钱江地下式集约化污水处理厂设计方案

王雅楠

(上海市政工程设计研究总院〈集团〉有限公司天津分公司，天津 300042)

钱江污水处理厂工程始建于1997年，一期设计规模为10×104m3/d，二期工程设计规模为12×104m3/d。由于水量攀升和排放标准要求的提高，2014年实施了萧山钱江污水处理厂扩建及提标改造工程，扩建规模为12×104m3/d，同时，对一、二期22×104m3/d规模进行提标改造，实现全厂总规模达到34×104m3/d。目前，萧山钱江污水处理厂扩建及提标改造工程已投入运行，出水稳定达到一级A标准[1]。

随着萧山城市规模的不断扩大及经济的快速发展，片区内的污水量增长较快，目前，一、二、三期工程已满负荷运行，为缓解污水处理厂的运行压力，满足区域经济发展的需要，污水厂的扩建工程迫在眉睫。四期工程拟建场地位于现状厂区西侧空地内，北抵钱农东路，南邻杭甬高速，可用地面积约为98 700 m2，设计规模为40×104m3/d，设计进出水水质指标如表1所示。

表1 设计进出水水质Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

注：括号内为<12 ℃时的排放标准

1 污水厂建设形式的确定

随着我国城市化水平和居民环境要求的提高，已建污水厂周边被居住区逐渐“包围”，厂群矛盾日益扩大。能够与周边环境协调、封闭程度高、二次污染少的地下式污水处理厂正在逐渐成为城市污水治理工程建设的新思路，地下式污水厂具有以下突出优点。

(1)环境、噪音污染几乎消除：厂区生产构筑物全封闭管理，可以对产生的臭气进行全面的收集处理，主要产噪设备均处于地下封闭箱体，可有效避免臭气及噪声对地面建筑和居民生活和工作的影响。

(2)结构紧凑、土地利用率高：在构筑物形式选取及结构设计上采用布局紧凑的“模块化”设计，相比于地面式污水厂，可大大降低占地面积及所需的卫生防护距离，提升周边土地利用率。通过调研，地上污水厂占地指标一般为8 000～10 000 m2/(104m3·d)，而地下式污水厂占地指标为3 000～5 000 m2/(104m3·d)，用地可节省37%～60%。

(3)水温稳定、出水保证率高：箱体下沉并封闭，水温比较恒定，有利于生物处理工艺的稳定运行；同时，主要处理构筑物及设备可有效避免恶劣天气的不利影响，水厂整体运行稳定。

(4)景观效果好，环境融入度高：箱体顶部进行覆土绿化，可以将污水厂打造成一个亲民的、受大众欢迎的科教宣传基地或生态公园，充分融入周边环境，实现环境和谐统一。

本工程位于萧山科技城，厂区周边环境敏感度较高，可用地面积仅为98 700 m2。本着提倡“节约用地，减小污水处理厂对周边建设用地的环境影响，还周边市民一个优美的休闲环境”的设计理念，并考虑投资成本控制，污水厂建设形式采用地下式双层加盖形式，上方覆土绿化，打造成景观公园及生态停车场，如图1所示。

图1 建成后厂区景观效果图Fig.1 Design Sketch of WWTP after Reconstruction

2 地下式污水厂关键技术问题分析

相比传统地面式污水厂，地下式污水厂不仅需要各专业采用针对性的设计，还需要各专业之间紧密配合[3]，实现系统性融合，具体体现如下。

(1)箱体下沉并高度集约化，建设费用高，在选择稳定可靠工艺的前提下，应合理选择构筑物形式，并选择低能耗、低声噪、高效率、便检修、故障率低的设备；合理选择配电、照明、通风方式，实现节能低耗，运行稳定的目标。

(2)为便于结构专业开挖支护、地基处理及抗浮的设计，箱体总体布置上，尽量将埋设深度相近的构筑物集中设置，实现“共底板”，避免高程错落。

(3)应充分利用下沉箱体的平面、竖向空间。箱体平面布置紧凑集约；通过合理布排电缆桥架、工艺管道、消防通风、电子巡检设备等实现操作层净空的最大化，以降低箱体结构尺寸和埋深。

