集約化山地式污水處理廠設(shè)計探索

朱宇峰

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 概述

三明市主城區(qū)依山面水而建，城市沿沙溪河帶狀發(fā)展，受限于兩側(cè)山體城市建設(shè)用地縱深較淺，因此土地資源尤為稀缺。隨著三明市列東片區(qū)和北部新城的發(fā)展，人民生活水平日益提高，污水排放量不斷增大；但是列東污水處理廠處理規(guī)模僅為1.5萬m3/d，目前已經(jīng)達(dá)到處理極限，現(xiàn)狀用地已無擴(kuò)建可能且距中心城區(qū)距離較近，因此急需另外選址搬遷及擴(kuò)建。

同時，三明市作為“城市雙修”全國試點(diǎn)城市，為進(jìn)一步補(bǔ)足民生設(shè)施短板、保障沙溪河水環(huán)境質(zhì)量，三明列東污水處理廠搬遷及擴(kuò)建工程也列入了《三明市2018年“城市雙修”行動計劃》完善市政基礎(chǔ)設(shè)施板塊的重點(diǎn)項目之一。

2 工程概況

2.1 項目位置及建設(shè)規(guī)模

三明列東污水處理廠搬遷及擴(kuò)建工程建設(shè)地點(diǎn)位于碧湖地區(qū)，G205國道以南、三明市垃圾填埋場以北、三明市液化氣儲罐站以西，紅線內(nèi)總用地面積約5.13 hm2。場地背山面水坐落于山體之上，北側(cè)為G205國道及沙溪河，南側(cè)背靠山體，場地東西長約350 m，南北縱深約150 m。場地北側(cè)G205國道標(biāo)高約133 m，南側(cè)坡頂標(biāo)高約190 m，最大高差近60 m，且坡面連續(xù)無可利用臺地，自然建設(shè)條件不佳，施工前需對場地標(biāo)高進(jìn)行平整以滿足污水廠建設(shè)需要。

該工程近期按3萬m3/d的規(guī)模實(shí)施，遠(yuǎn)期再行擴(kuò)建2萬m3/d，總規(guī)模達(dá)到5萬m3/d。根據(jù)場地條件，首期工程需統(tǒng)籌考慮近遠(yuǎn)期實(shí)施條件，建設(shè)一座典型的山地式污水處理廠，而豎向設(shè)計、平面布置、總圖運(yùn)輸、排水安全等諸多環(huán)節(jié)均是該工程設(shè)計需解決的關(guān)鍵問題。

2.2 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)

該工程設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)綜合考慮污水廠服務(wù)范圍內(nèi)排水性質(zhì)、現(xiàn)狀列東污水廠實(shí)際進(jìn)水分析結(jié)果，并參考福建省同類型城鎮(zhèn)污水廠設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行確定；設(shè)計出水水質(zhì)根據(jù)環(huán)評要求，執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，出水排入沙溪河。具體設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

該工程設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)為典型的南方城鎮(zhèn)生活污水水質(zhì)，整體污染物指標(biāo)偏低，但BOD5/TN=2.22，進(jìn)水中反硝化碳源不足，因此在設(shè)計中考慮外加碳源措施并適當(dāng)延長缺氧區(qū)停留時間，確保反硝化充分。

2.3 污水、污泥處理工藝流程

根據(jù)污水系統(tǒng)布局，該工程進(jìn)水直接由廠外管道泵站壓力輸送至細(xì)格柵前，因此不設(shè)粗格柵進(jìn)水泵房。經(jīng)過比選論證，該工程污水處理工藝采用“細(xì)格柵曝氣沉砂池+AAO生物反應(yīng)池+平流二沉池+高效沉淀池+高效纖維束濾池+次氯酸鈉接觸消毒”；污泥處理工藝采用“兩段式連續(xù)污泥深度脫水”至含水率小于60%后外運(yùn)處置；除臭工藝采用生物濾池法。

表1 設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)

