浅议污水处理厂海绵城市设施建设设计方案

程明涛，薛 峰

(无锡市政设计研究院有限公司，江苏无锡 214072)

当前，我国正在大力推进海绵城市的建设工作。污水处理厂作为城市重要的基础设施，也是进行海绵城市设施建设的有机组成部分。由于污水处理厂的特殊属性，大部分构筑物均为实现相关处理功能的水池，大部分为灰色基础设施。与小区道路等绿色基础设施相比，实施海绵城市设施建设有其独特的特点[1]。本文通过实例，分析了污水处理厂海绵城市设施建设的全过程[2-3]。在对不同下垫面拆解及场地分析的基础上，通过不同海绵城市技术措施的有机组合，最终实现了年径流总量控制率和年SS去除率的要求，为污水处理厂海绵城市设施的建设提供了积极的借鉴作用。

1 项目背景

昆山市某污水处理厂总面积约3.1万m2，设计规模为2.5万m3/d，分两阶段实施。一阶段已于2008年投入运行，设计规模为1.25万m3/d，采用“AAO氧化沟+滤布滤池”工艺，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。本次扩建工程设计规模为1.25万m3/d，提标改造设计规模为2.5万m3/d。处理工艺采用“改良式AAO+高密度沉淀池+反硝化滤池”工艺。出水执行地表水准Ⅳ类标准。扩建及提标改造工程均利用厂区原有预留用地，总用地面积为12 622 m2，工艺流程如图1所示，总图布置如图2所示。

注：虚线框为现状构筑物，实线框为扩建及提标改造工程新建构筑物图1 工艺流程图Fig.1 Flow Chart of Wastewater Treatment Process

图2 总平面布置图Fig.2 General Layout of WWTP

2 海绵城市构建策略

2.1 海绵城市上位规划解读及设计目标

《海绵城市建设技术指南》[4]将我国大陆地区大致分为5个区。昆山市属海绵城市建设分区的Ⅲ区，其年径流总量控制率取值宜为75%～85%(图3)。根据《昆山市海绵城市专项规划》(2017—2030)，本项目扩建场地属于镇区中心圩，水面率为16%，建设性质属于改扩建，用地性质属于公用设施用地。根据《昆山市海绵城市规划设计导则》，本项目对应场地的年径流总量控制率为80%，对应的设计降雨量为27.5 mm，年SS总量去除率为70%。

图3 海绵城市设施分区示意图Fig.3 Partition of Sponge City Facilities

2.2 竖向与排水分析

扩建工程在厂区西侧预留用地进行。厂区现状基本为绿化，少部分为原有废弃构筑物。厂区场地基本平坦，竖向变化较小，可进行局部竖向调整，优化海绵城市设施的布局，但尽量保持原有用地平整的形态，减少土方开挖和回填。总体而言，本项目初始场地对海绵城市设施的建设基本不造成影响。

2.3 下垫面分析

本污水处理厂扩建工程可用地总面积为12 622 m2，场地下垫面主要由4种类型组成，分别为建筑屋面、道路与铺装、绿地，可用于低影响开发的场地包括敞开式水池、道路、绿化。扩建工程完成后，下垫面数据分析如表1所示。

表1 下垫面数据一览Tab.1 Schedule of Underlying Surface

3 海绵城市设施的构建

3.1 功能区污染程度分析及海绵城市设施分区

污水处理厂是由处理构筑物(主要是池式构筑物)和附设建筑物组成的有机统一体。根据各区段不同的处理功能，该厂可分为以下几个主要功能区：预处理区、主体工艺区(生化处理和深度处理区)、污泥处理区、办公生活区(厂前区)。城市下垫面如居住区、道路、公园等的污染主要来自人类活动，而城市污水处理厂一般采用封闭式管理，人员车辆流动性较小。与城市其他区域相比，污水处理厂下垫面污染则主要来自厂区生产活动，尤其是和污泥相关的生产活动。生产活动内容不同，污染程度亦有所差别。研究发现[5]，污水厂内下垫面雨水污染程度由高到低是污泥区>预处理区>主体工艺区>生活办公区。污泥区、预处理区初期雨水中的SS均超过800 mg/L，而主体工艺区和办公区的地表雨水污染程度则较轻。当降雨厚度达到5 mm后，其下垫面雨水的SS浓度可稳定达到雨水回用标准要求的限值。究其原因，污水处理厂一般为泥水两条线，水线的污染主要来自粗细格栅的栅渣和沉砂池砂粒，相应的处理构筑物位于预处理区；泥线的污染主要来自脱水机房及其附属构筑物，因而造成污泥区污染明显高于其他区域。

