某多效能全地下式污水廠集約化設計方案
近三十年，我國建設了大批污水處理廠，其中大多采用地上式的布置形式。隨著城市發展，部分污水處理廠周邊已經演變為環境敏感區或人員聚集區，地上式污水處理廠與區域周邊敏感環境存在不適應、不協調情況，在一定程度上制約了周邊地區的經濟及社會發展。
受此影響，近年來在公眾敏感區中，一批地下式污水處理廠相繼建設并投產運行，如深圳布吉污水處理廠、青島高新區污水處理廠、昆明市第九污水處理廠、上海嘉定南翔污水處理廠、蕭山錢江污水處理廠四期工程、北京市槐房再生水廠等。這些地下污水處理廠將各構(建)筑物在地下空間內組團式布置，并利用頂蓋建設景觀公園、休閑場地或體育運動場所等，可節省占地、提高周邊環境品質，易于獲得周邊居民的接受和支持，緩解“鄰避效應”。保定某污水處理廠地處市區，用地分散，在二期擴建工程中亦采取地下式集約化布置，實現了多方效能，可為類似工程提供一定的參考。
1 工程建設形式及特點分析
1.1 水廠現狀及二期擴建功能需求
保定某污水廠地處市區，現狀處理規模為8萬m3/d，自1995年投產運行后進行多次改造。目前，設計進出水水質如表1所示。
污水處理工藝為“預處理+五段Bardenpho+二沉池+超細格柵+磁混凝沉淀+反硝化深床濾池+高級氧化池”，運行良好，出水經府河(大清河水系)最終進入白洋淀。
污水廠現需進行二期工程的建設，并滿足以下功能需求。
(1)補充污水處理缺口。當前污水廠進水量超過9萬m3/d，管網長期高水位運行，污水外溢現象時有發生，影響府河河道及下游白洋淀水質。采用城市綜合用水量指標法、綜合生活用水量及工業用水量法對污水處理廠規劃年限的污水量進行預測分析，二期工程需擴建10萬m3/d的污水處理規模。
(2)初期雨水調蓄功能。根據排水規劃，二期工程建設用地內需設置初期雨水調蓄池，調蓄池服務地塊面積約為1 094 hm2(1 hm2=104m2)，調蓄量取6 mm，綜合徑流系數取0.55，安全系數取1.1，設計規模為40 000m3。
(3)再生水回用。現狀污水處理廠出水(8萬m3/d)全部回用，二期工程出水亦須考慮全部回用，水質滿足《城市污水再生利用 城市雜用水水質》(GB/T 18920—2020)中雜用水水質標準和《城市污水再生利用 景觀環境用水水質》(GB/T 18921—2019)中觀賞性景觀用水水質標準。
(4)污泥處理需求。現狀污水廠產泥含水率較高，外運處置成本高。根據規劃，需將現狀污水廠所產污泥打入二期工程，在二期工程中將18萬m3/d污水所產污泥全部脫水至40%含水率，外運協同焚燒。
(5)文娛科教需求。二期工程用地地處市區，周邊居民稠密，民眾及各相關部門對二期工程用地的使用極為關注，提出了用作科教場所、景觀綠地、運動場所等建議及要求。
1.2 污水廠二期建設形式分析
污水廠二期可采用全地下式、半地下、地上式3種形式。相較地上式污水廠，全地下式及半地下式污水廠具有以下優點：(1)臭氣污染小；(2)噪聲污染小；(3)結構緊湊，節省土地資源；(4)水溫恒定，有利于污水處理廠穩定運行；(5)上部空間利用方式靈活，土地利用價值高。就本工程而言，現狀污水廠為全地上式，1995年投產時，其所在區域尚為郊區。經二十余年，其周邊區域發展為繁鬧市區。目前，污水廠東側緊鄰市政主干道路，西側為廠房或住宅，北側為工業用地，東南側為加油站。可用于二期建設用地的范圍局限于現狀污水廠的南側及西南側的農田與樹林被分隔為2塊獨立且不規則的地塊，并受到周邊商鋪、居住區、市政道路、加油站、高壓電力塔、工廠、居民祠堂等多因素制約。經實地踏勘，結合相關政府部門建議及民眾訴求，本著少拆遷、少占地的原則，污水廠二期擴建工程共設置2個廠區，涉及2個不規則地塊。地塊一現狀主要為農田與樹林，占地面積共41 550m2；地塊二現狀主要為農田，占地面積共35 761m2。