(4)箱体消防设计是地下式污水厂的重点内容，防火分区的布置直接影响了箱体操作层的划分以及地面逃生口及景观的布置。但国内尚无专门的规范作为设计依据，《建筑设计防火规范》对地下厂房防火分区的规定并不完全适用于地下式污水处理厂消防设计，应根据操作层及水池功能分区，对其消防设计予以适当简化[2]。如昆明第十一污水处理厂、南三环污水处理厂、昆明十四厂最大防火分区面积为3 900～4 000 m2。《雄安新区地下空间消防安全技术标准》是国内目前对地下排水厂站防火分区划分比较明确的参考标准，标准要求“设施层单个防火分区最大允许建筑面积不应大于5 000 m2且设置不少于两处安全出口”。

3 总体设计方案

3.1 污水处理工艺路线的确定

根据一、二、三期实际进水水质确定本工程设计进水水质，一般认为BOD/COD在0.3～0.45属于可生化污水，本工程BOD/COD≈0.57，属于较好生化污水；理论上讲，C/N≥3.5才能进行有效脱氮，本工程C/N≈4.5，能够实现理想脱氮；进水C/P=40(理论要求为20)，可采用生物除磷方法。因此，本工程主体工艺采用生物脱氮除磷工艺，为确保TP的达标排放，在深度处理段辅以化学除磷。

目前，常见的二级生物脱氮除磷工艺有AAO系列、氧化沟、SBR、BAF、MBR、MSBR等多种处理工艺，且每个工艺各有优缺点。综合考虑工程特点，拟将五段Bardenpho与MSBR工艺进行对比(表2)。

表 2 工艺方案综合比较Tab.2 Comprehensive Comparison of Process Schemes

五段Bardenpho工艺是基于AAO工艺衍化而来的工艺，具有成熟可靠、操作管理简单、运营成本较低等多项优点，是目前国内工程实例最多的工艺。同时，一、二、三期均采用AAO工艺，厂内运行维护人员积累了大量运营管理经验。本工程采用以五段Bardenpho为主体的生物处理工艺，为远期达到更高标准留有空间，在生活污水为主要进水水质情况下，CODCr能稳定达到20～30 mg/L，TN≤15 mg/L，在合理补充碳源情况下能够保证TN≤10 mg/L。

二沉池一般有单层平流式、双层平流式沉淀池、周进周出矩形池、周进周出圆形池、中心进水圆形池等形式。考虑地下厂整体布局，二沉池设计一般以矩形沉淀池为主，且通常选用周进周出和双层平流沉淀池等水力负荷和固体负荷较高池型。本工程可用地较小，双层沉淀池具有结构紧凑、占地面积小且能够实现与前端生反池“共底板”的特点，因此，本工程采用双层二沉池。双层沉淀池在苏州新区地下厂，深圳布吉污水厂均有较好的应用效果。

为实现出水TP≤0.5 mg/L，必须采用生物除磷加化学除磷的组合工艺，在深度处理中，比较常用的工艺为混凝沉淀+过滤工艺。高效沉淀池表面负荷及污染物去除率较高，池体集约紧凑，混凝沉淀工艺拟采用高效沉淀池。常用过滤工艺有转盘滤池、深床滤池、V型滤池等，上述滤池各有优点，在本工程设计参数下，比较如表3所示。

表3 过滤工艺比较Tab.3 Comparison of Filtration Process

通过上述方案比较，几种过滤工艺各有特点，且都能达到出水SS≤10 mg/L的要求，但相比而言，转盘滤池具有出水水质稳定、占地省、水头损失小、运行管理简单、投资适中等优点，更适合本工程的应用。

污泥处理采用占地面积小、密闭性较强的污泥浓缩脱水一体机，将污泥含水率至≤80%后外运处置，工艺流程如图2所示。

图2 污水处理厂工艺流程图Fig.2 Process Flow of the WWTP

3.2 箱体平面及竖向布置

地下式污水厂总平面图布置受风向影响较小，因此，平面布置时主要考虑进出水方向和用地等情况。本工程进水管道自南侧进入，北侧出水。平面布置时采用“顺流程”布置，沉砂池和初沉池等预处理设施集中置于箱体西南角，便于臭气的收集处理，沿箱体南北向布置中央巡视通道，并在通道东西两侧对称布置2座生物反应池，每组处理规模为20万m3/d；在箱体西北侧布置二沉池，处理规模为40万m3/d；在箱体东北侧布置高效沉淀池、滤布滤池、加氯接触池及出水泵房及加药间等设施。各构筑物之间通过渠道连接，箱体布置紧凑，土地利用率较高。

