淺議污水處理廠海綿城市設施建設設計方案

程明濤，薛 峰

(無錫市政設計研究院有限公司，江蘇無錫 214072)

當前，我國正在大力推進海綿城市的建設工作。污水處理廠作為城市重要的基礎設施，也是進行海綿城市設施建設的有機組成部分。由于污水處理廠的特殊屬性，大部分構筑物均為實現相關處理功能的水池，大部分為灰色基礎設施。與小區道路等綠色基礎設施相比，實施海綿城市設施建設有其獨特的特點[1]。本文通過實例，分析了污水處理廠海綿城市設施建設的全過程[2-3]。在對不同下墊面拆解及場地分析的基礎上，通過不同海綿城市技術措施的有機組合，最終實現了年徑流總量控制率和年SS去除率的要求，為污水處理廠海綿城市設施的建設提供了積極的借鑒作用。

1 項目背景

昆山市某污水處理廠總面積約3.1萬m2，設計規模為2.5萬m3/d，分兩階段實施。一階段已于2008年投入運行，設計規模為1.25萬m3/d，采用“AAO氧化溝+濾布濾池”工藝，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。本次擴建工程設計規模為1.25萬m3/d，提標改造設計規模為2.5萬m3/d。處理工藝采用“改良式AAO+高密度沉淀池+反硝化濾池”工藝。出水執行地表水準Ⅳ類標準。擴建及提標改造工程均利用廠區原有預留用地，總用地面積為12 622 m2，工藝流程如圖1所示，總圖布置如圖2所示。

注：虛線框為現狀構筑物，實線框為擴建及提標改造工程新建構筑物圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Wastewater Treatment Process

圖2 總平面布置圖Fig.2 General Layout of WWTP

2 海綿城市構建策略

2.1 海綿城市上位規劃解讀及設計目標

《海綿城市建設技術指南》[4]將我國大陸地區大致分為5個區。昆山市屬海綿城市建設分區的Ⅲ區，其年徑流總量控制率取值宜為75%～85%(圖3)。根據《昆山市海綿城市專項規劃》(2017—2030)，本項目擴建場地屬于鎮區中心圩，水面率為16%，建設性質屬于改擴建，用地性質屬于公用設施用地。根據《昆山市海綿城市規劃設計導則》，本項目對應場地的年徑流總量控制率為80%，對應的設計降雨量為27.5 mm，年SS總量去除率為70%。

圖3 海綿城市設施分區示意圖Fig.3 Partition of Sponge City Facilities

2.2 豎向與排水分析

擴建工程在廠區西側預留用地進行。廠區現狀基本為綠化，少部分為原有廢棄構筑物。廠區場地基本平坦，豎向變化較小，可進行局部豎向調整，優化海綿城市設施的布局，但盡量保持原有用地平整的形態，減少土方開挖和回填?？傮w而言，本項目初始場地對海綿城市設施的建設基本不造成影響。

2.3 下墊面分析

本污水處理廠擴建工程可用地總面積為12 622 m2，場地下墊面主要由4種類型組成，分別為建筑屋面、道路與鋪裝、綠地，可用于低影響開發的場地包括敞開式水池、道路、綠化。擴建工程完成后，下墊面數據分析如表1所示。

表1 下墊面數據一覽Tab.1 Schedule of Underlying Surface

3 海綿城市設施的構建

3.1 功能區污染程度分析及海綿城市設施分區

污水處理廠是由處理構筑物(主要是池式構筑物)和附設建筑物組成的有機統一體。根據各區段不同的處理功能，該廠可分為以下幾個主要功能區：預處理區、主體工藝區(生化處理和深度處理區)、污泥處理區、辦公生活區(廠前區)。城市下墊面如居住區、道路、公園等的污染主要來自人類活動，而城市污水處理廠一般采用封閉式管理，人員車輛流動性較小。與城市其他區域相比，污水處理廠下墊面污染則主要來自廠區生產活動，尤其是和污泥相關的生產活動。生產活動內容不同，污染程度亦有所差別。研究發現[5]，污水廠內下墊面雨水污染程度由高到低是污泥區>預處理區>主體工藝區>生活辦公區。污泥區、預處理區初期雨水中的SS均超過800 mg/L，而主體工藝區和辦公區的地表雨水污染程度則較輕。當降雨厚度達到5 mm后，其下墊面雨水的SS濃度可穩定達到雨水回用標準要求的限值。究其原因，污水處理廠一般為泥水兩條線，水線的污染主要來自粗細格柵的柵渣和沉砂池砂粒，相應的處理構筑物位于預處理區；泥線的污染主要來自脫水機房及其附屬構筑物，因而造成污泥區污染明顯高于其他區域。

