日照市某地下式污水处理厂设计

高宗仁，孙 腾

(1.山东省城建设计院，山东济南 250021；2.日照市水务集团污水处理有限公司，山东日照 276800)

日照市根据规划区内主要河道流向及地形情况，将主城区划分为4个大、8个小的污水流域片区(图1)。其中，日照市第二污水处理厂主要服务于Ⅱ-C区，设计规模为6万m3/d，已满负荷运行，但该片区规划污水量将达到7万m3/d，已有部分污水未经有效处理而溢流排入河道，对水体环境造成了一定污染。根据崮河流域污染综合整治要求，Ⅱ-C区须新增处理量为1万m3/d的污水处理设施。由于日照市第二污水处理厂受制于土地已无法扩建，必须在该区域重新选址建设一座污水处理厂。

图1 日照市污水分区和厦门路污水处理厂服务范围Fig.1 Rizhao Wastewater Zoning and Service Scope of Xiamen Road WWTP

日照市为著名的海滨旅游城市，对生态环境及旅游环境有着很高的要求，新建污水处理厂选址非常困难。经过现场多次踏勘并与规划部门反复沟通，拟选定郭家湖子河以西、包头路以北的三角形地块作为污水处理厂厂址，但是该厂址周边为规划居住、办公用地，对环境的要求非常高。为尽量减少污水处理厂对周边的影响，规划部门提出应建设地下式污水处理厂。

至“十三五”末期，我国地下式污水处理厂数量已增至80座，处理水量超700万m3/d，地下式污水处理厂主要工艺为“AAO+MBR”和“AAO+二沉池+混凝沉淀+过滤”两种，应用均已非常成熟和广泛。国内代表性的案例包括：(1)广州京溪地下式污水处理厂为我国首座采用MBR的地下式污水处理厂，采用地埋式布置，规模为10万m3/d，总投资为5.8亿元，采用“预处理+MBR”工艺，出水执行一级A标准；(2)济南市华山地下式水质净化厂，规模为3万m3/d，总投资约为1.6亿元，占地面积为2.57×103m2，该项目采用“预处理+AAO+MBR膜+紫外线消毒”污水处理工艺，设计出水执行一级A标准，该项目确保了地上空间的有效利用，符合华山片区打造5A级景区的高端定位；(3)临沂市青龙河地下式污水处理厂，规模为3万m3/d，投资为1.8亿元，占地面积为1.437×104m2，项目采用了“预处理+AAO+二沉池+高效沉淀池+转盘滤池”污水处理工艺，设计出水执行一级A标准，该污水处理厂地下式布置解决了紧靠居民区的环境敏感和用地紧张的问题。

地下式污水处理厂具有土地集约、环境友好、资源利用等特点，可有效释放地面空间，解决邻避问题，实现污水资源化，较传统污水处理厂具有明显的社会、经济和环境优势。但地下式污水处理厂也存在一些问题，如投资是常规地面式污水处理厂的1.5～2.0倍，有一定的洪涝风险，消防、通风的要求比地面污水处理厂高得多。

参考国内多座污水处理厂的经验，根据现场条件、项目特性，该污水处理厂采用单层加盖+地下式综合车间的方案。

1 工程概况

日照市厦门路污水处理厂设计规模为1万m3/d，处理工艺为“预处理+改良AAO池+二沉池+高效沉淀池+纤维转盘滤池+紫外消毒”，采用单层加盖的地下式布置形式，实际占地面积为810 m2，工程投资为4 000万元。设计进水水质和出水水质如表1所示。

表1 设计进出水水质Tab.1 Designed Quality of Influent and Effluent

2 地下式形式选择及平面布局

2.1 地下式形式选择

目前，地下式污水处理厂经常采用3种形式[1]，包括全地下式布局(单层加盖)、全地下式布局(双层加盖)和半地下式布局(双层加盖)，每种形式优缺点比较如表2所示。

表2 地下式污水处理厂3种形式对比Tab.2 Comparison of Three Forms of Underground WWTPs

日照市厦门路污水处理厂的特点是：(1)处理规模较小，为1万m3/d；(2)厂址紧靠河道，地下水位偏高，为地下1.0 m；(3)场地为不规则三角形状，利用难度大。

如采用全地下式布局(单层加盖)，虽然投资较节省，但部分附属设施建于地上会影响厂区景观，占地面积较大；如采用全地下式布局(双层加盖)，地下埋深将达到12.0 m，抗浮及施工难度大，虽然规模小但仍要建设完善的消防、通风、通道等设施，吨水投资高的问题突出；如果采用半地下式布局(双层加盖)，上部会形成大的工业厂房，影响区域的整体环境，投资也相对较高。

