地下式污水处理厂AAO+MBR工艺的应用

2022-08-10夏云峰闵红平卢仲兴

净水技术 2022年8期

夏云峰，周艳，王涛，闵红平，卢仲兴，焦鹤，陈骞

(中建三局绿色产业投资有限公司，湖北武汉 430058)

为应对稀缺的城市土地资源和满足高质量的环境需求，污水处理厂的建设需寻求向下发展，以最大程度化解邻避效应。近年来，我国在北上广深等一线城市及昆明滇池、贵阳南明河等城市重点流域的城市人口密集区建设地下式污水处理厂，以解决土地资源紧缺、城市环境要求高的矛盾[1]。据《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》，鼓励再生水利用，地级及以上缺水城市再生水利用率要求达到25%以上，而其中主要利用水源为污水处理厂的尾水，分散式地下污水处理厂的建设更利于污水的就地处理及回用。以贵阳南明河流域治理为例，该流域采用区域污水收集处理与河流治理统筹的方式、污水处理厂分散布局和地下式污水处理厂相结合的建设模式，实现污水处理厂建设土地的集约化及污水的资源化[2]。

地下式污水处理厂以其结构紧凑、占地小、二次污染少、地面用途多元化的优势正逐年增加建设规模，其运行稳定，受外部环境影响小，可保持甚至提升周边土地溢价。然而，也应清醒认识到投资成本高、事故风险率大、运维人员健康影响深是其推广的最大阻力。地下式污水处理厂的竖向布置形式主要分3大类：全地下式、半地下式及隧道式[3]。除隧道式水厂主体结构设置在隧道、岩洞或山洞中外，其余可分为全地下单层加盖式、全地下双层加盖式和半地下双层加盖式[4-5]。

近十年以来，国内地下式污水处理厂发展迅速，根据国内地下式污水处理厂的调研[6]，50%以上的地下式污水处理厂采用AAO及其改良工艺作为污水处理主工艺；超过25%的地下式污水处理厂采用MBR作为主工艺。在诸多生物处理主体工艺中，主要聚焦两大类。一类为短流程，其主流处理方式为AAO及其改良+MBR工艺，以全地下式广州京溪污水处理厂[7]为代表，该厂融合了先进的MBR工艺、优化的土建结构设计、可靠的仪表自控技术及安全有效的通风系统，以组团式结构布置的形式为后续同类地下式污水处理厂MBR膜工艺的应用提供了充分的依据和借鉴。另一类为长流程，其主流处理工艺为AAO及其改良+高效沉淀+滤池(深床滤池、转盘滤池等)，在合肥滨湖北涝圩再生水厂[8]和钱江地下式污水处理厂[9]等均有所应用。相较于长流程工艺，采用中空纤维膜的MBR工艺其出水水质更优，占地更小，利于满足准Ⅳ类及准Ⅲ类出水指标(部分指标满足Ⅳ类或Ⅲ类标准)及景观环境用水的用途，但初投资及运营成本相对较高。

现就日益广泛应用的AAO及其改良工艺+MBR的案例进行总结，主要从进出水水质及出水用途、主要设计参数、污泥和臭气处理工艺、消防分区等方面进行分析，以期对后续地下式污水处理厂的建设提供参考和借鉴。

1 案例分析

鉴于不同规模的污水处理厂对占地、投资、除臭通风及消防设计等要求不同，故筛选处理规模为10万～15万m3/d的地下式污水处理厂作为分析对象，针对设计所关注的关键内容进行梳理。

1.1 进、出水水质及再生利用

本研究所选取的7座地下式污水处理厂：烟台市套子湾污水处理厂二期(15万m3/d)[10-11]、河北正定新区污水处理厂(10万m3/d)[12]、珠海前山水质净化厂(10万m3/d)[13]、昆明第九(10万m3/d)和第十污水处理厂(15万m3/d)[14-16]、深圳坂雪岗水质净化厂二期(12万m3/d)[17]、广州京溪污水处理厂(10万m3/d)。其设计进、出水水质如图1和图2所示。

图1 7座地下式污水处理厂设计进水水质Fig.1 Design Influent Quality for Seven UWWTPs

图2 7座地下式污水处理厂设计出水水质Fig.2 Design Effluent Quality for Seven UWWTPs

除深圳坂雪岗水质净化厂出水执行准Ⅳ类标准(除TN外，其他指标执行Ⅳ类标准,TN≤10 mg/L)外，其余地下式污水处理厂出水均按《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准设计，且广东省2座污水处理厂还需符合地标《水污染物排放限值》(DB 44/26—2001)第二时段的一级标准要求，主要是CODCr限值降至40 mg/L。

