地下式污水處理廠工程設計內容探討

王 燕，孫世昌

(1.西南大學資源環境學院, 重慶 400715; 2.深圳大學化學與環境工程學院, 廣東 深圳 518060 )

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地下式污水處理廠工程設計內容探討

王 燕1，孫世昌2

(1.西南大學資源環境學院, 重慶 400715; 2.深圳大學化學與環境工程學院, 廣東 深圳 518060 )

總結了地下式污水處理廠在工藝、結構、安全等方面存在的問題，分析和探討了地下式污水處理廠工程設計的主要內容，初步給出了地下式污水處理廠工程設計的主體框架：主體結構、工程工藝、構筑物布局、通風除臭、采光照明、消防安全、運營維護及地上景觀設計。

地下式污水處理廠；工程設計；存在問題；設計框架

0 引言

相對于傳統的地上式污水處理廠，地下式污水處理廠具有占地面積小，噪聲、臭味污染小，與自然景觀相協調等優勢[1]，近些年來得到了越來越廣泛的應用。國外地下式污水處理廠的發展和應用已有近80年的歷史，至今已有200多座地下式污水處理廠處于穩定運行當中。我國在地下式污水處理廠的建設和應用方面起步較晚，現階段穩定運行的地下式污水處理廠只有20多座。隨著我國倡導生態文明建設和城市化進程的不斷推進，地下式污水處理廠必定會在我國獲得更多的應用和發展。

地下式污水處理廠不是簡單地把地上式污水處理廠搬到地下，而是一個新的、復雜的工程設計與建設過程，在主體工藝設計、地下空間布局、地上空間景觀設計、采光照明設計、除臭降噪設計等方面提出了更高的要求。鑒于目前地下式污水處理廠存在投資成本高、運行費用大、安全隱患大等問題[2]，且現有的地上式污水處理廠的相關標準和規范不能滿足地下式污水處理廠的建設與穩定運行的需要，制定相關規范或標準用于指導地下式污水處理廠的建設和運行十分必要。

本文在總結了地下式污水處理廠工藝、結構、安全等方面存在問題的基礎上，分析了現有地上式污水處理廠的相關標準與規范用于指導地下式污水處理廠的建設和運行時存在的問題和不足，探討了制定地下式污水處理廠工程技術規范的必要性，并初步給出了規范的主體框架。

1 地下式污水處理廠工程設計存在問題

1.1 工藝及設備選擇

目前，我國已建成和在建的地下式污水處理廠所采用的工藝技術主要有MBR工藝、A2/ O及其改進工藝兩大類[3-4]，同種工藝應用到的污水處理規模變化范圍大，缺乏統一的工藝設計標準。與此同時，不同污水處理工藝所需配套的處理單元及設備(例如沉淀池、除臭單元和污泥脫水單元)缺乏統一標準，造成占地及投資的浪費。例如，深圳布吉地下式污水處理廠采用了雙層平流沉淀池，提高了處理效果且節省了占地面積，而我國其他大多數地下式污水處理廠的沉淀池僅是將傳統的地上式沉淀池搬到地下。

1.2 結構設計

地下式污水處理廠大多采用地下組團式的設計形式，運用集成共壁技術[5]，減少污水處理構筑物的總體占地面積。然而目前仍缺少池壁共建相關技術的指導，導致不同處理單元池體間的搭配與設計標準不一；除此之外，對于地下式污水處理廠地下空間的層高設計尚缺乏統一標準，影響基坑挖掘深度及污水處理構筑物的布置，提高了總體投資與運行成本。

1.3 安全設計

目前缺少有關地下式污水處理廠抗震、抗浮、防洪、防淹等方面的相關規定，缺乏防毒、防火、防爆、危險氣體防護方面的指導以及地下安全運行規范，導致地下式污水處理廠存在較大的安全與風險隱患。

1.4 其他方面

在自然采光、照明、進出通道設計、地上空間景觀設計等方面也缺乏相關標準和指導，導致地下式污水處理廠的建設參差不齊，不僅影響美觀，同時造成投資浪費，增加運行成本。

由于地下式污水處理廠特殊的設計與建設形式，使得傳統的地上式污水處理廠的相關標準或規范，如《城市污水處理廠工程項目建設標準》(建設部2001修訂版)、《GBJ15-88建筑給水排水設計規范》、《GBJ9-87建筑結構荷載規范》、《GBJ10-89混凝土結構設計規范》、《GBJ7-89建筑地基基礎設計規范》等雖然在某些方面可以滿足地下式污水處理廠的排水體制及規模設計、結構設計、電氣設計等方面的需要，但在地下式污水處理廠的地下空間布局、構筑物組合布置、工藝設計、安全防護設計等方面存在明顯缺陷。因此，編制城市地下式污水處理廠工程技術規范用于指導地下式污水處理廠的工程設計、施工、驗收、運行與維護管理，作為地下污水處理技術工程設計工作的指導性文件是十分必要的，對于保證我國地下式污水處理廠的建設質量和穩定運行具有重要意義。

