武汉某地下式污水处理厂工程设计实例

夏云峰，赵 皇，周 艳，卢仲兴，宁亚军

(中建三局绿色产业投资有限公司，湖北武汉 430058)

地下式污水处理厂的建设形式起源于20世纪初的北欧芬兰，最初主要为了稳定控制生物处理的温度条件。其主要将污水处理厂水处理构筑物及辅助建筑物紧凑地设置在一个箱体内，该箱体整体或部分置于地面以下。地下污水处理厂的构筑物布置形式大致分为全地下式(单层加盖、双层加盖)、半地下式双层加盖、半地上式双层加盖[1]。

相较于常规地上式污水处理厂，地下污水处理厂的优势在于整体布局紧凑占地少、良好的密闭性基本消除了噪声污染、稳定的环境温度使出水达标保证率高。然而，因地下式污水处理厂设于地下，对采光照明、通风除臭、消防防洪(涝)等要求也更高，故除投资较地上式污水处理厂更高外，运行成本也会有所增加。因此，在决策是否建设地下式污水处理厂时需统筹考虑城区土地价值及周边土地利用率。

地下式污水处理厂的建设有多种应用场景，如对处理后的出水有再生利用需求，需采用地下分散式污水治理思路，避免污水处理厂设置在下游，增加输水干管敷设长度；对选址用地有集约节地的要求，现有用地面积无法满足常规布置需求；降低选址对周边用地价值的邻避效应，以减少对周边的噪声污染和环境影响等。地下式污水处理厂在我国起步较晚，但发展较为迅速，目前集中应用在经济发达、人口密度高、对土地资源要求和环境质量要求高的城市及地区。如采用多级AO工艺的全地下式北京碧水再生水厂[2]；采用“预处理+二级生物处理+混凝沉淀+反硝化过滤”工艺的全地下式上海泰和污水处理厂[3]；贵阳南明河流域采用AAO+MBR工艺的贵医污水处理厂[4]等。当前，在北上广深等一线城市、昆明和大理等环境敏感区域以及杭州、青岛、合肥等人口密度较高地区均有运行或在建的地下式污水处理厂。

1 项目概况

随着人口规模的增长，为有效解决武汉市某片区污水直排、旱季污水处理能力不足的问题，拟从污水输送的暗涵转明渠的明渠起端进行旱季截污，同时兼顾雨天合流制溢流污染的控制，根据修建性详细规划在明渠起端东侧一狭长形地块选址修建一座10×104m3/d的水质净化厂以缓解片区水环境污染问题。

地下式污水处理厂的建设多布设于用地条件受限或出水需就地资源化的场景。由于本案例选址临近密集的住宅区和大型商圈，公用设施建设用地面积有限且为条状，综合考虑出水水质、对周边环境的影响等因素，设计确定采用全地下式污水处理厂。出水水质按《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中一级A排放要求设计，除TN含量按≤15 mg/L、SS含量按≤10 mg/L执行外，其他指标均执行地表IV类水质标准。该污水处理厂处理后尾水排入临近明渠，作为明渠的生态补水。

2 处理工艺

目前，地下式污水处理厂二级处理核心工艺通常选择改良AAO、深床滤池、MBBR等一些运行成熟、能耗低的工艺或其组合。据侯峰等[5]对国内地下式污水处理厂的调研，50%以上的地下式污水处理厂采用AAO及其改良工艺作为污水处理主工艺，超过25%的地下式污水处理厂采用MBR作为主工艺，IFAS、MBBR等高效生物膜工艺在地下式污水处理厂中也有应用。

本工程污水处理厂进水为暗涵输送周边区域的生活污水，旱季为片区旱流污水，雨季则为合流污水，参考周边区域污水处理厂进水水质并调研晴雨季明渠水质后确定进水水质，结合修建性规划对该明渠河道的功能定位及尾水的补水用途，建设方对出水水质提出了较高要求，需稳定达到一级A标准，主要指标达到地表IV类水质标准，因此，最终确定本工程进、出水水质如表1所示。

