全地埋式污水处理厂设计难点浅析

张琪， 朱扬帆， 谷昊伟

（中节能国祯环保科技股份有限公司， 合肥 230088）

近年来， 随着中国经济的持续发展， 生活、 工业用水量都在大幅增加， 为保护水资源、 治理水污染， 大量的给排水设施如雨后春笋般发展起来。 针对城市用地越来越紧张的现状， 全地埋式污水处理厂具有环境污染小、 噪音污染小、 节约土地资源、地面可做绿化等优点， 自广州京溪污水处理厂以来， 在全国陆续推广开来。 本文以安徽省某全地埋式污水处理厂为例， 从工艺总图布置、 工艺流程设计、 结构计算、 变形缝设置、 抗浮设计等方面进行了难点分析， 可为其他类似工程的建设提供借鉴。

1 工程概况

本工程位于安徽省， 占地约90 亩（6 万m2， 含代征市政道路和绿地）， 服务范围66 km2。 设计规模为20 万m3／d， 其出水水质中TP、 TN、 氨氮、 COD 4 项主要指标的质量浓度分别不高于0.3、 5、 1.5、30 mg／L， 其余指标要求稳定达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准， 设计进出水水质如表1 所示。 尾水排放至南淝河。 地上布置为景观绿地， 地下分2 层， 地下一层为操作层， 层高5.7 m， 地下二层为水处理层， 层高10 m，地下箱体占地面积为37 807 m2。 地面设计为景观公园。 该工程平面尺寸为237.7 m×170.0 m， 平均埋深约为17 m， 抗震设防烈度为7 度， 设计基本地震加速度值为0.10 g（第一组）。 场地为中软场地土， 建筑场地类别为Ⅱ类， 基础持力层为中风化岩。

表1 设计进出水水质Tab. 1 Design influent and effluent water quality

2 工艺设计难点分析

（1） 出水水质要求高。 全地埋式污水处理厂采用“A2／O＋深度处理”［1］的核心路线， 出水水质需稳定达到GB 18918—2002 中一级A 标准， 其中出水TP、 TN、 氨氮、 COD、 出水水质应达到地表水Ⅳ类水质标准。

（2） 进水水质波动较大。 从该厂址周边某污水处理厂2008 ～2014 年实测进水水质看， 该厂进水水质的波动较大。 本次设计中应充分考虑进水的波动性， 增强全地埋污水处理厂的抗冲击负荷能力，确保出水稳定达标。

（3） 采用全地埋式设计， 结构等专业要求标准高。 除综合管理用房外， 所有污水、 污泥处理构（建）筑物及附属生产建筑物均位于地下箱体内， 箱体顶部为景观绿化、 必要的人员疏散出口及气体排放设施。 占地面积紧凑， 构筑物布置、 管线设计、结构设计等非常复杂［2］。 具体三维示意见图1。

图1 某全地埋式污水处理厂三维示意Fig. 1 Three-dimensional view of a whole buried sewage treatment plant

厂址处的路面标高由西至东为18.00 ～20.00 m（吴淞高程）， 要求净水厂顶层（结构层）标高不高于20.00 m（吴淞高程）。 为便于设备、 材料运输， 操作层层高不小于5.7 m。 全地埋污水处理厂至少应有4 个对外出入口， 能满足载重量20 t 汽车通行要求。 厂内至少有2 个车行通道， 通道净宽不小于6.00 m， 荷载满足载重量20 t 汽车满载要求； 厂内人行通道除满足满载消防疏散要求外， 还应便于污水处理厂运行管理； 厂内应设有各设备的起吊、 运输设备， 并留有设备检修与维护的空间和通道。

（4） 环境保护要求高。 由于工程规模较大， 构筑物表面积也大， 设备装机功率高， 且均位于密闭的地下空间内， 故处理过程中的污染物（如臭气、噪声等）对内部空间的影响极大， 因此对环境保护的要求也相应更高。

