全地下式污水处理厂设计要点分析

2022-09-09李庆桂

净水技术 2022年9期

李庆桂

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

城镇污水处理厂是污染减排的主要承担者，对保障城镇生态环境质量和可持续发展起到重要作用。根据《2020年中国城乡建设统计年鉴》[1]，截至2020年，我国现有城市污水处理厂2 618座，县城污水处理厂1 708座。由于城镇化进程的快速推进，早期建设的很多污水处理厂逐渐被居民区包围[2]。随着人们环保意识的增强，城镇污水处理厂恶臭气体污染问题日益突出，特别是在中心城区的环境敏感区域，“厂群矛盾”突出，严重影响了污水处理厂的社会形象，引起社会的广泛关注。同时，对常规地面污水处理厂来说，环境保护距离导致大量土地无法使用，造成土地财政的巨大浪费。

因此，地下式污水处理厂应运而生，全球第一座地下式污水处理厂在1932年起源于芬兰，随后在欧洲、韩国、日本等用地紧张的国家和地区应用较广泛。我国从21世纪开始应用，国内最早的地下式污水处理厂是建于2010年的深圳布吉污水处理厂。

近些年，地下式污水处理厂由于具有环境友好、占地面积小、能够带动提升周边地块品质、与绿化和水景有机结合、美观性好等优点得到了各地政府和周边居民的认可，建设需求急剧增加，已成为城市污水工程建设的新方向。地下式污水处理厂主要建设形式分为全地下式、半地下式、地坪式3种(图1)。这3种建设形式的特点比较如表1所示。

图1 地下式污水处理厂建设形式Fig.1 Construction Forms of Underground WWTP

表1 地下式污水厂型式比较Tab.1 Comparison of Underground WWTP Types

地坪式布局的上部空间有较多的安装孔，运行时需要人员巡检，生产区和上部功能开发层无法有效分隔，上部空间利用难度较大。全地下式布局相比半地下式布局在土地利用效率、景观效果、土地开发等方面更具优势，在实际工程中应用更为广泛。

污水处理厂埋入地下后，四周形成维护墙，上部加了顶盖，形成具有建筑属性的三维空间。同时，因为工艺的要求，一些设备及部分配电设施要放到地下，需要人员定时巡检，给设计带来了较大的难度。全地下式污水处理厂的设计要点和难点主要集中在工艺、平面高程、结构、通风、除臭、消防、电气、自控、安全、卫生、交通等方面。本文将重点从与投资运行成本密切相关的工艺选择及平面高程布置、与人员安全密切相关的通风消防方面展开详细论述，以期为全地下式污水处理厂的设计提供可参考借鉴的解决方案。

1 工艺选择

全地下式污水处理厂由于土建投资较大，运行成本较高，工艺选择时建议采用占地面积小、布置紧凑、运行维护方便、低碳节能的处理工艺。本文调研了国内已建大型全地下式污水处理厂的主流处理工艺，如表2所示。由表2可知，目前国内已建大型全地下式污水处理厂的处理工艺多为AAO和MBR，高效生物膜工艺在全地下式污水处理厂中也得到应用。此外，CAST和CASS工艺在小规模全地下式污水处理厂中也有少量应用。

表2 大型全地下式污水处理厂处理工艺统计Tab.2 Statistics of Treatment Process of Large Underground WWTP

MBR工艺具有效率高、处理时间短、占地小等优点，但其设备造价高于常规深度处理设施，且寿命一般为5年，5年后就需更换，运行成本较高，适用于进水浓度不高、环境敏感、用地困难、对尾水要求高的项目。但在目前“碳中和”“碳达峰”背景下，MBR工艺因自身高能耗的特点，其应用将受到一定程度的限制。

AAO工艺因其工艺成熟、处理效果稳定、运行安全且稳定、维护少、投资适中、运行成本低等优点，在实际工程中应用更为广泛。实际设计中，工艺选择需根据项目进水水质、排放标准、用地条件等进行技术经济比选后确定。

