大中型污水处理厂建设过程应用海绵设施的设计研究

2023-10-18王子轩

科学技术创新 2023年24期

王子轩

（兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州）

引言

近年来，国家对城建方面加强重视，污水处理厂建设已成为社会经济发展的重要组成。在城市污水处理厂工程建设中，应用海绵城市的理念能够发挥其重要的作用。在按制功能方面，海绵设施不仅可以提高雨水下渗的能力，从而达到蓄水和净水效果。利用高透水性材料，在降雨下渗过程中把污水中的重大粒子以及其他固体污染物和水面完全隔离，以证明物理水处理的优势。在接下来的研究中，以某城市一大型污水处理厂为例，通过在污水处理厂建设中应用到海绵设施，以实现该污水处理厂在处理污水时获得更好经济价值，营造更绿色的环境[1]。结合某一污水处理厂扩建工程，并经具体规划，将海绵设施有效应用到污水处理厂扩建工程中，实现扩建厂区海绵城试点项目，有效落实雨水调蓄按制量和年度污染按制量。

1 工程概况

某市一大型污水处理厂总占地面积八万立方米，由于城市发展需求，现需对该工厂进行扩建，该污水处理厂处于沿海区域，该地年降水量较高，降雨频率较大，年平均气温为二十五度，因此需考虑不影响沿海水域。在该工程中采用粗砂隔和沉砂池等设备，均按照城市污水处理规范进行。考虑到该工程施工时处于降雨高发期，采用防水材料进行。该工厂内大多数为绿树植被，因此在施工时应尽量保护植被完整，在不破坏绿植的前提下进行施工。由于该地附近污水量在近几年逐步增加，并在一年后进行二次扩建，在此次扩建中，主要对海绵设施进行应用，并按照海绵城市规划标准执行，接下来对该工程内二次扩建中海绵设施的应用进行施工。

2 海绵设施在污水处理厂应用设计

2.1 功能区污染程度分析

某市污水处理厂由两方面构成，分别为处理区和附着区。根据实际生产生活，又分为预处理区、主体工艺区(生化处理和深度处理区)、污泥处理区和办公生活区等几个功能区域。

其中城市下垫面中，居民区、道路、公园等城市地下污染主要是人为活动造成的，由于污水处理厂一般情况下处于封闭状态，其人员以及车辆流动情况较小。而在污水处理厂内部，由于一些生产生活而排放出的污染物，也会导致其厂区内部污染程度加深。

由于一些工厂内生产方式不同，因此污染程度也会存在不同。在正常情况下，经研究发现污水处理厂下垫面污染程度为污泥区明显高于预处理区域。其中当污泥区污染物含量为八百毫克每升时，预处理区域的污染物含量仅为100 毫克每升。但经过一定量降水后，下垫面雨水会经海绵设施使其污染物浓度降低，其主要原因是，在该污水处理厂一般为两条“线”，分别为水线和泥线[2]。其中水线主要由砾石罐砂粒的厚细网格和炉渣构成，其对应区域为预处理区域。而泥线主要来源于脱水机房及其支撑结构的污染物，由此导致泥线区域的污染物程度明显比其他区域复杂。

2.2 海绵设施分区

基于设计目标，海绵设施的建设可以区分每个目标值，对场地的下垫面进行分类和汇总，在大面积上对特征相同、污染程度基本相同的下垫面进行分类，这将有利于LID 设施的选择和存储量的计算。在明确分区时，可将相关的室外池塘划分为单独的区域，利用水面的吸力功能，达到减少特定区域流量的目的；将下水道厂房结构周围的绿地与厂前的绿地和一些辅助生产建筑（构筑物）一起创建，设施内的混凝土路面和其他不透水区域也可以划分为该区域，通过增设设备与海绵设施相结合，以达到海绵城市建设标准要求。其中工厂中的道路分区可以通过实现海绵城市设计目标的难易程度来确定。

