全地下污水處理廠建設優勢分析
——以廈門市馬鑾灣再生水廠為例

費霞麗

（廈門水務集團有限公司，福建 廈門361009）

0 引言

美麗中國理念是強調人與自然和諧共生、良性循環、全面持續發展的理念。污水處理廠是保護水環境、治理水污染和水資源循環再利用的關鍵設施。近三十年來，我國建設了大量的城市污水處理廠，但是還有不少污水處理廠存在著因出水水質不合格、二次污染嚴重、鄰避效應而導致的土地資源浪費等系列問題。所以，近年來環保部門對污水處理廠的出水水質考核指標有了大幅提高，同時，所采用的全地下建設型式極大地減小了對周邊環境的影響，大幅度提高了城市土地利用效率，實現了與周圍環境的和諧共處，取得了良好的社會效應，為污水處理提供了新的建設模式。

1 傳統污水處理廠問題研究

1.1 土地開發利用差

我國絕大多數的污水處理廠采用地上式建設模式，工藝構筑物布置零散，從而造成占地面積較大、無法與周邊環境相協調、影響城市形象的問題[1]。眾多大中城市的污水處理廠因為景觀性較差和鄰避效應，使周邊土地無法開發利用，閑置浪費，這對土地資源日漸緊缺的大中城市發展造成了較大的影響和障礙。

1.2 二次污染加劇

地上式污水處理廠同時又加劇了噪聲、空氣等二次污染。

噪聲污染主要來源于污水處理廠中生產設備，如鼓風機、水泵等。現在污水處理廠普遍采用的降噪方法是種植隔音綠化、安裝消音設備等，但都無法有效解決噪聲污染問題，對長期在污水處理廠工作的人員健康造成了影響。空氣污染主要來源于污水處理廠產生的臭氣。臭氣主要產生在預處理工藝段和污泥處理工藝段，如粗細格柵、污泥脫水機房等。雖然目前很多污水處理廠采用了密封加罩等措施，但也不能完全消除臭味[2]。

1.3 出水水質不達標

2015年4月國務院頒布了《水污染防治行動計劃》，對于城鎮污水處理廠出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A標準。我國較早時間建設的大部分污水處理廠執行的是一級B標準、甚至是二級標準，所以現有的污水、污泥處理工藝很難滿足要求，需要進一步提標改造。

綜合以上，傳統建設模式的污水處理廠由于資源利用率低、二次污染嚴重、能耗較高等問題，與環境友好、資源集約的設計目標存在著較大的差距，因此，全國有條件的區域開始嘗試高標準的全地下式污水處理廠的建設模式。

2 馬鑾灣全地下再生水廠簡介

2.1 工程規模及處理目標

2.1.1 服務區域

馬鑾灣再生水廠的服務范圍主要為馬鑾灣區域內的新城西片區、北片區、馬鑾島、核心區和新美泵站服務區域，目前片區內排水現狀存在很多問題：

（1）未達標污水的排放對周邊水體污染嚴重，上游養殖業、餐飲業產生的污水以及未達標的工業污水偷排漏排現象屢有發生；

（2）片區內雨、污水混流現象嚴重。

針對區域內存在的惡劣問題，馬鑾灣再生水廠的建設對保護地區水環境將發揮關鍵作用。

2.1.2 進出水水質分析

經過污水量預測，馬鑾灣再生水廠近期規模按5.0萬m3/d建設，遠期規模為13.7萬m3/d。根據規劃，馬鑾灣再生水廠出水需作為馬鑾灣淡水水系的生態補水，地區環境要求較高，所以出水水質按類IV類水水質標準，即除TN優于一級A外，其他均執行地表IV類水標準。馬鑾灣再生水廠的進出水水質見表1。根據每個指標的去除率，CODcr和BOD5采用常用的生物處理工藝輔助混凝沉淀則可穩定達標。該工程的處理難點是TN、TP和SS的控制，再加上環保局對污水處理廠實施24 h監測，這就要求出水水質長期穩定可靠，因此，碳源的合理分配、氮的有效去除和深度處理工藝是該工程的重點。