（5） 消防、 安全要求高。 由于本工程为全地埋式， 消防系统、 人员安全疏散及安全生产要求高。

3 总体工艺路线

根据设计进出水水质， 确定本工程采用“污水强化二级处理＋深度处理”的总体工艺路线。 通过对各种类型的A2／O 工艺的比较、 分析， 结合本工程特点， 本方案选用以改良A2／O 工艺为主的活性污泥法工艺方案， 污水深度处理工艺方案确定为反硝化深床滤池工艺， 工艺流程如图2 所示。 脱水采用离心脱水机， 脱水后泥饼含水率小于80%，除臭采用生物除臭法集中进行除臭处理。

图2 污水处理厂工艺流程Fig. 2 Process flow of sewage treatment plant

对改良A2／O 工艺的运行模式、 功能区布置进一步改进、 优化， 以满足本工程的需要。 主要优化措施包括：

（1） 曝气池采用完全混合式布置， 提高系统抗冲击负荷能力。 在改良A2／O 工艺基础上， 通过将好氧区分为串联的2 个或3 个独立区域， 每个区域通过推流器实现污水的完全混合， 从而强化了每个区域中的系统环境和生物相， 提高处理效率， 也易于控制各分区的曝气量， 从而克服了完全推流的不足， 达到提高污水处理效果和节约能耗的目的。

（2） 曝气池水深8.5 m， 减小曝气池占地面积，提高氧转移率， 降低能耗［1］。

（3） 分两段布置缺氧区， 强化TN 去除， 降低混合液回流比。 第2 段缺氧区除布置搅拌器外， 还布置了曝气系统， 可按缺氧池运用， 也可按好氧池运行。 通过运行模式调整， 可提高系统对进水水质波动的应变能力， 同时， 可大大降低内回流比， 降低运行成本。

（4） 曝气鼓风机采用精确曝气控制系统， 在保证处理效果的前提下， 节省能耗。

4 结构设计难点分析及优化

大型全地埋式污水处理厂采用集约化组合式的结构设计形式， 主要构筑物组合设计为地下箱体结构， 埋深较大。 本工程地下箱体埋深达到16.80 m，计算模型的选择对箱体截面尺寸及配筋影响较大。地下箱体长度超过200 m， 属于超长混凝土结构，且箱体采用共壁技术以减少构筑物的占地面积， 如何合理选择并设置变形缝对结构整体性以及后期使用维护的影响较大。 箱体埋深大， 抗浮方案及抗浮设计水位的的选择对工程造价的影响大。 针对上述设计难点进行以下几个方面的浅析：

4.1 大型地埋式污水处理厂计算模型的选择

选择合理的简化计算模型， 合理确定结构断面， 使其配筋率在经济配筋率范围内， 重点为计算模型的选择：

（1） 方法一： 传统的水池结构简化计算。 根据水池结构设计规程［3］和设计手册［4］， 通常将水池池壁根据受力情况简化为板进行计算。 箱体长高比远大于2 时， 简化为单向受力模式， 取1 m 宽板带计算。 水池池壁主要受到池外水土合力以及池内水压力的作用， 计算简图如图3 所示。

图3 主池壁计算简图Fig. 3 The main wall calculation

根据规范规定， 竖向单向板的竖向弯矩可以按照连续梁模型计算， 水平向弯矩仍按板块模型计算。 在竖向， 双层式污水处理厂池壁可以视为两端固支， 中间支座简支的连续梁， 通过理正工具箱计算得到竖向弯矩如图4 所示。

图4 准永久组合竖向弯矩Fig. 4 Quasi-permanent combined vertical bending moment

（2） 方法二： 基于有限元的计算。 选取以引发缝分割的各部分水池分别建立模型［5］， 对布局进行简化， 如图5 所示。 池壁及顶板、 底板采用厚板单元（考虑剪切变形）， 梁柱采用梁单元。 外侧水土压力分别按流体压力荷载加载到池壁上。 用面弹性支承模拟地基土对水池底板的竖向支承作用， 引发缝位置采用约束相应水平方向的自由度， 底板四角4个节点约束X、 Y 2 个方向的自由度来模拟池体在整体结构中的实际情况。 外侧主池壁， 负一层原设计厚度为600 mm， 负二层原设计厚度为1 000 mm， 针对负二层建模分别按1 000、 900、 800 mm进行模拟。 有限元计算模型如图5 所示。