基于上述对各下垫面污染程度的分析，根据本项目污水处理厂的项目特点，需要确定扩建厂区域的结构布局、绿色布局方案、道路方向等。扩建厂的面积，以有效利用污水处理厂废水处理厂的容量，保证年总流量和按制扩建厂土地区域内的流量污染[3]。建议将其完全组合。根据地面高度、道路坡度、总体平面布局、道路高度以及厂区场地按制和管线布局，将其分为十九个区域。其中A1 到A4 为扩建区域，可接纳一定量降水量；A5 为高腐蚀性集水区域；S1 到S13 为下点面区域，其中包括绿地和屋顶等，作为海绵设施施工地点；S14 为该污水处理厂新建道路区域，此地区暂未进行海绵设施施工。其中十九个分区具体结构见图1。

图1 污水处理厂海绵设施分区情况

2.3 调蓄容积计算

在进行海绵设施分区后，对区域内调蓄容积进行计算。在计算前，所有准备工作均按照城市排水规划施工标准来进行，并在计算中各指标也均符合标准。其中海绵设施分区后调蓄容积计算一般按下式来计算：

式中：V 为海绵设施分区后调蓄容积，单位为m3；H 为雨水深度，单位为mm；φ为综合雨水径流系数；F 为雨水分支面积，单位为m2。

其中上式（1）中提到的综合径流系数计算方式为：

式中：Q 为每项径流系数；S'为每项面积；S 为总面积。

以S12 分区为例，计算分区径流系数数值为：

厂区综合径流系数计算为：

所需调蓄容积按V=10HφF 进行计算：

通过计算得到调蓄容积具体数值后，根据各区具体情况进行海绵排水设施的构建。

2.4 污水厂海绵排水

通过计算分区内调蓄容积，根据实际情况进行合理排水。由于该污水处理厂为半地下式，其中屋顶排水设计需结合相关技术和各个分支连接关系，以完成整个排水海绵排水系统的形成。该大型污水处理厂中屋顶雨水排水设计中分为屋顶地面排水系统和屋面蓄排水层排水系统两部分。该排水点内集水沟增设穿孔管用来收集雨水，雨水可以通过集水沟内排水渠管道流入到地面排水系统中。当降雨停止时，由于降雨初期储存在屋顶土壤和屋顶空隙中的雨水经屋顶排水系统自动流入到系统中排水口，多余水量沿排水层的蓄水池和坡度收集在箱外边缘的集水口，并通过穿孔管流入到地面排水系统。

该污水处理厂地面总面积为两公顷，正常情况下污水处理系统应安装在南北方向，但考虑到该污水处理厂位置特殊且南北方向空间狭小，选择安装在东西方向上。其中该污水处理厂东侧下凹绿地约占一千六百平方米，西侧下凹绿地面积约占七百平方米，下凹绿地总蓄水容积约为六百零五立方米，平均蓄水深度约为二十五厘米。以上数据均符合城市规划施工标准[4-6]。在降雨初始阶段，将屋顶排水系统集水槽承装的雨水经过管道流入下凹绿地中，将地面排水系统承装的雨水经过植草沟流入下凹绿地中。经时间雨水累积量增加，最终形成蓄水池。景观带和植草沟流入到下凹绿地的雨水排入到污水处理厂专设排水池中。当降雨停止时，下凹绿地所积累的雨水会出现下渗现象，并通过排水井管道流入到地面污水排水系统中。地面污水排水系统收集雨水后，通过雨水渗透和地表径流排出地表绿地，将地表径流收集在沿人行道创建的接力型草坪种植园的沟渠中，最后通过下凹绿地排出[7]。在硬质铺装收集雨水后，将其从副石中的收集井流入到地表排水系统。

3 结果与讨论

在经过上述海绵设施的设计，污水处理厂在对建设后对污染按制率进行比较记录，见表1。

表1 污染按制率

由表1 可知，下凹式绿地在经过海绵设施设计处理后污染物去除率为85%，植草沟经过海绵设施设计处理后污染物去除率为90%，普通绿地经过海绵设施设计处理后污染物去除率为95%，屋面经过海绵设施设计处理后污染物去除率为95%，硬质铺装过海绵设施设计处理后污染物去除率为80%。并通过计算可以得出分区S12 的分区污染物去除率为75.05%，符合污染物去除标准。