2 地下式污水處理廠工程設計內容與主體框架

地下式污水處理廠工程設計要以《中華人民共和國環境保護法》、《中華人民共和國水污染防治法》為指導，以為水環境污染控制措施提供技術規范、指導水污染治理設施的建設和運行管理、提高水污染控制與管理水平、保護環境和保障人體健康為宗旨，突出科學性、普遍性、實用性和可操作性。

按設計內容建設的地下式污水處理廠要綜合考慮工藝設計多選擇性、空間布局優化、節能降耗、安全保障以及土地資源綜合利用等方面的問題，在確保穩定達到《GB18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準》中排放標準或更高標準排放的前提下，選擇投資少、運行成本低的工藝和設計參數。

2.1 術語和定義

除應包含部分地上式污水處理廠相關術語和定義之外，還應包含地下式污水處理廠、全地下式、全地下式雙層加蓋、全地下式單層加蓋、半地下式雙層加蓋、集成共壁、地下組團式等。

2.2 排水體制與處理規模

對于雨污合流系統，在污水進入水廠之前要考慮截流，同時污水廠還應考慮設置溢流設計，使超出處理能力部分的污水溢流，以保證后續處理工藝的正常進行；在進行地下式污水處理廠處理規模設計時，要考慮水廠所在區域的社會經濟現狀、規劃人口、服務區內的用地規劃、所在城市歷年污水總量和已有水廠的污水處理總量，同時要留有余地。

2.3 進出水水質

地下式污水處理廠的進水水質設計需要考慮城市污水管道中的實際進水水質，并結合城市發展規劃、排水系統建設發展趨勢來確定。出水則要滿足《GB18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A標準或更高標準。考慮到地下式污水處理廠升級較為困難，因此建議在成本允許的前提下，把出水水質設計為最高標準。

2.4 規劃用地與設計形式

地下式污水處理廠的建設用地一般為同等規模地上式的1/3～1/2左右[6]，因此在進行規劃用地估算時可根據傳統地上式的規劃用地規模進行估算，具體需視所采用的設計形式、工藝類型及景觀設計需求等而定。地下式污水處理廠有全地下式和半地下式兩種設計形式，工程投資、地質條件、巖層深度、規劃用地面積等都對地下式污水處理廠的設計形式有影響。相對于全地下式的設計形式，半地下式投資少、通風采光更好、節省能耗且更安全穩定。因此，在外部條件許可下，可優先考慮半地下式的設計形式。

2.5 地下布局與結構設計

地下式污水處理廠土建工程部分的投資占水廠總投資的50%以上[7]，較地上式污水處理廠高，對結構設計方案進行優化以節約土建工程投資是結構設計的重要工作。

(1)構筑物布局。 地下式污水處理廠構筑物布局直接影響水廠的占地面積和工程投資。雖然地下式設計有全地下單層加蓋、全地下雙層加蓋和半地下雙層加蓋三種形式，但構筑物的布局大多采用的是依托集成共壁技術的組團式布置形式。

(2)埋置深度。地下深度是影響地下式污水處理廠土建工程造價的重要因素之一。在設計埋置深度時，一般可以通過建立不同地下深度地下式污水處理廠的工程造價的非線性目標方程，同時結合主體處理工藝及工程總投資，選取相對經濟合理的埋置深度。

(3)基坑支護。地下式污水處理廠的基坑支護設計需根據地質情況及地形條件來決定，可采用的途徑有拉森鋼板樁、鋼管斜支撐支護、中心島法開挖施工等。除了基坑支護設計之外，有研究指出沉井結構也可以起到施工階段的支護與止水作用，且可節省基坑支護及止水帷幕工程投資[8]。

(4)抗浮設計與空間受力計算。盡管地下式污水處理廠由無數個小部件組成，但都將其看作一個整體來計算所受浮力和橫向受力。然而，在進行抗浮設計時，仍要分成各個小塊來進行，根據工程所在區域的地質、地形條件，采用抗浮錨桿或抗拔樁等抗浮設計。在空間受力計算時，垂直方向上要考慮支撐結構的靜態負載和動態負載、設備自身載重和上部景觀的靜態負載，水平方向上要考慮水壓、土壓以及設備載荷的變化。