图5 有限元计算模型Fig. 5 Finite element calculation model

2 种算法计算结果对比分析如表2 所示。 采用有限元算法模拟得出的弯矩在池壁底部与底板交接处较规范算法较小， 但层高一半左右位置的弯矩则更大。 采用有限元算法更为接近真实受力情况， 在截面尺寸不变的情况下， 钢筋用量比原设计节省了约7.8%。

表2 优化设计水池池壁受力对比Tab. 2 Optimized design of pool wall stress constrast

4.2 超长混凝土水池的变形缝设置

混凝土结构设计规范及给水排水工程构筑物结构设计规范对伸缩缝间距均有明确要求： 地下式或有保温现浇式钢筋混凝土结构， 伸缩缝间距不宜大于30 m［6］。 地下箱体长度超过200 m， 属于超长混凝土结构， 规范要求宜设置适应温度变化的伸缩缝， 考虑到设置大量伸缩缝会导致结构整体性较差、 容易产生渗漏， 本工程混凝土采用补偿收缩混凝土， 同时设置膨胀加强带＋引发缝的构造将池体分割为单个长度约70 m 的单元［7］。 在不影响工艺流程的前提下， 将变形缝设置为不完全收缩缝（引发缝）的形式， 既保证结构的整体性， 又有效地传递地下室外侧土压力产生的水平轴向力， 使地下室外墙两端对称受力， 改善了框架的受力状态。 污水处理厂与周边车道采用沉降缝。 在变形缝中设置CB400×10－30 橡胶止水带， 收缩缝两侧（或单侧）设置30 mm×30 mm 槽口并用密封膏材料嵌缝。

4.3 抗浮方案及抗浮设计水位的选择

地下箱体持力层为基岩， 经方案比选， 采用锚杆抗浮更为经济合理。 地勘报告显示， 现状水位埋深为地表下0.9 ～5.6 m， 标高11.70 ～15.59 m， 地下水位年变化幅度为3.00 m。 当地的地下建（构）筑物抗浮设防管理规定， 建议抗浮设防水位为建（构）筑物设计室外地坪下1.0 m， 但拟建场地地势南高北低， 南侧道路路面标高18.80 ～20.00 m， 北侧路面标高14.50 ～15.50 m。 根据以上资料， 本工程抗浮设计水位如按百年一遇洪水位取16.20 m 进行抗浮稳定性设计， 则需要锚杆总长约65 300 m。

根据国内工程惯例， 抗浮措施除工程措施以外（工程措施包括配重、 抗浮锚杆、 抗拔桩等）， 还可采用管理抗浮， 如沿构筑物周边设置地下水位观测井， 观测池外地下水位标高， 当地下水位标高或河洪水位标高超过管理抗浮设计水位时， 不得放空检修。 若采用管理抗浮， 即降低抗浮设计标准， 可以减少一定工程量， 但存在管理风险， 管理难度较大。考虑项目建设单位有较为专业的运营管理团队， 在项目建成后对运行水位和工程检修的管控有充足的把握， 决定采用管理抗浮措施， 将抗浮设计水位从16.20 m 调整至14.60 m， 设置水位观测井， 优化后抗浮锚杆总长约43 700 m， 总长度节约33%。

5 结语

大型全地埋式污水处理厂的水处理层与操作层均位于地下， 且布置高度集约化， 运行管理均集中在相对密闭的地埋式车间内， 对污水处理厂的设计、 建设、 运营管理等各方面的要求均高于传统的地上污水处理厂。 尤其针对大型地埋式箱体的结构设计， 对结构布置、 箱体的结构计算分析模型、 变形缝的设置、 抗浮设计水位的选择， 均提出了更高的要求； 在结构安全合理的前提下， 通过优化设计能够有效降低工程成本。 工程建成后， 出水水质长期稳定优于设计标准， 可直接用于绿化灌溉、 洗车、 浇地， 还可补充近河水量。 同时， 结合地上景观设计， 建成以水文化为主题的市民休闲广场， 满足体育健身、 科普教育、 城市绿地3 大功能要求。立体开发节地率达70%。 体现了人与自然和谐共处， 值得推广借鉴。