大型城市污水处理厂全地下式改建思路与方案

胡 翔

(深圳市水务<集团>有限公司,广东深圳 518033)

随着我国城镇化水平快速提高,城市土地资源日益稀缺,同时,生活水平提高又使得居民对周边环境质量提出更高要求。污水处理厂作为重要的城市市政基础设施,在改善水环境、节约水资源、提高居民生活质量等方面发挥着巨大作用。但传统污水处理厂一方面因卫生防护要求须占用更多土地资源且容易产生臭气、噪声等新的环境问题,另一方面厂区整体外观一般难以与周边城市景观相融合,对市容市貌有负面影响,继而制约周边地区经济发展,并使周边土地贬值。

科技进步已使地下空间的开发利用变得十分成熟,包括地下污水处理厂在内的地下空间开发利用既是社会发展到一定程度的必然产物,也是现代化大型城市的发展趋势[1]。国外地下空间的发展已历经相当长的时间,一些发达国家或地区的城市地下大型排水及污水处理系统都有很好的发展,如瑞典、挪威、英国、美国、日本、韩国等国家的地下污水处理厂均取得巨大经济和社会效益,地下污水处理厂在我国香港和台湾地区也经历了较长时间的发展[2-3]。近年来,因平衡城市发展、环境保护和土地资源的需要,国内地下污水处理厂也迅速普及并开始爆发式增长,据不完全统计,目前国内已建和在建规模在1万m3/d以上的地下污水处理厂已超过110座,分布在国内20多个不同省市,其中以经济相对发达的广东和浙江数量最多[4]。一般来说,国内地下污水处理厂以新建为主,深圳市某污水处理厂为传统地面式且规模较大,综合种种条件,决定按“下地综合改建”思路进行原地迁建。大型污水处理厂一般为城市污水系统的重要节点,改造升级影响较大,而原址下地改建等同于“拆旧建新”,无论影响还是困难都会更大、更多。主要困难在于须研究合理可行的分期、分阶段实施方案;“新旧衔接”且过程中不能产生新的环境问题;须提前做好配套新进出水管线研究以确保满足各期及整体的规模要求等。本项目可总结相关经验为类似污水处理厂下地改建提供参考。

1 项目背景

该污水处理厂位于深圳市西部区域,现状规模为73.6万m3/d,分为两套系统建设,一套系统于1989年11月建成投产,后历经两次扩建,规模从5万m3/d扩大至35.2万m3/d,采用一级处理;二套系统于2004年5月完成预处理部分建设,规模为38.4万m3/d,2009年7月二级处理生化工程建成投产,规模为56万m3/d,2018年10月完成二级生化系统的提标改造,其出水水质达到一级A标准。2021年12月完成一套系统升级改造(规模降低为17.6万m3/d),提高其对SS、BOD和氨氮的去除能力,现状污水流程如图1所示。该污水处理厂目前是深圳市规模最大的污水处理厂,承担原特区内1/3以上面积的污水收集处理任务,对保障西部海域及片区水环境意义重大。

图1 污水处理厂现状工艺流程

随着服务片区城市建设及更新的快速发展以及深圳市治水提质工作的稳步推进,该污水处理厂现状处理能力已无法满足片区污水量的增长需求,急需进一步扩能。另外,城市发展对于环境质量的要求越来越高,因此,对污水处理厂的污染物排放、厂容厂貌、厂区景观等提出了新的要求,该污水处理厂亟需整体提升。

2 用地条件与建设目标

该污水处理厂现状被高速公路分为A、B两个地块,合计面积约为42.1万m2,其中东北侧B地块面积约为20.3万m2,主要包括办公生活区、一级处理区、污泥处理区、规划市政道路和预留用地;西南侧A地块面积约为21.9万m2,主要为二级生化区。本次改造主要占用西南侧A地块+市政道路地下空间(可用面积约为1.7万m2),合计约为23.6万m2,改建完成后将释放东北侧B地块用于综合开发(图2)。为最大限度减少传统污水处理厂对周边环境的影响并高起点、高标准打造城市公共空间,本次改建通过分期下地、集约化方式对其进行全地下式改扩建,实现包括提标、扩容、景观提升、释放地块的目标。改建完成后,该污水处理厂将变为全地下式污水处理厂,处理规模由73.6万m3/d扩容至100万m3/d,预计为亚洲最大的地下污水处理厂,而目前国内已建成或部分建成的规模最大的类似污水处理厂为60万m3/d,如北京槐房厂、上海泰和厂等[5-6]。