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

选址现场南北两端分别为铁路干线和加气站，出于安全考虑，深基坑南北两端须退让50.0 m以上的距离，地下空间可用面积不足2×104m2，因此，严格的用地限制是工艺选择的主因，而采用常规二级处理加深度处理并不具备现实条件。鉴于严格的用地限制及周边商住环境限制，必须选择占地少、处理效果稳定可靠的工艺，同时能有机组合减少环境影响，最终确定该污水处理厂的工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程示意图Fig.1 Process Flow Diagram

该工艺采用多点进水，厌、缺氧区均设进水口，以解决缺氧区碳源不足的问题。AAO生物池混合液采用分段回流，缺氧池混合液回流至厌氧池补充污泥量，降低厌氧池DO确保聚磷菌有效释磷，好氧池混合液回流至缺氧池实现硝化液回流，膜池内高浓度污泥外回流至好氧池。生物池的内、外回流比例据进水水质灵活控制，可最大限度利用碳源，提高脱氮率和抗晴雨季水质波动的能力。

地上式污水处理厂泥水分离多采用圆形幅流式二沉池，地下式污水处理厂受限于空间及对集约用地的需求，多采用单层或双层矩形沉淀池。此外，MBR膜也是一种常见的泥水分离方式。为减少占地和提高出水水质，该工艺泥水分离通过MBR完成，污水处理车间采用全地埋设置，结构形式采用箱体，构筑物均加盖以便臭气收集和处理。

3 处理车间布置

地下式污水处理厂需考虑污水处理及辅助设施的布置，按常规分设两组独立处理线，这既要结合用地条件，又要结合区间功能与施工、巡检等所需空间以及采光通风、除臭消防等要求统筹考虑。

建设方给定的用地范围是长约500.0 m、宽约80.0 m的条状地块，南面为铁路，西面为大型商圈，东面为高架路，综合上述边界条件，优化设计后确定该地下式污水处理厂处理车间平面布置如图2所示。

总平面打破常规的中间道路、两边对称的布置方式，结合用地红线的特点，将地下道路布置在红线的弧形一侧，两条水处理生产线并列紧凑地布置在另一侧，尽可能减少对用地的分割。根据池体深度在竖向上的分布特点，利用生物池对应路段下方的空间安排应急溢流调节泵房和排水泵房，最大程度发挥竖向空间的作用。

图2 处理车间平面布置示意图Fig.2 Schematic Diagram of Sewage Treatment Unit

整个污水处理车间长约282.0 m，宽约64.0 m，采用双层加盖形式，主要分两层：上层层高约6.6 m，为设备操作层和车道，下层层高约7.0 m，为构筑物层及管廊。车间顶部覆土1.6 m以上，车间下部距设计地面最深处约15.4 m(生物池和应急溢流泵房底板内底)，其他部分在地下9.4～13.4 m。箱体顶板向长边方向放坡，以排放景观土壤层的积水。车道入口附近设雨篷，采用反坡设计并设置横向截水沟。

预处理区主要为两道格栅及沉砂区，如图3所示，包括栅渣区，竖向上将细格栅池的下部空间作为空压机设备间。预处理区内充分利用高净空部分作为格栅冲洗水箱及水泵放置区域。

生化处理区则为AAO主工艺段，如图4～图7所示，在结构的竖向设计上作为最大埋深处，整体为锅底状，设计考虑的关键是AAO生物池及MBR反洗水池溢流排水的去处。为减少占地，结合管廊首层设置，将MBR反洗水池及AAO生物池溢流排水全部纳入管廊最底层的排水泵房和溢流泵房内，与生物池共底板。除臭设施置于生物池顶板上，能充分利用生物池顶板上方空间。