海綿城市設施的建設是一項系統性工作，在確定設計目標值的基礎上，可對各目標值進行拆解，對場地下墊面進行分類歸納，將屬性相同、污染程度基本一致的下墊面歸為1個大區域，將會對后續LID設施的選擇及調蓄容積的計算帶來極大的便利。細化分區時，可將相關敞開式水池單獨成區，利用水面的消納功能實現本區的徑流削減目標；將污水廠構筑物周邊綠地及廠前區綠地和一些輔助生產建(構)筑物一起成區，廠內硬化鋪裝及其他不透水區域也可以劃分在本區，利用綠地本底，再輔以適當的海綿設施，即可實現相關設計目標；廠內道路的分區可根據海綿城市設計目標值實現的難易程度而定。

在上述不同下墊面污染程度分析的基礎上，根據場地類型拆解，并結合總平面布置、場內道路及場地控制標高、廠區管線布置情況，初步將場地分為19個區，如圖4所示。各分區情況簡述如下：A1～A4分區均為擴建工程處理構筑物，為敞開式水池，可以有效接納相應范圍內的雨水；A5分區為反硝化濾池及消毒池不透水區域；S1～S13分區主要下墊面元素為屋頂、綠地等，為布置海綿城市設施的主要場所；S14分區為廠區新建道路，由于廠區敞開式水池較多，道路暫不考慮海綿化，設置環保型雨水口，雨水經截留SS后匯入雨水管。

圖4 海綿城市設施布置圖Fig.4 Layout of Sponge City Facilities

3.2 設計調蓄容積

低影響開發設施以徑流總量和徑流污染為控制目標進行設計時，設施具有的調蓄容積一般應滿足“單位面積控制容積”的指標要求[4]。設計調蓄容積一般采用容積法進行計算，如式(1)。

V=10HφF

(1)

其中：V——設計調蓄容積，m3；

H——設計降雨量，mm；

φ——綜合雨量徑流系數；

F——匯水面積，hm2，1 hm2=104m2。

綜合徑流系數φ=(每項徑流系數×每項面積)之和/總面積。以S12分區為例，分區徑流系數計算：φ’=(108×0.8+786.79×0.12+479.39×0.8)/1 374.18=0.41(各下墊面的徑流系數參考《海綿城市建設技術指南》[4]推薦數值)。其他各分區徑流數以此類推，各分區綜合徑流系數匯總如表2所示。廠區綜合徑流系數φ=7 475.9/12 622=0.59。所需調蓄容積V=10HφF=10×27.5×0.59×12 622/10 000=205 m3

計算出全廠所需調蓄容積后，需結合海綿城市設施建設分區及場地特點進行海綿城市設施的選擇與布置。

表2 綜合徑流系數計算Tab.2 Calculation of Integrated Runoff Coefficients

3.3 海綿城市設施選擇

低影響開發(LID) 是一種強調通過源頭分散的小型控制設施，維持和保護場地自然水文功能，有效緩解不透水面積增加造成的洪峰流量增加、徑流系數增大、面源污染負荷加重的城市雨水管理理念，20世紀90年代在美國馬里蘭州開始實施。LID主要通過生物滯留設施、屋頂綠化、植被淺溝、雨水利用等措施來控制徑流污染，減少污染排放，實現開發區域可持續水循環。單種LID措施中，對雨水徑流 SS控制效果的排序為：透水鋪裝<下凹式綠地<雨水花園[6]。張曉菊等[7]通過試驗分析發現，下凹式綠地在削減徑流污染方面有一定的作用，COD、TP、TN、SS 的平均去除率分別為56.3%、72.1%、47.1%、74.3 %。通過建立模型并經SWMM模擬，廖江[8]發現下沉式綠地去除初期雨水中SS的效果良好，去除率達到了85%以上。根據以上研究成果，結合污水處理廠不同區域下墊面污染情況，各區域的海綿城市設施選擇原則如下。

(1)生活辦公區。生活辦公區下墊面主要為屋面、道路和少量綠地，污染程度較低。海綿城市設施選擇時可考慮將屋面改造成綠色屋頂，條件允許時，也可將雨水進行回收利用，進一步加強海綿城市的實施效果。

(2)預處理區。預處理區是污水廠下墊面污染較嚴重的區域之一，主要污染物為柵渣和沙粒，相應的海綿城市設施可采用對SS去除率較高的植草溝和下凹式綠地，初步凈化后的過量雨水通過雨水管外排。

(3)主體工藝區。主體處理區的下墊面主要為敞開式水池、道路和綠地，污染程度較輕。敞開式水池可直接作為海綿城市設施，綠地和道路可設置透水鋪裝、植草溝和下凹式綠地，加強該區域SS的去除，減輕預處理區和污泥區的去除負荷。

(4)污泥區。污泥區是全廠下墊面污染最嚴重的區域。在加強運行管理的基礎上，可考慮將本區域雨水單獨管網收集進入污水廠預處理構筑物進行處理。條件限制時，可采用對SS和溶解態污染物去除率較高的雨水花園和植草溝組合措施。

