特殊狹長用地情況下地下廠污水處理廠設計案例
地下式污水處理廠的建設有多種應用場景，如對處理后的出水有再生利用需求，需采用地下分散式污水治理思路，避免污水處理廠設置在下游，增加輸水干管敷設長度；對選址用地有集約節地的要求，現有用地面積無法滿足常規布置需求；降低選址對周邊用地價值的鄰避效應，以減少對周邊的噪聲污染和環境影響等。地下式污水處理廠在我國起步較晚，但發展較為迅速，目前集中應用在經濟發達、人口密度高、對土地資源要求和環境質量要求高的城市及地區。如采用多級AO工藝的全地下式北京市碧水再生水廠；采用“預處理+二級生物處理+混凝沉淀+反硝化過濾”工藝的全地下式上海市泰和污水處理廠；貴陽市南明河流域采用AAO+MBR工藝的貴醫污水處理廠等。當前，在北上廣深等一線城市、昆明市和大理市等環境敏感區域以及杭州市、青島市、合肥市等人口密度較高地區均有運行或在建的地下式污水處理廠。
本文總結了狹長形用地紅線內全地下式污水處理廠同標高共底板的設計思路，最大程度發揮豎向空間作用，結合池體豎向分布特點，利用生物反應池臨近空間設置溢流調節泵房，作為同類地下式污水處理廠工藝設計及功能布局的參考。
1 項目概況
地下式污水處理廠的建設多布設于用地條件受限或出水需就地資源化的場景。由于本案例選址臨近密集的住宅區和大型商圈，公用設施建設用地面積有限且為狹長條狀，綜合考慮出水水質、對周邊環境的影響等因素，設計確定采用全地下式污水處理廠。出水水質按《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中一級A排放要求設計，除TN含量按≤15 mg/L、SS含量按≤10 mg/L執行外，其他指標均執行地表IV類水質標準。該污水處理廠處理后尾水排入臨近明渠，作為明渠的生態補水。
2 處理工藝
目前，地下式污水處理廠二級處理核心工藝通常選擇改良AAO、深床濾池、MBBR等一些運行成熟、能耗低的工藝或其組合。根據國內地下污水處理廠的調研，50%以上的地下污水處理廠采用AAO及其改良工藝作為污水處理主工藝，超過25%的地下污水處理廠采用MBR作為主工藝，IFAS、MBBR工藝等高效生物膜工藝在地下式污水處理廠中也有應用。
本工程污水處理廠進水為暗涵輸送周邊區域的生活污水，旱季為片區旱流污水，雨季則為合流污水，參考周邊區域污水處理廠進水水質并調研晴雨季明渠水質后確定進水水質，結合修建性規劃對該明渠河道的功能定位及尾水的補水用途，出水水質需穩定達到一級A標準，主要指標達到地表IV類水質標準，因此，最終確定本工程進、出水水質。
選址現場南北兩端分別為鐵路干線和加氣站，出于安全考慮深基坑南北兩端須退讓50.0 m以上的距離，地下空間可用面積不足2×104m2，因此，嚴格的用地限制是工藝選擇的主因，而采用常規二級處理加深度處理并不具備現實條件。鑒于嚴格的用地限制及周邊商住環境限制，必須選擇占地少、處理效果穩定可靠的工藝，同時能有機組合減少環境影響，最終確定該污水處理廠的工藝流程如圖1所示。
該工藝采用多點進水，厭、缺氧區均設進水口，以解決缺氧區碳源不足的問題。AAO生物池混合液采用分段回流，缺氧池混合液回流至厭氧池補充污泥量，降低厭氧池DO確保聚磷菌有效釋磷，好氧池混合液回流至缺氧池實現硝化液回流，膜池內高濃度污泥外回流至好氧池。生物池的內、外回流比例據進水水質靈活控制，可最大限度利用碳源，提高脫氮率和抗晴雨季水質波動的能力。
地上式污水處理廠泥水分離多采用圓形幅流式二沉池，地下式污水處理廠受限于空間及對集約用地的需求，多采用單層或雙層矩形沉淀池。此外，MBR膜也是一種常見的泥水分離方式。為減少占地和提高出水水質，該工藝泥水分離通過MBR完成，污水處理車間采用全地埋設置，結構形式采用箱體，構筑物均加蓋以便臭氣收集和處理。
3 處理車間布置
地下式污水處理廠需考慮污水處理及輔助設施的布置，按常規分設兩組獨立處理線，這既要結合用地條件，又要結合區間功能與施工、巡檢等所需空間以及采光通風、除臭消防等要求統籌考慮。
建設方給定的用地范圍是長約500.0 m、寬約80.0 m的條狀地塊，南面為鐵路，西面為大型商圈，東面為高架路，綜合上述邊界條件，優化設計后確定該地下污水處理廠處理車間平面布置如圖2所示。