表1 馬鑾灣再生水廠進出水水質一覽表 mg/L

2.2 工藝路線論證

2.2.1 污水預處理段

根據進出水水質特點及國內外工程實例，馬鑾灣再生水廠采用“分點進水多段式AAO+二沉池+高效沉淀池+反硝化深床濾池+超濾膜”的主體工藝。工藝流程如圖1所示。鑒于進水中含砂量較大，為更有效地洗脫有機物、浮渣和油脂，利于后續處理工藝，預處理段采用曝氣沉砂池。馬鑾灣再生水廠設計進水的SS為200 mg/L，考慮到為保證后續生化段的足夠碳源，所以生化處理段前不設初沉池。

圖1 馬鑾灣再生水廠工藝流程圖

2.2.2 污水二級處理段

污水二級處理采用分點進水多段式AAO工藝。精確的分點進水可以有效分配碳源，多段缺氧/好氧順序排列，可以為反硝化菌、硝化菌的生長創造合適的環境。該工藝具有如下特點：

（1）缺氧/好氧交替布置，省去傳統A/O工藝的消化液內回流設施，且可充分利用原水中的碳源進行反硝化，對低C/N城市生活污水的高效脫氮尤為有利；

（2）由于污水分散進入各段，其總的稀釋作用被推遲，系統各段懸浮物濃度呈梯度分布，所以該工藝比常規營養物去除工藝具有較多的污泥儲量和較長的固體停留時間，不同的進水點和進水流量分配增加了單位池容的處理能力，大大降低脫氮所需的池容；

（3）缺氧區進水一方面可充分利用原水中的易生物降解有機物，另外異養菌的生長受到限制，利于自養硝化菌的生長；

（4）缺氧區和好氧區交替存在可以對好氧區硝化時消耗的堿度有一定補充，可以避免硝化堿度不足的情況發生，此外每段的缺氧區相當于高負荷選擇器，可有效抑制絲狀菌污泥膨脹。

2.2.3 污水深度處理段

面對更嚴格的出水水質控制標準，經過二級生物處理后 CODcr、TN、TP、SS尚不能達到排放指標。重點、難點處理指標主要是TN、SS和TP。該工程深度處理采用“高效沉淀池+反硝化深床濾池+超濾膜”的組合工藝。

反硝化深床濾池是集生物脫氮及過濾功能合二為一的處理單元，濾池采用2～4 mm的石英砂作為反硝化生物的掛膜介質，生物膜量大，可達20～50 g/L，在保證充足碳源的情況下，出水TN濃度可小于5 mg/L。另外，反硝化深床濾池濾層深度較深，足以避免竄流或穿透現象，即使前端處理工藝發生污泥膨脹也不會使濾床發生水力穿透，固體負荷高的特性大大延長了濾池過濾周期，減少了反沖洗次數，并能輕松應對峰值流量或處理廠污泥膨脹等異常情況。反硝化深床濾池可以根據出水要求控制TN去除量，近期可滿足地表類IV類水體要求，遠期可根據指標提升水質。

SS≤5 mg/L是要求很高的出水指標，一般要采用膜過濾才能達到這個標準，再加上前端設置的高效沉淀池采用的石英砂顆粒，導致顆粒間隙比較大。為了使污水廠的出水100%穩定達標，僅采用“高效沉淀池+反硝化深床濾池”的深度處理工藝是無法保證出水穩定達標的。另外，該工程出水系作為馬鑾灣淡水水系的生態補水、城市雜用水及工業企業的生產用水，水質需要非常穩定。綜合以上因素，末端設置了先進的超濾膜工藝，確保了出水水質。

