山坡半地下式污水處理廠總體設計方案

羅穆喜，朱宇峰

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

污水處理廠是城市水污染處理的主要承擔者，目前污水處理的主要建設形式為地上式，占地面積較大，土地資源浪費嚴重，處理效果時常難以保證，且不可避免地會對周圍環境和居民生活產生一些不良影響[1]。隨著城市化進程的快速發展和城區外擴，原規劃在城市邊緣的污水處理廠逐漸被城市包圍。與此同時，由于對環境產生了不利的影響，地上式污水處理廠受到民眾的投訴，但將污水處理廠規劃建設至更偏遠的地區仍面臨著諸多問題：(1)輸送管網距離長，導致建設成本和運行成本的急劇上升；(2)目前城市化的進程遠未結束，城市將進一步擴大，如今的偏遠地區也有可能成為今后的城市中心或副中心[2]。因此，亟需一種環境友好、土地資源節省的污水處理廠建設形式以解決目前的困境。

和地上式污水處理廠相比，地下式污水處理廠發展相對較晚，第一座地下污水處理廠于1932年在芬蘭建設，但當時限于技術條件，未能進一步發展[1]。近年來，隨著相關技術的發展，在一些環境要求較高、用地緊張的大城市，已逐步開始建設地下式污水處理廠[2-4]。地下污水處理廠由于處于地下全封閉狀態，對周圍環境的影響較小、協調性強、可節約土地資源、防止周邊土地貶值，特別適合在土地資源高度緊張、環境要求高的地區建設[5]。從長遠看，也符合資源節約、人與自然和諧發展的科學發展觀要求[6]。

我國山地城市由于其復雜的地形、地貌條件，較難具備充足的平地空間進行地上污水處理廠的建設。山地城市土地資源極為有限，尤其是靠近城市中心區域的地方，難以規劃合適地塊用于新建或改擴建污水處理廠，導致污水處理廠用地矛盾突出[7]。本文以福建某污水處理廠為例，重點從廠址、廠坪、總體布置等方面分析位于山坡上的半地下式污水處理廠，深入剖析平面、工藝和高程等布置方案及設計特點，為山坡式半地下污水處理廠的建設提供參考。

1 建設形式和廠坪設計

1.1 廠址分析

建設用地為山坡空地，北側為國道，南側為垃圾填埋場，填埋場與廠址之間有一條排洪溝隔開，西側為一座小山頭，東側為液化氣儲罐站。現狀廠區范圍內地勢由北向南抬高，場地內總共有3個平臺，標高分別為169、163、141 m。場地入口設置在國道一側，進場道路沿場地東北側繞行分別通至場地3個地坪，其余區域均為較大斜坡，如圖1所示。

圖1 廠區現狀地面標高Fig.1 Ground Elevation of Existing WWTP

該地塊現狀為一塊林地，整個地塊具有以下3個特點。

(1)用地面積較緊張，總占地面積約為50 400 m2。在有限的用地內要完成3萬m3/d規模(且預留遠期2萬m3/d規模用地)、一級A排放標準的污水處理廠布置，污水處理廠的建構筑物只能采用集約化布置形式以最大程度地減小占地面積。

(2)本工程擬降低廠區整體標高，依山而建，局部架設環形高架道路，可有效提高廠區面積的綜合利用率。

(3)廠址所在地塊距離新區商業中心不足2 km，環境敏感度高，對廠區景觀要求也較高，有必要建設成地下式的污水處理廠，減少對周邊環境的影響。

結合廠址所在地塊的特點，該污水處理廠不具備采用常規的地上式、建構筑物分散布置的污水廠建設形式。劉新榮等[1]研究表明，當地面上多余的土地日趨減少，土地價格過高時，地下空間開發利用的局限性(投資成本過高)相對減小，地下空間的價值明顯。此時，地下式污水處理廠的價值和性能比明顯要高于地上式污水處理廠。因此，有必要在經濟技術可行的條件下，對山地城市地下式污水處理廠建設形式進行探索，以期合理利用空間資源，有效提升城市的經濟、社會、環境效益[7]。

1.2 建設形式選擇

一個環境友好的污水廠，應能使廠區環境與周邊環境完全協調，在有利于污水廠運行管理的基礎上，合理利用污水處理設施的上部空間，達到土地資源節約的目的[8-9]。全地下式和半地下式方案都能較好地利用上部空間，用來建設綠地、廣場等公共設施甚至餐廳、商場等商業設施[3]。同時，由于池體全部加蓋，污水廠的臭氣和噪音影響也將明顯降低，與常規污水處理廠相比可顯著地改善周邊環境。本工程中，2種布置形式均可滿足環境和景觀設計的要求，其比較分析如表1所示[10]。