3 山地式污水處理廠設(shè)計難點(diǎn)及對策

山地式污水處理廠因建設(shè)場地自然高程變化較大，廠區(qū)構(gòu)（建）建物無法設(shè)置于相對統(tǒng)一的廠坪標(biāo)高上，帶來了一系列設(shè)計難點(diǎn)。該項目區(qū)別于一般山地式污水處理廠，場地高差極大，整體坡度達(dá)到約40%且無可利用臺地，可借鑒的工程案例較少，因此需要因地制宜采取針對性的設(shè)計對策。

3.1 豎向布置及總圖布局

山地式污水處理廠確定合理的豎向設(shè)計是第一要務(wù)。一般而言，對于相對平緩的山地，可采用臺階式豎向布置及常規(guī)分散式的總圖布局，即各處理設(shè)施分散布置在標(biāo)高不同的臺階上，根據(jù)水力流程結(jié)合臺階設(shè)置從高到底布置。同時，山地式污水廠工程往往包含大量的土石方內(nèi)容，對工程投資影響較大。因此豎向設(shè)計需要根據(jù)自然條件和豎向布置進(jìn)行多種臺階組合的填挖方方案比選，擇優(yōu)確定經(jīng)濟(jì)合理、地質(zhì)安全、施工方便的土方平衡方案。

該工程由于場地坡度大，南北縱深較小，巖層風(fēng)化程度高，可用場地、豎向布置及挖方量相互制約。通過對臺階分散式布置方案和集約化布置方案分析表明，擬建場地如需構(gòu)建大范圍臺階，挖方范圍較大，挖深較淺，但保留了大量強(qiáng)、中風(fēng)化巖層，構(gòu)筑物地基處理難度較大，且因臺階形狀狹長，處理設(shè)施布置和近遠(yuǎn)期銜接難度較大。如采用集約化布置，雖挖方深度較大，但挖方范圍集中于近期建設(shè)場地，因此挖方量與分散式布置相比增加有限，工程投資基本持平，且構(gòu)筑物底板可落于深層基巖上，地基處理及施工難度小，也便于壓縮工期。因此最終確定采用集約化平面布置方案與集中大挖深豎向布置。

3.2 總圖運(yùn)輸及功能分區(qū)

山地式污水處理廠受地形限制，廠區(qū)功能分區(qū)及總圖運(yùn)輸需進(jìn)行妥善考慮，盡量降低大宗物資的運(yùn)輸難度，增強(qiáng)各功能分區(qū)的車輛可達(dá)性。廠區(qū)道路坡度不易過大，縮短坡長并加設(shè)緩和段，提高車輛行駛安全性；同時，廠區(qū)道路需注意與各標(biāo)高層間的銜接。功能分區(qū)上應(yīng)注意將污泥外運(yùn)、藥劑裝卸、重要設(shè)備等重點(diǎn)物流單元相對集中設(shè)置，標(biāo)高及位置便于大大減少車輛運(yùn)距和爬升高度[1]。

該工程采用集約化布置，將所有處理設(shè)施合建于箱體廠房內(nèi)，通過功能分區(qū)在空間上的合理布置及“航站樓”式的交通組織巧妙解決了總圖運(yùn)輸問題。

3.3 排水防澇及地質(zhì)安全

山地式污水處理廠除了要考慮廠區(qū)本身的排水以外，更需及時排除周邊山體下泄山洪，確保廠區(qū)的排水安全。同時對于填挖方后形成的邊坡需采取支護(hù)措施，坡面覆蓋植被，避免水土流失造成地質(zhì)災(zāi)害。

該工程對挖方后形成的邊坡采取全面的錨桿框架，坡面滿布生態(tài)綠化，同時設(shè)置排洪渠、急流槽等將坡面雨水收集后有序地排入地面雨水系統(tǒng)。箱體廠房屋面采用雨水立管排入地面雨水系統(tǒng)，最終通過場地雨水管渠排出廠區(qū)。