總平面打破常規的中間道路、兩邊對稱的布置方式，結合用地紅線的特點，將地下道路布置在紅線的弧形一側，兩條水處理生產線并列緊湊地布置在另一側，盡可能減少對用地的分割。根據池體深度在豎向上的分布特點，利用生物池對應路段下方的空間安排應急溢流調節泵房和排水泵房，最大程度發揮豎向空間的作用。
整個污水處理車間長約282.0 m，寬約64.0 m，采用雙層加蓋形式，主要分兩層：上層層高約6.6 m，為設備操作層和車道，下層層高約7.0 m，為構筑物層及管廊。車間頂部覆土1.6 m以上，車間下部距設計地面最深處約15.4 m（生物池和應急溢流泵房底板內底），其他部分在地下9.4~13.4 m。箱體頂板向長邊方向放坡，以排放景觀土壤層的積水。車道入口附近設雨篷，采用反坡設計并設置橫向截水溝。
預處理區主要為兩道格柵及沉砂區，如圖3所示，包括柵渣區，豎向上將細格柵池的下部空間作為空壓機設備間。預處理區內充分利用高凈空部分作為格柵沖洗水箱及水泵放置區域。
生化處理區則為AAO主工藝段，如圖4~圖7所示，在結構的豎向設計上作為最大埋深處，整體為鍋底狀，設計考慮的關鍵是AAO生物池及MBR反洗水池溢流排水的去處。為減少占地，結合管廊首層設置，將MBR反洗水池及AAO生物池溢流排水全部納入管廊最底層的排水泵房和溢流泵房內，與生物池共底板。除臭設施置于生物池頂板上，能充分利用生物池頂板上方空間。
設備及加藥間包括MBR產水泵、鼓風機房、配電間等，構成附屬綜合車間，污泥處理區則包括脫水間、泥庫、消毒間等。加藥間藥劑采用液體藥劑地面卸料方式，通過卸料泵將藥劑接入加藥間。離心濃縮脫水后的污泥通過管廊地下一層車行通道收集外運處置。
該污水處理車間占地約1.8×104m2，考慮地上景觀及配套驛站總用地紅線的面積約2.91×104m2，根據《城市污水處理工程項目建設標準》中污水處理廠對用地指標的要求，二級處理加深度處理占地指標為0.8m2/t，該地下式污水處理廠占地僅為同規模常規地面污水處理廠占地（8×104m2）的36.4%。
4 主要設計參數
4.1 進水及預處理單元
進水由明渠自流進入結合井，經井內粉碎性格柵機處理后通過下開式堰門自流進入地下式污水處理廠細格柵池，細格柵、曝氣沉砂池及膜格柵作為預處理單元組合在一起，在預處理終端形成兩組配水井。細格柵間安裝3臺柵隙為5 mm的內進流網板式細格柵，膜格柵間安裝4臺柵隙為1 mm的內進流網板式精細膜格柵。
曝氣沉砂池分兩格，每格裝有10處T型鋼制穿孔管，供氣由兩套磁懸浮鼓風機提供，單臺流量為18m3/min，風壓為39.2 kPa。每格安裝1臺漂浮螺桿，通過管道輸送至浮渣分離一體機。另設兩套氣提吸砂泵和一套砂水分離器Q=60 m3/h。曝氣沉砂池水力停留時間為6.5 min，曝氣量為0.2 Nm3/m3污水。
4.2 二級處理及消毒出水
生化單元為AAO生物池，設兩組，對稱布置形成整體，隔墻分隔，每座由厭氧區、缺氧區及好氧區組成，厭、缺氧區分段進水，既補充了反硝化碳源以提高脫氮效率，又降低了回流硝化液攜帶的溶解氧。
厭、缺氧區及好氧區均以導流墻形成推流式的矩形水池，厭、缺氧區內均設潛水推進器，各分區均設3臺穿墻潛水泵。MBR膜池內污泥回流到好氧區的回流比為300%~400%，回流渠道內設8臺（6用2備）污泥回流泵，將膜池污泥回流至好氧區起端，兩臺剩余污泥泵的單泵流量為130 m3/h，揚程為16 m。AAO生物池設計泥齡為12 d，污泥負荷為0.055 kgBOD5/(kg MLSS·d)，總停留時間為10.35 h。
生物池好氧區采用板條式曝氣器，設計氣水比為5.2：1.0，由鼓風機房內3臺帶變頻裝置的空氣懸浮鼓風機提供曝氣，單機供氣量為181 m3/min。
