基于案例的地下污水處理廠技術經濟分析

鄭永鵬

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

近年來，隨著我國經濟的不斷發展，人們對生存環境的要求日益提高，尤其是隨著“青山綠水”建設理念的提出，人們對環境的重視提高到一個全新的高度。在建設形式上，污水處理構筑物一般都是地上獨立建設，隨著城市用地、城市景觀要求，以及城市綜合環境的限制，近幾年也紛紛采用地下建設。該類型的污水處理廠具有其獨特的建設形式。

1 地下污水處理廠的特點

我國最新版本的《室外排水設計規范》（GB 50014—2006）2016年版并未對污水處理廠的建設形式下定義，國內也未有相關的設計標準。根據國內外已經實施的地下污水處理廠，可以將該類污水處理廠歸納為一種集約化池體構筑物布置、上部整體加蓋的建設形式，工藝設計水位一般位于設計地面以下。國內主流的布置形式有三種：半地下雙層加蓋式、全地下雙層加蓋式、全地下單層加蓋式[1]，見圖1～圖3所示。

2 技術經濟分析

2.1 設備投資

2.1.1 工藝設備系統

圖1 半地下雙層加蓋式示意圖

圖2 全地下式雙層加蓋式示意圖

圖3 全地下式單層加蓋式示意圖

地下式污水處理廠因受檢修、操作空間的限制，設備質量和性能比地上式污水處理廠的要求 高，不論是建設管理部門還是建設實施各方均對地下式污水處理廠設備提出了高可靠性、高效率、高度自動化的要求，因此在設備一次性投入上要高于地上污水處理廠。并且考慮到地下運行，以及污水腐蝕環境的影響，設備選材上要嚴于地上污水處理廠。

2.1.2 電氣設備系統

對于地下污水處理廠，首先是各類用電設備總功率相較于地上污水處理廠大，電氣系統因總體負荷增加會增大相應投資，并且地下電氣設備選型需要充分考慮污水廠環境影響，采用防腐蝕性能的產品；其次是電纜，消防用電纜需采用礦物絕緣電纜和無鹵低煙阻燃耐火電纜，其余電纜均需采用無鹵低煙阻燃電纜，該部分內容一般需要相應增加20%投資；最后因地下污水處理廠為全封蓋式，需要增設日常照明、應急照明、疏散指示照明等，并且一般電氣設計均采用E P S集中供電，增加相應設備費用。

2.1.3 儀表及自控系統

因為地下污水處理廠上部為一體化箱體，屬于密閉空間，如果發生污水散發的有毒有害氣體聚集、水體溢出、內部設備火災等情況，會對內部正常操作的人員造成較為嚴重的后果，因此對于儀表及智能監控設施提出較高要求。首先需要增加各類氣體監測設備，包括甲烷、硫化氫等，各出入口設置聲光報警器；其次需要完善火災報警系統，包括設置報警器、自動滅火設施等；相較于普通污水處理廠，還需要加強對液位的監控和控制，增設液位儀，設定污水溢出的分級報警，當超過警戒液位時，關閉閘門、水泵等；最后還必須建立一套智能化的信息監控管理系統，包括廣播系統、無線對講系統、門禁系統等，這些都是相較于普通污水處理廠的投資增加部分。

2.1.4 暖通系統

對于暖通系統而言，地下與地上污水處理廠在空調系統上投資相差不多，鼓風機房、變配電間、值班室、儀表間、辦公樓等區域的空調設置均相差不大，主要增加的投資為通風系統。地上污水處理廠對于通風換氣的要求不高，一般針對泵房、污泥脫水間等幾個單體即可，而地下污水處理廠上部加蓋，形成巨大的密閉空間，通風換氣的空間大大增加。首先是水池上方的空間區域增加了通風換氣的需要，另一類是配電間、變壓器室等生產性用房的通風換氣的需要，相應的投資相較于地上式污水處理廠增加不少。

