黃孝河鐵路橋地下凈化水廠工程設計實例
摘要：與傳統地面式污水廠相比，地下污水處理廠具有節約土地資源、降低二次污染風險、減少病原體傳播、可多元化利用地面空間等優點，近年來成為我國城市污水處理設施建設的重點環節。黃孝河鐵路橋地下凈化水廠設計規模10×104m3/d，占地2.91hm2，以A2O+MBR作為核心生物處理組合工藝處理合流制污水，出水水質除TN和SS限值分別為15 mg/L和10 mg/L外，其余主要出水水質指標達到《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中IV類水質標準，處理后的尾水排入黃孝河明渠作為生態補水。本文對該工程的平面布局及設計參數進行了詳細說明，以期對后續地下污水廠的工藝設置及設備布局提供參考和借鑒。
引言
地下式污水處理廠起源于上世紀初的北歐國家芬蘭，主要是將污水廠水處理構筑物及輔助建筑物緊湊地設置在一個車間內，該車間整體或部分布置于地面以下，大多采用箱體結構。地下污水廠的構筑物布置形式可大致分為全地下式單層加蓋、全地下式雙層加蓋、半地下式雙層加蓋、半地上式雙層加蓋[1]。
相較于常規地上式污水廠，其優勢在于：地下污水廠整體占地少，布局緊湊;具有良好的密閉性，二次污染基本消除;穩定的溫度環境使出水保證率高;另外由于地下污水廠設于地下，對采光照明、通風除臭、消防、防洪(澇)等要求也較高，故地下式污水廠除投資較地上式污水廠更高外，運行成本也會有所增加。因此在開展地下式污水廠的項目建設時需統籌考慮城區土地價值及周邊土地利用率，在應用場景上更加契合大城市用地緊張的區域。
地下式污水廠在我國起步較晚，但發展較為迅速，目前集中應用在經濟較發達、人口密度高、對土地資源要求和環境質量要求較高的城市及地區。例如，珠海市前山水質凈化廠(地下)處理規模為10萬m3/d，采用AAO+MBR處理工藝，出水水質優于GB 18918-2002一級A排放標準和廣東省地方標準更嚴值[2]。青島某商業區附近全地下污水廠規模為4萬m3/d，廠區占地1.31hm2，采用生物池+MBR主體工藝，出水同時滿足GB 18918-2002一級A排放標準、GB/T18921-2002中娛樂景觀環境用水標準和青島地方標準要求等[3]。宜都市城西污水處理廠(半地下式)采用改良型A2O+MBR工藝處理污水，出水水質達到GB 18918-2002一級A排放標準[4]。當前在北上廣深等一線城市，清遠、昆明、大理等環境敏感區域以及杭州、青島、合肥、溫州等人口密度較高地區均有運行或在建的地下污水廠。
1、地下污水廠常用工藝
1.1 常規工藝
地下式污水處理廠項目的建設或出于對出水水質的高要求以作為臨近水體的生態補水，一般需達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中的一級A標準及以上;或出于對選址用地的集約節地要求，用地面積一般無法滿足常規布置的需求;或出于降低選址對周邊用地價值的鄰避效應，減少對周邊的二次污染等。
目前大多地下污水廠二級處理核心工藝中通常選擇如改良A2/O工藝、深床濾池、MBBR工藝等一些運行成熟、能耗較低的工藝或其組合。據侯峰等人對國內地下污水廠設計、在建及運行地下污水廠的調研[5]，有一半以上的地下污水廠采用A2O及其改良工藝作為污水處理主工藝;其次，有超過四分之一的地下污水廠采用MBR作為主工藝;另有IFAS、MBBR工藝等高效生物膜工藝在地下污水廠中也有應用。
1.2 布置形式
地下式污水處理廠的布置形式主要分為：全地下式(單層加蓋或雙層加蓋)和半地下式布局(雙層加蓋)[6]。一般地上式污水處理廠泥水分離多采用圓形幅流式二沉池，地下式處理廠受限于空間以及集約用地的要求，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。
2、工程實例
2.1 項目概況
為有效解決武漢市黃孝河明渠起端旱季污水溢流污染問題，從明渠源頭進行污染控制，同時兼顧雨天的合流制溢流污染的控制，依據上位規劃在明渠東側一處條狀地塊選址修建一座10×104 m3/d水質凈化廠以解決區域城市污水問題。
由于周邊臨近有較為密集的住宅區和大型商圈，公用設施建設用地面積有限且形式為條狀，綜合考慮出水水質、對周邊的環境影響等多方面因素，設計確定采用全地下式污水廠。出水水質除TN按≤15 mg/L執行、SS按≤10 mg/L執行外，其它主要指標均執行地表Ⅳ類水質標準。該污水廠處理后尾水排入黃孝河明渠，作為明渠的生態補水。
2.2 處理工藝
參考臨近污水處理廠進水水質和地方建設單位對出水要求，確定本工程進、出水水質的要求(見表1)，二級生物處理工藝采用脫氮除磷工藝，應用于城市污水處理的活性污泥法有A2/O系列、氧化溝系列和SBR系列等;生物膜法有BAF和MBBR等工藝;MBR工藝也是新型的污水處理工藝。考慮到項目附近明渠起端周邊的實際情況、合流制污水水質的波動性，結合尾水作為生態補水的用途，確定該污水廠的工藝流程如圖1。