AAO生物池后接MBR池及紫外線消毒間，MBR膜池分2組，承擔泥水分離功能，另外可強化有機物和氮的去除效果。該工藝將MBR膜池與AAO好氧池合建，通過渠道調整MBR進、出水方向，將膜池的進水引入后端，而回流液在膜池前端，采用穿墻泵和回流渠完成污泥回流。每組膜池共分為7列，每列有膜組件19個，每列預留膜組件安裝空位1個，該單元共安裝膜組件數量為133個。選用聚偏氟乙烯（PVDF）浸沒式中空纖維膜，孔徑為0.04 μm，膜面積共237 910.4 m2，平均膜通量為17.5 L/(m2·h)，最大跨膜壓差為0.05 MPa，膜組件產水10~12 min，反吹掃1 min。MBR膜池一側設置酸洗池、堿洗池、沖洗水池及反沖洗水池。膜池吹掃由鼓風機房內3臺帶變頻空氣懸浮鼓風機提供，氣水比為9.0:1.0。
采用3套管式紫外線消毒裝置，每套平均處理流量為1 389 m3/h，紫外消毒設備紫外線劑量在15~22 mJ/cm2。此外，預留應急時NaClO的投加及相應管路系統，出水經巴氏計量槽計量后排入臨近明渠作為生態補水。
4.3 污泥處理單元
污泥處理單元由污泥緩沖池、離心式濃縮脫水一體機及污泥料倉組成，設5套離心濃縮脫水一體設備（4用1備），每套處理量為50 m3/h，剩余污泥含水率由99.4%降至80.0%以下，每日運行16 h。輔助設施包括污泥切割機、污泥進料泵、加藥泵、沖洗裝置及制藥設備。每臺脫水機配套脫水后干污泥輸送泵，脫水污泥被送至料倉，兩套污泥料倉總容積為100 m3，卸料能力為30 m3/h。脫水機設兩套PAM制配系統，1用1備，配置能力為5 kg/h，配備5臺PAM投藥泵，單泵流量為1 500 L/h，投加點位包括污泥脫水前和污泥緩沖池。
4.4 加藥單元
加藥間藥劑配置采用液態藥劑，包括混凝劑PAC、碳源NaAc、檸檬酸和NaClO，設卸藥泵，流量為20 m3/h，并配置藥劑儲罐及投配系統。PAC藥劑投加點為好氧池出水端，單泵流量為350 L/h；NaAc投加至生物池缺氧區補充碳源，單泵流量為500 L/h；檸檬酸原位清洗投加至產水泵吸水管、酸洗池和水洗池；NaClO原位清洗投加至產水泵吸水管、堿洗池、水洗池和反沖洗池。
4.5 除臭及通風單元
除臭采用生物除臭，所需密閉、收集及除臭的構筑物及設施主要為進水及預處理單元、二級生化單元和污泥脫水機房等，除臭為兩套系統，總風量為100 000 m3/h。
車間內地下一層過道、二層管廊、鼓風機房、加藥間、膜設備間、細格柵、膜格柵、曝氣沉砂池等設備集中區域采用機械排煙、自然補風的方式；脫水車間、儲泥池、變配電間、生物池上部及地下一層走道和二層管廊采用加壓送風。設計選用單速導翼型風機和高溫雙速消防風機，雙速消防風機平時低速排風，火災時高速排煙。脫水機、變配電間、MBR膜池及生物池上部、地下一層走道采用單速導翼型；泥庫、鼓風機房、加藥間、膜設備間、預處理區、儀表間及地下一層走道及地下二層管廊采用高溫消防風機；脫水間、變配電間及地下一層走道采用單速消防加壓送風機。共設置9套排風（煙）系統，換風次數根據區域性質按3~8次/h設計。
5 結論
（1）該地下式污水處理廠設計規模為10×104 m3/d，采用AAO+MBR作為核心生物處理組合工藝，設計出水除TN和SS的限值分別為15 mg/L和10 mg/L，其他出水水質均滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中地表水IV類水標準，處理后尾水排入臨近明渠作為其生態補水，目前該污水處理廠正處于建設中。
（2）全地下式污水處理廠工藝設計需充分結合下沉箱體的各平面功能和豎向結構，為便于開挖支護、地基處理及抗浮設計，箱體總體布置應將埋深相近的構筑物集中布設，達到同標高共底板。此外，從運維角度需重點統籌采光通風和消防的設計，方可在保障污水處理廠安全運行的前提下節省運維成本。
（3）地下箱體平面布置應因地制宜，豎向上綜合利用。該工程結合帶狀地形將地下車行道布設在紅線的弧形一側單向通行，兩條水處理生產線并列緊湊的布置在另一側，以減少對用地的分割。并結合池體深度在豎向上的分布特點，利用生物池對應路段下方的空間設置應急溢流調節泵房和排水泵房，最大程度發揮豎向空間的作用。
（4）本項目總投資約6億元，單方投資約6 000元/m3污水，較常規地上式污水處理廠建造成本3 000元/m3污水增加約一倍，因此，當采用全地下式污水處理廠必須權衡周邊影響和投資成本兩者的關系。
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