集约化山地式污水处理厂设计探索

朱宇峰

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 概述

三明市主城区依山面水而建，城市沿沙溪河带状发展，受限于两侧山体城市建设用地纵深较浅，因此土地资源尤为稀缺。随着三明市列东片区和北部新城的发展，人民生活水平日益提高，污水排放量不断增大；但是列东污水处理厂处理规模仅为1.5万m3/d，目前已经达到处理极限，现状用地已无扩建可能且距中心城区距离较近，因此急需另外选址搬迁及扩建。

同时，三明市作为“城市双修”全国试点城市，为进一步补足民生设施短板、保障沙溪河水环境质量，三明列东污水处理厂搬迁及扩建工程也列入了《三明市2018年“城市双修”行动计划》完善市政基础设施板块的重点项目之一。

2 工程概况

2.1 项目位置及建设规模

三明列东污水处理厂搬迁及扩建工程建设地点位于碧湖地区，G205国道以南、三明市垃圾填埋场以北、三明市液化气储罐站以西，红线内总用地面积约5.13 hm2。场地背山面水坐落于山体之上，北侧为G205国道及沙溪河，南侧背靠山体，场地东西长约350 m，南北纵深约150 m。场地北侧G205国道标高约133 m，南侧坡顶标高约190 m，最大高差近60 m，且坡面连续无可利用台地，自然建设条件不佳，施工前需对场地标高进行平整以满足污水厂建设需要。

该工程近期按3万m3/d的规模实施，远期再行扩建2万m3/d，总规模达到5万m3/d。根据场地条件，首期工程需统筹考虑近远期实施条件，建设一座典型的山地式污水处理厂，而竖向设计、平面布置、总图运输、排水安全等诸多环节均是该工程设计需解决的关键问题。

2.2 设计进出水水质

该工程设计进水水质综合考虑污水厂服务范围内排水性质、现状列东污水厂实际进水分析结果，并参考福建省同类型城镇污水厂设计进水水质进行确定；设计出水水质根据环评要求，执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放标准，出水排入沙溪河。具体设计进出水水质见表1。

该工程设计进水水质为典型的南方城镇生活污水水质，整体污染物指标偏低，但BOD5/TN=2.22，进水中反硝化碳源不足，因此在设计中考虑外加碳源措施并适当延长缺氧区停留时间，确保反硝化充分。

2.3 污水、污泥处理工艺流程

根据污水系统布局，该工程进水直接由厂外管道泵站压力输送至细格栅前，因此不设粗格栅进水泵房。经过比选论证，该工程污水处理工艺采用“细格栅曝气沉砂池+AAO生物反应池+平流二沉池+高效沉淀池+高效纤维束滤池+次氯酸钠接触消毒”；污泥处理工艺采用“两段式连续污泥深度脱水”至含水率小于60%后外运处置；除臭工艺采用生物滤池法。

表1 设计进、出水水质

3 山地式污水处理厂设计难点及对策

山地式污水处理厂因建设场地自然高程变化较大，厂区构（建）建物无法设置于相对统一的厂坪标高上，带来了一系列设计难点。该项目区别于一般山地式污水处理厂，场地高差极大，整体坡度达到约40%且无可利用台地，可借鉴的工程案例较少，因此需要因地制宜采取针对性的设计对策。

3.1 竖向布置及总图布局

山地式污水处理厂确定合理的竖向设计是第一要务。一般而言，对于相对平缓的山地，可采用台阶式竖向布置及常规分散式的总图布局，即各处理设施分散布置在标高不同的台阶上，根据水力流程结合台阶设置从高到底布置。同时，山地式污水厂工程往往包含大量的土石方内容，对工程投资影响较大。因此竖向设计需要根据自然条件和竖向布置进行多种台阶组合的填挖方方案比选，择优确定经济合理、地质安全、施工方便的土方平衡方案。

该工程由于场地坡度大，南北纵深较小，岩层风化程度高，可用场地、竖向布置及挖方量相互制约。通过对台阶分散式布置方案和集约化布置方案分析表明，拟建场地如需构建大范围台阶，挖方范围较大，挖深较浅，但保留了大量强、中风化岩层，构筑物地基处理难度较大，且因台阶形状狭长，处理设施布置和近远期衔接难度较大。如采用集约化布置，虽挖方深度较大，但挖方范围集中于近期建设场地，因此挖方量与分散式布置相比增加有限，工程投资基本持平，且构筑物底板可落于深层基岩上，地基处理及施工难度小，也便于压缩工期。因此最终确定采用集约化平面布置方案与集中大挖深竖向布置。