該工藝采用多點進水，厭氧區和缺氧區均設進水口，以解決缺氧區碳源不足問題。A2O生化池混合液采用分段回流，缺氧池混合液回流至厭氧池實現厭氧釋磷，好氧池混合液回流至缺氧池實現硝化液回流，膜池內剩余污泥外回流至好氧池。生化池的內回流及外回流比例可據進水水質情況進行靈活控制，可最大限度利用碳源，提高脫氮率和抗晴雨季動態變化水質的能力。
為減少占地面積和提高出水水質，該工藝泥水分離通過深度處理段MBR膜完成，由于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。
2.3 處理車間布置
地下式污水處理廠需考慮污水處理設施及輔助設施的布置，按常規設置兩條獨立的污水處理線，同時還要將這兩類設施集成于一體。這既需要結合用地條件，又要結合區間功能與安裝施工、巡視檢修等所需空間以及通風除臭、采光照明、消防等要求統籌考慮。
建設方給定的用地范圍是一個長約500 m、寬約80 m的條狀地塊，其南面為鐵路，西面為大型商圈，東面為高架路，用地條件有限。建設方要求布置處理規模為10×104 m3/d的地下式污水處理廠，處理后尾水排入臨近明渠作為生態補水。綜合上述邊界條件，優化設計后確定該地下污水廠處理車間平面布置見圖2。
2.3 處理車間布置
地下式污水處理廠需考慮污水處理設施及輔助設施的布置，按常規設置兩條獨立的污水處理線，同時還要將這兩類設施集成于一體。這既需要結合用地條件，又要結合區間功能與安裝施工、巡視檢修等所需空間以及通風除臭、采光照明、消防等要求統籌考慮。
建設方給定的用地范圍是一個長約500 m、寬約80 m的條狀地塊，其南面為鐵路，西面為大型商圈，東面為高架路，用地條件有限。建設方要求布置處理規模為10×104 m3/d的地下式污水處理廠，處理后尾水排入臨近明渠作為生態補水。綜合上述邊界條件，優化設計后確定該地下污水廠處理車間平面布置見圖2。整個污水處理車間長約282 m，寬約64 m，采用雙層加蓋形式，車間主要分兩層，上層為設備操作層和車道，下層為構筑物層及管廊。上層層高約6.6 m，下層層高約7.0 m。整個車間頂部覆土厚度1.6 m以上;車間下部距設計地面局部最深處約15.4m(生化池和應急溢流泵房底板內底)，其他部分約在地下9.4 m～13.4 m之間。
預處理區主要為細格柵、膜格柵及曝氣沉砂區，包括柵渣處理區，豎向上考慮細格柵池下部空間的利用，作為空壓機等設備間。預處理區與生化處理區之間的空間也作為水箱及設備間利用。
生化處理區則為A2O主工藝區，在結構和豎向設計上作為最大埋深處，整體為鍋底狀，其關鍵在于生物池溢流排水去處，包括膜池的反洗排水。為減少占地，結合管廊首層道路的設置，本次設計將膜池反洗排水及構筑物溢流排水全部納入管廊最底層的排水泵房和溢流泵房內，再由該泵房壓力輸送至預處理進水端。在本設計中除臭設施置于生化池頂板上，充分利用生物池頂板上的空間。
設備及加藥間包括MBR產水泵、鼓風機房、配電間、加藥間等，構成附屬綜合車間;污泥處理區則包括污泥脫水間、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。離心濃縮脫水后污泥通過管廊地下一層車行通道收集外運處置。該地下式污水廠僅有綜合樓與驛站(地上景觀配套)布置在處理車間外。
該污水處理車間占地約1.8 hm2，考慮地上景觀及配套設施總用地紅線的面積約2.91 hm2，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每噸水占地指標為0.8 m2，該地下污水廠占地僅為同規模常規地面污水處理廠占地(8 hm2)的36.4%。
2.4 主要設計參數
2.4.1 進水及預處理單元
進水由明渠自流進入進水結合井，經結合井內粉碎性格柵機處理后通過下開式堰門自流進入地埋污水廠細格柵池，細格柵、曝氣沉砂池及膜格柵作為預處理單元組合在一起，其中細格柵池分3格、曝氣沉砂池分2格、膜格柵池分4格，在預處理終端形成兩組配水井。細格柵間安裝3臺柵隙為5mm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。
曝氣沉砂池分為兩格，每格裝有10處T型鋼制穿孔管，供氣由兩套螺桿鼓風機提供，單臺流量18m3/min，風壓39.2kPa。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(含氣提風機)和一套砂水分離器Q=60m3/h。曝氣沉砂池水力停留時間為6.5min，水平流速0.07m/s，曝氣量0.2Nm3/m3污水。
2.4.2 生化處理單元
生化單元為A2/O生化池，設兩組，對稱布置形成整體，中間由隔墻分隔，每座由厭氧區、缺氧區及好氧區組成，采用厭氧區和缺氧區分段進水方式，既補充了反硝化碳源以提高脫氮效率，又消耗了硝化液回流所攜帶DO優化缺氧環境。
厭氧、缺氧及好氧區均設計成由導流墻推流式的矩形水池串聯而成，厭、缺氧區內均設潛水推進器，缺氧至厭氧區、好氧至缺氧區均在隔墻設3臺混合液回流穿墻潛水泵。回流比分別為100~200%和300~400%。MBR膜池內污泥回流到好氧區的回流比為300~400%。污泥回流由MBR膜池回流渠道內8臺(六用兩備)污泥回流泵提供動能，將膜池污泥回流至好氧區起端;同時還裝設兩臺剩余污泥泵，單泵流量130 m3/h，揚程16 m，吸程4 m。A2/O生化池設計泥齡為12 d，污泥負荷為0.055 kgBOD5/(kgMLSS·d)，總停留時間為10.35 h。
