地下式污水處理廠發(fā)展歷程及工程設(shè)計注意要點

李國金，李 霞，郭淑琴，高陸令

（1.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市 300051；2.天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津市 300384；3.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 發(fā)展歷程

1.1 國外地下污水處理廠的發(fā)展與現(xiàn)狀

國外地下空間的發(fā)展已經(jīng)歷了相當(dāng)長的一段時間，城市地下大型排水及污水處理系統(tǒng)也取得了很好的發(fā)展。芬蘭在世界上首次于1932年開始建造地下污水處理廠[1]，但由于受當(dāng)時技術(shù)條件的限制，地下污水處理廠未能獲得快速發(fā)展。直至1991年芬蘭從保護(hù)環(huán)境、節(jié)約土地資源和提高經(jīng)濟(jì)效益等方面出發(fā)，同時考慮到地下空間的開發(fā)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，決定新建一座中心地下污水處理廠替換現(xiàn)有的7座地上污水處理廠，從而加速了芬蘭地下污水處理廠的發(fā)展[2]。1942年瑞典首都斯德哥爾摩利用當(dāng)?shù)貎?yōu)越的地質(zhì)條件和先進(jìn)的開挖技術(shù)，建造了世界上第一座現(xiàn)代化的巖石地下污水廠[2]。隨后，美國、英國、日本、加拿大等國家均建設(shè)了數(shù)量較多的地下式污水處理廠（見表1），這些地下式污水處理廠均取得了巨大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益。

1.2 國內(nèi)地下污水處理廠的發(fā)展與現(xiàn)狀

中國香港地區(qū)的赤柱（stanley）污水處理廠是亞洲第一個建于巖洞的污水處理廠[2]，其于1990年11月開始修建，至1995年2月完工；1998年2月中國臺北開始建設(shè)的內(nèi)湖地下污水處理廠是臺灣省第一座地下污水處理廠。

表1 國外部分地下式污水處理廠統(tǒng)計表

隨著國內(nèi)城市化進(jìn)程的加快和對環(huán)境要求的不斷提高，地下污水處理廠建設(shè)迎來了新的發(fā)展機遇[3]。近年來，北京、桂林、廣州、深圳、蘇州、昆明、煙臺、青島、合肥、鄭州、湘潭等地陸續(xù)開始建設(shè)地下式污水處理廠。國內(nèi)部分地下污水處理廠見表2。

表2 我國部分地下污水處理廠基本情況

從表2可以看出，我國地下式污水處理廠近年來發(fā)展迅速，工程位置多位于東南沿海經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的區(qū)域，形式多采用全地下式布置，工藝以AAO與MBR工藝為主[4]。

2 地下式污水處理廠的形式及特點

2.1 地下式污水處理廠的形式

目前，國內(nèi)地下式污水處理廠主要有三種布置形式：半地下雙層加蓋式、全地下雙層加蓋式、全地下單層加蓋式，見圖1～圖3。

圖1 半地下雙層加蓋

圖2 全地下雙層加蓋

圖3 全地下單層加蓋

全地下單層加蓋式上部空間有較多的安裝孔，生產(chǎn)期間需操作人員巡檢，存在不能有效將生產(chǎn)區(qū)和公共開放區(qū)分開、上部空間難以利用、不利于景觀設(shè)計等諸多弊病。因此國內(nèi)地下式污水處理廠很少采用全地下單層加蓋式，多采用全地下雙層加蓋及半地下雙層加蓋式[5-7]。

2.2 地下式污水處理廠的特點

地下式污水處理廠在施工、巡視檢修、逃生疏散、消防通風(fēng)照明、防洪防澇、占地景觀、對周圍環(huán)境的影響等方面均與傳統(tǒng)地上分散式污水處理廠不同。具體見表3。

表3 地下式污水處理廠的特點

3 與傳統(tǒng)污水廠部分專業(yè)設(shè)計異同

3.1 部分專業(yè)本身的異同

（1）工藝專業(yè)：地下式污水廠工藝選擇與傳統(tǒng)污水廠并無實質(zhì)不同。但地下式污水廠項目往往對出水水質(zhì)要求較高，同時又需盡量減小地下箱體體積，避免土建費用過高，通常選擇占地面積小，容積負(fù)荷大、處理效率高、剩余污泥量少[4]、操作管理方便、耐沖擊負(fù)荷的工藝。其二級處理核心工藝通常會選擇如A2O及其變種工藝，MBR工藝，MBBR工藝等。

地下式污水廠設(shè)備選擇原則與地上式污水廠比并沒有太大差別，但進(jìn)出水泵房單泵能力匹配、各種設(shè)備防腐、設(shè)備可靠性、設(shè)備與工藝本身與箱體矩形結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性等方面要額外注意。