考慮二期工程用地緊張，周邊環境敏感因素多，土地功能要求較多，不適合采用地上式污水廠建設形式。若采用半地下式建設形式，由于箱體二層高出地面7～8 m，現狀地面需要較大放坡才能過渡至箱體頂部，不便于對箱體頂部面積的開發利用，且二期工程需建設埋深較大的初雨調蓄池，半地下形式的基坑開挖深度較大。
因此，二期工程采取全地下形式，將污水處理構(建)筑物整體下沉，操作層位于地面以下，環境友好，上部空間利用方式靈活，景觀布局美觀實用。針對用地分散且不規則的特點，二期工程統籌各構(建)筑物特點及占地，設置兩座功能獨立的地下箱體。二期工程用地條件及基本布局如圖1所示。西側廠區設置全地下1#箱體，承擔污水處理功能，地表建有文體綠地公園、環保科普教育基地及部分工藝構筑物。1#箱體用地避開了東側高壓線及西側現狀商鋪區域，減弱了對周邊環境的影響。東側廠區設置全地下2#箱體，承擔預處理、污泥處理及雨水調蓄池功能，地表建有綜合樓、廠前區等。
2 二期工程設計方案
針對用地限制因素多、功能需求多樣化特點，二期工程因地制宜，采取全地下式污水廠形式，設置2座功能獨立的地下箱體。
2.1 設計水質
設計進出水水質如表2所示。
2.2 工藝路線
二期工程工藝流程如圖2所示。二期工程中，超濾膜車間與中間提升泵房并行設置，超濾膜單元抽吸泵可將污水抽濾提升至臭氧及加氯接觸池單元，當超濾膜單元故障時，可由中間提升泵房將污水提升至下一單元。此外，初雨調蓄池的排空出水接至二期工程的細格柵前端。
2.3 1#箱體廠區布局及豎向設計
1#箱體面積約為26 155m2，箱體內布置有生物反應池、二沉池、氣浮池、中間提升泵房、超濾池、臭氧加氯接觸池、放空泵房、出水及回用水泵房、鼓風機房、加藥間、污水源熱泵間等構(建)筑物。地表設置有文體綠地公園、環保科普教育基地、臭氧及加氯接觸池、紫外消毒池及出水泵房。1#箱體內布局如圖3所示。
1#箱體進水接自2#箱體初沉池出水，考慮到臭氧在地下空間內的安全性，1#箱體將臭氧及加氯接觸池設置在高位，露出地表，與全地下箱體內其他構筑物隔絕，可避免臭氧散逸在地下空間的風險，并可使出水在常態下自流至水體。極端工況下打開出水提升泵進行強排，節省能耗。1#箱體內高程布置如圖4所示。
1#箱體地表將海綿技術與公園科普有機結合，設置生態海綿示范綠地。水景利用污水處理廠再生水做為補水水源，使游客在參觀行進過程中，先后經過跌水增氧、物理過濾凈化、生物沉淀凈化、植物吸附凈化等自然凈化過程展示區，體驗生態凈化功能。此外，在公園中北部環保科普教育基地南側設置體育場、部分水處理構筑物或附屬構筑物。
2.4 2#箱體廠區布局及豎向設計
2#箱體占地面積約為11 092m2，箱體內布置有粗格柵及進水泵房、細格柵及曝氣沉砂池、初沉池、儲泥池、污泥脫水及干化車間、雨水調蓄池這些構筑物，地表設置有綜合樓、廠前區等。2#箱體內布局如圖5所示。
2#箱體將預處理區、污泥處理區這些臭味較濃的構筑物集中在一處，方便集中處理臭氣。另將污水處理粗格柵與初期雨水調蓄池粗格柵并列布置，方便管理。同時，初期雨水調蓄池放空時，可就近提升至污水處理細格柵前端，運行方便。此外，初期雨水調蓄池可兼作污水廠的應急事故池，當細格柵后端構筑物故障且無法超越時，可將污水就近排入初期雨水調蓄池內儲存應急，當故障排除后再排空至水廠細格柵前端。2#箱體內的污泥處理區域按照18萬m3/d的污水處理規模設置，現狀污水廠的污泥(含水率為80%)泵送至2#箱體的儲泥池，與二期工程的污泥混合后，經濃縮、低溫風冷干化后，外運處置。低溫風冷干化工藝可根據處置要求，靈活調節出泥含固率。2#箱體內高程布置如圖6所示。