海绵城市设施的建设是一项系统性工作，在确定设计目标值的基础上，可对各目标值进行拆解，对场地下垫面进行分类归纳，将属性相同、污染程度基本一致的下垫面归为1个大区域，将会对后续LID设施的选择及调蓄容积的计算带来极大的便利。细化分区时，可将相关敞开式水池单独成区，利用水面的消纳功能实现本区的径流削减目标；将污水厂构筑物周边绿地及厂前区绿地和一些辅助生产建(构)筑物一起成区，厂内硬化铺装及其他不透水区域也可以划分在本区，利用绿地本底，再辅以适当的海绵设施，即可实现相关设计目标；厂内道路的分区可根据海绵城市设计目标值实现的难易程度而定。

在上述不同下垫面污染程度分析的基础上，根据场地类型拆解，并结合总平面布置、场内道路及场地控制标高、厂区管线布置情况，初步将场地分为19个区，如图4所示。各分区情况简述如下：A1～A4分区均为扩建工程处理构筑物，为敞开式水池，可以有效接纳相应范围内的雨水；A5分区为反硝化滤池及消毒池不透水区域；S1～S13分区主要下垫面元素为屋顶、绿地等，为布置海绵城市设施的主要场所；S14分区为厂区新建道路，由于厂区敞开式水池较多，道路暂不考虑海绵化，设置环保型雨水口，雨水经截留SS后汇入雨水管。

图4 海绵城市设施布置图Fig.4 Layout of Sponge City Facilities

3.2 设计调蓄容积

低影响开发设施以径流总量和径流污染为控制目标进行设计时，设施具有的调蓄容积一般应满足“单位面积控制容积”的指标要求[4]。设计调蓄容积一般采用容积法进行计算，如式(1)。

V=10HφF

(1)

其中：V——设计调蓄容积，m3；

H——设计降雨量，mm；

φ——综合雨量径流系数；

F——汇水面积，hm2，1 hm2=104m2。

综合径流系数φ=(每项径流系数×每项面积)之和/总面积。以S12分区为例，分区径流系数计算：φ’=(108×0.8+786.79×0.12+479.39×0.8)/1 374.18=0.41(各下垫面的径流系数参考《海绵城市建设技术指南》[4]推荐数值)。其他各分区径流数以此类推，各分区综合径流系数汇总如表2所示。厂区综合径流系数φ=7 475.9/12 622=0.59。所需调蓄容积V=10HφF=10×27.5×0.59×12 622/10 000=205 m3

计算出全厂所需调蓄容积后，需结合海绵城市设施建设分区及场地特点进行海绵城市设施的选择与布置。

表2 综合径流系数计算Tab.2 Calculation of Integrated Runoff Coefficients

3.3 海绵城市设施选择

低影响开发(LID) 是一种强调通过源头分散的小型控制设施，维持和保护场地自然水文功能，有效缓解不透水面积增加造成的洪峰流量增加、径流系数增大、面源污染负荷加重的城市雨水管理理念，20世纪90年代在美国马里兰州开始实施。LID主要通过生物滞留设施、屋顶绿化、植被浅沟、雨水利用等措施来控制径流污染，减少污染排放，实现开发区域可持续水循环。单种LID措施中，对雨水径流 SS控制效果的排序为：透水铺装<下凹式绿地<雨水花园[6]。张晓菊等[7]通过试验分析发现，下凹式绿地在削减径流污染方面有一定的作用，COD、TP、TN、SS 的平均去除率分别为56.3%、72.1%、47.1%、74.3 %。通过建立模型并经SWMM模拟，廖江[8]发现下沉式绿地去除初期雨水中SS的效果良好，去除率达到了85%以上。根据以上研究成果，结合污水处理厂不同区域下垫面污染情况，各区域的海绵城市设施选择原则如下。

(1)生活办公区。生活办公区下垫面主要为屋面、道路和少量绿地，污染程度较低。海绵城市设施选择时可考虑将屋面改造成绿色屋顶，条件允许时，也可将雨水进行回收利用，进一步加强海绵城市的实施效果。

(2)预处理区。预处理区是污水厂下垫面污染较严重的区域之一，主要污染物为栅渣和沙粒，相应的海绵城市设施可采用对SS去除率较高的植草沟和下凹式绿地，初步净化后的过量雨水通过雨水管外排。

(3)主体工艺区。主体处理区的下垫面主要为敞开式水池、道路和绿地，污染程度较轻。敞开式水池可直接作为海绵城市设施，绿地和道路可设置透水铺装、植草沟和下凹式绿地，加强该区域SS的去除，减轻预处理区和污泥区的去除负荷。

(4)污泥区。污泥区是全厂下垫面污染最严重的区域。在加强运行管理的基础上，可考虑将本区域雨水单独管网收集进入污水厂预处理构筑物进行处理。条件限制时，可采用对SS和溶解态污染物去除率较高的雨水花园和植草沟组合措施。