结合周边景观要求、工程造价、维护管理和施工难度等问题进行综合考虑[2]，该工程选用全地下式布局(单层加盖)的形式，同时将地上的附属设施(鼓风设施、加药设施、污泥脱水设施)合并为一座地下式综合车间，厂区除办公楼、景观水池和巴氏计量槽外，其余生产及附属设施均位于地下。该方案既节省了投资，又有较好的景观效果。布置方案如图2所示。

注：标高单位为m图2 地下布局方案Fig.2 Underground Layout Plan

2.2 平面布局

遵循因地制宜的原则，结合厂区地形及配套条件进行总平面布置。(1)办公楼位于厂区的西北角，设为两层，一层为配电室、化验室和传达室，二层为办公用房。(2)二级处理构筑物设置在厂区南部偏西处，为地下式带盖构筑物，上盖适当位置设施检修孔。(3)三级处理构筑物和附属设备设置在厂区中南部，为地下式车间，包括深度处理构筑物、污泥处理构筑物、预处理构筑物和附属设备等。

厂区人流入口设置在北部偏东处，靠近市政道路。地下车间南部设置物流入口，靠近南侧市政道路。另外，地下车间设置2座单独的疏散楼梯通向室外。平面布置如图3所示。

注：标高单位为m图3 平面分析图Fig.3 Plan Analysis Diagram

该布置方案功能分区明确，构筑物布置紧凑，同时流程简短、顺畅，避免了管线迂回。厂区构筑物顶部覆土1.0～1.5 m，上部进行绿化并铺设便道，厂区绿化面积约为5 000 m2，绿化率为61.7%。

3 处理工艺选择

3.1 主体工艺选择

目前，我国的地下式污水处理厂约有80座，主要工艺为“AAO+MBR”和“AAO+二沉池+混凝沉淀+过滤”两种，详细的对比分析如表3所示。

表3 污水处理厂工艺对比Tab.3 Comparison of WWTPs Processes

方案一具有占地面积小、工艺流程简单、投资适中但运行费用高的特点，方案二具有成熟稳定、运行费用低但投资偏高、占地面积大的特点[3]。

通过日照市其他污水处理厂运行经验可知，污水水质季节波动较大，冬季时部分海产品加工水进入污水处理厂导致进水TP、TN浓度偏高，采用MBR工艺并不合适。另外，该市大部分污水处理厂采用了“AAO+二沉池+混凝沉淀+过滤”工艺，从方便统一运营管理的角度考虑，业主倾向于采用方案二。

考虑到该项目为地下式污水处理厂，对沉淀和过滤形式进行了比选。

1)二沉池

通常情况下，地下式污水处理厂二沉池采用周进周出的矩形二沉池，配置底部链条式刮泥机，目的是取消池顶部的刮泥机活动桁架。该设备技术要求较高，多应用进口或合资品牌。

厦门路污水处理厂规模较小，经过计算，选用2座直径为17 m的周进周出圆形二沉池可满足要求，设备选用较为成熟的中心传动单管式吸泥机，顶部亦无活动桁架。在满足运行要求的前提下尽量节省投资。

2)深度处理混凝沉淀池

常规絮凝沉淀池管理维护麻烦，对水量、水质变化的适应能力较差，加药量较大、能耗高。高效沉淀池分为快速混合、升流式絮凝和预沉浓缩3个区域，设置污泥回流系统，具有占地面积小、抗冲击负荷能力强、节省能耗的特点。当前污水处理厂出水对TP要求较高，该工程采用高效沉淀池[5]。

3)过滤方案

V型滤池和反硝化深床滤池应用较多，但是需要分格较多，运行管理较为复杂。该项目工程规模较小，可在纤维转盘过滤和连续砂过滤两种方案中进行选择。

连续砂滤池池深达到6.0～7.0 m，水头损失一般为1.5～2.0 m，需配套气提的空压机系统，该工艺能耗较高，并不适用于地下式污水处理厂。纤维转盘滤池通过转盘的滤布进行过滤，水头损失较小，为0.8 m，配套2台较小的反洗泵进行分组清洗，不影响连续过滤，但纤维转盘滤池抗冲击负荷能力较差。从占地面积、能耗水平和水力流程衔接等方面综合考虑，该项目选择纤维转盘过滤。

综上，该项目工艺选用“AAO+二沉池+高效沉淀池+转盘滤池”方案，且该工艺在临沂市青龙河地下式污水处理厂已有成功应用。

该工程建设项目总投资为4 000万元，单位制水成本为1.38元/m3，单位制水经营成本为0.94元/m3，投资及运行成本比常规污水处理厂略高，但比一般地下式污水处理厂低。