2.2 土建投資

2.2.1 基坑圍護

基坑圍護對工程的影響較大，不僅對工程整體安全具有重大影響，還往往是工程造價的控制關鍵點。一般來說，基坑圍護屬于臨時性工程，各方都不愿意投入太多資金。但是，其重要性及發生事故而引發的后果都是巨大的。因此，基坑圍護越來越受到各方關注。考慮到池體水深的要求，地下污水處理廠一般埋深較大，能達到10m左右，尤其是全地下污水處理廠，基坑深度可能超過15m，例如上海市泰和污水處理廠的基坑深度達到18m。而普通的地上污水處理廠因水力高程的作用，埋深較大的構筑物不多，并且基坑深度也要小于地下污水處理廠。因此，基坑圍護的投資要遠遠小于地下污水處理廠。

2.2.2 土方、降水及支撐工程

就地下污水處理廠施工順序而言，做好基坑圍護后，下一步工序就是土方開挖、基坑降排水及施作支撐工程等。因為整體深基坑的原因，土方工程量、土方開挖單價、降排水選用形式、降水周期及支撐工程的實施均導致地下污水處理廠的費用要高于一般地上污水處理廠。

2.2.3 地基處理

對污水處理廠而言，構（建）筑物對地基的要求主要包括三個方面：首先是承載能力要夠；其次是地基的變形要在構筑物的允許承受范圍內；最后是抗浮。對于地上污水廠的建（構）筑物視具體埋置深度采用天然地基、級配砂石換填、樁基等地基處理方式。對于地下污水廠的建（構）筑物一般在10m左右，水池及箱體加上覆土后荷載很大，且不同單元之間荷載相差大，為避免構（建）筑物不均勻沉降，同時考慮構筑物自重抗浮尤其局部抗浮不滿足，一般需采取樁基支承抗浮，對于底板已進入巖層的構筑物采用天然地基，但仍需設置抗浮錨桿。這就導致地基處理費用相較于地上污水處理廠投入多。

2.2.4 主體結構

相較于地上污水處理廠，地下污水處理廠在結構上最大的不同是增加了上部加蓋，現在設計較多的形式是水池集約化一體布置，箱體建于各水池之上，箱體內一般需要根據建筑防火分區的要求布置防火墻。同時，為了方便人員、設備的進出，滿足消防通風的要求，箱體要設置豎向的出入口和通風井，在下部綜合水池及箱體中設置通道與出入口聯通。這些均是主體結構中需要增加投資的地方。

2.3 其他外部效益分析

在分析地下污水處理廠工程技術經濟后，可以得到較為明顯的結論，投資相較于地上污水處理廠是增加的。但是相對于投資增加的部分，其發揮的社會效益和潛在的經濟效益是巨大的，表面的投資增加卻帶來了長遠的經濟效益。

2.3.1 土地資源節省

污水處理廠的建設不僅需要考慮整個廠區的用地情況，還需要兼顧周界的影響，在《室外排水設計規范》（2016年版）中就明確規定，污水廠要少拆遷、少占地。從現有已經建設的地下污水處理廠看，其對于土地資源的節省是顯而易見的，隨著城市用地的日趨緊張，某種程度上，節省用地的價值，以及周邊土地使用價值的提高要遠遠大于其建設的投入。

2.3.2 環境效益明顯

地下污水處理廠全封閉的結構一般都是環境友好型，頂部箱體做功能化處理，根據實際情況及其用途區分，可以在頂部建造配套建筑、公共公園、頂部停車場、廠區綠化、市民休閑中心等，不僅擺脫了污水處理廠臟臭的問題，還進一步兼顧了城市功能，具有一定的經濟效益和社會效益。

3 案例研究

3.1 工程概況

某污水處理廠位于湖南省岳陽市，原一期已建工程處理規模為5萬m3/d，現狀已超負荷運行，隨著配套管網的實施，進入污水處理廠的污水量將大大增加，需盡快進行擴容，以適應新的發展形勢需要。

此次工程對原有污水處理廠進行擴容，擴容工程規模為5萬m3/d，變化系數1.3，工藝采用AA O反應池+二沉池+高效沉淀池+回轉式過濾器+紫外線消毒工藝，主要構筑物如表1所列。

