术[14]；深圳福田地下厂采用生物除臭技术[8，23]；上海泰和地下式污水处理厂针对污水预处理、生化池和污泥脱水机房等产生高浓度的臭气区域，采用“生物滴滤+改良式生物过滤+活性炭吸附”组合工艺进行臭气控制[3]。针对调蓄池和透气井产生臭气浓度相对较低的区域，仅选用活性炭吸附除臭设备，调蓄池水泵区域仅采用离子法除臭设备[24]。因此，除臭工艺应根据不同地下构筑物所产生臭气的组分、浓度情况，采用生物法、物化法、吸附法、全过程等组合除臭工艺。

2.3 通风关键技术

由于污水处理厂的功能特殊性，国家制定了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)及《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—1993)等相关标准，通风及被污染的空气处理成为工程上必须要妥善解决的问题，污水处理厂中各构筑物应采用适当的通风换气系统以保证室内空气质量，既保证工艺过程中有充足的空气供应，废气排放又要满足国家标准要求，不污染大气。地下式污水处理厂的各构筑物空间相对封闭，在设计中应设置机械通风换气系统来弥补自然通风的不足。目前，我国地下式污水处理厂通风技术包括风管式机械通风、联合通风和无风管式机械通风。

(1)风管式机械通风

传统风管式机械通风设计严格按照《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)执行，划定防火分区和排烟分区。设置通风及排烟机房，进、排风系统均需敷设风管；通风管道数量多且截面积很大，占据空间多，和其他工艺管线及电缆桥架交叉多，施工敷设困。工程案例有国内最早设计运行的一批地下式污水处理厂，如昆明十一厂、郑州南三环厂[12]等。

(2)风管式机械通风+自然通风(联合通风)

风管式机械通风+自然通风在现有工程中应用最为广泛。防火分区的划分相对更合理，便于实施。由于大量工程的实施运用，在《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)(2018年版)中特别对地下厂做了补充。通风形式结合工艺特点及运行状况，进行区域细分与相对集中相结合的方式布置，将有毒、有害、有余热的区域系统和普通的区域系统分开设置。工程案例有嘉定南翔厂、昆明第十四厂、苏州新区迁建、萧山钱江四期、南昌青山湖、湖南岳阳马壕[5]等地下式污水处理厂。

(3)无风管式机械通风

无风管式机械通风是一种创新的地下厂通风方式，指利用送、排风风机在大空间内形成类似活塞流动来实现污染物排除的机械通风技术。其有效地解决了风管占用大量空间、风管与结构梁交叉的问题，降低净高和埋深，减少内部空间占用面积，节省工程投资，降低通风换气用运行及维护成本。无风管式机械通风可应用于地下箱体大空间区域，但不适合此系统的箱体内区域需设置传统风管式机械通风。全部风机和风井设置消音措施，风机吊装在箱体风井内。大型或超大型无风管通风系统还要在内部设置射流诱导风机，诱导气流走向，以避免出现死角。另外，需借助计算机专用软件做CFD模拟，以保证设计效果。

2.4 照明系统关键技术

地下式污水处理厂内部空间内自然光较少或没有，且早期的地下式污水处理厂在设计思路往往采用能耗较大的人工照明方式，而忽略引入自然光及自然光可带来的舒适的感官效果。因此，为节约能耗，降低运行成本和提高环境效益，需通过特定的设计将自然光引入地下式污水处理厂。地下式污水处理厂引入自然光的形式分直接式和间接式，直接式采光是指在地下空间顶棚处设置独立的采光井，但存在施工较繁琐、采光面积较小、照明效率低的问题。侯锋[19]对国外相关项目大量调研，优化设计方式，采用面积较大的天窗长廊与地面直接连通进行采光，不仅提高照明效率，还可改善外部景观。间接式采光是光导纤维利用光的全反射原理，光线基本无损耗。光导纤维和镜面可使自然光具有灵活弯曲的特点，应用在地下式污水处理厂具有更高的空间利用率和采光效率[25]。