3.2 总图运输及功能分区

山地式污水处理厂受地形限制，厂区功能分区及总图运输需进行妥善考虑，尽量降低大宗物资的运输难度，增强各功能分区的车辆可达性。厂区道路坡度不易过大，缩短坡长并加设缓和段，提高车辆行驶安全性；同时，厂区道路需注意与各标高层间的衔接。功能分区上应注意将污泥外运、药剂装卸、重要设备等重点物流单元相对集中设置，标高及位置便于大大减少车辆运距和爬升高度[1]。

该工程采用集约化布置，将所有处理设施合建于箱体厂房内，通过功能分区在空间上的合理布置及“航站楼”式的交通组织巧妙解决了总图运输问题。

3.3 排水防涝及地质安全

山地式污水处理厂除了要考虑厂区本身的排水以外，更需及时排除周边山体下泄山洪，确保厂区的排水安全。同时对于填挖方后形成的边坡需采取支护措施，坡面覆盖植被，避免水土流失造成地质灾害。

该工程对挖方后形成的边坡采取全面的锚杆框架，坡面满布生态绿化，同时设置排洪渠、急流槽等将坡面雨水收集后有序地排入地面雨水系统。箱体厂房屋面采用雨水立管排入地面雨水系统，最终通过场地雨水管渠排出厂区。

3.4 环境影响及景观协调

山地式污水处理厂处理设施一般呈阶梯式分散布置于山体场地之上，与周边自然环境较难融合；且因地势较高，不良感观难以掩蔽，往往需要通过建设于山体背面、增加防护带宽度等方式尽量控制不良环境影响和邻避效应，加大了山地式污水厂的选址和建设难度。

该工程选址紧邻G205国道，为进出三明市主城区的门户道路，对环境影响控制和景观效果营造的要求尤为严格。采用集约化的箱体布置将所有处理设施均容纳于一体化厂房内，可有效隔绝臭气、噪声、敞开污水池等不良感观；同时，厂房屋面布置大面积的绿化小品，厂区也进行全面的绿化覆盖，与周边山体有机协调，彻底改变了传统污水处理厂负面的公众印象。图1为厂区总体鸟瞰效果图。

图1 厂区鸟瞰图

4 工程设计探索

针对该工程特点、难点及制定的相关设计对策，在工程设计中进行了如下探索。

4.1 污水厂总平面布局

该工程红线内总用地面积约5.13 hm2，考虑山地不良的建设条件和边坡支护放坡距离等，实际可利用土地面积仅约3 hm2，实际建设用地指标仅为0.6 m2/m3·d，仅为《城市污水处理工程项目建设标准》（ZBBZH/CW）规定的Ⅴ类污水处理厂（含深度处理）建设用地指标一半左右，因此总平面布局需采用集约化布置形式。考虑建设时序及施工条件，分为近、远期两个箱体建设：近期箱体布置于场地西侧，退西侧红线约55 m，退北侧红线约20 m；远期箱体考虑并排布置于近期箱体东侧。近、远期箱体周围沿二级边坡平台设置厂区环形通道，衔接近、远期箱体及箱体各层标高。综合楼叠设于箱体顶盖之上，场地地面北侧沿G205国道设置两处出入口及门卫，同时场地西北侧设置消防及生活水泵房。近期3万m3/d全流程污水、污泥处理构筑物集约化布置于一个箱体内，平面尺寸为107.5 m×72.15 m，箱体占地面积为7 756.13 m3。吨水处理设施仅占地0.26 m2，属极低水平。总平面布置如图2所示。

图2 工程总平面布置图

4.2 竖向高程布置

该工程场地高程变化较大且总平面布置紧凑，可用于各标高层间衔接的空间不多，因此需尽量减少标高层设置，简化各标高之间的转换。工程主体结构为集约化的地上双层箱体，箱体内部空间在高程上分为下部的水池层和上部的操作层，综合楼设置于箱体顶部，而厂区出入口则设于地面。因此厂区高程布置上主要分为三个标高层，即地面层、操作层及箱体顶层。

因厂区三面环山，平面尺寸受限，需要足够的竖向空间确保污水处理厂功能完整。因此各标高层的设置主要需平衡厂区进出、场地排水防涝、水池容积及有效池深、操作层净空要求、道路允许最大坡度等几大限制因素。具体设计标高确定如下：