3.4 環(huán)境影響及景觀協(xié)調(diào)

山地式污水處理廠處理設(shè)施一般呈階梯式分散布置于山體場地之上，與周邊自然環(huán)境較難融合；且因地勢較高，不良感觀難以掩蔽，往往需要通過建設(shè)于山體背面、增加防護(hù)帶寬度等方式盡量控制不良環(huán)境影響和鄰避效應(yīng)，加大了山地式污水廠的選址和建設(shè)難度。

該工程選址緊鄰G205國道，為進(jìn)出三明市主城區(qū)的門戶道路，對環(huán)境影響控制和景觀效果營造的要求尤為嚴(yán)格。采用集約化的箱體布置將所有處理設(shè)施均容納于一體化廠房內(nèi)，可有效隔絕臭氣、噪聲、敞開污水池等不良感觀；同時，廠房屋面布置大面積的綠化小品，廠區(qū)也進(jìn)行全面的綠化覆蓋，與周邊山體有機(jī)協(xié)調(diào)，徹底改變了傳統(tǒng)污水處理廠負(fù)面的公眾印象。圖1為廠區(qū)總體鳥瞰效果圖。

圖1 廠區(qū)鳥瞰圖

4 工程設(shè)計探索

針對該工程特點(diǎn)、難點(diǎn)及制定的相關(guān)設(shè)計對策，在工程設(shè)計中進(jìn)行了如下探索。

4.1 污水廠總平面布局

該工程紅線內(nèi)總用地面積約5.13 hm2，考慮山地不良的建設(shè)條件和邊坡支護(hù)放坡距離等，實(shí)際可利用土地面積僅約3 hm2，實(shí)際建設(shè)用地指標(biāo)僅為0.6 m2/m3·d，僅為《城市污水處理工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（ZBBZH/CW）規(guī)定的Ⅴ類污水處理廠（含深度處理）建設(shè)用地指標(biāo)一半左右，因此總平面布局需采用集約化布置形式。考慮建設(shè)時序及施工條件，分為近、遠(yuǎn)期兩個箱體建設(shè)：近期箱體布置于場地西側(cè)，退西側(cè)紅線約55 m，退北側(cè)紅線約20 m；遠(yuǎn)期箱體考慮并排布置于近期箱體東側(cè)。近、遠(yuǎn)期箱體周圍沿二級邊坡平臺設(shè)置廠區(qū)環(huán)形通道，銜接近、遠(yuǎn)期箱體及箱體各層標(biāo)高。綜合樓疊設(shè)于箱體頂蓋之上，場地地面北側(cè)沿G205國道設(shè)置兩處出入口及門衛(wèi)，同時場地西北側(cè)設(shè)置消防及生活水泵房。近期3萬m3/d全流程污水、污泥處理構(gòu)筑物集約化布置于一個箱體內(nèi)，平面尺寸為107.5 m×72.15 m，箱體占地面積為7 756.13 m3。噸水處理設(shè)施僅占地0.26 m2，屬極低水平。總平面布置如圖2所示。

圖2 工程總平面布置圖

4.2 豎向高程布置

該工程場地高程變化較大且總平面布置緊湊，可用于各標(biāo)高層間銜接的空間不多，因此需盡量減少標(biāo)高層設(shè)置，簡化各標(biāo)高之間的轉(zhuǎn)換。工程主體結(jié)構(gòu)為集約化的地上雙層箱體，箱體內(nèi)部空間在高程上分為下部的水池層和上部的操作層，綜合樓設(shè)置于箱體頂部，而廠區(qū)出入口則設(shè)于地面。因此廠區(qū)高程布置上主要分為三個標(biāo)高層，即地面層、操作層及箱體頂層。

因廠區(qū)三面環(huán)山，平面尺寸受限，需要足夠的豎向空間確保污水處理廠功能完整。因此各標(biāo)高層的設(shè)置主要需平衡廠區(qū)進(jìn)出、場地排水防澇、水池容積及有效池深、操作層凈空要求、道路允許最大坡度等幾大限制因素。具體設(shè)計標(biāo)高確定如下：