（2）結(jié)構(gòu)專業(yè)：地下式污水處理廠因其自身特點決定了其結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點主要是抗浮方案的選擇和超長結(jié)構(gòu)的處理[8]。就具體設(shè)計細(xì)節(jié)來講，廊道的設(shè)置寬度、基坑支護(hù)的復(fù)雜程度、地基處理、近遠(yuǎn)期箱體的協(xié)調(diào)布置及箱體頂層防水做法等均為實際設(shè)計過程中考慮的重點。

（3）自控專業(yè)：由于地下空間有限，不便于檢修巡視，因此自動化要求較高。另外，考慮到運行人員的操作安全問題，各種檢測儀表較地上式污水廠需設(shè)置更多。

（4）總圖專業(yè)：廠區(qū)防洪排澇的安全問題是地下污水處理廠的重點。傳統(tǒng)地上式污水處理廠由于池體頂部一般高于設(shè)計地面較多，即使遇到超過城鎮(zhèn)防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)的洪澇水、地面有一定深度的積水對污水廠損害也不是很大，但對于全地下式污水處理廠就截然不同：全地下式污水處理廠由于大部分生產(chǎn)構(gòu)筑物及設(shè)備均位于地下，廠區(qū)地坪的設(shè)計需要在滿足城鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提下提高一定的富裕量，另外還需要考慮進(jìn)出箱體地下坡道的排水，廠區(qū)圍墻的設(shè)置及廠區(qū)大門在細(xì)節(jié)設(shè)計上也應(yīng)該與防洪排澇想結(jié)合，應(yīng)便于設(shè)置簡易臨時圍擋。

另外，地下式污水廠更應(yīng)注意施工過程，需合理安排施工季節(jié)，避免在基坑尚未回填且處于多雨季節(jié)時安裝設(shè)備，避免形成局部低洼導(dǎo)致周圍雨水灌入造成經(jīng)濟(jì)損失。

3.2 專業(yè)之間設(shè)計配合的異同

傳統(tǒng)污水處理廠，一般工藝專業(yè)為主導(dǎo)，建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、自控專業(yè)為輔助。地下式污水處理廠則與之不同，主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）地下箱體的布置需由工藝與結(jié)構(gòu)專業(yè)互相配合完成，缺一不可。工藝的選擇、工藝池型的布置受結(jié)構(gòu)的制約更大，兩者的銜接貫穿整個設(shè)計過程。

（2）箱體內(nèi)工藝區(qū)段和主要設(shè)備的布置影、工藝和逃生通道的配合布置影響頂部景觀的布置。尤其是需要分期建設(shè)土建箱體地下式污水廠，其總圖布置、箱體分期對工藝和景觀影響較大。

（3）通風(fēng)方式和消防形式的選擇影響工藝布局及箱體凈高設(shè)計。地下箱體通風(fēng)和照明提高了正常運行后污水廠的直接運行費用。

（4）建筑防火分區(qū)的設(shè)置是影響地下箱體工藝布置最為重要的因素。根據(jù)GB50016《建筑設(shè)計防火規(guī)范》3.3.1規(guī)定“戊類地下廠房防火分區(qū)的最大允許建筑面積為1 000 m2。”而對于建筑面積在25 000～40 000 m2的地下廠房而言，如果按每1 000 m2劃分一個防火分區(qū)，則需要劃分25～40個，這將對于整個箱體內(nèi)部生產(chǎn)的布局以及疏散樓梯的布置帶來了很大的難度[8]。防火分區(qū)，疏散樓梯的布置同樣給頂部景觀的設(shè)計設(shè)置了障礙。

4 工程設(shè)計需重點考慮的問題

4.1 防止被淹方面的設(shè)計

地下式污水處理廠廠區(qū)防洪的設(shè)計需要重點考慮，主要包括防止客水（雨水）淹沒，防止處理過程中污水外溢。具體來講主要有以下措施。

4.1.1 正常運行時避免污水外溢

全地下式污水處理廠污水進(jìn)入及排出箱體一般均需要提升，泵房存在斷電的可能。其斷電組合情況及設(shè)計解決措施如下：

（1）箱體出水泵房斷電進(jìn)水泵房不斷電，根據(jù)箱體出水泵房處的水位上漲情況判斷，上漲到警戒水位則提供信號至進(jìn)水泵房，進(jìn)水速閉閘關(guān)閉，且進(jìn)水泵房逐一停泵，保證箱體內(nèi)污水不外溢。

（2）箱體出水泵房和進(jìn)水泵房同時斷電，關(guān)閉箱體進(jìn)水處的速閉閘，保證箱體不受污水淹沒。

（3）箱體進(jìn)水泵房斷電出水泵房不斷電，關(guān)閉箱體進(jìn)水處的速閉閘，保證箱體不受污水淹沒。

4.1.2 不受客水（雨水）影響

雨水不進(jìn)入箱體的前提是本區(qū)域周邊有良好的排水條件。廠區(qū)選址及地坪標(biāo)高設(shè)計一定要慎之又慎，選址避免位于洪澇區(qū)，設(shè)計地坪標(biāo)高在滿足城鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上有所提高，除此外：