图3 预处理区布置图Fig.3 Schematic Diagram of Pretreatment Area

图5 AAO生物池下部布置图Fig.5 Schematic Diagram of AAO Biochemical Pool in Lower Layer

图6 膜池上部布置图Fig.6 Schematic Diagram of Membrane Tank in Upper Layer

图7 膜池下部布置图Fig.7 Schematic Diagram of Membrane Tank in Lower Layer

设备及加药间包括MBR产水泵、鼓风机房、配电间等，构成附属综合车间，污泥处理区则包括脱水间、泥库、消毒间等。加药间药剂采用液体药剂地面卸料方式，通过卸料泵将药剂接入加药间。离心浓缩脱水后的污泥通过管廊地下一层车行通道收集外运处置。

该污水处理车间占地约1.8×104m2，考虑地上景观及配套驿站总用地红线的面积约2.91×104m2，根据《城市污水处理工程项目建设标准》中污水处理厂对用地指标的要求，二级处理加深度处理占地指标为0.8 m2/t，该地下式污水处理厂占地仅为同规模常规地面污水处理厂占地(8×104m2)的36.4%。

4 主要设计参数

4.1 进水及预处理单元

进水由明渠自流进入结合井，经井内粉碎性格栅机处理后通过下开式堰门自流进入地下式污水处理厂细格栅池，细格栅、曝气沉砂池及膜格栅作为预处理单元组合在一起，在预处理终端形成两组配水井。细格栅间安装3台栅隙为5 mm的内进流网板式细格栅，膜格栅间安装4台栅隙为1 mm的内进流网板式精细膜格栅。

曝气沉砂池分两格，每格装有10处T型钢制穿孔管，供气由两套磁悬浮鼓风机提供，单台流量为18 m3/min，风压为39.2 kPa。每格安装1台漂浮螺杆，通过管道输送至浮渣分离一体机。另设两套气提吸砂泵和一套砂水分离器，Q=60 m3/h。曝气沉砂池水力停留时间为6.5 min，曝气量为0.2 Nm3/m3污水。

4.2 二级处理及消毒出水

生化单元为AAO生物池，设两组，对称布置形成整体，隔墙分隔，每座由厌氧区、缺氧区及好氧区组成，厌、缺氧区分段进水，既补充了反硝化碳源以提高脱氮效率，又降低了回流硝化液携带的溶解氧。

厌、缺氧区及好氧区均为导流墙形成推流式的矩形水池，厌、缺氧区内均设潜水推进器，各分区均设3台穿墙潜水泵。MBR膜池内污泥回流到好氧区的回流比为300%～400%，回流渠道内设8台(6用2备)污泥回流泵，将膜池污泥回流至好氧区起端，两台剩余污泥泵的单泵流量为130 m3/h，扬程为16 m。AAO生物池设计泥龄为12 d，污泥负荷为0.055 kg BOD5/(kg MLSS·d)，总停留时间为10.35 h。

生物池好氧区采用板条式曝气器，设计气水比为5.2∶1.0，由鼓风机房内3台带变频装置的空气悬浮鼓风机提供曝气，单机供气量为181 m3/min。

AAO生物池后接MBR池及紫外线消毒间，MBR膜池分2组，承担泥水分离功能，另外可强化有机物和氮的去除效果。该工艺将MBR膜池与AAO好氧池合建，通过渠道调整MBR进、出水方向，将膜池的进水引入后端，而回流液在膜池前端，采用穿墙泵和回流渠完成污泥回流。每组膜池共分为7列，每列有膜组件19个，每列预留膜组件安装空位1个，该单元共安装膜组件数量为133个。选用聚偏氟乙烯(PVDF)浸没式中空纤维膜，孔径为0.04 μm，膜面积共237 910.4 m2，平均膜通量为17.5 L/(m2·h)，最大跨膜压差为0.05 MPa，膜组件产水10～12 min，反吹扫1 min。MBR膜池一侧设置酸洗池、碱洗池、冲洗水池及反冲洗水池。膜池吹扫由鼓风机房内3台带变频空气悬浮鼓风机提供，气水比为9.0∶1.0。