（1）地面層標(biāo)高為133.20 m，箱體底層室內(nèi)標(biāo)地坪高為133.50 m。地面層標(biāo)高主要考慮廠區(qū)進(jìn)出與場地排水防澇兩個因素。場地北側(cè)G205國道現(xiàn)狀標(biāo)高為132.50～133.00 m，考慮廠區(qū)地坪與外界接順，廠區(qū)地面層標(biāo)高取133.20 m，箱體底層室內(nèi)地坪標(biāo)高133.50 m。同時，沙溪河防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a，沙溪河碧湖段50 a一遇洪水水位131.66 m，100 a一遇洪水水位132.75 m。因此地面層設(shè)計標(biāo)高滿足防洪要求，同時略高于外界場地標(biāo)高可有效避免路面雨水進(jìn)入場地。

（2）操作層標(biāo)高為141.30 m，操作層室外地坪標(biāo)高為141.00 m。操作層標(biāo)高主要考慮水池容積及池深與道路允許最大坡度兩個因素。因箱體平面尺寸受限，污水處理池體需確保足夠的有效水深以滿足池容要求。其中，生反池池深是主要控制因素。生反池設(shè)計水深為7 m，超高0.8 m，因此操作層主體標(biāo)高為141.30 m（預(yù)處理區(qū)等局部標(biāo)高根據(jù)水位適當(dāng)加高），對應(yīng)的室外地坪標(biāo)高為141.00 m。同時根據(jù)《城市道路工程設(shè)計規(guī)范（2016年版）》（CJJ 37—2012）及《建筑設(shè)計防火規(guī)范（2018年版）》（GB 50016—2014）對道路坡度的規(guī)定，廠區(qū)道路兼作消防車道用，坡度不應(yīng)大于8%，且車速需在20 km/h以下。因此操作層室外地坪與地面層高差7.8 m，道路最小坡長需97.5 m。根據(jù)廠區(qū)平面布置，從東北角入口處起坡，坡道長度可達(dá)約110 m，坡度小于規(guī)范限制要求。

（3）箱體頂層標(biāo)高為149.50 m，綜合樓室內(nèi)地坪標(biāo)高為149.95 m。箱體頂層標(biāo)高主要考慮操作層凈空與道路允許最大坡度兩個因素。操作層凈空主要考慮工藝設(shè)備、電纜橋架、通風(fēng)管道等的安裝與運(yùn)行需要。操作層最大工藝設(shè)備為鼓風(fēng)機(jī)，其吊裝凈空要求為5.5 m；設(shè)備安裝空間之上為照明及電纜雙層橋架安裝空間，凈空要求為1.0 m；最上層為通風(fēng)管道安裝空間，通風(fēng)管采用1 000 mm×400 mm～1 250 mm×500 mm方管，安裝凈空要求為0.8 m，因此操作層凈空為7.3 m，箱體頂板板厚0.9 m（含梁高），箱體頂層標(biāo)高取149.50 m。同時，操作層至箱體頂層坡長約175 m，高差8.5 m，道路坡度滿足規(guī)范要求。