尽管目前污水处理厂出水指标多按一级A排放标准设计，但随着环保要求的提高，各地污水排放标准也日趋严格。目前除北京、天津等发达区域及太湖、滇池等重要流域外，广东、山东等省及市也出台了相对严格的地方标准，管控严格的受纳水体如岷江和沱江、梁滩河和大清河流域等污染物排放限值已近地表Ⅲ类和Ⅳ类水质标准。再生水利用率作为“十四五”城镇排水规划的重大指标，能否完成目标首要保障为再生水水质。MBR膜技术是一种活性污泥法与膜分离相结合的水处理技术，对于SS及浑浊度的去除具有先天优势，相较常规深度处理，该工艺能显著缩短流程，对地下式污水处理厂而言尤能减少占地，同时增强抗冲击负荷能力，减少剩余污泥排放。因此，MBR膜技术在地下式污水处理厂中拥有较大市场占有率。

1.2 污水处理主要工艺参数

本次研究所选取的7座污水处理厂中2座来自北方城市，5座来自南方城市，污水处理厂运行效果均达到设计预期，满足设计出水水质要求。鉴于北方城市进水浓度相对较高，针对南方深圳、珠海及昆明的5座地下式污水处理厂相关设计参数进行对比，如表1所示。

表1 南方城市5座地下式污水处理厂主要设计参数Tab.1 Main Design Parameters of Five UWWTPs in Southern Cities

结合进、出水水质，通过相似规模的地下式污水设计参数可知，广州京溪污水处理厂因进水中有机物浓度偏低，生化段总停留时间较小，不足8 h；昆明第九、第十污水处理厂由于进水TN质量浓度相对较高，达45 mg/L，设计在AAO的好氧段后接缺氧段以强化TN脱除，因此，总停留时间有所增加；坂雪岗水质净化厂二期因出水执行准Ⅳ类标准(TN≤10 mg/L)，有机物和TN去除要求更高，除预处理段采用10 min预沉砂及50 min速沉外，总停留时间也相对较长，主要增加在AAO中缺氧段和好氧段。

在MBR池中，5座污水处理厂的膜滤径基本相当，大部分为0.2 μm，出水达到再生水水质要求，通常再生利用场景可直接回用，平均膜通量在18 L/(m2·h)左右。为保证生物池内高浓度污泥，在MBR池污泥回流量上均比较高，达到300%～500%，充分利用膜池的高浓缩污泥进行回流补充生物池泥量。在泥龄方面，总泥龄平均在20 d，适合世代周期长的硝化菌生长，利于生物脱氮。

根据这5座地下式污水处理厂的设计运行情况，针对南方城市以市政污水为主的城镇污水水质，当进水CODCr≤400 mg/L、TN≤45 mg/L时，相较于传统AAO+深度处理工艺，采用AAO+MBR工艺时污泥负荷为0.07 kg BOD5/(kg MLSS·d)，低于传统AAO工艺30%以上污泥负荷，一定程度增加抗冲击负荷能力；且生物池平均污泥质量浓度为8 g/L，高于传统的污泥质量浓度(2.5～4.0 g/L)两倍以上，可提高生物量降低生物池体积，同时MBR工艺的低排泥量在地下式污水处理厂降低了药耗和人工运输成本。虽然MBR在工艺上具有较大优势，但也应客观认识到在地下式污水处理厂生物池一般作为基坑最深处，MBR的膜组件起吊高度是影响地下式污水处理厂埋深的关键控制因素。

1.3 污泥处理及除臭通风

作为有效节省地下空间占地的方式，浓缩和脱水在一体机是地下式污水处理厂污泥处理的必然趋势，MBR工艺产泥量少，10万m3/d规模的污水处理厂日产泥量尚不足以就地经济性消纳，且受限于邻近环境，多采用脱水至含水率为80%后外运填埋处置方式。除深圳坂雪岗水质净化厂二期采用浓缩调理+板框压滤的脱水方式外，其余6座污水处理厂均采用机械浓缩脱水一体机，因此，污泥的处理工艺更多考虑节地需求，若对污泥含水率有更高要求则需采取成熟稳定的调理方式结合板框压滤进行脱水，以降低含水率。污泥的最终处置主要包括外运焚烧和卫生填埋，需结合当地污泥处置的场地及周边可用的资源。