3 馬鑾灣再生水廠優勢分析

3.1 促進環境友好

3.1.1 全地下式布置

地下式污水處理廠，即各處理構筑物和部分建筑物建設在地面以下，廠區地上作為其他建筑物建設、綠化、停車場等公共區域用途。根據不同的布置方式，可以分為雙層加蓋式半地下布局、雙層加蓋式全地下布局和單層加蓋式全地下布局[3]。三種方式見圖2。由簡圖可知，單層加蓋方案上部空間有較多的安裝孔，不利于上部地塊的開發，所以工程實際應用少；雙層加蓋式半地下建設方案整體景觀效果和雙層加蓋式全地下布局方案還是差很多，且對外公共開放區域較小。綜合以上，馬鑾灣再生水廠采用全地下式雙層加蓋的建設模式。

馬鑾灣再生水廠整體位于地下，上部種植綠化，池體全部覆蓋土，生產活動均位于密封的地下。如圖3廠區地上部分平面布置所示，根據遠期規劃再生水廠公眾開放范圍可達2.43 hm2，可以作為公用或公共設施用地，并將污泥脫水機房和廠前區布置在全地下箱體上方，很大程度上方便了污泥的頻繁外運以及污泥脫水設備的日常維護。如圖4所示：水廠的操作層全部設置在地面以下，地下箱體綜合處理構筑物長200 m，寬77 m，頂部覆土2.0 m，箱體中間設置寬8 m的進出通道，方便日常檢修及巡視；中間通道兩端由東向西依據工藝流程分別建造預處理段、二級生物處理段和深度處理區，各構筑物之間布置合理、緊湊。在外觀上具有景觀效果美、占地集約的優勢。

圖2 不同地下式污水廠布置方案

圖3 廠區地上部分平面布置圖

圖4 箱體地下操作層平面布置圖

3.1.2 綠色廠區景觀

馬鑾灣片區作為廈門海綿城市試點區，為響應海綿城市精神，整個污水廠的平面綠化及景觀設計充分體現了海綿城市的內涵。如圖5所示，在廠區內主要道路采用透水路面，人行小道采用透水磚鋪砌，改進了城市植物調節生態能力。廠區大量空地打造花園景觀，種植大量適合當地環境、具有觀賞價值的植物，全廠綠化率不小于60%。此外，對于裸露在地上的所有設施均作外形美化，所以，馬鑾灣再生水廠展示出了與周圍環境高度的協調和呼應。

圖5 廠區內透水路面

3.1.3 科學臭氣處理

馬鑾灣再生水廠主體構筑物位于箱體內，為保證工人有一個良好的操作環境以及減少對周圍環境的空氣污染，該工程采用《惡臭污染物排放標準》（GB 14554—1993）中規定的廠界廢氣排放二級標準，對重點區域的臭氣進行有組織的收集、處理和排放。對于惡臭氣體散發點如粗格柵及進水泵房、細格柵及旋流沉砂池、生反池、儲泥池等選用防腐蝕能力強、投資費用低的混凝土加蓋方式，臭氣經密閉收集后，通過風管輸送到生物除臭設備。馬鑾灣再生水廠采用兩級生物處理的復合式生物除臭工藝，技術新穎工藝可靠，臭氣經過溫度調節、增濕的一級生物處理后進入二級生物濾池工藝，濾層選用多孔、濕潤和充滿活性微生物的填料，吸附性和降解能力強。結合廠區總體布置，再生水廠設置三套生物除臭設備，分別處理污水預處理單元、生反池單元和污泥處理單元產生的臭氣。在微生物的高效處理下，大量臭氣中的有害成分被去除，達到排放標準后排放。

3.2 實現資源節約

3.2.1 土地節約

表面來看，全地下式污水處理廠的投資成本較高，但是當人類可利用的土地資源日趨減少，土地價格逐漸增高時，全地下式污水處理廠的價值就會顯現出來。馬鑾灣再生水廠地處灣區重要地段，土地價值高，環境敏感要求標準高。根據《城市污水處理工程項目建設標準》，馬鑾灣再生水廠遠期規模建設用地指標為0.95 m2/m3·d，即用地面積為13 hm2，而該工程規劃用地面積為6.85 hm2，所以通過全地下集約化布置、將廠前區和污泥泵房建設在一體化構筑物上方等措施滿足了用地指標標準。如圖6所示，為提高土地利用率，箱體上方還建設水科普教育基地一座，免費對公眾開放，主要目的是向社會大眾宣傳普及節約水資源的環保理念。

