外水+內水 全地下式污水廠防淹這樣做！
防淹設計是全地下式污水處理廠安全設計的重中之重，水淹風險主要來自外水和內水兩個方面。來自外水的風險點包括雨水入侵、地下水入滲、管網超量來水和尾水排放河道的河水倒灌等。來自內水的風險點則主要是由于各種原因引起的二、三級泵房前池、細格柵前端、濾池進水渠及其廢水池以及廠區污水及放空泵房前池的滿溢。結合上海40萬m3/d規模的泰和全地下式污水處理廠的設計，對全地下式污水處理廠防淹設計的要點進行了有針對性的論述。
地下式污水處理廠由于其環境友好、節約用地、實現土地的綜合開發利用以及能較好地解決污水處理廠的鄰避效應等顯著優點在國內得到了逐步的推廣和應用。國內第一批地下式污水處理廠于2010年前后建成投產，包括了廣州京溪污水處理廠、深圳布吉污水處理廠、深圳西麗污水處理廠、鄭州南三環污水處理廠等。隨著大量項目落地，地下式污水處理廠固有的一些風險在設計和運行過程中逐漸顯現，其中水淹事故是地下污水處理廠面臨的重大風險之一，這樣的事故已有發生，會給污水處理廠帶來較大的經濟損失和安全風險，因此在項目建設尤其是設計過程中要充分考慮可能存在的風險點并事先采用相應的防范措施。
1 全地下污水處理廠水淹的風險點
1.1 水淹風險的來源
地下式污水處理廠有全地下和半地下兩種形式。按照國內約定俗成的定義，全地下式污水處理廠是指整個廠房埋于地下，廠房頂低于周邊地面，污水處理廠的生產管理在地下一層的操作空間內進行。半地下式污水處理廠是指僅水池等處理構筑物埋于地下，廠房高出周邊地面，污水處理廠生產管理層的標高與周邊地面標高基本一致。
由于全地下污水處理廠地下操作層的標高一般比周邊地面要低7~8m，低于地下水位和地面水體的水位，同時對進水水位的控制有很高要求，相對于地下而言，更容易發生水淹風險。由于全地下式污水處理廠的巡視人員和主要設備基本都集中在地下一層和二層，因此水淹風險造成的危害也大大增加。帶來水淹風險的水可大致分為外水和內水兩個部分。
1.2 來自“外水”的水淹風險點分析
這里所說的“外水”是指來自于污水處理廠地下箱體以外的水。通常包括雨水、地下水、管網的超量進水以及污水處理廠尾水排放河道的河水等。
來自雨水的風險點：雨水可能侵入污水處理廠地下箱體的地方主要是地下箱體的出入口、地下箱體頂部開設的各種吊裝孔、采光孔和通風孔等。
來自地下水的風險點：地下水對于污水處理廠地下箱體的風險主要來自于箱體本身結構和箱體進出管道洞口的滲漏，地下水的滲入量可能不大，但具有持續性，如果沒有及時發現也會給地下箱體內的設備尤其是供配電設備帶來較大的危害。
來自管網超量進水的風險點：地下廠對進水水位的控制有嚴格的要求，不能高于要求的安全水位。但管網來水量的波動不可避免，尤其在管網存在合流制系統或雨污分流不徹底的情況時，雨天往往會帶來超過旱天正常水量的沖擊負荷，處理不當就可能會導致進水泵房的水外溢至地下箱體內。
來自尾水排放河道河水的風險點：地下污水處理廠處理后的尾水通常通過出水泵提升外排河道，在河道水位處于高水位、同時發生出水泵停泵故障且止回裝置出現問題時，河水可能會通過出水管倒灌回地下箱體。
1.3 來自“內水”的水淹風險點分析
這里所說的“內水”是指已經正常進入污水處理廠地下箱體、在各個構筑物池體內處理的水。內水外溢淹沒地下箱體的事在地下污水處理廠中也時有發生，引發的原因各種各樣。
二、三級泵房的風險點：地下污水處理廠一般有進水泵房、中間提升泵房和出水泵房共三級泵房。當污水廠進水量波動，加減泵時如各級泵房之間響應不及時，或者某些故障情況下出現某一級泵房掉電停泵，就很容易發生泵房前池滿溢的危險。