3.2 主体工艺设计参数

污水处理厂设计流量为416.67 m3/h，变化系数KZ=1.34(市政主干管收集污水量为7万m3/d，所以变化系数按照7万m3/d计算)。

1)改良AAO池

改良AAO池尺寸为44.1 m×36.9 m×6.2 m，共有4个功能区，分别为预缺氧区、厌氧区、缺氧区、好氧区。池子1座2格，池顶覆土1.0～1.5 m，上部绿化并铺设便道，适当位置开设检修孔。

① 预缺氧池

主要功能是微生物利用进水中的有机物去除回流污泥中的硝态氮，为聚磷菌提供更好的厌氧环境。厌氧池有效容积为336 m3，有效水深为5.6 m，停留时间为1.2 h，污泥回流比为20%，池内设置2台潜水搅拌器，功率N=2.5 kW。

② 厌氧池

主要功能是创造厌氧环境，充分释放磷，为下一步除磷创造条件。厌氧池有效容积为380 m3，有效水深为5.6 m，停留时间为1.35 h，污泥回流比为100%，池内设置2台潜水搅拌器，N=2.5 kW。

③ 缺氧池

主要功能是抑制丝状菌生长，防止污泥膨胀，完成反硝化脱氮。缺氧池有效容积为890 m3，有效水深为5.5 m，停留时间为3.5 h，池内设置4台搅拌器，N=4 kW。

④ 好氧池

主要功能是在好氧环境下，利用微生物降解BOD5及利用硝化反应去除氨氮，同时生物除磷。好氧池有效容积为5 256 m3，有效水深为5.5 m，停留时间为12.6 h，污泥负荷为0.08 kg BOD5/(kg MLSS·d)，污泥质量浓度MLSS为4 000 mg/L，污泥龄θ为30 d，污泥内回流比为200%～300%。好氧池内设内回流泵2台(PP泵，N=5.5 kW)，用于将好氧池的污泥回流到缺氧池。池内设曝气管668根，流量为 6～13 m3/(h·根)。

2)二次沉淀池

共有2座。每座沉淀池直径D为17 m，高度为4.4 m，有效水深为4.0 m，有效容积为907 m3。沉淀池主要功能是泥水分离，污泥回流，将剩余污泥排至污泥浓缩池。沉淀池表面负荷为0.92 m3/(m2·h)，沉淀池内设中心传动全桥式刮吸泥机，L=17 m，N=2.2 kW。

3)高效沉淀池

尺寸为14.0 m×13.8 m×6.7 m，利用絮凝剂的絮凝作用进一步去除污水中细小的胶体、悬浮物和色度。混凝段设置搅拌机和折板，沉淀段设置斜板，并设置底部刮吸泥机(N=1.5 kW)和污泥回流泵(N=5.5 kW)。沉淀池最大流量表面负荷为8.4 m3/(m2·h)。

4)转盘滤池

尺寸为5.5 m×5.4 m×3.5 m，共设10个直径为2.0 m的转盘，单盘有效面积为5.7 m2。最大流量过滤速度为8.16 m/h，配置反洗泵2台，每台设备流量Q=30 m3/h，N=2.2 kW，扬程H=9 m。

5)污泥处理系统

设置2台处理能力为5～10 m3/h的带式浓缩脱水机，配套污泥螺杆泵、冲洗泵和空压机等。每天产生含水率为80%的污泥7.5 t，外运至日照市污泥生物处理厂进一步处理。

6)污水源热泵系统

污水源热泵系统冬季提取污水的低位热能为建筑物供暖，夏季用污水降低建筑物室内温度。水源为污水处理厂出水，冬季进水温度最低为6 ℃，夏季进水温度最高为35 ℃。制冷采暖服务对象为厂区综合楼及西邻办公楼，总面积为3 100 m2。机组制冷量为144.0 kW，输入功率为22.5 kW；制热量为165.0 kW，输入功率为32.4 kW。配置板换循环水泵2台每台Q=45 m3/h，H=16 m，N=4.0 kW；空调循环水泵2台，每台泵Q=40 m3/h，H=24 m，N=5.5 kW，另外还配置钛板板式换热器、旋流除砂器和卧式除污器等。

3.3 其他方面

(1)总进水管设置电动闸门和速闭式闸门，可确保突然停电或其他事故时停止进水，以免对地下车间造成影响。

(2)采用污水源热泵系统进行采暖和制冷，可充分利用污水处理厂水源温度，节约能耗。

(3)地下综合车间布置了室内消火栓系统和自喷式灭火系统，消火栓接口满足规范要求。通风系统采用自然通风和机械通风相结合的方式，顶部设有通风管，车间内设有14台轴流通风机，单台风量为9 133 m3/h，换风次数为12次/h。

