地下式污水處理廠發展歷程及工程設計注意要點

李國金，李 霞，郭淑琴，高陸令

（1.天津市市政工程設計研究院，天津市 300051；2.天津理工大學環境科學與安全工程學院，天津市 300384；3.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 發展歷程

1.1 國外地下污水處理廠的發展與現狀

國外地下空間的發展已經歷了相當長的一段時間，城市地下大型排水及污水處理系統也取得了很好的發展。芬蘭在世界上首次于1932年開始建造地下污水處理廠[1]，但由于受當時技術條件的限制，地下污水處理廠未能獲得快速發展。直至1991年芬蘭從保護環境、節約土地資源和提高經濟效益等方面出發，同時考慮到地下空間的開發技術已經比較成熟，決定新建一座中心地下污水處理廠替換現有的7座地上污水處理廠，從而加速了芬蘭地下污水處理廠的發展[2]。1942年瑞典首都斯德哥爾摩利用當地優越的地質條件和先進的開挖技術，建造了世界上第一座現代化的巖石地下污水廠[2]。隨后，美國、英國、日本、加拿大等國家均建設了數量較多的地下式污水處理廠（見表1），這些地下式污水處理廠均取得了巨大的經濟、環境和社會效益。

1.2 國內地下污水處理廠的發展與現狀

中國香港地區的赤柱（stanley）污水處理廠是亞洲第一個建于巖洞的污水處理廠[2]，其于1990年11月開始修建，至1995年2月完工；1998年2月中國臺北開始建設的內湖地下污水處理廠是臺灣省第一座地下污水處理廠。

表1 國外部分地下式污水處理廠統計表

隨著國內城市化進程的加快和對環境要求的不斷提高，地下污水處理廠建設迎來了新的發展機遇[3]。近年來，北京、桂林、廣州、深圳、蘇州、昆明、煙臺、青島、合肥、鄭州、湘潭等地陸續開始建設地下式污水處理廠。國內部分地下污水處理廠見表2。

表2 我國部分地下污水處理廠基本情況

從表2可以看出，我國地下式污水處理廠近年來發展迅速，工程位置多位于東南沿海經濟較為發達的區域，形式多采用全地下式布置，工藝以AAO與MBR工藝為主[4]。

2 地下式污水處理廠的形式及特點

2.1 地下式污水處理廠的形式

目前，國內地下式污水處理廠主要有三種布置形式：半地下雙層加蓋式、全地下雙層加蓋式、全地下單層加蓋式，見圖1～圖3。

圖1 半地下雙層加蓋

圖2 全地下雙層加蓋

圖3 全地下單層加蓋

全地下單層加蓋式上部空間有較多的安裝孔，生產期間需操作人員巡檢，存在不能有效將生產區和公共開放區分開、上部空間難以利用、不利于景觀設計等諸多弊病。因此國內地下式污水處理廠很少采用全地下單層加蓋式，多采用全地下雙層加蓋及半地下雙層加蓋式[5-7]。

2.2 地下式污水處理廠的特點

地下式污水處理廠在施工、巡視檢修、逃生疏散、消防通風照明、防洪防澇、占地景觀、對周圍環境的影響等方面均與傳統地上分散式污水處理廠不同。具體見表3。

表3 地下式污水處理廠的特點

3 與傳統污水廠部分專業設計異同

3.1 部分專業本身的異同

（1）工藝專業：地下式污水廠工藝選擇與傳統污水廠并無實質不同。但地下式污水廠項目往往對出水水質要求較高，同時又需盡量減小地下箱體體積，避免土建費用過高，通常選擇占地面積小，容積負荷大、處理效率高、剩余污泥量少[4]、操作管理方便、耐沖擊負荷的工藝。其二級處理核心工藝通常會選擇如A2O及其變種工藝，MBR工藝，MBBR工藝等。

地下式污水廠設備選擇原則與地上式污水廠比并沒有太大差別，但進出水泵房單泵能力匹配、各種設備防腐、設備可靠性、設備與工藝本身與箱體矩形結構的適應性等方面要額外注意。