格柵的風險點：污水處理廠進水細格柵處是一個容易被忽視的風險點。現在污水處理廠設計中，進水細格柵的柵隙通常選用3~6mm，當采用膜處理工藝時，柵隙會選用1mm。當進水柵渣量較大時，容易引起細格柵的堵塞；或者來水中有較大的垃圾時，會引起格柵的卡阻進而引起停機保護導致進一步加劇格柵的堵塞，這時格柵之前的渠道就容易發生溢出的風險。
濾池的風險點：污水處理廠深度處理段的濾池也是容易發生溢出事故的地方。在濾池發生堵塞沒有及時反沖洗，或者是濾池自控系統出現故障影響到正常出水時，濾池的進水渠道處也會發生溢出的風險。
廠區污水及放空泵房的風險點：地下污水處理廠通常要設置廠區污水及放空泵房，將污水和污泥處理過程中排放的廢水以及池體檢修放空的水提升到污水處理廠最前端。廠區污水及放空泵房通常設置在地下箱體的最低處，當各種原因出現進、出水量不匹配時，該泵房前池也極易發生滿溢的危險。
其他風險點：一般來講污水處理廠各工藝環節之間的水流靠重力流動的，則總體來講相對安全。如果要靠泵或其他設備來控制的，則風險度相對較高。如采用MBR工藝時，該工藝段的出水需要依靠產水泵，在產水泵出現故障或產水能力出現下降而前端工藝未及時減量時，膜池就有滿溢的風險。
2 全地下污水處理廠防淹設計要點及實例
以下結合上海40萬m3/d規模的泰和全地下式污水處理廠設計對全地下箱體的防淹設計要點進行闡述。上海泰和污水處理廠地下一體化箱體平面尺寸約350m×350m，采用全地下布置形式，污水處理廠地下一體化箱體的豎向布置如圖1所示，地下一層操作層的設計絕對標高-1.0m，低于周邊地面標高5.5m。
2.1 針對外水的防淹設計要點
2.1.1 雨水侵入的防范措施
在泰和污水處理廠的設計中，廠區設計地坪標高比周邊市政道路路面高出約50cm，以避免市政道路雨水排放不暢出現積水時倒灌進污水處理廠。地下箱體的進出道路在出入口處進一步設置了一段15cm高的逆坡避免道路雨水進入地下箱體。地下箱體進出坡道全線設置了輕質遮雨棚，并在坡道的入口和坡腳處各設置了一道400mm×400mm斷面的橫截溝攔截可能進入的雨水，其中入口處的橫截溝通過雨水管接入廠區雨水井，坡腳處的橫截溝就近接入污水處理池，進出坡道設計如圖2所示。地下箱體出露地面的設施中，風井的進出風口均設置防雨百葉，人員疏散樓梯間出口的標高均高出周邊地坪30cm，設備起吊孔都加設了輕質防雨罩等。
2.1.2 地下水入滲的防范措施
泰和污水處理廠地下箱體按防水等級一級的要求設計，采取多道防水措施，具體做法包括：箱體側墻為疊合式雙層墻，圍護結構作為主體結構的一部分，圍護結構采用地下連續墻，墻厚1 000mm，抗滲等級P10，內襯墻體厚度600~800mm，抗滲等級P8。地下連續墻與內襯墻之間采用水泥基滲透結晶型防水涂料，在干作業區內襯墻內側另外設置一道水泥基滲透結晶型防水涂料層。箱體底板厚度1 400~1 600mm，抗滲等級P8，底板下層設置高分子自粘膠膜防水卷材。干作業區底板上層設水泥基滲透結晶型防水涂料層。箱體頂板厚度250mm，抗滲等級P8，頂板下層設置水性滲透結晶型涂料防水層，上層設置聚脲彈性防水防腐涂料以及SBS改性瀝青耐根穿刺防水卷材。
2.1.3 來自管網超量進水的防范措施