2.5 消防系统关键技术

地下式污水处理厂因空间相对封闭，火灾风险性较大，其消防系统的设计相比于传统的地上式污水处理厂具有独特的技术特征。目前，尚无针对地下式污水处理厂的防火规范依据，因此，地下式污水处理厂的消防设计主要参照《建筑设计防火规范》(GB 50014—2014)中对于厂房的消防要求。规范中对地下厂房防火分区的最大允许建筑面积为1 000 m2，在厂房内设置自动灭火系统情况下，防火分区的建筑面积可增加一倍，同时，应保证每个防火分区至少有两个安全出口，且至少有一个安全出口可以直通室外。按照以上要求，地下式污水处理厂的操作层和管廊间会被防火墙分隔成多个部分，因而，需设置过多的疏散口，这会造成管理不便、设备繁琐和影响地上空间的利用等问题。目前，国内已建的几个大型地下式污水处理厂所采用的设计方案均为设置自动喷水灭火系统，单个防火分区的面积评估后按照2 000、3 000、 4 000 m2考量[26]。上海泰和污水处理厂的消防系统采用了“室内消火栓系统+自动喷淋系统+防火分隔水幕”的组合方式，地下空间内采用阻燃电缆和难燃玻璃钢的风管，以保证消防安全[24]。

高压细水雾消防技术采用特殊的喷头在特定的压力工作下(一般为10 MPa及以上)将水流分解成细小雾粒进行灭火，因其具有灭火效率高、维护费用低、扩展性强等特点，所以，其适宜在地下式污水处理厂中应用。该技术能有效降低消防用水量，以此减少传统消防水池和泵房对地下有限箱体空间的占用。微米级(一般为100 μm及以下)的高速雾滴能够冲击乳化、吸热膨胀和稀释洗涤烟雾，有效提高火场能见度。同时，微米级雾滴绝缘性良好，对于地下式污水处理厂设施层电气设备的火灾防护具有良好效果，能防止因火场漏电可能造成的人身危害[27]。目前，高压细水雾消防技术在地下综合管廊消防系统中应用较多，重庆市云阳县迎宾大道某地下综合管廊采用了该项技术，不仅能环保节水，而且具有快速隔离火源的功能[28]。南宁市五象新区某地下综合管廊中也采用了高压细水雾灭火系统，证实其对高压电力管廊消防防护具有较好的效果和经济优势[29]。

3 结语

我国已建成的地下式污水处理厂工艺运行基本稳定，均在不同程度上实现了土地节约、二次污染少和环境友好的目标。我国大城市具有人口规模大、土地资源紧张的特点，地下式污水处理厂的建设符合现代化城市地下空间的开发和利用趋势，也符合资源节约、人与自然和谐发展的科学发展观的要求。当前，我国地下式污水处理厂的开发正处于快速发展阶段，主体工艺多采用成熟的AAO和MBR技术，深度处理工艺一般采用高密度沉淀池和反硝化滤池，出水水质执行一级A排放标准或地表水准IV类标准。

我国地下式污水处理厂设计和施工的专业标准规范日趋完善，同时，在实践过程中发展和优化有别于传统地上污水处理厂的关键特色技术：(1)缩短地下式污水处理厂大规模深基坑的施工工期的无支撑支护技术；(2)有效降低地下式处理污水厂臭气浓度且运行管理便利的臭气收集技术和生物法、物理化学吸附及其组合除臭技术；(3)减小地下式处理污水厂净高和埋深，减少内部空间占用面积，节省工程投资和运维成本的无风管式机械通风技术；(4)为地下式污水处理厂节约能源，提高采光效率的光导纤维和镜面间接照明技术；(5)有效提高地下式污水处理厂防火安全，降低消防用水量的自动喷水灭火系统和高压细水雾消防技术。本文围绕相关技术进行了归纳和总结，以期为未来地下式污水处理厂设计、建设、运行提供借鉴和技术支撑。