（2）結構專業：地下式污水處理廠因其自身特點決定了其結構設計的難點主要是抗浮方案的選擇和超長結構的處理[8]。就具體設計細節來講，廊道的設置寬度、基坑支護的復雜程度、地基處理、近遠期箱體的協調布置及箱體頂層防水做法等均為實際設計過程中考慮的重點。

（3）自控專業：由于地下空間有限，不便于檢修巡視，因此自動化要求較高。另外，考慮到運行人員的操作安全問題，各種檢測儀表較地上式污水廠需設置更多。

（4）總圖專業：廠區防洪排澇的安全問題是地下污水處理廠的重點。傳統地上式污水處理廠由于池體頂部一般高于設計地面較多，即使遇到超過城鎮防洪排澇標準的洪澇水、地面有一定深度的積水對污水廠損害也不是很大，但對于全地下式污水處理廠就截然不同：全地下式污水處理廠由于大部分生產構筑物及設備均位于地下，廠區地坪的設計需要在滿足城鎮防洪標準的前提下提高一定的富裕量，另外還需要考慮進出箱體地下坡道的排水，廠區圍墻的設置及廠區大門在細節設計上也應該與防洪排澇想結合，應便于設置簡易臨時圍擋。

另外，地下式污水廠更應注意施工過程，需合理安排施工季節，避免在基坑尚未回填且處于多雨季節時安裝設備，避免形成局部低洼導致周圍雨水灌入造成經濟損失。

3.2 專業之間設計配合的異同

傳統污水處理廠，一般工藝專業為主導，建筑、結構、電氣、自控專業為輔助。地下式污水處理廠則與之不同，主要體現在以下幾點：

（1）地下箱體的布置需由工藝與結構專業互相配合完成，缺一不可。工藝的選擇、工藝池型的布置受結構的制約更大，兩者的銜接貫穿整個設計過程。

（2）箱體內工藝區段和主要設備的布置影、工藝和逃生通道的配合布置影響頂部景觀的布置。尤其是需要分期建設土建箱體地下式污水廠，其總圖布置、箱體分期對工藝和景觀影響較大。

（3）通風方式和消防形式的選擇影響工藝布局及箱體凈高設計。地下箱體通風和照明提高了正常運行后污水廠的直接運行費用。

（4）建筑防火分區的設置是影響地下箱體工藝布置最為重要的因素。根據GB50016《建筑設計防火規范》3.3.1規定“戊類地下廠房防火分區的最大允許建筑面積為1 000 m2。”而對于建筑面積在25 000～40 000 m2的地下廠房而言，如果按每1 000 m2劃分一個防火分區，則需要劃分25～40個，這將對于整個箱體內部生產的布局以及疏散樓梯的布置帶來了很大的難度[8]。防火分區，疏散樓梯的布置同樣給頂部景觀的設計設置了障礙。

4 工程設計需重點考慮的問題

4.1 防止被淹方面的設計

地下式污水處理廠廠區防洪的設計需要重點考慮，主要包括防止客水（雨水）淹沒，防止處理過程中污水外溢。具體來講主要有以下措施。

4.1.1 正常運行時避免污水外溢

全地下式污水處理廠污水進入及排出箱體一般均需要提升，泵房存在斷電的可能。其斷電組合情況及設計解決措施如下：

（1）箱體出水泵房斷電進水泵房不斷電，根據箱體出水泵房處的水位上漲情況判斷，上漲到警戒水位則提供信號至進水泵房，進水速閉閘關閉，且進水泵房逐一停泵，保證箱體內污水不外溢。