2 平面和高程布置

(1)工程选址

全地下式污水处理厂一般位于土地稀缺的市中心或距离综合体和居民区等敏感设施较近。厂址选择时，首先考虑与周边环境的协调性，优先使用规划绿地或公共设施用地；其次，占地面积需满足工艺要求，便于污水收集和处理后排放；同时，厂区防洪标准应不低于城镇防洪标准，具有良好的排水条件；此外，厂址还需满足交通便利、物流运输方便等条件。

(2)平面布置

鉴于全地下式污水处理厂建设难度大，建成后难以扩建，建议采用“土建按远期规模一次建成，设备分阶段安装”的建设模式。上海嘉定南翔污水处理厂(土建按10万m3/d规模一次建成，设备按近期5万m3/d规模安装)和兰州市盐场污水处理厂二期工程(土建按10万m3/d规模一次建成，设备按近期7.5万m3/d规模安装)均按上述模式建设。

本文还调研了国内已建大型全地下式污水处理厂的用地面积，结果如表3所示。由表3可知，全地下式污水处理厂用地面积受用地情况、处理工艺和出水标准等因素影响，用地指标为0.3～0.5 m2/(m3·d-1)，通常情况下较同类型地上污水处理厂可节地40%～60%。

表3 全地下式污水处理厂用地面积统计Tab.3 Statistics of Land Area Use for Underground WWTP

全地下式污水处理厂的总平面布置不受风向的影响，因此，平面布置时主要根据污水处理厂进、出水方向和用地情况进行集约化布置，做到布局合理、水流顺畅。平面布置还需结合竖向布置，充分利用现状地形，减小土石方量，节省工程投资。构筑物的布置受柱网的影响，应避免柱子布置在构筑物内部，减少对水流条件的影响。构建筑物的组合、叠放对总平面布置的影响极大，应合理组合，达到充分利用空间、减少占地、减少构筑物之间的连接管道(相应减少水头损失)的目的。平面布置还需充分考虑人流、物流、信息流，保证交通顺畅，便于维护和管理。

(3)高程布置

全地下式污水处理厂竖向可分为3层，分别为上部功能开发层、操作层(负一层)、池体和管廊层(负二层)。池体和管廊层(负二层)主要为污水处理构筑物，通常情况下没有人员活动。操作层(负一层)主要为辅助生产建筑，承担污水处理厂的巡检功能。为使污水处理厂操作层显得整洁、美观，操作层没有过多的凸起而影响地下的交通运输，需要力求各处理构筑物的顶标高基本一致。

污水处理厂上部空间应按照规划要求进行开发利用，可建成对环境影响小且美观的开放式公园，如上海嘉定南翔污水处理厂；也可与停车场合建，提高土地利用率，如苏州新区污水处理厂；还可以结合地块开发，建成写字楼对社会开放，提高土地综合利用价值，如东京都芝浦污水处理厂。

3 通风设计

全地下式污水处理厂因处于封闭空间，需设置机械通风系统保证空气质量。目前，全地下式污水处理厂负一层大空间一般采用混合通风，在内部布置大量风管，且风管断面尺寸较大。地下箱体操作层一般具有面积大、结构顶板主次梁大而多的特性，大断面风管占用了大部分管线空间，往往与结构主次梁交叉，不易布置。由于通风管的存在，在覆土厚度相同的情况下，整个地下式污水处理厂埋深将增加1～2 m，土建成本大大增加。同时还存在通风换气死角、施工吊装困难、维修保养不便等问题。

为解决上述问题，在地下箱体大空间可采用新型无风管通风系统，主要利用送、排风风机形成大空间内类活塞流动，并配合诱导风机实现污染物排除，可有效避免风管大量占用空间和与结构梁交叉的问题，有效降低负一层净高和埋深，节省工程投资。同时，还具有送排风均匀无死角、耗能低且布置方式灵活、噪声小等诸多优点。

