地下式污水处理厂发展历程及工程设计注意要点

李国金，李 霞，郭淑琴，高陆令

（1.天津市市政工程设计研究院，天津市 300051；2.天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津市 300384；3.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 发展历程

1.1 国外地下污水处理厂的发展与现状

国外地下空间的发展已经历了相当长的一段时间，城市地下大型排水及污水处理系统也取得了很好的发展。芬兰在世界上首次于1932年开始建造地下污水处理厂[1]，但由于受当时技术条件的限制，地下污水处理厂未能获得快速发展。直至1991年芬兰从保护环境、节约土地资源和提高经济效益等方面出发，同时考虑到地下空间的开发技术已经比较成熟，决定新建一座中心地下污水处理厂替换现有的7座地上污水处理厂，从而加速了芬兰地下污水处理厂的发展[2]。1942年瑞典首都斯德哥尔摩利用当地优越的地质条件和先进的开挖技术，建造了世界上第一座现代化的岩石地下污水厂[2]。随后，美国、英国、日本、加拿大等国家均建设了数量较多的地下式污水处理厂（见表1），这些地下式污水处理厂均取得了巨大的经济、环境和社会效益。

1.2 国内地下污水处理厂的发展与现状

中国香港地区的赤柱（stanley）污水处理厂是亚洲第一个建于岩洞的污水处理厂[2]，其于1990年11月开始修建，至1995年2月完工；1998年2月中国台北开始建设的内湖地下污水处理厂是台湾省第一座地下污水处理厂。

表1 国外部分地下式污水处理厂统计表

随着国内城市化进程的加快和对环境要求的不断提高，地下污水处理厂建设迎来了新的发展机遇[3]。近年来，北京、桂林、广州、深圳、苏州、昆明、烟台、青岛、合肥、郑州、湘潭等地陆续开始建设地下式污水处理厂。国内部分地下污水处理厂见表2。

表2 我国部分地下污水处理厂基本情况

从表2可以看出，我国地下式污水处理厂近年来发展迅速，工程位置多位于东南沿海经济较为发达的区域，形式多采用全地下式布置，工艺以AAO与MBR工艺为主[4]。

2 地下式污水处理厂的形式及特点

2.1 地下式污水处理厂的形式

目前，国内地下式污水处理厂主要有三种布置形式：半地下双层加盖式、全地下双层加盖式、全地下单层加盖式，见图1～图3。

图1 半地下双层加盖

图2 全地下双层加盖

图3 全地下单层加盖

全地下单层加盖式上部空间有较多的安装孔，生产期间需操作人员巡检，存在不能有效将生产区和公共开放区分开、上部空间难以利用、不利于景观设计等诸多弊病。因此国内地下式污水处理厂很少采用全地下单层加盖式，多采用全地下双层加盖及半地下双层加盖式[5-7]。

2.2 地下式污水处理厂的特点

地下式污水处理厂在施工、巡视检修、逃生疏散、消防通风照明、防洪防涝、占地景观、对周围环境的影响等方面均与传统地上分散式污水处理厂不同。具体见表3。

表3 地下式污水处理厂的特点

3 与传统污水厂部分专业设计异同

3.1 部分专业本身的异同

（1）工艺专业：地下式污水厂工艺选择与传统污水厂并无实质不同。但地下式污水厂项目往往对出水水质要求较高，同时又需尽量减小地下箱体体积，避免土建费用过高，通常选择占地面积小，容积负荷大、处理效率高、剩余污泥量少[4]、操作管理方便、耐冲击负荷的工艺。其二级处理核心工艺通常会选择如A2O及其变种工艺，MBR工艺，MBBR工艺等。

地下式污水厂设备选择原则与地上式污水厂比并没有太大差别，但进出水泵房单泵能力匹配、各种设备防腐、设备可靠性、设备与工艺本身与箱体矩形结构的适应性等方面要额外注意。

（2）结构专业：地下式污水处理厂因其自身特点决定了其结构设计的难点主要是抗浮方案的选择和超长结构的处理[8]。就具体设计细节来讲，廊道的设置宽度、基坑支护的复杂程度、地基处理、近远期箱体的协调布置及箱体顶层防水做法等均为实际设计过程中考虑的重点。

（3）自控专业：由于地下空间有限，不便于检修巡视，因此自动化要求较高。另外，考虑到运行人员的操作安全问题，各种检测仪表较地上式污水厂需设置更多。

（4）总图专业：厂区防洪排涝的安全问题是地下污水处理厂的重点。传统地上式污水处理厂由于池体顶部一般高于设计地面较多，即使遇到超过城镇防洪排涝标准的洪涝水、地面有一定深度的积水对污水厂损害也不是很大，但对于全地下式污水处理厂就截然不同：全地下式污水处理厂由于大部分生产构筑物及设备均位于地下，厂区地坪的设计需要在满足城镇防洪标准的前提下提高一定的富裕量，另外还需要考虑进出箱体地下坡道的排水，厂区围墙的设置及厂区大门在细节设计上也应该与防洪排涝想结合，应便于设置简易临时围挡。

另外，地下式污水厂更应注意施工过程，需合理安排施工季节，避免在基坑尚未回填且处于多雨季节时安装设备，避免形成局部低洼导致周围雨水灌入造成经济损失。

3.2 专业之间设计配合的异同

传统污水处理厂，一般工艺专业为主导，建筑、结构、电气、自控专业为辅助。地下式污水处理厂则与之不同，主要体现在以下几点：

（1）地下箱体的布置需由工艺与结构专业互相配合完成，缺一不可。工艺的选择、工艺池型的布置受结构的制约更大，两者的衔接贯穿整个设计过程。

（2）箱体内工艺区段和主要设备的布置影、工艺和逃生通道的配合布置影响顶部景观的布置。尤其是需要分期建设土建箱体地下式污水厂，其总图布置、箱体分期对工艺和景观影响较大。