（2）箱體出水泵房和進水泵房同時斷電，關閉箱體進水處的速閉閘，保證箱體不受污水淹沒。

（3）箱體進水泵房斷電出水泵房不斷電，關閉箱體進水處的速閉閘，保證箱體不受污水淹沒。

4.1.2 不受客水（雨水）影響

雨水不進入箱體的前提是本區域周邊有良好的排水條件。廠區選址及地坪標高設計一定要慎之又慎，選址避免位于洪澇區，設計地坪標高在滿足城鎮防洪標準的基礎上有所提高，除此外：

（1）進出口坡道在上坡口處設置雨水溝，且設置駝峰，見圖4，避免路面過多雨水進入雨水溝，進水雨水溝的雨水排入廠區雨水管網。

圖4 坡道上坡口的駝峰及排水溝設置實例

（2）進出口坡道在下坡口處設置雨水溝，目的是雨量過大時，截留順著坡道流入箱體內的雨水，此部分雨水就近引入箱體進水泵房或箱體出水泵房。

4.1.3 其他工程措施

除上述工程措施外，還可以優化如下工程細節，確保廠區箱體安全。

（1）可考慮于進廠管線交匯井內臨時放置排污泵，同時廠區備用柴油發電機，當地下箱體停電不能進水時，可保證污水臨時排入受納水體，避免污水淹沒箱體。

（2）進入箱體一般設置速閉閘，為降低速閉閘的泄漏率，建議在箱體前的管道上設置閘閥提高保證率，避免特殊情況下污水淹沒箱體。

（3）建議廠區設置圍墻，在滿足上部綠化景觀要求的前提下，圍墻可采取底部實體圍墻，上部鏤空圍墻的方式。暴雨時，實體圍墻配合廠區、箱體進出口的圍擋、沙袋（見圖5），進一步提高防洪能力，避免客水進入廠區。

圖5 箱體出入口圍擋設置實例

4.2 工藝設計

地下式污水處理廠池體內光線不足，不利于巡檢。配水配氣盡量均勻，設計時候要盡量做到配水配氣路徑相等、損失相當；攪拌器等設備需布置合理、有條件的盡可能根據布置情況做設備流場的CFD模擬，避免淤積，并合理預留反沖洗管道配合清淤。

地下式污水處理廠箱體內水力坡降有限導致池體自流放空困難，目前大多地下式污水處理廠基本不單獨設置放空。曝氣設備需要檢修時，通常將本池污水臨時泵送至臨池，或利用反應池內回流泵、二沉池外回流泵及對應管道、閘閥，將回流與放空巧妙設置在一起。設計在細節方面應考慮設置臨時泵安裝位置、預留管道、閘閥及臨時用電介入位置。另外，反應池在設計時需適當考慮緩凝土蓋板，與設備及頂部葫蘆配合，縫隙處用細石混凝土勾縫，輔以抹面，抹面上做好標示，以便能輕易找到檢修位置。

地下式污水廠密閉性好、積累的有毒有害氣體不易擴散，負一、負二層在設置較好的通風設施外，要求安全儀表安裝位置及數量設置合理，以保安全。

4.3 照明設計

地下空間的照明能耗較高，結合成熟的技術及地上景觀需求，地下空間照明局部可采用光導、太陽能輔助照明系統（見圖6），降低能耗及運營成本。

圖6 光導系統實例

4.4 通風設計

地下式污水處理廠地下箱體部分屬于散發熱、濕及臭氣的車間，其面積、空間均較大[7]，除做好除臭系統設計外，根據箱體布置情況可采用機械送風、機械排風的全面通風方式，也可以配合中間車道采用機械排風、自然進風的通風方式。

5 結語

隨著城市化進程的加快及土地集約利用理念的發展，地下式污水廠在我國得到了迅速地推廣。在肯定其節約用地、環境友好、有利于冬季脫氮、能夠提高周邊土地價值等優點的前提下，也應該清醒的認識到其施工過程、逃生疏散、防洪防澇、基建投資等方面存在的不利因素。在設計過程中，也要轉變傳統地上污水處理廠的設計思路，從工藝主導變為各專業互為主導，重點考慮防洪防澇、運行維護、巡視檢修、照明通風等方面的細節設計。