图2 用地条件

3 整体工程方案研究

3.1 改建策略及用地分析

该污水处理厂在整体改建过程不能降低处理水量和水质标准,只能采用“先建后拆、逐步替换下地”的策略,通过合理分期布置相关设施,逐步扩大规模及提高处理标准。根据现有用地条件,目前在A地块内尚有预留用地两块,面积分别为4.7万m2和1.2万m2,加上西侧道路地下空间,总计约7.6万m2土地可用于一期工程的建设。项目总用地面积约为23.6万m2,按100万m3/d设计规模计算,吨水用地指标可从现状约0.478 m2/(m3·d-1)降至0.236 m2/(m3·d-1),而一期工程按40万m3/d设计规模计算,吨水用地指标仅为0.19 m2/(m3·d-1)。根据《深圳市城市规划标准与准则》,100万m3/d规模污水处理厂的标准用地指标约为0.6 m2/(m3·d-1),40万m3/d规模污水处理厂的标准用地指标约为0.93 m2/(m3·d-1),即总用地指标为规划标准指标的39%,一期工程用地指标仅为规划标准指标的20%,充分体现了地下污水处理厂的节地优势[7]。

3.2 进出水水质与污水工艺选择

结合该污水处理厂近几年进水水质分析,以及深圳市污水处理厂相关出水水质要求,初步拟定改建后污水处理厂设计进出水主要水质指标如表1所示。

表1 设计进出水水质主要指标

通过上述指标分析进厂污水的可生化性和生物脱氮除磷可行性,表明该污水处理厂在正常工况时完全可以采用生物法脱氮除磷,同时鉴于TN、TP出水标准高,拟辅以化学除磷和增设专门的脱氮工艺。

基于该污水处理厂规模、用地、进出水质、全地下式建设形式等边界条件,拟比选出一个用地合适、投资较省、运行费用低、技术成熟、处理效果稳定可靠、运行管理方便的工艺方案。为此,对多段缺氧-好氧(AO)、厌氧-好氧-缺氧(AOA)、移动床生物反应器(MBBR)、膜生物反应器(MBR)4个相对主流的工艺方案进行比较,如表2所示。

表2 污水处理工艺比选

由表2可知,4种工艺各有优劣,考虑到本项目规模大、投资高,同时又是主城区污水系统的主要兜底节点,加上全地下式建设形式,决定了项目对安全稳定的要求较高,故推荐该污水处理厂生化工艺采用稳定可靠、处理效率高、低碳节能、运行成本相对较低的多段AO工艺。污水处理整体工艺流程如图3所示。

图3 污水处理工艺流程

3.3 平面布置

本项目主要布置在现状西南侧地块,建成后该地块地下为污水处理厂,地面为公园及新型产业用房,并释放现状东北侧地块用于综合开发。整个地下污水处理厂按功能主要分为预处理区、二级生物处理区、深度处理区、消毒及排放区、污泥处理区及调蓄池区6个区域,东北角可作为地下车库为地面公共空间服务,并与生产区域完全隔离(图4)。

图4 地下污水处理厂平面分区

3.4 竖向布置

本项目采用全地下厂形式,在满足地面相关工程的基础上对竖向空间进行了合理布置,以地面相对标高0.00计,地下箱体顶板标高-2.00 m,操作层底标高-9.00 m,池底标高-20.00 m(图5)。

注:图中标高尺寸单位为m。

4 工程分步实施方案

本项目规模大,又是在现状厂区范围内进行下地改建,且改建期间不减量、不降标,这些约束条件决定了整个地下污水处理厂不可能一次性建成,需要合理地分阶段、分步骤来实施,并以此进行水量腾挪,确保满足建设期间处理污水不减量、出水标准不降低的要求。拟将整个工程分为三期进行建设,采用“建一拆一、先建后拆”的原则对全厂进行逐步下地改建。