由表1可知，2種方案各有優缺點，方案的最終取舍取決于各因素在方案決策中的權重。因此，可設定以上各比較因素的綜合量化指標，結合本工程的實際情況，對各元素進行比值分配。如圖2所示，方案二的加權比重明顯優于方案一。此外，由于本工程所處位置的敏感性、工期的急迫性以及工程總投資的局限性，建筑形式的選擇更多的側重于廠區的運行風險、應急措施、基坑圍護、工程投資及運行費用等方面。因此，綜合考慮各方面因素，該污水處理廠的建設形式采用半地下式方案，能更好地滿足要求。

1.3 廠坪設計

根據現場用地廠址范圍和周邊環境，綜合考慮場地周邊地勢、廠區高程布置及廠區進出道路布置等因素。場地的布置依靠現有山勢，由南向北構建3個平臺，標高逐漸降低，三個平臺標高分別為135、134.5、133 m，如圖3所示。廠區地坪與廠外道路基本接順，無進場道路長度限制，有利于廠區道路、設備運輸及人員安全疏散。

表1 全地下式和半地下式方案比較Tab.1 Comparative Analysis of Fully Underground and Semi-Underground Schemes

圖2 全地下和半地下方案的綜合量化圖Fig.2 Comprehensive Quantitative Evaluation Index of Fully Underground and Semi-Underground Schemes

圖3 廠區標高設計方案Fig.3 Elevation Design Scheme of WWTP

2 總體布置設計

結合本工程污水處理廠的廠址和廠坪布置，建設山坡式半地下污水處理廠需遵循以下總體布置原則。

(1)結合山坡現狀地形條件、土方開挖量等綜合平衡考慮廠坪布置。

(2)結合工程規模及實際情況，考慮近遠期工程的實施，節約工程投資。

(3)充分利用地下空間，節約管路系統。

(4)充分考慮可能發生的事故工況及對策。

(5)利用廠坪和高程布置，減少污水處理廠提升的次數。

(6)根據消防要求嚴格分區，符合相關規范要求。

2.1 平面布置

本工程污水處理廠建設總用地面積約為51 300 m3。場地坐落于山體之上，場地東西長約為350 m，南北寬約為240 m，整體坐南朝北。

本工程充分利用場地平面尺寸及豎向高程，依山而建一座山地式雙層箱體結構污水處理廠房。近遠期工程東西向并排布置，近期工程擬在場地西側新建3萬m3/d一體化處理廠房，結構形式采用封閉箱體，箱體平面尺寸約為107 m×75 m，場地東側為遠期預留用地(2萬m3/d)，箱體北側距紅線退界20 m，西側滿足山體放坡距離要求。

整個場地圍繞近遠期廠房用地設置環形道路，道路寬度為7 m，轉彎半徑為9 m，坡度為5%～6%，滿足消防通道要求；道路標高為133.0～149.5 m，與廠外國道接順，并滿足進出近遠期箱體操作層和頂層需要。場地在東北側及北側沿國道方向設2座大門，東北側大門可經過環線道路爬坡進入箱體操作層及頂層，北側大門可直接進入箱體底層。廠區近遠期合用綜合樓1座，坐落于近期箱體頂部。廠區平面布置如圖4和圖5所示。

圖4 廠區平面布置圖Fig.4 General Layout of the WWTP

圖5 廠區平面效果圖Fig.5 Design Sketch of the WWTP

2.2 高程布置

為滿足處理功能及箱體內部設備進出，箱體共分為3層(底層、操作層、頂層)，底層至操作層間高差約為8 m，主要容納各水處理構筑物及輔助設施；操作層至頂層間凈空約為6 m，主要滿足設備運輸及人員操作管理需要。一體化處理廠房底層標高約為133.5～134 m，操作層標高約為141.3～142.3 m，頂層標高約為148.5～149.5 m，頂層作為綜合樓的室外地坪和公園。

箱體北面無山體遮擋，直接面對國道，可通過在北側操作層平臺外設置高架道路作為操作層的主要出入通道，高架道路東西兩側與廠區環形坡道接順，作為環形道路的一部分；箱體西、南面均被山體環繞，高差較大無法與箱體直接連接，需設置二級放坡至箱體位置，同時第一級放坡平臺作為環形道路的路基；場地東側預留用地平整至140.5 m標高，減小與本工程箱體間的高差，基本與箱體操作層接平，形成“階梯式綠化”的景觀綠化，達到較好的隱蔽與景觀效果，還可降低地質災害風險。箱體北側高程關系如圖6所示。

圖6 箱體結構北側高程關系圖Fig.6 Elevation Relation Diagram of the Box Construction on North Side