2.5 廠區除臭及通風設計
本工程對部分構(建)筑物加蓋，在平面布局中考慮將臭氣較為集中的預處理區和污泥處理區置于東側地塊的2#箱體內，需處理的惡臭氣體散發點為粗格柵、細格柵及曝氣沉砂池、初沉池、污泥處理區域、雨水調蓄池。1#箱體需將生物反應池加蓋。
根據本工程不同構筑物及設備產生臭氣的特點，本工程擬采用全過程除臭+生物濾池除臭+離子送風的組合除臭工藝。其中，生化處理系統采用全過程除臭，從根源上降解臭氣成分；臭氣較為集中的2#箱體預處理區域、1#箱體的生物反應池區域、污泥處理區域及調蓄池采用生物濾池除臭工藝，臭氣通過風機及除臭風管系統收集處理，15 m高空排放；污泥脫水車間及污泥干化車間輔以離子新風系統。
此外，本工程設置機械送、排風風機，預處理區、污泥處理區、加藥間區域等按照12次/h的換風量設置，對生物反應池、二沉池及深度處理區上方的大空間區域按照6次/h的換風量設置。
3 主要構筑物工藝設計
3.1 預處理區
預處理區位于2#箱體內。進水端設置粗格柵及進水泵房1座，平面尺寸為23.5 m×15.3 m。其中，污水4條格柵渠道，初期雨水2條格柵渠道，柵條間隙為20 mm。
粗格柵及進水泵房后設置細格柵及曝氣沉砂池1座，平面尺寸為42.0 m×15.3 m。其中，細格柵4條渠道，柵條間隙為3 mm；曝氣沉砂池2條廊道，設計水力停留時間為5.97 min。
曝氣沉砂池后設置精細格柵1座，平面尺寸為9.5 m×15.3 m，4條渠道，柵條間隙為1 mm。
精細格柵出水均勻配水至2座初沉池，每座2格，單座尺寸為36.9 m×17.6 m，有效水深為3.3 m，表面負荷為6.5m3/(m2·h)。考慮后端可能存在碳源不足情況，二期工程采用了較高的表面負荷。
預處理區充分考慮利用細格柵及超細格柵渠道下的空間，布置羅茨風機、初沉污泥泵、吸砂泵、洗砂機等，對減小噪聲、優化參觀層(負一層)外觀、節省占地較為有利。
3.2 二級處理區
二級處理區位于1#箱體內。2#箱體初沉池出水通過管道流至1#箱體生物反應池前端。
1#箱體內設置生物反應池1座2池，平面尺寸為175 m×74 m，有效水深為8.5 m。設計最低水溫為13 ℃，總泥齡SRT=26.4 d，污泥負荷F/M=0.056 kg BOD/(kg MLSS)，產泥率Y=0.68 kg SS/(kg BOD)，混合液懸浮固體濃度MLSS=3.5 g/L。內回流比為300%，外回流比為100%。平均流量下停留時間為22.0 h，其中，厭氧段為1.5 h，第一缺氧段為5.0 h，第一好氧段為11.5 h，第二缺氧段為3.0 h，第二好氧段為1.0 h。曝氣池供氣量為474.5m3/min，氣水比為6.83∶1。
生物反應池后設置二沉池1座，6條廊道，單條平面尺寸為76 m×10 m，有效水深為3.5 m。表面負荷為1.37m3/(m2·h)，設計沉淀池固體負荷為8 kg SS/(m2·h)，沉淀時間為2.55 h。
3.3 深度處理區
深度處理區位于1#箱體內。二沉池出水進入高效離子氣浮池，高效離子氣浮池設置1座3格，單格尺寸為22.0 m×19.8 m×5.7 m，有效水深為3.9 m，表面負荷均值為18m3/(m2·h)，峰值為27m3/(m2·h)。
高效離子氣浮池出水進入浸沒式超濾池或中間提升泵房，設置浸沒式超濾池及中間提升泵房1座，平面尺寸為32.6 m×65.6 m。浸沒式超濾池設置10套超濾設備單元，單套處理能力為1萬m3/d，采用浸沒式中空纖維超濾膜元件，膜絲公稱孔徑為0.03 μm，通過抽吸泵產生的壓差將污水濾過超濾膜并提升至下一工藝單元。與浸沒式超濾池并行設置中間提升泵房，配泵能力為10萬m3/d，當浸沒式超濾池不全開時，其余污水可通過中間提升泵房提升至下一單元。