4.1 一期工程

4.1.1 概况

一期工程包括地下污水处理厂及其地上配套设施,地下污水处理厂规模为40万m3/d,主要利用A地块西侧预留用地及西侧道路地下空间进行建设,同时利用B地块北侧用地新建污泥临时处理设施,并完成整个进出水干管建设。地上配套设施包括污水处理厂管理用房、相应地面公园设施和市政修复道路。一期工程有两个箱体,通过地下通道连接。其中,1#主箱体位于A地块西侧,面积约为6.4万m2;2#箱体位于A地块北侧,面积约为1.2万m2。

4.1.2 现状设施拆除及土地释放

一期工程建成后,新增40万m3/d污水处理能力并新建管理用房,可将部分污水调入一期工程进行处理。二套预处理系统、2/3的二套生化系统等部分现状生产设施及附属设施可以进行拆除,拆除后总计可空出约13.5万m2土地,其中A地块约7.8万m2土地用于二期建设,B地块可释放约5.7万m2土地(图6)。

图6 一期工程建设

4.1.3 期间污水处理能力变化

一期工程利用现状空地及道路地下空间进行建设,施工期间对现状污水处理厂运行基本没有影响。一期工程建成后,污水处理能力变为113.6万(56万+17.6万+40万)m3/d。

4.2 二期工程

4.2.1 概况

二期工程包括地下污水处理厂及其地上配套设施,地下污水处理厂规模为40万m3/d,利用一期工程建成后拆除A地块现状部分二套生化系统空出地块的地下空间进行建设;地上配套设施包括相应地面公园设施和新型产业用房。二期工程只有一个箱体,位于A地块东侧,面积约为6.5万m2,一、二期箱体通过地下通道连接。

4.2.2 现状设施拆除及土地释放

二期工程建成后,新增40万m3/d污水处理能力,加上一期工程,共计新增80万m3/d污水处理能力,已超过现状处理设施73.6万m3/d的总规模。可将剩余污水调入二期工程进行处理,A地块余下现状设施均可以进行拆除,其中一套预处理系统位于B地块,对A地块下地改建基本没有影响,并于2021年完成提标改建,出水水质除TN外可达到一级A标准且出水直接排海,故暂时保留以应对雨季高峰流量。对应设施拆除后,总计可空出约9.5万m2土地用于三期建设,基本位于A地块(图7)。

4.2.3 期间污水处理能力变化

二期工程实施时已拆除现状二套生化系统2/3处理能力,即施工期间污水处理能力变为76.3万(18.7万+17.6万+40万)m3/d。二期工程建成后,污水处理能力变为116.3万(18.7万+17.6万+40万+40万)m3/d。

4.3 三期工程

4.3.1 工程概况

三期工程包括地下厂及其地上配套设施,地下污水处理厂规模为20万m3/d,利用二期工程建成后拆除现状剩余设施后空出地块的地下空间进行建设,同时新建全厂配套的污泥处理系统及事故调蓄池;地上配套设施包括相应地面公园设施。三期工程有3个箱体,占地面积约为9.5万m2。

4.3.2 现状设施拆除及土地释放

三期工程建成后,新增20万m3/d污水处理能力和100万m3/d污泥处理能力,污水、污泥处理规模均达到100万m3/d。可拆除B地块剩余所有现状设施,污水、污泥全部转入地下处理,可释放B地块约13.9万m2土地,总计释放约19.6万m2土地(图8)。

4.3.3 期间污水处理能力变化

三期工程实施时已拆除现状二套生化系统剩余1/3处理能力,污水处理能力为97.6万(17.6万+40万+40万)m3/d。三期工程建成后再拆除完成提标改建的一套系统,污水处理能力变为100万(40万+40万+20万)m3/d。

4.4 土建分期建设可实施性

根据上述工程分期内容,一期工程有两座独立基坑,二期工程有一座独立基坑,三期工程结合先期完成的一、二期基坑,分为3座独立基坑。一期基坑施工时,需对其东北侧现状污水处理构筑物进行保护,确保污水处理构筑物能正常运行;二期基坑施工时,需部分拆除现状污水处理构筑物,地下连续墙位置处需清除地下废弃管线、构筑物桩基等障碍物,同时需对其西南侧剩余的污水处理构筑物进行保护;三期基坑施工时,需拆除剩余的污水处理构筑物,同时需对新建成、已运行的一、二期污水处理构筑物进行保护。