(5)鋼筋混凝土與防滲、防腐蝕設計。為滿足大型水處理構筑物的工藝要求，減少儲水構筑物的滲漏隱患，需要盡量減少變形縫的數量。與此同時，為提高混凝土的防滲抗裂性能，要進行鋼筋混凝土結構設計。在進行防水防腐蝕設計時，要嚴格執行《GB50046-2008工業建筑防腐蝕設計規范》及其他相關規定，進而提出相應的設計要求。

2.6 單體構筑物設計

單體構筑物主要包括一級處理單元的各個環節(格柵、提升泵房、沉砂池)、二沉池、污泥處理單元等。其中，污泥處理單元由儲泥池、濃縮脫水一體機及污泥料倉等組成，輔助設施包括污泥切割機、污泥進料泵、加藥泵、沖洗裝置及制藥設備。

2.7 主體工藝設計

地下式污水處理廠對出水水質的要求較高，一般需要達到《GB18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A 標準或更高標準，因此主體工藝的設計應包括二級處理和三級處理工藝。污水處理工藝的選擇應充分考慮技術的可行性、經濟的合理性，并依據規劃用地面積、工程投資、進出水水質要求、污泥處理處置方案等綜合考慮后確定。常用的二級處理工藝有MBR工藝、A2/ O工藝及其改進工藝；三級處理工藝有混凝沉淀、吸附、臭氧氧化、膜分離和消毒等。

2.8 通風除臭設計

污水處理系統中的臭氣源主要分布在進水粗格柵、進水泵房、細格柵、沉砂池、厭氧池等，污泥處理系統中的臭氣來源主要分布在污泥濃縮、污泥脫水及外運過程。對污水、污泥處理單元進行密閉，再通過進風口和出風口進行換氣，把惡臭氣體抽送到處理裝置中進行處理是地下式污水處理廠通風除臭設計的關鍵。常用的除臭工藝有天然植物液噴淋法、高能離子法、生物過濾法、化學反應法、活性炭吸附法、光氧催化法、土壤脫臭法等，這些方法在應用中各有特點和利弊，需要根據污染程度、使用環境與條件來權衡。

2.9 采光照明設計

由于采用地下式的設計和運行模式，進行采光照明設計顯得至關重要。不同的地下式建設形式會獲得不同的自然采光效果，而對于人工照明的需求也不相同。地下式污水處理廠在進行采光照明設計時，可依據《GB50034-2013建筑照明設計標準》的要求進行設計，盡可能通過增加自然采光來降低因照明所產生的能耗，從而降低地下式污水處理廠的總體運行成本。

2.10 消防與安全設計

地下式污水處理廠消防設計包括總圖、建筑、結構、給排水、電氣和暖通等各項的消防設計，如消防車道設計、建筑消防及防火分區、消防給水設計、電氣消防設計、防排煙系統設計等。相對于地上式污水處理廠，地下式污水處理廠在消防設計方面要增加必需的消防排煙設施；在安全設計方面，應重視防洪排澇問題、防爆問題，以及地下水廠和公共設施相連接的安全管理等問題。

2.11 運營維護設計

由于處于地下，地下式污水廠的運行維護相對困難，使得自動化控制與閉路電視監控系統成為必不可少的部分。相對于同規模的地上式污水處理廠，地下式污水廠自控儀表系統、視頻監控系統的設備數量及技術指標均較高，安全監測系統、消防及聯動控制系統則是地下式污水處理廠的新增內容。

2.12 地上景觀設計

地下式污水處理廠的地上景觀設計可提高地上空間及其周邊土地價值，可帶動水廠周邊社會經濟的發展，因而可以從總體上削減地下式污水處理廠的成本。地上景觀設計一般包括公園、濕地、園林以及文體娛樂等設施，具體設計時應綜合考慮景觀設計的特色、社區友好和生態友好、景觀風格以及設計與維護的成本，同時提升地下式污水處理廠的生態環境價值及社會經濟價值。

3 結論

地下式污水處理廠工程設計主要包含主體結構、工程工藝、構筑物布局、通風除臭、采光照明、消防安全、運營維護及地上景觀設計等方面的內容。本文探討內容可用于指導地下式污水處理廠的設計和運行，減少投資及運行成本并降低安全風險與隱患。

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Primary Exploration of Engineering Design of Underground Sewage Treatment Plant

WANG Yan1, SUN Shi-chang2

(1.College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China)

The problems of the process, structure and safety of the underground sewage treatment plant were summarized, the necessity of formulating the engineering design of underground sewage treatment plant was analyzed, and its main frame was introduced tentatively.

underground sewage treatment plant; engineering design; problems; main frame

2017-03-18

王燕，西南大學資源環境學院2014級本科生，研究方向：環境工程。

孫世昌，博士后，深圳大學化學與環境工程學院，研究方向：環境工程。

X703

A

1673-9655(2017)05-0055-04