(4)通过合理布局，采用主体构筑物单层加盖+综合车间合建方案，将箱体开挖深度从12.0 m降至7.0 m，降低施工难度、节省投资。

4 运行情况及效果分析

4.1 实际运行出水水质

厦门路污水处理厂已建成满负荷运行，近一年进、出水水质如图4所示。

图4 污水处理厂水质变化Fig.4 Changes of Water Quality of WWTP

污水处理厂出水CODCr质量浓度为19.1～29.4 mg/L，BOD5质量浓度为4.0～8.1 mg/L，氨氮质量浓度为0.2～2.3 mg/L，TP质量浓度为0.08～0.18 mg/L，TN质量浓度为5.2～11.4 mg/L，SS质量浓度为5～7 mg/L。出水水质均优于一级A排放标准，部分指标达到了《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅳ类标准。实践证明，“AAO+二沉池+混凝沉淀+过滤”方案用于小型地下式污水处理厂中稳定有效。该项目对预处理、厌氧池和污泥脱水系统产生的臭气进行处理，经过第三方检测，厂界臭气浓度、氨、硫化氢和甲烷指标均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A排放标准中表5厂界废气排放最高允许排放浓度的要求，通过了环保验收。该工程较好地解决了片区污水污染问题，出水排入郭家湖子河作为景观补充水，环境效益显著。

4.2 环境效益

对污水处理厂地面除办公楼、巡检通道、检修口外的区域均进行了绿化，厂区绿化率可达到61.7%，地面环境效果好，既不会对自然景观产生影响，也不会影响周边建筑的整体视觉效果。鼓风机等设备布置于地下综合车间，有效防止了噪音对周边的影响。构筑物位于地下且对敏感构筑物进行臭气处理，避免了对周边居民区和办公区产生影响。

由于传统污水处理厂存在一定的臭气、噪声和感官影响等问题，通常情况下需要设置50.0～100.0 m的卫生防护距离，但仍然会导致周边土地的贬值。土地资源越来越稀缺，污水处理厂的选址也变得越来越困难[6]。通过地下式污水处理厂的形式，一方面节约了土地，另一方面最大程度上降低了对周边环境的影响。厦门路污水处理厂西北侧约100.0 m处即为2座商务办公楼，南侧和西侧为汽车交易服务中心，均没有受到污水处理厂的影响。可见，污水处理厂地下式布置可有效保障周边土地功能的正常使用。

4.3 用地面积

厦门路污水处理厂占地面积为810 m2，单位占地面积为0.81 m2/(m3·d-1)，远小于《城市污水处理工程项目建设标准》(建标198—2022)的1.95 m2/(m3·d-1)限值和《山东省建设用地控制标准》(2019年)的1.75 m2/(m3·d-1)限值。可见该地下式污水处理厂占地面积约为标准限值的50%，且征地费用节约了500万元。规模越大，地下式污水处理厂占地小的优势更加明显。

4.4 资源利用和节能

该厂采用了污水源热泵系统，每个采暖制冷季可回收热量6.3×1010J。处理后再生水回用于厂区及周边的绿化、景观、道路浇洒，每年可节约新鲜用水量为18 000 m3。采用磁悬浮鼓风机和用于精确曝气的控制系统，根据水质情况调节曝气量，风机节约用电可达到10%以上。

4.5 与同类型项目的对比

与同类型污水处理厂的对比如表4所示。

表4 与同类型污水处理厂对比Tab.4 Comparison with Similar WWTPs

与同类型项目对照，日照市厦门路污水处理厂在工程投资、施工和运营等方面具有较大的优势。

5 结论

(1)针对日照市厦门路周边环境的要求，污水处理厂采用了全地下式(单层加盖)+地下式综合车间的布局，有较好的景观效果，基本没有对周边土地的使用形成影响。(2)根据现场条件、项目特性优化布局，占地为810 m2，仅为用地标准限值的50%，征地费节约了500万元，主体构筑物地下开挖深度为7.0 m，降低了施工难度和投资。(3)污水主要处理构筑物采用单层加盖式布置，设备综合车间与污水构筑物布置在不同区域，减少了臭气对操作环境的影响，仅需对预处理、污泥系统、厌氧池单独进行臭气的收集和处理。(4)进行资源回收和利用，采用污水源热泵技术用于办公区制冷和采暖，每个采暖制冷季可回收热量为6.3×1010J。处理后再生水回用于厂区及周边的绿化、景观、道路浇洒，每年可节约自来水用量为18 000 m3。注重低碳节能理念，采用了磁悬浮鼓风机和用于精确曝气的控制系统，根据水质情况调节，风机节约用电可达到10%以上。(5)在中心城区建设分散式地下式污水处理厂，因地制宜地进行整体布局、工艺选型，投资、运行成本和环境效益等方面可行。该工程案例对类似条件的污水处理厂设计有一定的借鉴意义。