本工程中，厂区大多数处理构筑物均为敞开式水池，敞口面积大，接纳能力强，尤其是生化池、二沉池，可以有效地接纳雨水，对于径流的控制及削减有很大的控制作用。敞口水池面积共4 316.29 m2，设计降雨量为27.5 mm下对应的调蓄总容积为116.10 m3，占总调蓄容积的56.6%，其余LID设施只需满足43.4%的调蓄容积。与城市其他区域相比，其各项设计目标相对易实现。因此，本工程海绵城市设施的建设以维持现状下垫面为主，对局部下垫面进行海绵化。

对于A1～A4 分区，无需进行海绵化改造，A5分区为反硝化滤池及接触消毒池不透水区域，考虑用附近海绵设施消纳。S1～S13分区，对普通绿地进行海绵化，主要设施为下凹式绿地、植草沟及普通绿地。S14分区主要为厂区道路，鉴于本工程有较多敞开式水池，道路考虑采用环保型雨水口，截留径流污染后汇入雨水管网。对于扩建用地范围内的建筑物，采取雨水管断接及高位花坛的形式，实现屋面雨水的收集。各分区海绵设施初步布置如图5所示。

图5 S12分区海绵设施布置图Fig.5 Sponge City Facilities Layout of S12

3.4 海绵城市设施规模与布局

3.4.1 海绵城市设施规模的确定

海绵城市设施的布局与规模是实现海绵城市年径流控制率及SS去除率的关键。本文选取具有多种下垫面的S12分区为代表，分析海绵城市设施的布局与规模选择。S12分区下垫面主要为屋面、硬质铺装及绿地，各种组成如表3所示。

表3 S12分区下垫面数据一览Tab.3 Underlying Surface Schedule of S12

本分区内可用地主要为处理构筑物周边绿地，结合污水处理厂实际情况和LID措施适用性分析，本区域主要采用下凹式绿地、植草沟、普通绿地等海绵城市设施来实现设计目标。由场地分区可知，本区域绿地面积较多，可以考虑适当增加海绵城市设施的调蓄容积，以弥补其他分区调蓄容积的不足。结合分区布局图，本区域共设置下凹式绿地130 m2，传输型植草沟37.5 m2，其余绿化区域保持为普通绿地，面积为619.29 m2。本区海绵城市设施的调蓄容积可根据式(2)计算。

V2=H·F×10-3

(2)

其中：V2——海绵城市设施可调蓄容积，m3；

H——下凹式绿地表面蓄水层厚度,mm，下凹式绿地一般取150～200 mm；

F——下凹式绿地表面积，m2。

本区海绵城市设施的调蓄容积V2=180×130×10-3=23.4 m3。本区所需调蓄容积V=10HφF=10×27.5×0.41×1 374.18=15.2 m3。调蓄容积大于所需容积，说明本区域海绵城市设施的选择是合适的，可以以此为依据进行后续设计。与此同时，实施海绵城市设施建设后，不仅可以削减本区域内的年径流总量，还可调节全厂的径流总量。

其他分区以此类推，通过反复调整计算，本项目最终设计调蓄总容积为206.72 m3，对应降雨量为27.6 mm，年径流总量控制率为80.63%。本工程所需调蓄容积为205 m3，满足该地区公用设施用地80%年径流总量控制率的要求。

3.4.2 海绵城市设施对SS去除率的计算

径流污染控制是海绵城市设施建设的控制目标之一。雨水径流污染(以SS计)去除率=年径流总量控制率×低影响开发措施对SS的平均去除率。本项目雨水径流污染控制率可按式(3)计算。

(3)

其中：η——地块雨水径流污染去除率；

α——年径流总量控制率；

ηi——单项海绵设施径流污染去除率；

F——场地内总汇水面积，m2；

Fi——各单项设施汇水面积上各类下垫面面积，m2。

由表4可知，本分区年SS去除率为55.04%，

则S12分区对全厂年SS去除率的贡献为55.04%为面 374.18 /12 622=5.99%。其他分区以此类推，通过对各分区污染物去除率的加和，得出本工程年SS控制率为70.04%，满足上位规划70%的要求。

表4 设计后年径流污染控制率(S12分区)Fig.4 Control Rate of Annual Runoff Pollution after Completion of Sponge City

通过上述计算过程可知，海绵城市各项技术措施的布局与规模是一个以结果为导向不断调整的过程，使全厂设计调蓄总容积大于所需调蓄容积，海绵设施的规模即可确定。同时，在各分区海绵设施规模的基础上，计算分区污染物去除率，进一步计算年SS总量去除率，使其满足设计规定值。

4 结论

污水处理厂作为城市的基础设施之一，将其海绵化是海绵城市整体建设中不可或缺的一部分。昆山市某污水处理厂在扩建工程设计之初就融入海绵城市设施设计理念，海绵城市设施和厂区主体工程同步实施，充分利用厂区现有场地条件，合理确定海绵城市设施的种类，因地制宜地采用了植草沟、下凹式绿地等设施，实现了年径流总量控制率的目标，为昆山市整个海绵城市的建设起到了积极的促进作用，亦为其他污水处理厂海绵城市设施的建设提供了积极的借鉴作用。