水厂采用地下二层建设形式，为满足顶部绿化及景观需求，上方覆土控制在0.5～1.5 m；地下一层为操作层及设备层，结构净空需满足设备起吊以及风管、电缆、除臭管道等敷设要求，本工程取4.0～4.5 m；地下二层为盛水层，构筑物之间通过渠道紧凑布置，能够有效减低水头损失。同时，辅助用房置于盛水层上方，大大提高了箱体的平面及竖向空间利用率(图3、图4)。

图3 地下箱体平面布置图Fig.3 Plane Layout of Underground WWTP

图4 地下箱体竖向布置图Fig.4 Vertical Layout of Underground WWTP

3.3 主要单体设计

(1)细格栅及曝气沉砂池

细格栅采用拦渣效果较好的内进流式网板格栅，共8套，栅条间距为5 mm，格栅前后设置闸门；曝气沉砂池1座8池，设计峰值停留时间为6.03 min，所需曝气总量为4 333.3 m3/h。

(2)初沉池

新建2座平流式初沉池，每座平面尺寸为79.1 m×38.4 m。1座初沉池设置4池，单池处理规模约为5万m3/d，有效水深为4.0 m。为降低碳源消耗，设计表面负荷取4.5 m3/(m2·h)，沉淀时间为0.89 h。根据进水水质情况选择是否超越。

(3)生物反应池

新建五段Bardenpho生物反应池2座4池，单座平面尺寸为124.6 m×168.8 m，有效水深为8.8 m，总停留时间为20.1 h，其中，厌氧段为1.0 h；第一缺氧段为6.5 h；第一好氧段为8.6 h；第二缺氧段为3 h；第二好氧段为1.0 h。污泥浓度为3.5 g/L，总泥龄为30.6 d，硝化段泥龄为13.1 d，污泥负荷为0.055 kg BOD/(kg MLSS)，设计气水比为5∶1。内回流比为300%，外回流比为100%。

(4)二沉池

新建16格二沉池，采用双层二沉池，高峰流量时设计表面负荷为1.15 m3/(m2·h)，单格尺寸为79.0 m×9.7 m，单层有效水深为4.0 m，沉淀时间为3.48 h。

(5)高效沉淀池

新建高效沉淀池8座，每座处理流量为5万m3/d，座沉淀池尺寸为16.0 m ×16.0 m，有效水深为6.5 m，混凝时间为3 min，混合池G值取500～1 000 s-1；絮凝时间为25 min, 絮凝区G值为100～500 s-1，沉淀区表面负荷为10.58 m3/(m2·h)，回流污泥比取10%。除磷药剂选用市售10%聚合氯化铝溶液，投加过量系数1.5。助凝剂采用PAM，投加量为1 mg/L。

(6)滤布滤池

新建滤布滤池共2座,共分8格，单格滤池尺寸为13.4 m×4.0 m。平均滤速为5.51 m/h，最大滤速为7.16 m/h。

(7)加氯接触池

新建加氯接触池1座，面尺寸约为63.4 m×46 m，有效水深为5.0 m，接触时间为30 min，消毒采用投加液体次氯酸钠，投加浓度为10 mg/L(有效氯)。

(8)污泥脱水机房

污泥脱水机房及浓缩池置于地下箱体之外，厂区污泥主要由初沉污泥、剩余污泥以及化学污泥3部分组成，污泥流量约为9 973 m3/h，污泥平均含水率为98.8%，经过浓缩池浓缩后含水率为97%。脱水机采用离心浓缩脱水一体机，3用1备，单台处理能力为81 m3/h，每天工作时间为16 h，进泥含固率为3%～4%，脱水后污泥含水率小于80%后外运处置。

3.4 景观及海绵城市设计

结合地下箱体，打造集休闲公园与生态停车场于一体的“生态低碳绿顶、错层退台花园”式地面景观，三季有花、四季常绿。充分融入周边环境，总体绿化面积为60 200 m2，厂区绿化率达60%，通过植草沟、雨水花园、透水铺装等措施，实现年径流总量控制率达到75%。

4 结论

通过构筑物地下式集约化布置形式，合理解决平面及立体空间布局，极大的节约占地面积，实现用地指标为2 500 m2/(104m3·d)，本工程为厂区周边景观要求高且用地紧张地区的污水处理厂设计提供了相当的参考和借鉴价值。