（3）通风方式和消防形式的选择影响工艺布局及箱体净高设计。地下箱体通风和照明提高了正常运行后污水厂的直接运行费用。

（4）建筑防火分区的设置是影响地下箱体工艺布置最为重要的因素。根据GB50016《建筑设计防火规范》3.3.1规定“戊类地下厂房防火分区的最大允许建筑面积为1 000 m2。”而对于建筑面积在25 000～40 000 m2的地下厂房而言，如果按每1 000 m2划分一个防火分区，则需要划分25～40个，这将对于整个箱体内部生产的布局以及疏散楼梯的布置带来了很大的难度[8]。防火分区，疏散楼梯的布置同样给顶部景观的设计设置了障碍。

4 工程设计需重点考虑的问题

4.1 防止被淹方面的设计

地下式污水处理厂厂区防洪的设计需要重点考虑，主要包括防止客水（雨水）淹没，防止处理过程中污水外溢。具体来讲主要有以下措施。

4.1.1 正常运行时避免污水外溢

全地下式污水处理厂污水进入及排出箱体一般均需要提升，泵房存在断电的可能。其断电组合情况及设计解决措施如下：

（1）箱体出水泵房断电进水泵房不断电，根据箱体出水泵房处的水位上涨情况判断，上涨到警戒水位则提供信号至进水泵房，进水速闭闸关闭，且进水泵房逐一停泵，保证箱体内污水不外溢。

（2）箱体出水泵房和进水泵房同时断电，关闭箱体进水处的速闭闸，保证箱体不受污水淹没。

（3）箱体进水泵房断电出水泵房不断电，关闭箱体进水处的速闭闸，保证箱体不受污水淹没。

4.1.2 不受客水（雨水）影响

雨水不进入箱体的前提是本区域周边有良好的排水条件。厂区选址及地坪标高设计一定要慎之又慎，选址避免位于洪涝区，设计地坪标高在满足城镇防洪标准的基础上有所提高，除此外：

（1）进出口坡道在上坡口处设置雨水沟，且设置驼峰，见图4，避免路面过多雨水进入雨水沟，进水雨水沟的雨水排入厂区雨水管网。

图4 坡道上坡口的驼峰及排水沟设置实例

（2）进出口坡道在下坡口处设置雨水沟，目的是雨量过大时，截留顺着坡道流入箱体内的雨水，此部分雨水就近引入箱体进水泵房或箱体出水泵房。

4.1.3 其他工程措施

除上述工程措施外，还可以优化如下工程细节，确保厂区箱体安全。

（1）可考虑于进厂管线交汇井内临时放置排污泵，同时厂区备用柴油发电机，当地下箱体停电不能进水时，可保证污水临时排入受纳水体，避免污水淹没箱体。

（2）进入箱体一般设置速闭闸，为降低速闭闸的泄漏率，建议在箱体前的管道上设置闸阀提高保证率，避免特殊情况下污水淹没箱体。

（3）建议厂区设置围墙，在满足上部绿化景观要求的前提下，围墙可采取底部实体围墙，上部镂空围墙的方式。暴雨时，实体围墙配合厂区、箱体进出口的围挡、沙袋（见图5），进一步提高防洪能力，避免客水进入厂区。

图5 箱体出入口围挡设置实例

4.2 工艺设计

地下式污水处理厂池体内光线不足，不利于巡检。配水配气尽量均匀，设计时候要尽量做到配水配气路径相等、损失相当；搅拌器等设备需布置合理、有条件的尽可能根据布置情况做设备流场的CFD模拟，避免淤积，并合理预留反冲洗管道配合清淤。

地下式污水处理厂箱体内水力坡降有限导致池体自流放空困难，目前大多地下式污水处理厂基本不单独设置放空。曝气设备需要检修时，通常将本池污水临时泵送至临池，或利用反应池内回流泵、二沉池外回流泵及对应管道、闸阀，将回流与放空巧妙设置在一起。设计在细节方面应考虑设置临时泵安装位置、预留管道、闸阀及临时用电介入位置。另外，反应池在设计时需适当考虑缓凝土盖板，与设备及顶部葫芦配合，缝隙处用细石混凝土勾缝，辅以抹面，抹面上做好标示，以便能轻易找到检修位置。

地下式污水厂密闭性好、积累的有毒有害气体不易扩散，负一、负二层在设置较好的通风设施外，要求安全仪表安装位置及数量设置合理，以保安全。

4.3 照明设计

地下空间的照明能耗较高，结合成熟的技术及地上景观需求，地下空间照明局部可采用光导、太阳能辅助照明系统（见图6），降低能耗及运营成本。

图6 光导系统实例

4.4 通风设计

地下式污水处理厂地下箱体部分属于散发热、湿及臭气的车间，其面积、空间均较大[7]，除做好除臭系统设计外，根据箱体布置情况可采用机械送风、机械排风的全面通风方式，也可以配合中间车道采用机械排风、自然进风的通风方式。

5 结语

随着城市化进程的加快及土地集约利用理念的发展，地下式污水厂在我国得到了迅速地推广。在肯定其节约用地、环境友好、有利于冬季脱氮、能够提高周边土地价值等优点的前提下，也应该清醒的认识到其施工过程、逃生疏散、防洪防涝、基建投资等方面存在的不利因素。在设计过程中，也要转变传统地上污水处理厂的设计思路，从工艺主导变为各专业互为主导，重点考虑防洪防涝、运行维护、巡视检修、照明通风等方面的细节设计。