泰和污水處理廠設計中對于管網可能出現的超量來水采取了被動防范和主動防范兩種措施。被動防范措施是在來水超量、污水處理廠進水泵房前池液位超過最高報警液位有溢出風險時，進水速閉閘門迅速關斷，污水處理廠停止進水以確保安全。污水處理廠進水井的設計如圖3所示，為確保安全，進水井頂板做到箱體的頂板高度，即使進水水位超出地下操作層標高也不會溢出。另外，在速閉閘門之后還設置了一道電動閘門，即使在速閉閘門故障的情下，還能通過電動閘門關斷進水。主動防范措施則是通過工程手段和管理手段，對污水處理廠的進水流量進行調控，最大程度地避免污水處理廠進水泵房前池液位的劇烈波動。工程手段是在污水處理廠的進水端設置了一個系統調蓄池，調蓄池容積15萬m3。調蓄池進水渠道內設置有水平格柵及液動閘門，液動閘門的開啟高度可調。當污水處理廠進水量超過設計規模，進水水位超過溢流液位時，超量的水會首先溢流進入調蓄池，從而保證進水水位的穩定和地下箱體的安全。系統調蓄的設計如圖4所示。管理手段則是通過系統的聯動調度，調節系統內各污水處理廠之間的流量分配來達到水量調控的目的。泰和污水處理廠屬于上海石洞口污水系統，與石洞污水處理廠共用新西干線一根系統總管（見圖5）。當泰和污水處理廠進水出現高水位風險時，可通過系統調度，加大月羅泵站向石洞口污水處理廠的輸送水量。極端情況下還可以減小上游新薀藻浜泵站的輸送水量，通過系統調度向其他污水片區進行分流。
圖3 進水井設計
圖5 片區污水系統
2.1.4 河水倒灌的防范措施
主要有兩個措施，一是在出水泵后的管路上設置可靠的止回裝置，即使在出水泵事故停泵、河道水位高企的情況下也能阻止河水倒灌回地下箱體內。二是在出水高位井內再設置一道閘門，在全廠停運、事故檢修或其他特殊工況下，可關斷該閘門切斷與河道的聯系從而確保污水處理廠地下箱體的安全。
2.2 針對內水的防淹設計要點
2.2.1 二、三級泵房滿溢的防范措施
泰和污水廠設計中，首先，為防止各級泵房之間水泵流量的不匹配導致加減泵時出現水位的大幅波動，進水泵房（一級泵房）、中間提升泵房（二級泵房）和出水泵房（三級泵房）的水泵都按照8用2備的相同數量進行配置，單泵流量也相同。運行時各級泵房依次同步開停，從而保持前后流量的匹配和穩定。其次，各級泵房前池均設置了液位計和浮球開關，水泵也配置了變頻裝置，運行時根據泵房前池液位的變化可增減水泵或變頻運行。第三，在二、三級泵房前池設置了溢流管，管徑DN500，管口標高高出前池最高設計液位50cm，這樣在前池水位非正常波動的情況下，超量來水可以通過溢流管溢流進入廠區污水系統而不至于發生池體滿溢。第四，建立各級泵站之間的聯動控制機制，在后一級泵站出現掉電或故障停泵時，前端泵站自動關停。另外，有條件的情況下宜適當加大二、三級泵房前池的設計池容，通過增加調節容積來盡量減小池內的水位波動。
2.2.2 格柵前滿溢的防范措施
針對污水處理廠細格柵攔截壓力大，容易堵塞的問題，泰和污水廠設計中在常規配置粗、細兩道格柵的基礎上，增設了一道中格柵。其中粗格柵采用回轉式格柵，柵條間隙20mm，中格柵采用回轉式固液分離機，柵條間隙10mm，細格柵采用內進流網板式格柵，柵條間隙3mm。三道格柵的設置可減輕細格柵的截污壓力，緩解因細格柵堵塞而造成格柵前端污水冒溢的風險。其次，建立格柵前液位和進水水泵聯動調控的機制，設置中、細格柵前報警水位。其中中格柵前池頂板標高0.80m，設計水位-0.20m，設定報警水位0.30m；細格柵前池頂板標高0.30m，設計水位-0.50m，設定報警水位0.00m。當格柵前水位超過報警水位則依次關停進水泵，避免造成格柵前污水冒溢。另外，在中、細格柵前也可以設置溢流管或超越渠道，事故情況下可通過溢流管讓污水回流到進水泵房前池或通過超越渠道實現事故超越。
2.2.3 濾池滿溢的防范措施