（1）地面层标高为133.20 m，箱体底层室内标地坪高为133.50 m。地面层标高主要考虑厂区进出与场地排水防涝两个因素。场地北侧G205国道现状标高为132.50～133.00 m，考虑厂区地坪与外界接顺，厂区地面层标高取133.20 m，箱体底层室内地坪标高133.50 m。同时，沙溪河防洪标准为50 a，沙溪河碧湖段50 a一遇洪水水位131.66 m，100 a一遇洪水水位132.75 m。因此地面层设计标高满足防洪要求，同时略高于外界场地标高可有效避免路面雨水进入场地。

（2）操作层标高为141.30 m，操作层室外地坪标高为141.00 m。操作层标高主要考虑水池容积及池深与道路允许最大坡度两个因素。因箱体平面尺寸受限，污水处理池体需确保足够的有效水深以满足池容要求。其中，生反池池深是主要控制因素。生反池设计水深为7 m，超高0.8 m，因此操作层主体标高为141.30 m（预处理区等局部标高根据水位适当加高），对应的室外地坪标高为141.00 m。同时根据《城市道路工程设计规范（2016年版）》（CJJ 37—2012）及《建筑设计防火规范（2018年版）》（GB 50016—2014）对道路坡度的规定，厂区道路兼作消防车道用，坡度不应大于8%，且车速需在20 km/h以下。因此操作层室外地坪与地面层高差7.8 m，道路最小坡长需97.5 m。根据厂区平面布置，从东北角入口处起坡，坡道长度可达约110 m，坡度小于规范限制要求。

（3）箱体顶层标高为149.50 m，综合楼室内地坪标高为149.95 m。箱体顶层标高主要考虑操作层净空与道路允许最大坡度两个因素。操作层净空主要考虑工艺设备、电缆桥架、通风管道等的安装与运行需要。操作层最大工艺设备为鼓风机，其吊装净空要求为5.5 m；设备安装空间之上为照明及电缆双层桥架安装空间，净空要求为1.0 m；最上层为通风管道安装空间，通风管采用1 000 mm×400 mm～1 250 mm×500 mm方管，安装净空要求为0.8 m，因此操作层净空为7.3 m，箱体顶板板厚0.9 m（含梁高），箱体顶层标高取149.50 m。同时，操作层至箱体顶层坡长约175 m，高差8.5 m，道路坡度满足规范要求。

综上所述，地面层、操作层、箱体顶层设计标高分别为133.20 m、141.30 m和149.50 m。总体高程布置如图3所示。

图3 总体高程布置示意图

4.3 总体施工方案

该工程作为三明市2018年城市双修重点项目之一，计划施工工期仅约13个月左右，考虑到边坡治理、场地平整等前置工作，工期相当紧张。因此总体施工方案充分考虑最大限度地压缩工期，同时统筹兼顾平面布置、高程布置、总图运输、地质灾害、土方工程量等多方面因素，结合集约化的双层地上箱体结构形式，采取两级永久性边坡支护一次性削坡至箱体底板底（绝对标高131.5 m）的土方开挖方式，主体结构不设基坑，待近期箱体位置处山体整体挖除后形成凹字形的平整建设场地后，从地面直接向上逐段浇筑集约化处理厂房。该方案避免了基坑二次开挖支护工序，可大幅压缩施工周期，同时厂区内外地坪衔接更为顺畅，施工机械进出方便，且与二级开挖基坑相比挖方量增加有限。

由于拟建场地基底条件较好，场地内及其附近无人为采空区、地面沉降和岩溶等不良地质作用，且地下水位较低，承载力满足要求，采用天然地基筏形基础不设桩基，配合底板构造设置抗滑移措施即可。

通过“一次土方开挖+天然地基+地面以上浇筑主体结构”的总体施工方案，避免了主体结构的二级基坑开挖，同时为构筑物的整体浇筑提供了完整开阔的地面空间，有利于多个工作面同时作业，极大加快了主体结构的施工进度。该工程土方开挖及边坡支护用时约5个月，总挖方量约88万m3，主体结构浇筑约5个月，目前主体结构已结构封顶进入设备安装调试阶段。