圖6 水科普教育基地

3.2.2 能源節約

馬鑾灣再生水廠在節約土地資源的同時，也通過選擇先進的處理工藝、低能耗設備努力實現能源節約。工藝方面具體措施如采用精確曝氣控制系統、優選水泵、對內外回流比及曝氣量進行優化等。綜合樓建筑外圍護結構采用外保溫系統，建筑外立面處理上凹凸較少，從而減少了外圍護結構的熱損失和能源消耗。

3.3 保障安全生產

3.3.1 結構安全可靠

馬鑾灣再生水廠位于廈門市海滄區，地基土主要由耕植土、素填土、黏土、粗砂等組成，工程性能不良，其余各巖土層力學強度一般。鑒于以上地質特點，馬鑾灣再生水廠的結構難點在于集約化的箱體，以及不同功能的單體連接、上部箱體的柱網布置和大面積的深基坑。

參考和借鑒國內其他大型地下污水處理廠結構設計后，馬鑾灣再生水廠的箱體采用現澆鋼筋混凝土結構，短向設置“2道底板加強帶+池壁頂板后澆帶”，長向設置“1道完全伸縮縫及4道底板加強帶+池壁頂板后澆帶 ”。盛水構筑物水位線以下0.5 m以上的池內壁、頂板底面均涂抹環氧樹脂類防腐材料。鑒于地下水位較高，馬鑾灣再生水廠采用抗拔錨桿的設計保證抗浮效果。整個工程克服結構難點保證了廠區箱體的安全可靠。

3.3.2 消防布置合理

該工程地下箱體的生產構筑物為污水、污泥處理的蓄水或盛水構筑物，在正常生產情況下，一般不易發生火災，只有在操作失誤、管理不當及其他意外事故狀態下，才有可能導致火災的發生。地下箱體內除了工作人員每天的定期巡視外，沒有人員在箱體內停留，所以疏散難度不大，對人員傷害可能性小。基于以上以及國內大型地下式污水廠消防系統布置案例，馬鑾灣再生水廠將地下箱體分為9個防火分區。如圖7所示，每個防火分區面積不大于2 000 m2，并在箱體內設置室內消火栓系統和滅火器系統，除東側1個車道出入口外，水廠還在每個防火分區內分別設置通往地面的逃生樓梯，保證每個防火分區都有1個直通室外的獨立安全出口，并以通過相鄰防火分區的甲級防火門作為第二個安全疏散口，整個工程的消防方案布置保證了再生水廠的生產安全。

圖7 防火分區及應急樓梯示意圖

4 結語

本文通過廈門市馬鑾灣再生水廠，詳細分析了全地下式污水處理廠的優點。馬鑾灣再生水廠采用“分點進水多段式AAO+二沉池+高效沉淀池+反硝化深床濾池+超濾膜”的主體工藝使出水穩定達到類IV類水水質標準，保護了水環境；合理的平面和豎向布置、以海綿城市理念打造廠區景觀、采用科學除臭系統避免二次污染，使馬鑾灣再生水廠成為環境友好型污水廠；通過全地下集約化布置和箱體上方廠區空地的利用實現了土地節約。

[1]楊勇,王玉明,王琪,等.我國城鎮污水處理廠建設及運行現狀分析[J].給水排水,2011,(8):35-39.

[2]許小平,趙艷,潘婷,等.污水處理廠除臭工藝收集系統的選擇與分析[J].中國給水排水,2012,28(22):54-58.

[3]邱維.我國地下污水處理廠建設現狀及展望[J].中國給水排水,2017,33(6):18-26.