濾池是污水處理廠中自控程度和管理要求都相對較高的一個處理構筑物。容易發生滿溢的風險點一是濾池的進水渠，可能會因為濾池堵塞或誤操作等原因發生滿溢；還有就是濾池的反洗廢水池，容易因為廢水泵故障、控制系統問題或濾池進水漏進廢水池等原因發生滿溢。而設計的防范措施除可靠的自控報警系統外，設置溢流管是一種最簡單有效的措施，在濾池進水渠和廢水池內均宜設置溢流管，管口標高位于設計水位和池頂板之間，溢流管道接入廠區污水管。
2.2.4 廠區污水及放空泵房滿溢的防范措施
污水處理廠正常運行情況下，撇渣排出的污水、垃圾壓榨和砂水分離的污水、污泥脫水的污水、濾池反洗廢水以及除臭系統排出的廢水等均最終匯集到廠區污水及放空泵房。構筑物檢修情況下，檢修構筑物的放空水也會匯集到廠區污水及放空泵房，因此該泵房是地下污水處理廠內排水壓力很大的一個點。在設計該泵房時，需按照正常運行工況、正常運行疊加一組生反池放空的工況來分別計算和校核。按照正常運行疊加放空的不利工況來確定泵房的規模，水泵配置數量需要滿足不同流量情況下靈活調度的需求。另外，由于該泵房的重要性很高，因此泵房前池宜盡量設計大一些以提供足夠安全的調節容積。泰和污水處理廠設計中，在一體化箱體的地下二層設置了廠區污水及放空泵房，泵房前池容積約4 500m3，配置了3臺潛污泵，2用1庫備，單泵參數Q=501 L/s，H=17.3m，P=120 kW。
2.3 其他設計要點
除以上主要節點以外，在全地下污水處理廠的防淹設計中，還有以下注意事項：
雙電源供電：污水廠需要有兩路獨立的供電電源，在一路電源停電的情況下能自動切換到另一路電源，確保供電的安全。
完善的自控系統及報警系統：污水處理廠內有水位控制需求的點都需要設置液位計，重要的地方如廠區污水及放空泵房前池甚至可以設置雙液位計以提高安全性。廠內要有完善的自控系統實現各處理環節之間的聯動控制，還要有完善的報警系統，在區域停電、設備非正常停機、液位超限以及其他事故情況下能迅速報警，提示管理人員及時處理。
積水排出設施的設置：在地下箱體內如地下管廊等低處，需通長設置集水邊溝，并每隔適當距離設集水坑并安裝存水泵，以備在有局部管道泄漏時能將積水及時排出。泰和污水處理廠在一體化箱體內沿底板邊緣均設置了200mm×200mm的排水溝、匯入800mm×800mm×800mm的集水坑，坑內設置了固定安裝的存水泵。整個箱體內共設置了10處集水坑，存水泵單泵參數Q=25 m3/h，H=12m，P=1.5 kW。
設備要有足夠的備用率：按設計規范配置備用設備的基礎上，關鍵節點的設備備用率可適當提高。
另外應急設備的庫備也要充分考慮，如水淹事故發生后的應急排水水泵、箱體入口的應急防汛擋板以及其他防汛物資等。
3 結 語
安全設計是全地下污水處理廠設計考慮的重中之重。相對于常規的地上式污水處理廠，全地下污水處理廠要復雜得多，對設計和運行管理的精細化都提出了更高的要求。雖然近年來國內的全地下式污水處理廠建設呈爆發式增長，但大部分項目都是2015年后才開始啟動立項和建設的。國內全地下污水處理廠的設計和運行經驗也就十來年時間，應該說經驗還是相對缺乏。這些年來已建成運行的全地下污水處理廠中，大大小小的水淹事故也有發生，有設計考慮不周的原因、有運行管理疏忽的原因、也有設備系統各種故障引發的原因。總之，還需要在今后項目的實際運行中不斷發現問題、總結經驗，才能有效地化解已知和未知的各種風險，更好地確保全地下式污水處理廠的安全，從而更好地發揮全地下式污水處理廠的綜合效益。
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