地下式污水处理厂因整个箱体设于地下，臭气处理及通排风要求相较地上式更严格。调研的7座污水处理厂在臭气处理上均采用生物(滤池)除臭方式，如表2所示。总体而言，地下式污水处理厂的臭气处理以低成本生物除臭为主，但鉴于对周边的环境影响，多辅以离子除臭或活性炭吸附等物化法以保障除臭效果。因此，单一的生物除臭作为地下式污水处理厂常用臭气处理方式，需配套物理化学除臭方式保障去除效果。

表2 地下式污水处理厂污泥和臭气处理及排风形式Tab.2 Sludge and Odor Treatment and Venting Form of UWWTPs

在排风形式上，全地下式污水处理厂位于地面下，缺乏自然排风条件，而半地下式污水处理厂则可部分利用自然通风以降低能耗。深圳坂雪岗水质净化厂二期为半地下式，除充分利用四周开敞空间实现自然通风外，同时对各功能建筑布置侧墙风机机械通风。其余几座地下式污水处理厂均采用机械通风为主的通排风形式，地下式污水处理厂的通风效果直接影响运营人员的身心健康。相较于地上式，地下式污水处理厂的机械送排风也成为了继采光照明后地下式污水处理厂运营能耗增加的第二大因素，因此，设计时结合当地日照及夏季主导风向酌情考虑设置自然采光井及风环境模拟，形成一定程度自然通排风。

1.4 消防分区设计

根据《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)第5.3.1条，地下或半地下建筑设备用房防火分区的最大允许建筑面积不应大于1 000 m2；若防火分区面积超过1 000 m2，则须考虑增设自动灭火系统，此时防火分区面积上限为2 000 m2；若超过2 000 m2，则需经过消防主管部门的性能化设计审查。各水厂消防设计思路如表3所示。

表3 地下式污水处理厂消防设计要点Tab.3 Main Points of Fire Protection Design for UWWTPs

地下式污水处理厂与常规地下室设备房不同，其操作区内生物池、膜池等水工构筑物检修平台均为大面积检修盖板，设备和管道用不燃材料制造，其他可燃物很少，火灾危险性小。但现行消防分区暂无规律可循，一般采用室内消火栓系统+室内自喷系统的形式，以最大程度减少防火分区数量和疏散出口设置，变配电间采用气体灭火系统。该方式可在减少地上出入口的同时降低对地面景观设计的影响。

由于各地方消防政策的差异，地下式污水处理厂的消防设计过程中应多与当地消防主管部门沟通协商，明确地下箱体空间的消防设施的设置。相关部门于2019年末在《建筑设计防火规范》局部修订条文(征求意见稿)中针对地下式污水处理厂操作区生物池、二沉池等水工构筑物检修平台的防火分区面积做出弹性规定，根据工艺要求确定，但因修订稿尚未发布，目前的规划和设计仍以增设自喷系统居多。因此，结合自然采光和消防应急出口设计一定程度能提高消防安全保障性。

1.5 用地投资及地上空间

7座污水处理厂单位水量的用地及建设成本如表4所示。根据《城市污水处理工程项目建设标准》，包含深度处理的污水处理厂占地面积为0.80～0.95 m2/(m3·d-1)，而表4中地下式污水处理厂的用地指标为0.17～0.45 m2/(m3·d-1)，均小于建设标准。采用半地下式污水处理厂其吨水建设成本显著低于全地下式，由于地下污水处理厂大多采用一体化箱体结构设计，其优势为在功能上高度集约，将水平地面上的功能往竖向集聚；在用地面积上占地小，节省了大量土地资源。另一方面，国内南方城市地上式污水处理厂的吨水平均投资一般在3 000元/m3，从初期投资来看主流MBR工艺的地下污水处理厂投资约为常规地上污水处理厂的2倍。

表4 单位用地及建设成本Tab.4 Unit Land Use and Construction Costs

由于MBR工艺初期投资成本高，在地下式污水处理厂的地上空间利用希望可多元化、商业化，诸如景观水系、公园绿地、科普馆、公共停车场等。然而，目前规划或建设的地面空间设计的理念相对落后，模式较为单一[18]，多为绿地公园或水系，一定程度发挥了土地的社会价值但未寻找到商业开发的合适路径，无法补贴地下空间的采光和通风能耗。在贵阳南明河流域系统治理工程中配套的贵医污水处理厂、六广门污水处理厂等几座全地下式污水处理厂，其地上及地下空间的复合利用已逐步走向多功能化、商业化和协同化，但运营后效果仍待观察。此外，污水处理厂地上空间以景观公园或公共停车场的形式开发，依然要考虑污水处理厂的运维与空间管理界面的划分，主要是污水处理厂运维人员巡检路线与地上开发区域行经路线的分隔，以保证安全独立。