綜上所述，地面層、操作層、箱體頂層設(shè)計標(biāo)高分別為133.20 m、141.30 m和149.50 m。總體高程布置如圖3所示。

圖3 總體高程布置示意圖

4.3 總體施工方案

該工程作為三明市2018年城市雙修重點(diǎn)項目之一，計劃施工工期僅約13個月左右，考慮到邊坡治理、場地平整等前置工作，工期相當(dāng)緊張。因此總體施工方案充分考慮最大限度地壓縮工期，同時統(tǒng)籌兼顧平面布置、高程布置、總圖運(yùn)輸、地質(zhì)災(zāi)害、土方工程量等多方面因素，結(jié)合集約化的雙層地上箱體結(jié)構(gòu)形式，采取兩級永久性邊坡支護(hù)一次性削坡至箱體底板底（絕對標(biāo)高131.5 m）的土方開挖方式，主體結(jié)構(gòu)不設(shè)基坑，待近期箱體位置處山體整體挖除后形成凹字形的平整建設(shè)場地后，從地面直接向上逐段澆筑集約化處理廠房。該方案避免了基坑二次開挖支護(hù)工序，可大幅壓縮施工周期，同時廠區(qū)內(nèi)外地坪銜接更為順暢，施工機(jī)械進(jìn)出方便，且與二級開挖基坑相比挖方量增加有限。

由于擬建場地基底條件較好，場地內(nèi)及其附近無人為采空區(qū)、地面沉降和巖溶等不良地質(zhì)作用，且地下水位較低，承載力滿足要求，采用天然地基筏形基礎(chǔ)不設(shè)樁基，配合底板構(gòu)造設(shè)置抗滑移措施即可。

通過“一次土方開挖+天然地基+地面以上澆筑主體結(jié)構(gòu)”的總體施工方案，避免了主體結(jié)構(gòu)的二級基坑開挖，同時為構(gòu)筑物的整體澆筑提供了完整開闊的地面空間，有利于多個工作面同時作業(yè)，極大加快了主體結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度。該工程土方開挖及邊坡支護(hù)用時約5個月，總挖方量約88萬m3，主體結(jié)構(gòu)澆筑約5個月，目前主體結(jié)構(gòu)已結(jié)構(gòu)封頂進(jìn)入設(shè)備安裝調(diào)試階段。

4.4 廠區(qū)總圖運(yùn)輸

該工程廠區(qū)總圖運(yùn)輸重點(diǎn)在于合理銜接地面層、操作層、箱體頂層三個標(biāo)高層以及妥善協(xié)調(diào)車輛通行、物料運(yùn)輸及人員進(jìn)出三者的關(guān)系。

根據(jù)廠區(qū)平面布置，近、遠(yuǎn)期箱體位于場地中央，四周設(shè)置環(huán)形道路銜接箱體操作層及頂層標(biāo)高。環(huán)形道路按照7m雙車道設(shè)置，為滿足道路坡度及坡長要求，環(huán)形道路由東北角入口處開始起坡，順時針方向一次爬坡至箱體頂層標(biāo)高149.50 m；逆時針方向分為兩側(cè)爬坡，一次爬坡至操作層室外地坪標(biāo)高141.00 m，并在箱體操作層北側(cè)設(shè)與箱體等寬的平坡高架道路以作為設(shè)備進(jìn)出操作層的主要通道，繞過箱體西北角后二次爬坡至箱體頂層標(biāo)高149.50 m。兩側(cè)環(huán)形道路至149.50 m標(biāo)高交匯后通過天橋跨至箱體頂層。因此車輛從東北角入口進(jìn)廠后可通過環(huán)形通道直接到達(dá)操作層及箱體頂層，便于設(shè)備裝卸及參觀團(tuán)隊上下客。

對于箱體底層，通過北側(cè)中部入口直接進(jìn)入141.00 m地面層，并在箱體北側(cè)設(shè)置110 m×20 m場地，方便脫水污泥外運(yùn)和藥劑卸料。

同時在箱體北側(cè)中部位置設(shè)置一部電梯及樓梯間，分別停靠箱體底層133.50 m，操作層141.30 m和箱體頂層149.50 m標(biāo)高，廠區(qū)工作人員可從北側(cè)中部入口進(jìn)入廠區(qū)后由電梯直達(dá)箱體頂層到達(dá)綜合樓。廠區(qū)道路布置如圖4所示。