2.3 功能分區布置

本工程污水、污泥處理構筑物及輔助設施均為高度集約化布置，污水處理工藝采取“粗、細格柵+曝氣沉砂池+AAO生物反應池+二沉池+高效沉淀池+纖維束濾池+加氯接觸池”，污泥處理工藝采取“濃縮-脫水-泥餅外運”的處理方式。箱體內部功能分區如下。

(1)箱體底層布置主要處理構筑物，箱體兩側對稱布置，由南向北根據依次為AAO生物反應池、平流二沉池、高效沉淀池和高效纖維濾池，限于用地面積和能耗控制，將加氯接觸池及放空調蓄池下疊于二沉池底部；箱體中部由南向北依次為細格柵曝氣沉砂池、污泥脫水機房和粗格柵進水泵房。一體化污水處理構筑物位于廠區地下，地上部分設置鼓風機房、加氯加藥間和不受污水處理水力高程影響的構筑物。污泥濃縮池和儲泥池對稱布置于細格柵曝氣沉砂池兩側，箱體西北部為變配電間。車輛可通過中央北側通道由133.0 m標高直接進入箱體底層。

(2)箱體操作層為處理構筑物操作巡檢平臺及設備吊裝空間，操作層中南部設鼓風機房及加藥間。車輛可通過中央通道由141.0 m高架道路直接進入操作層。

(3)箱體北側設箱體底部主要進出通道，與133.00 m廠坪標高接順，以便于管廊層及污泥脫水機房的操作及運維。

2.4 設計特點

結合污水、污泥處理工藝和現狀廠坪情況，山坡式半地下污水處理廠的建設主要有以下特點。

(1)總圖布置緊湊、用地節約

本工程把優化污水廠總平布置、節約工程用地作為設計的一個著力點，通過集約化設計和總體布置的優化，在規劃用地范圍內完成了污水廠所有建構筑物的布置，加氯接觸池和調蓄池與處理區上下重疊布置以節約用地，在節約用地的同時，也節省了工程投資和運行能耗。

(2)功能分區清晰、布局合理

本工程污水廠內的全部設施分3部分集約化布置。結合廠區現有山勢，由南向北構建3個平臺，標高逐漸降低。污水廠水力高程順應山勢，對處理構筑物分別布置預處理區和生物反應池等，二沉池及污泥泵房，深度處理區、泥區、消毒出水區等末端水力高程較低的處理單元。箱體北面無山體遮擋，北側立面直接面對國道，在北側操作層平臺外設置高架道路作為操作層的主要出入通道，高架道路東西兩側與廠區環形坡道接順，作為環形道路的一部分。總體設計可改善整體景觀效果，并可降低地質災害風險。

(3)水流、泥流、人流和車流的組織順暢有序

在污水廠的總平布置方案中，一體化處理廠房分為底層、操作層、頂層3層標高，廠房頂部設綜合樓。環形高架的設計及處理區的分布充分考慮了水流、泥流、人流、車流和信息流的合理組織，實現了各種流線的順暢有序銜接。

3 事故工況應對策略分析

污水廠可能面臨的事故工況主要有2種：污水廠事故停運和廠外來水超標[12-13]。本工程可分別采取以下應對策略。

(1)污水廠事故停產及檢修

本工程每段處理構筑物均設置超越管，當污水廠局部或全廠事故停運時，可通過各段逐級超越或全廠超越，保證水量的正常通過[13-14]。

本工程污水處理工藝分為2組，分組運行，同時可通過細格柵出水段的控制閘門進行切換。當污水廠局部處理段故障檢修時，可通過控制閘門調控水量進入正常段處理。

(2)廠外超標來水

本工程設置放空調蓄池1座，調蓄時間約為45 min。當廠外來水超標時，可通過以下途徑降低對污水廠的影響：放空調蓄池對超標來水的臨時應急儲存；通過廠外管網、泵站水位調控，充分利用管網系統調蓄能力儲存稀釋超標來水，后續逐步進入污水廠處理；通過進水端的應急加藥，強化進水預處理，降低水質沖擊。

4 結語

山坡式半地下污水處理廠的建設需結合現狀地形和周邊環境情況，合理進行廠坪布置和建設形式的選擇，需充分利用地質條件好的山地，合理利用地下空間和高程布置，選擇合適的污水處理廠建設形式。當廠址靠近市區時，可結合城市地形地貌，豐富山地城市景觀特色，有效提升山地城市的經濟、社會、環境效益。本文結合實際工程案例設計，揭示山坡式污水處理廠在占地、廠址、建設形式、總體布置功能設計等方面的設計和特點，為山坡上建設污水處理廠提供設計分析和參考，有助于為我國山地城市污水處理廠的廠坪布置及建設提供更多的選擇。