本工程中，廠區大多數處理構筑物均為敞開式水池，敞口面積大，接納能力強，尤其是生化池、二沉池，可以有效地接納雨水，對于徑流的控制及削減有很大的控制作用。敞口水池面積共4 316.29 m2，設計降雨量為27.5 mm下對應的調蓄總容積為116.10 m3，占總調蓄容積的56.6%，其余LID設施只需滿足43.4%的調蓄容積。與城市其他區域相比，其各項設計目標相對易實現。因此，本工程海綿城市設施的建設以維持現狀下墊面為主，對局部下墊面進行海綿化。

對于A1～A4 分區，無需進行海綿化改造，A5分區為反硝化濾池及接觸消毒池不透水區域，考慮用附近海綿設施消納。S1～S13分區，對普通綠地進行海綿化，主要設施為下凹式綠地、植草溝及普通綠地。S14分區主要為廠區道路，鑒于本工程有較多敞開式水池，道路考慮采用環保型雨水口，截留徑流污染后匯入雨水管網。對于擴建用地范圍內的建筑物，采取雨水管斷接及高位花壇的形式，實現屋面雨水的收集。各分區海綿設施初步布置如圖5所示。

圖5 S12分區海綿設施布置圖Fig.5 Sponge City Facilities Layout of S12

3.4 海綿城市設施規模與布局

3.4.1 海綿城市設施規模的確定

海綿城市設施的布局與規模是實現海綿城市年徑流控制率及SS去除率的關鍵。本文選取具有多種下墊面的S12分區為代表，分析海綿城市設施的布局與規模選擇。S12分區下墊面主要為屋面、硬質鋪裝及綠地，各種組成如表3所示。

表3 S12分區下墊面數據一覽Tab.3 Underlying Surface Schedule of S12

本分區內可用地主要為處理構筑物周邊綠地，結合污水處理廠實際情況和LID措施適用性分析，本區域主要采用下凹式綠地、植草溝、普通綠地等海綿城市設施來實現設計目標。由場地分區可知，本區域綠地面積較多，可以考慮適當增加海綿城市設施的調蓄容積，以彌補其他分區調蓄容積的不足。結合分區布局圖，本區域共設置下凹式綠地130 m2，傳輸型植草溝37.5 m2，其余綠化區域保持為普通綠地，面積為619.29 m2。本區海綿城市設施的調蓄容積可根據式(2)計算。

V2=H·F×10-3

(2)

其中：V2——海綿城市設施可調蓄容積，m3；

H——下凹式綠地表面蓄水層厚度,mm，下凹式綠地一般取150～200 mm；

F——下凹式綠地表面積，m2。

本區海綿城市設施的調蓄容積V2=180×130×10-3=23.4 m3。本區所需調蓄容積V=10HφF=10×27.5×0.41×1 374.18=15.2 m3。調蓄容積大于所需容積，說明本區域海綿城市設施的選擇是合適的，可以以此為依據進行后續設計。與此同時，實施海綿城市設施建設后，不僅可以削減本區域內的年徑流總量，還可調節全廠的徑流總量。

其他分區以此類推，通過反復調整計算，本項目最終設計調蓄總容積為206.72 m3，對應降雨量為27.6 mm，年徑流總量控制率為80.63%。本工程所需調蓄容積為205 m3，滿足該地區公用設施用地80%年徑流總量控制率的要求。

3.4.2 海綿城市設施對SS去除率的計算

徑流污染控制是海綿城市設施建設的控制目標之一。雨水徑流污染(以SS計)去除率=年徑流總量控制率×低影響開發措施對SS的平均去除率。本項目雨水徑流污染控制率可按式(3)計算。

(3)

其中：η——地塊雨水徑流污染去除率；

α——年徑流總量控制率；

ηi——單項海綿設施徑流污染去除率；

F——場地內總匯水面積，m2；

Fi——各單項設施匯水面積上各類下墊面面積，m2。

由表4可知，本分區年SS去除率為55.04%，

則S12分區對全廠年SS去除率的貢獻為55.04%為面 374.18 /12 622=5.99%。其他分區以此類推，通過對各分區污染物去除率的加和，得出本工程年SS控制率為70.04%，滿足上位規劃70%的要求。

表4 設計后年徑流污染控制率(S12分區)Fig.4 Control Rate of Annual Runoff Pollution after Completion of Sponge City

通過上述計算過程可知，海綿城市各項技術措施的布局與規模是一個以結果為導向不斷調整的過程，使全廠設計調蓄總容積大于所需調蓄容積，海綿設施的規模即可確定。同時，在各分區海綿設施規模的基礎上，計算分區污染物去除率，進一步計算年SS總量去除率，使其滿足設計規定值。

4 結論

污水處理廠作為城市的基礎設施之一，將其海綿化是海綿城市整體建設中不可或缺的一部分。昆山市某污水處理廠在擴建工程設計之初就融入海綿城市設施設計理念，海綿城市設施和廠區主體工程同步實施，充分利用廠區現有場地條件，合理確定海綿城市設施的種類，因地制宜地采用了植草溝、下凹式綠地等設施，實現了年徑流總量控制率的目標，為昆山市整個海綿城市的建設起到了積極的促進作用，亦為其他污水處理廠海綿城市設施的建設提供了積極的借鑒作用。