超濾池出水進入臭氧接觸池，臭氧接觸池露出地表，平面尺寸為52.5 m×19.4 m，有效水深為7 m，水力停留時間為50 min。
臭氧接觸池后設置加氯接觸池、紫外消毒池及出水泵房1座，平面尺寸為52.5 m×19.6 m。加氯接觸池有效水深為7 m，水力停留時間為30 min。受新冠病毒影響，加氯接觸池后設置紫外線消毒系統2套，有效紫外劑量≥25 W·s/cm2。紫外消毒池出水進入出水泵房，在常態下可自流至一畝泉河，極端工況下開提升泵進行強排。
3.4 污泥處理區
污泥處理區位于2#箱體內，污泥處理量為240 t/d(以18萬m3/d污水規模計，80%含水率)。
污泥處理區設置儲泥池2座，單座平面尺寸為16.9 m×10.9 m，有效水深為2.7 m，單座配備潛水攪拌器2臺。儲泥池用以存儲并混合以下3部分污泥：1#箱體泵送的化學污泥、剩余污泥；2#箱體泵送的初沉污泥；現狀污水處理廠泵送的污泥。
儲泥池出泥經濃縮機濃縮后，進入污泥脫水車間。污泥脫水車間平面尺寸為35.0 m×22.7 m，共配備板框壓濾機5臺(4用1備)，單臺能力Q=12 t DS/d，脫水后污泥含水率為60%，單臺工作時間為24 h，分三班次。
板框脫水污泥進入污泥干化車間，污泥干化車間平面尺寸為22.7 m×27.7 m，配備污泥低溫風冷干化機1套，單臺脫水量Q=1 800 kg/h(進泥60%含水率，出泥40%含水率)。低溫風冷干化設備可隨污泥外運處置地對含水率的要求，進行靈活調整。
3.5 初雨調蓄池
污泥處理區位于2#箱體內，設計規模為4萬m3，共設置1座6廊道，平面尺寸為100.0 m×51.6 m，有效水深為8.5 m，采用真空沖洗方式。調蓄池排空直接進入預處理區細格柵前端，同時調蓄池可兼作二期污水廠的應急事故池。初雨調蓄池的頂板上布置有真空沖洗設備、變配電間、水廠進水儀表間、除臭系統等功能區，充分利用了空間。
4 結論
(1)本工程是保定市除雄安新區外的第一座地下污水處理廠，地處市區，用地分散且不規則，周邊限制因素較多。本設計設置了2座獨立的功能各異的全地下箱體及廠區，布置集約緊湊，生產構筑物(含初雨調蓄、污水處理、再生水處理、污泥處置功能)用地指標為0.372 5m2/(m3·d-1)，用地節約，減少了拆遷及對周邊居民環境的不利影響。實現了10萬m3/d污水處理增容、18萬m3/d規模污泥優化處理、10萬m3/d再生水回用、4萬m3初雨調蓄及民眾文娛科教的場所功能，實現了生態效益、社會效益雙贏。
(2)本設計將產臭較多的預處理區、污泥處理區、初雨調蓄池集中布置在2#箱體，方便臭氣的集中處理，使水廠整體保持了潔凈的操作環境，并結合除臭技術措施，減少了臭氣對周邊環境的影響，可為分散用地條件的地下污水廠項目提供參考。
(3)本設計將污水廠預處理區與初期雨水調蓄池相鄰布置在2#箱體，優化高程及平面布置，方便初雨調蓄池就近排空至污水廠前端。此外，初雨調蓄池也可作為污水廠的應急事故池，為類似功能需求(建設初雨調蓄池)的全地下污水廠項目提供參考。
(4)本設計優化高程布置及工藝流程，中間提升泵房與超濾膜構筑物并聯設置，當超濾工藝裝置全開時，中間提升泵房可以停泵，減少二級提升能耗，可為地下式污水處理廠站項目提供一定的參考。
(5)由于防燃防爆要求較高，臭氧接觸工藝在全地下污水廠中受到一定限制。本設計中，臭氧接觸池抬高至地表，接觸池頂板、尾氣消除裝置結合地表景觀設置，防止臭氧在地下空間的散逸，為地下式污水廠深度處理區域設計提供一定參考。
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