对一、二期地下箱体的保护,最重要的是减小和限制三期工程基坑开挖时围护结构的变形。合理设置基坑支撑体系是减小基坑变形的关键。本项目各期地下箱体的基坑支撑主要利用永久性结构水平框架作为基坑支护结构的水平支撑,并将一、二期工程基坑支撑设置在箱体结构中层板及顶板位置,利用两层楼板作为支撑体系的一部分,避免基坑换撑工况,减小由于支撑拆除造成的废弃工程及工期延长。同时三期工程基坑支撑可直接支承于已完成的一、二期地下箱体中两层楼板上,能较好限制围护墙的变形,减小三期工程基坑施工时对一、二期地下箱体的影响。

5 项目初步效益分析

有别于传统污水处理厂,本项目将采用先进的工艺和设计理念对污水、污泥、臭气进行全面处理,结合全方位的再生水回用(15万m3/d),实现该污水处理厂生态、低碳、节能、环境友好的目标。

作为城市基础设施,污水处理厂以服务社会为主要目的,对城市经济的贡献主要表现为外部效果,所产生的效益除部分经济效益可以定量计算外,大部分则表现为难以用货币量化的社会效益和环境效益,因此,从系统角度出发进行综合评价较为合适。

5.1 环境效益

本项目改建完成后,出水标准整体提升至“准Ⅳ类”(除TN ≤8mg/L外,其余主要水质指标达到地表Ⅳ类水要求)。处理后的尾水将作为宝贵水资源用于城市水廊道补水,一是改善城市水环境质量,顶托咸潮,促进城市水生态健康发展;二是改善区域水环境污染状况,缓解西部海域环境容量压力。预计改建成后至少可削减排放至水体的污染物总量如表3所示。

5.2 社会效益

目前,环境保护已成为一项基本国策,水污染所引发的各种问题也日益受到全社会的关注和重视,而本项目将市政设施建设与城市更新开发创新融合,在显著改善周边环境、释放土地价值的同时,通过置换土地平衡污水处理厂建设资金,开创有特区特色的开发模式。本项目一方面为城市提供了全新的市政污水处理基础设施,另一方面还通过“工业上楼”“地面公园”为城市新型产业开拓发展空间,为群众提供环境优美的高质量休闲活动场所,有利于建设和谐社区以及促进社会、经济发展,进一步树立城市的良好形象。

5.3 经济效益

本项目作为市政污水处理设施,通过污水处理量进行定量收费可以为项目产生直接经济效益,但重要的是通过改善城市环境为社会产生间接经济效益。污水处理厂对区域水环境有着广泛的影响,使该地区工业及旅游业发展不受环境条件制约,并协调好社会经济发展和环境保护目标,本项目可以通过拓展产业发展空间、实现区域土地增值两个方面增益该地区经济发展。

6 结语

(1)传统污水处理厂占地较大,功能上以削减污染物为主,一般来说环境友好度不足,越来越不适应城市发展。通过“上园下厂”或“上楼下厂”等综合开发方式,可实现释放土地、规模扩能、提标升级、生态友好及拓展产业空间等多重建设目标,在解决城市基础设施更新需求的同时,又紧跟城市建设高质量发展的趋势,能形成良好的项目效益。

(2)经综合比选,本项目生化方案采用技术成熟可靠、处理效果稳定、运行管理简单的多段AO工艺,并辅以深度处理提升出水TN和SS指标;基于改建期间不减量、不降标的要求,采用“建一拆一、先建后拆”的分阶段实施方案,通过合理分期可以确保水量平衡及下地改建的可行性。

(3)污水处理厂原址下地改建应基于自身的边界条件来策划实施方案,一是要明确切实可行的分期方案,保证各期箱体既能独立建设又能在建成后进行独立处理,并能在不同阶段组合成大的整体;二是要提前开展新进出水管线的研究,管线建设要有前瞻性,既能满足当期箱体独立运行需要又能匹配项目整体规模。