4.4 厂区总图运输

该工程厂区总图运输重点在于合理衔接地面层、操作层、箱体顶层三个标高层以及妥善协调车辆通行、物料运输及人员进出三者的关系。

根据厂区平面布置，近、远期箱体位于场地中央，四周设置环形道路衔接箱体操作层及顶层标高。环形道路按照7m双车道设置，为满足道路坡度及坡长要求，环形道路由东北角入口处开始起坡，顺时针方向一次爬坡至箱体顶层标高149.50 m；逆时针方向分为两侧爬坡，一次爬坡至操作层室外地坪标高141.00 m，并在箱体操作层北侧设与箱体等宽的平坡高架道路以作为设备进出操作层的主要通道，绕过箱体西北角后二次爬坡至箱体顶层标高149.50 m。两侧环形道路至149.50 m标高交汇后通过天桥跨至箱体顶层。因此车辆从东北角入口进厂后可通过环形通道直接到达操作层及箱体顶层，便于设备装卸及参观团队上下客。

对于箱体底层，通过北侧中部入口直接进入141.00 m地面层，并在箱体北侧设置110 m×20 m场地，方便脱水污泥外运和药剂卸料。

同时在箱体北侧中部位置设置一部电梯及楼梯间，分别停靠箱体底层133.50 m，操作层141.30 m和箱体顶层149.50 m标高，厂区工作人员可从北侧中部入口进入厂区后由电梯直达箱体顶层到达综合楼。厂区道路布置如图4所示。

图4 厂区道路布置示意图

箱体与厂区环形道路形成类似于“航站楼”的建筑形式，厂区环形道路使得车辆可快速达到操作层和箱体顶层，方便大型设备运输和大批人流上下；箱体底层单独对外，运输污泥及药剂，有利于改善厂区卫生条件；箱体内电梯及楼梯方便工作人员巡视管理。

4.5 箱体功能分区

该工程箱体高度集约化布置，所有污水、污泥处理设施及配套辅助设施全部设置于箱体内部。箱体功能分区主要遵循以下原则：

（1）工艺流线清晰流畅，处理设施分组明确。（2）箱体高程合理利用，构建筑物有序整合。（3）操作环境清污分离，设备物资进出方便。箱体内上下层功能分区如图5、图6所示。

图5 箱体下层（133.50 m标高）功能分区示意图

图6 箱体上层（141.30 m标高）功能分区示意图

污水处理设施部分设细格栅曝气沉砂池一座（3万m3/d），位于箱体中央；生反池、二沉池、高效沉淀池两座（单座1.5万m3/d），对称布置于箱体两侧；高效纤维束滤池一座（3万m3/d），位于箱体东侧高效沉淀池旁；加氯接触池一座（3万m3/d），叠于东侧二沉池底。污泥处理设施部分设污泥泵房、浓缩池和储泥池两组（单组1.5万m3/d），对称布置于细格栅两侧；污泥脱水机房及料仓一座（3万m3/d），位于箱体下层中央。

同时，构筑物充分利用箱体高程进行集约整合，利用生反池与二沉池之间的池深差在二沉池底部分别叠设了加氯接触池、放空调蓄池及设备管廊；利用高效纤维束滤池和高效沉淀池的池深差在滤池底部叠设废水池；利用三面池体围合形成的空间作为污泥脱水机房，净空可达7.0 m。

箱体内部清污两区分离，将自动化程度高、卫生条件相对较好的处理设施布置于上层，营造操作层良好的环境条件；将加氯加药间、污泥脱水机房等卫生条件稍差的处理设施布置于箱体下层，避免日常药剂装卸、污泥运输影响整体操作环境。

操作层将变配电间、鼓风机房均设于操作层北侧，便于重要供配电设备及鼓风机设备等直接对外运输。另外还在操作层内划设了倒T形的车行荷载范围，可让运输车辆进入箱体内部，配合起重设备大大降低设备运输和吊装难度。

5 结语

（1）该工程采用集约化箱体厂房建设形式，可有效节省污水厂占地面积，相比国家相关建设指标低50%左右，并极大提升了污水厂视觉感观。

（2）针对山地建设条件，采用合理的平面布置和施工方案，在挖方量可控范围内，可大幅压缩施工工期，降低施工难度及风险。

（3）箱体厂房依山势而建，综合考虑总图运输、道路坡度、消防疏散等要求，采用类似于“航站楼”式的高程布置，巧妙地解决了箱体厂房高程与周边地势的衔接问题。

（4）该工程采用的集约化建设形式和箱体高程布置可为国内山地城市污水厂建设提供参考和启示。