表1 構筑物一覽表

考慮到該污水處理廠的特殊地理位置，周邊規劃為城市居住用地，該工程擴容項目采用半地下雙層加蓋布置，主體污水處理構筑物均采用半地下布置，頂板以上覆土并實施綠化布置，滿足景觀功能的需求，使污水處理廠與周圍環境和諧統一。因工藝流程設計導致該項目基坑坑底標高變化較大，擬建地下污水處理廠構筑物埋深約6～10.5m，整體構筑物采用灌注樁支承抗浮。因場地限制，基坑圍護采用雙排灌注樁形式，內部設置高壓旋噴樁格構式加固和止水，同時，基坑深度較淺的區域采用分級放坡開挖。

3.2 編制依據

此次技術經濟指標的計算基于初步設計概算，定額依據為《湖南建筑消耗量定額》（2014）、《湖南裝飾消耗量定額》（2014）、《湖南安裝消耗量定額》（2014）、《湖南市政消耗量定額》（2014）。其他依據包括岳陽市工程造價信息（2018年1月）、市政工程設計概算編制辦法（建標[2011]1號），以及類似工程技術經濟指標。取費標準執行湘建價[2016]160號文《調整補充增值稅條件下建設工程計價依據的通知》及《關于增值稅條件下材料價格發布與使用和規定》的通知。人工工資參照湘建價[2017]165號文中湖南省各市、州建設工程人工工資單價，岳陽市88元/日。設備價格為設備原價與設備運雜費之和，主要工藝設備采用市場詢價方式參考定價，一般設備根據類似工程經驗取定。

3.3 投資分析

根據上述分析，基于概算階段，對該污水處理廠的技術經濟指標進行匯總統計，具體數據如表2所列。

該項目為已建工程的擴容，不考慮計列鋪底流動資金。從表2可以看出該項目工程費指標為5 862.15元/m3，總投資指標為7 008.89元/m3。從指標上看比該類型一般地上污水處理廠高2 000元/m3左右，主要原因正如上文中分析的，可以從土建和設備投資兩個方面考慮，從該項目上看，土建增加的費用較大，尤其是上部箱體、基坑圍護增加的費用。

地下污水處理廠雖然土建和設備投資相較于普通地上污水處理廠大，但節約了大量的土地資源，隨著城市建設的日趨成熟，土地資源越來越緊張，土地價值也逐年增加，節省的土地價值有可能大大超過土建及設備的投入。

根據《城市污水處理工程項目建設標準（修訂）》（2001）的相關規定，城市污水處理工程建設規模類別和污水處理級別劃分應符合相關規定，具體如下所示[2]：

表2 污水處理廠技術經濟指標一覽表

建設規模類別（以污水處理量計）：

Ⅰ類：50～100 萬 m3/d；

Ⅱ類：20～50 萬 m3/d；

Ⅲ類：10～20 萬 m3/d；

Ⅳ類：5～10 萬 m3/d；

Ⅴ類：1～5 萬 m3/d；

注：以上規模分類含下限值，不含上限值。

該項目處理規模為5萬m3/d，取定的類別應為Ⅳ類。不同類別的污水處理廠用地指標各不相同，單位水量的建設用地不應超過相應指標。根據《城市污水處理工程項目建設標準（修訂）》（2001）的相關規定，具體指標如表3所列。

表3 污水廠建設用地指標一覽表[2]m2（/m3·d）

該工程建設規模類別屬于Ⅳ類項目，新增用地 15 069.54 m2，約 22.60畝，建設用地指標根據相關標準可計算得到（0.45+0.35）×50 000=40 000（m2），即 60畝，相較于該次污水處理廠用地22.6畝的規模，節約了37.4畝工程用地，這部分土地的效益巨大。同時產生的環境效益，以及其他經濟效益則是長期發揮作用的。

4 結論

地下污水處理廠與地上污水處理廠在工藝路線上并無不同，之所以能得到迅速推廣，最大的推動力還是對土地資源的高效利用，尤其是在土地資源緊張的大城市，地下污水處理廠因其自身的特點廣受歡迎。該布置形式雖然在一次性投入上比較大，但是隨著時間的推移，其社會效益、環境效益的優點會逐步發揮重要作用。