生物池好氧區池底設板條式曝氣器。A2/O生化池好氧區設計氣水比為5.2:1，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。
2.4.3 深度處理單元
MBR膜池均分為2組，主要承擔泥水分離功能，同時可強化有機物和氮的去除效果提高出水水質。本工藝為節省用地將MBR膜池與A2/O生化池合建，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，即生物池后端，采用穿墻泵和回流渠進行污泥回流。
膜池共分7列，每列安裝膜組件19個，每列預留膜組件安裝空位1個，本深度處理單元共安裝膜組件數量133個。選用聚偏氟乙烯(PVDF)浸沒式中空纖維膜，過濾孔徑0.04 μm，設計膜面積共計237910.4 m2，平均膜通量17.5 L/(m2.h)，峰值膜通量為22.7 L/(m2?h)，最大跨膜壓差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臺帶變頻裝置的空氣懸浮鼓風機提供，膜池內氣水比9:1。
采用3套紫外線消毒裝置，每套裝置平均處理流量1389m3/h，峰值流量1806 m3/h。紫外消毒設備紫外線劑量在15mJ/cm2~22mJ/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。
2.4.4 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，設有5套離心濃縮脫水一體設備(四用一備)，每套處理量50 m3/h，剩余污泥含水率由99.4%降至80%以下，每日運行16 h，最大污泥產量16000 kg/d(干重)。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，脫水污泥被送至污泥料倉，2套污泥料倉總容積為100 m3，卸料能力30 m3/h。脫水機設置兩套PAM制配系統，一用一備，配置能力5 kg/h，配備5臺PAM投藥泵，單泵1500 L/h，投加點位包括污泥脫水前和污泥緩沖池中。
2.4.5 加藥單元
加藥間藥劑配置均采用液態藥劑，包括混凝劑PAC、碳源NaAc、膜清洗藥劑檸檬酸和NaClO，設卸藥泵，流量均為20m3/h，加藥間配置藥劑儲罐及其投配系統。
PAC藥劑投加點為好氧池出水端，PE儲罐20m3，單泵350L/h。NaAc投加至生化池缺氧區補充碳源，PE儲罐20m3，單泵500L/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。
2.4.6 除臭及通風單元
除臭采用生物除臭方式，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、二級生化處理單元和污泥脫水機房等，設計除臭為兩套系統，總風量為100000m3/h。
車間內地下一層過道、地下二層管廊、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地下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風機，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。
4、結論與展望
黃孝河鐵路橋地下凈化水廠設計規模為10×104m3/d，采用A2O+MBR作為核心生物處理組合工藝，設計出水除TN和SS的限值濃度分別為15 mg/L和10 mg/L外，其余主要出水水質均滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中地表水IV類水標準，處理后尾水排入黃孝河明渠作為生態補水，目前該污水廠正處于建設中。
全地下式水廠工藝設計需充分利用下沉箱體的平面功能劃分和豎向結構合并，為便于開挖支護、地基處理及抗浮設計，箱體總體布置應盡量將埋設深度相近的構筑物集中設置，實現相同標高共底板，避免高程錯落。此外，從運營維護角度考慮需重點統籌采光、通風和消防設計，此三者可有效節省運行能耗同時保障污水處理廠運行的安全性。
地上式和地下式污水廠功能相同，但在設計上重點存在差異。地上式污水廠設計中次要的因素如受限于空間及限高的設備吊裝、安裝，采光與通風除臭等則成為地下式污水廠設計中首要考慮因素。尤其是地下式污水廠的除臭和消防，為節省除臭設備功率，除臭裝置宜設置在除臭風量最大的單元附近，以減少風管投資及運行費用;為保障消防安全，人員活動密集區域宜盡量布置集中，不宜分散設置。
本項目總投資約6億元，噸水投資約6000元/m3污水，較常規地上式污水處理廠建造成本3000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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