（1）進(jìn)出口坡道在上坡口處設(shè)置雨水溝，且設(shè)置駝峰，見圖4，避免路面過多雨水進(jìn)入雨水溝，進(jìn)水雨水溝的雨水排入廠區(qū)雨水管網(wǎng)。

圖4 坡道上坡口的駝峰及排水溝設(shè)置實例

（2）進(jìn)出口坡道在下坡口處設(shè)置雨水溝，目的是雨量過大時，截留順著坡道流入箱體內(nèi)的雨水，此部分雨水就近引入箱體進(jìn)水泵房或箱體出水泵房。

4.1.3 其他工程措施

除上述工程措施外，還可以優(yōu)化如下工程細(xì)節(jié)，確保廠區(qū)箱體安全。

（1）可考慮于進(jìn)廠管線交匯井內(nèi)臨時放置排污泵，同時廠區(qū)備用柴油發(fā)電機，當(dāng)?shù)叵孪潴w停電不能進(jìn)水時，可保證污水臨時排入受納水體，避免污水淹沒箱體。

（2）進(jìn)入箱體一般設(shè)置速閉閘，為降低速閉閘的泄漏率，建議在箱體前的管道上設(shè)置閘閥提高保證率，避免特殊情況下污水淹沒箱體。

（3）建議廠區(qū)設(shè)置圍墻，在滿足上部綠化景觀要求的前提下，圍墻可采取底部實體圍墻，上部鏤空圍墻的方式。暴雨時，實體圍墻配合廠區(qū)、箱體進(jìn)出口的圍擋、沙袋（見圖5），進(jìn)一步提高防洪能力，避免客水進(jìn)入廠區(qū)。

圖5 箱體出入口圍擋設(shè)置實例

4.2 工藝設(shè)計

地下式污水處理廠池體內(nèi)光線不足，不利于巡檢。配水配氣盡量均勻，設(shè)計時候要盡量做到配水配氣路徑相等、損失相當(dāng)；攪拌器等設(shè)備需布置合理、有條件的盡可能根據(jù)布置情況做設(shè)備流場的CFD模擬，避免淤積，并合理預(yù)留反沖洗管道配合清淤。

地下式污水處理廠箱體內(nèi)水力坡降有限導(dǎo)致池體自流放空困難，目前大多地下式污水處理廠基本不單獨設(shè)置放空。曝氣設(shè)備需要檢修時，通常將本池污水臨時泵送至臨池，或利用反應(yīng)池內(nèi)回流泵、二沉池外回流泵及對應(yīng)管道、閘閥，將回流與放空巧妙設(shè)置在一起。設(shè)計在細(xì)節(jié)方面應(yīng)考慮設(shè)置臨時泵安裝位置、預(yù)留管道、閘閥及臨時用電介入位置。另外，反應(yīng)池在設(shè)計時需適當(dāng)考慮緩凝土蓋板，與設(shè)備及頂部葫蘆配合，縫隙處用細(xì)石混凝土勾縫，輔以抹面，抹面上做好標(biāo)示，以便能輕易找到檢修位置。

地下式污水廠密閉性好、積累的有毒有害氣體不易擴(kuò)散，負(fù)一、負(fù)二層在設(shè)置較好的通風(fēng)設(shè)施外，要求安全儀表安裝位置及數(shù)量設(shè)置合理，以保安全。

4.3 照明設(shè)計

地下空間的照明能耗較高，結(jié)合成熟的技術(shù)及地上景觀需求，地下空間照明局部可采用光導(dǎo)、太陽能輔助照明系統(tǒng)（見圖6），降低能耗及運營成本。

圖6 光導(dǎo)系統(tǒng)實例

4.4 通風(fēng)設(shè)計

地下式污水處理廠地下箱體部分屬于散發(fā)熱、濕及臭氣的車間，其面積、空間均較大[7]，除做好除臭系統(tǒng)設(shè)計外，根據(jù)箱體布置情況可采用機械送風(fēng)、機械排風(fēng)的全面通風(fēng)方式，也可以配合中間車道采用機械排風(fēng)、自然進(jìn)風(fēng)的通風(fēng)方式。

5 結(jié)語

隨著城市化進(jìn)程的加快及土地集約利用理念的發(fā)展，地下式污水廠在我國得到了迅速地推廣。在肯定其節(jié)約用地、環(huán)境友好、有利于冬季脫氮、能夠提高周邊土地價值等優(yōu)點的前提下，也應(yīng)該清醒的認(rèn)識到其施工過程、逃生疏散、防洪防澇、基建投資等方面存在的不利因素。在設(shè)計過程中，也要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)地上污水處理廠的設(shè)計思路，從工藝主導(dǎo)變?yōu)楦鲗I(yè)互為主導(dǎo)，重點考慮防洪防澇、運行維護(hù)、巡視檢修、照明通風(fēng)等方面的細(xì)節(jié)設(shè)計。