采用3套管式紫外线消毒装置，每套平均处理流量为1 389 m3/h，紫外消毒设备紫外线剂量在15～22 mJ/cm2。此外，预留应急时NaClO的投加及相应管路系统，出水经巴氏计量槽计量后排入临近明渠作为生态补水。

4.3 污泥处理单元

污泥处理单元由污泥缓冲池、离心式浓缩脱水一体机及污泥料仓组成，设5套离心浓缩脱水一体设备(4用1备)，每套处理量为50 m3/h，剩余污泥含水率由99.4%降至80.0%以下，每日运行16 h。辅助设施包括污泥切割机、污泥进料泵、加药泵、冲洗装置及制药设备。每台脱水机配套脱水后干污泥输送泵，脱水污泥被送至料仓，两套污泥料仓总容积为100 m3，卸料能力为30 m3/h。脱水机设两套PAM制配系统，1用1备，配置能力为5 kg/h，配备5台PAM投药泵，单泵流量为1 500 L/h，投加点位包括污泥脱水前和污泥缓冲池。

4.4 加药单元

加药间药剂配置采用液态药剂，包括混凝剂PAC、碳源NaAc、柠檬酸和NaClO，设卸药泵，流量为20 m3/h，并配置药剂储罐及投配系统。PAC药剂投加点为好氧池出水端，单泵流量为350 L/h；NaAc投加至生物池缺氧区补充碳源，单泵流量为500 L/h；柠檬酸原位清洗投加至产水泵吸水管、酸洗池和水洗池；NaClO原位清洗投加至产水泵吸水管、碱洗池、水洗池和反冲洗池。

4.5 除臭及通风单元

除臭采用生物除臭，所需密闭、收集及除臭的构筑物及设施主要为进水及预处理单元、二级生化单元和污泥脱水机房等，除臭为两套系统，总风量为100 000 m3/h。

车间内地下一层过道、二层管廊、鼓风机房、加药间、膜设备间、细格栅、膜格栅、曝气沉砂池等设备集中区域采用机械排烟、自然补风的方式；脱水车间、储泥池、变配电间、生物池上部及地下一层走道和二层管廊采用加压送风。设计选用单速导翼型风机和高温双速消防风机，双速消防风机平时低速排风，火灾时高速排烟。脱水机、变配电间、MBR膜池及生物池上部、地下一层走道采用单速导翼型；泥库、鼓风机房、加药间、膜设备间、预处理区、仪表间及地下一层走道及地下二层管廊采用高温消防风机；脱水间、变配电间及地下一层走道采用单速消防加压送风机。共设置9套排风(烟)系统，换风次数根据区域性质按3～8次/h设计。

5 结论

(1)该地下式污水处理厂设计规模为10×104m3/d，采用AAO+MBR作为核心生物处理组合工艺，设计出水除TN和SS的限值分别为15 mg/L和10 mg/L，其他出水水质均满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中地表水IV类水标准，处理后尾水排入临近明渠作为其生态补水，目前该污水处理厂正处于建设中。

(2)全地下式污水处理厂工艺设计需充分结合下沉箱体的各平面功能和竖向结构，为便于开挖支护、地基处理及抗浮设计，箱体总体布置应将埋深相近的构筑物集中布设，达到同标高、共底板。此外，从运维角度需重点统筹采光通风和消防的设计，方可在保障污水处理厂安全运行的前提下节省运维成本。

(3)地下箱体平面布置应因地制宜，竖向上综合利用。该工程结合带状地形将地下车行道布设在红线的弧形一侧单向通行，两条水处理生产线并列紧凑地布置在另一侧，以减少对用地的分割。并结合池体深度在竖向上的分布特点，利用生物池对应路段下方的空间设置应急溢流调节泵房和排水泵房，最大程度发挥竖向空间的作用。

(4)本项目总投资约6亿元，单方投资约6 000元/m3污水，较常规地上式污水处理厂建造成本3 000元/m3污水增加约一倍。因此，采用全地下式污水处理厂必须权衡周边影响和投资成本两者的关系。