加氯加药间、除臭设备间等生产运行过程中产生有毒有害气体的房间或区域平时设置机械送排风，同时兼顾事故通风，换气次数按不小于12次/h设计，通风设备均与仪表检测装置联动。操作层大空间区域和进出通道设机械送排风系统，通风换气次数按不小于6次/h设计。通风换气通过土建风井送出地面，地下箱体内设送排风机吊装于顶板下，风机的位置和内部气流组织根据数值模拟结果进行确定。对产生振动、噪声的设备采取减振消声措施，减小噪声对周边声环境的影响。

操作层大空间区域的机械排风系统需同时兼顾各构筑物放空检修时的临时送风，在除臭系统正常运行的情况下，当某一组构筑物需要放空检修时，将移动式风机通过软风管接采光天窗将室外新鲜空气不断压入构筑物内部。同时，由除臭系统对构筑物进行抽风，使构筑物内部形成负压，从而使放空的构筑物内部散发的有毒有害气体不会泄漏至负一层的空间内。对构筑物内部通风换气一段时间后，采用移动式仪表对构筑物内部环境进行检测，内部环境满足要求后，方可允许人员做好各项防护措施后进入。在人员进入期间，临时通风系统需持续运行。

4 消防设计

2021年《城镇地下式污水处理厂技术规程》[3]实施前，国内尚无针对全地下式污水处理厂消防设计的规范，国内已建的全地下式污水处理厂消防设计大多采用“一事一议”的审批原则[4]，其消防设计方案无统一的设计标准。

本文调研了目前国内已建的全地下式污水处理厂防火分区划分方式，如表4所示。在防火分区的划分上主要采用两种方案。方案一：将整个地下箱体作为一个整体建筑进行防火分区的划分，主要案例有苏州新区污水处理厂、昆明市第十一水质净化厂等[5]；方案二：按照功能的不同将地下空间分为厂房和构筑物，操作层构筑物区域的防火分区面积按工艺要求确定，敞开的水面面积不计入防火分区[4]，主要案例有上海白龙港提标工程西北地下厂、上海嘉定南翔污水处理厂等。

表4 全地下式污水处理厂防火分区划分方式统计Tab.4 Statistics of Division Method of Fire Compartment for Underground WWTP

本文认为方案二的划分方式更为合理，主要原因如下。

(1)地下箱体分为两层，负二层为水池，负一层为操作层。负二层水池大部分加盖密封，根据工艺布置特点，将生产性设备集中布置在负一层的部分区域；大部分加盖水池上方的负一层空间中，除与构筑物本身直接相关的设备外不布置生产设备，盖板上无可燃物，除故障检修外人员几乎不到达该区域，无火灾安全隐患，可作为构筑物区域。

(2)全地下式污水处理厂设计了全厂综合自动化系统，实现污水处理厂生产和管理的自动化和信息化，地下箱体平时无需人员值班留守，仅定时巡视。

(3)生产原料、生产产品、生产环境和生产过程都没有任何可燃材料以及产生可燃材料的因素，池中水是灭火剂。

今后，全地下式污水处理厂消防设计时，建议根据《城镇地下式污水处理厂技术规程》[3]进行防火分区划分，即“操作层设备用房的消防设计应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》的有关规定；生物反应池、二沉池等池顶操作层处理区的防火分区面积可按工艺要求确定，敞开的水面面积可不计入相应防火分区的允许建筑面积”[4,6]。

5 展望

全地下式污水处理厂在具有环境友好等优点的同时,存在投资高、建设周期长、运行成本高、运行维护不便等缺点。在“碳中和”“碳达峰”背景下，处理工艺需要进行重新梳理、评估和变革，高效低碳工艺的研发将成为重点。针对建设周期长的问题，可在全地下式污水处理厂的建设中大规模引入预制装配技术，在实现快速化、标准化施工的同时还可提高施工质量。针对运行维护不便的问题，可引入“智慧”概念，大量布置高度自动化检测控制设备，实时动态监视全厂运行数据。同时加强信息化平台建设，实现污水处理厂正常运行时现场无人值守，操作人员定时巡检。针对全地下式污水处理厂管线众多、易碰撞的问题，可通过BIM正向设计避免碰撞，节约设计周期，也为后续施工和运行带来极大的便利。