圖4 廠區(qū)道路布置示意圖

箱體與廠區(qū)環(huán)形道路形成類似于“航站樓”的建筑形式，廠區(qū)環(huán)形道路使得車輛可快速達(dá)到操作層和箱體頂層，方便大型設(shè)備運(yùn)輸和大批人流上下；箱體底層單獨(dú)對外，運(yùn)輸污泥及藥劑，有利于改善廠區(qū)衛(wèi)生條件；箱體內(nèi)電梯及樓梯方便工作人員巡視管理。

4.5 箱體功能分區(qū)

該工程箱體高度集約化布置，所有污水、污泥處理設(shè)施及配套輔助設(shè)施全部設(shè)置于箱體內(nèi)部。箱體功能分區(qū)主要遵循以下原則：

（1）工藝流線清晰流暢，處理設(shè)施分組明確。（2）箱體高程合理利用，構(gòu)建筑物有序整合。（3）操作環(huán)境清污分離，設(shè)備物資進(jìn)出方便。箱體內(nèi)上下層功能分區(qū)如圖5、圖6所示。

圖5 箱體下層（133.50 m標(biāo)高）功能分區(qū)示意圖

圖6 箱體上層（141.30 m標(biāo)高）功能分區(qū)示意圖

污水處理設(shè)施部分設(shè)細(xì)格柵曝氣沉砂池一座（3萬m3/d），位于箱體中央；生反池、二沉池、高效沉淀池兩座（單座1.5萬m3/d），對稱布置于箱體兩側(cè)；高效纖維束濾池一座（3萬m3/d），位于箱體東側(cè)高效沉淀池旁；加氯接觸池一座（3萬m3/d），疊于東側(cè)二沉池底。污泥處理設(shè)施部分設(shè)污泥泵房、濃縮池和儲泥池兩組（單組1.5萬m3/d），對稱布置于細(xì)格柵兩側(cè)；污泥脫水機(jī)房及料倉一座（3萬m3/d），位于箱體下層中央。

同時，構(gòu)筑物充分利用箱體高程進(jìn)行集約整合，利用生反池與二沉池之間的池深差在二沉池底部分別疊設(shè)了加氯接觸池、放空調(diào)蓄池及設(shè)備管廊；利用高效纖維束濾池和高效沉淀池的池深差在濾池底部疊設(shè)廢水池；利用三面池體圍合形成的空間作為污泥脫水機(jī)房，凈空可達(dá)7.0 m。

箱體內(nèi)部清污兩區(qū)分離，將自動化程度高、衛(wèi)生條件相對較好的處理設(shè)施布置于上層，營造操作層良好的環(huán)境條件；將加氯加藥間、污泥脫水機(jī)房等衛(wèi)生條件稍差的處理設(shè)施布置于箱體下層，避免日常藥劑裝卸、污泥運(yùn)輸影響整體操作環(huán)境。

操作層將變配電間、鼓風(fēng)機(jī)房均設(shè)于操作層北側(cè)，便于重要供配電設(shè)備及鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備等直接對外運(yùn)輸。另外還在操作層內(nèi)劃設(shè)了倒T形的車行荷載范圍，可讓運(yùn)輸車輛進(jìn)入箱體內(nèi)部，配合起重設(shè)備大大降低設(shè)備運(yùn)輸和吊裝難度。

5 結(jié)語

（1）該工程采用集約化箱體廠房建設(shè)形式，可有效節(jié)省污水廠占地面積，相比國家相關(guān)建設(shè)指標(biāo)低50%左右，并極大提升了污水廠視覺感觀。

（2）針對山地建設(shè)條件，采用合理的平面布置和施工方案，在挖方量可控范圍內(nèi)，可大幅壓縮施工工期，降低施工難度及風(fēng)險。

（3）箱體廠房依山勢而建，綜合考慮總圖運(yùn)輸、道路坡度、消防疏散等要求，采用類似于“航站樓”式的高程布置，巧妙地解決了箱體廠房高程與周邊地勢的銜接問題。

（4）該工程采用的集約化建設(shè)形式和箱體高程布置可為國內(nèi)山地城市污水廠建設(shè)提供參考和啟示。