下沉式污水處理廠集約化設計——以貴陽龍洞堡再生水廠為例

侯 鋒，高靖偉,，韓 磊,,*，葛英振,，熊 雯，楊茂東,，邵彥青

(1.國投信開水環境投資有限公司，北京 101101；2.四川蓉信開工程設計有限公司，四川成都 610101)

為應對日益稀缺的土地資源及不斷提高的環保要求，消除傳統地上污水處理廠的鄰避效應。近年來，越來越多污水處理廠采用下沉式的建設形式，僅“十三五”期間，國內就增加40余座下沉式污水處理廠，總規模超700萬m3/d[1]。下沉式建設形式逐漸成為污水處理廠發展的重要方向，其構建了水處理功能、生態景觀功能共存的綜合體，實現了環境友好、土地集約、資源利用、生態安全，具有明顯的社會、經濟和環境優勢。

下沉式污水處理廠并不是簡單的將傳統地上式污水處理廠“按于地下”，而是通過集約化布局，將各水處理單元、附屬設備房間、疏散樓梯間、送排風機房、各類管線等集中于“箱體”內，并結合項目周邊地形地貌、安全風險、建設投資等綜合確定“箱體”埋深。因此，下沉式污水處理廠對平面及豎向布置、結構、建筑消防、采光照明、通風除臭等設計具有更高要求。

本文結合工程實例，重點從平面及豎向布置、工藝設計、結構及基坑支護設計、建筑及消防設計、電氣自控設計、通風系統設計等方面進行詳細介紹分析，總結了本工程各專業的設計特點及相關參數取值，為相關工程建設提供參考。

1 項目背景

根據《貴州雙龍航空港經濟區總體規劃(2015—2030)》的規劃，為解決雙龍航空港經濟區污水處理廠缺失、流域河道污染嚴重等問題，規劃在雙龍航空港經濟區分散建設5座污水處理廠及配套截污管溝，并實施河道綜合治理工程。

本項目服務片區處于魚梁河的中上游地帶，下游是貴陽東郊水廠的取水口及市級著名旅游景點。為滿足服務片區高速發展帶來的污水增長需求，提高污水處理效率，去除入河污染物，改善魚梁河水環境質量，促進區域健康發展，本項目的建設非常迫切和必要。

2 項目概況

本項目規劃位于小寨村西北側，朝綱路東南側，緊鄰工業園區。規劃廠址用地面積為103 000 m2，規劃遠期總規模為1.0×105m3/d。

2.1 設計進水水質

為明確本項目設計進水水質，分別對現狀漁梁河截污溝沿線重點企業排污情況、河道溢流工業廢水情況進行摸排并進行水質取樣監測，根據取樣檢測結果進行加權計算，如表1所示。

表1 截污溝下游終點污染物濃度

根據規劃資料及現場調研，本項目服務片區內工業廢水和生活污水約為1∶1。生活污水水質根據《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)(2016年版)第3.4.1條的參數進行預測計算。對工業廢水、生活污水水質加權計算后，結合《污水排入城鎮下水道水質標準》(GB/T 31962—2015)規定的排放限值，綜合確定本項目設計進水水質，如表2所示。

表2 設計進水水質指標

2.2 設計出水水質

為了保護魚梁河飲用水源地，本項目尾水無法就近排入魚梁河，而是通過現狀已建的魚梁河排污隧洞，轉輸排入南明河作為南明河的生態補充水，緩解南明河市區段河道基流不足問題。根據當地南明河水環境保護要求，本項目出水水質執行《城鎮污水廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準，其中出水COD、氨氮需滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)IV類水體水質標準，即CODCr≤30 mg/L，NH3-N≤1.5 mg/L，如表3所示。

表3 設計出水水質指標

2.3 建設形式

本項目總規模為10萬m3/d，近期建設5萬 m3/d，其中預處理單元按遠期10萬m3/d規模土建一次完成。根據規劃，本項目廠址周邊為工業園區及濱河景觀帶，如果采用傳統地上式污水處理廠的建設形式，會帶來嚴重的嗅味、噪聲污染，并嚴重影響工業園區的招商引資及企業經濟發展。為解決上述矛盾，本項目采用下沉式建設形式，將污水處理設施與生態景觀公園、綠色節能技術有機結合，充分與周邊環境和諧共存。

3 工藝流程設計

3.1 優化工藝選擇

常見的生化處理工藝主要為傳統活性污泥法的AAO、SBR、氧化溝及其改良工藝等，以及膜生物反應器MBR工藝。而SBR工藝存在池容、設備閑置率較高、水頭浪費較大、運行控制復雜的確定；氧化溝工藝存在池深淺，占地面積大的缺點。因此從下沉式污水處理廠的箱體運行安全性、運營維護便捷性、平面布局集約型等方面，對比改良AAO與MBR工藝(表4)。

表4 生化處理工藝綜合對比

本項目下沉式建設形式，對箱體的操作環境、運營維護、臭氣控制、防災避險要求較高，因此推薦采用改良AAO工藝。結合本項目的水質特點和運營經驗，對傳統改良AAO進行了優化設計，采用多點進水前置預缺氧的改良AAO工藝，并在好氧區投加懸浮填料，材質為HDPE，比表面積≥650 m2/m3。投加填料可豐富微生物的生存空間形式，強化活性污泥處理系統，提高負荷率，并增加脫氮除磷能力，對含工業廢水的市政污水處理廠有較好的適用性[2]。

綜合考慮箱體結構、設計規模、用地情況等因素，單層平流式二沉池和圓形二沉池均無法應用于本項目，而雙層平流沉淀池池體構造復雜，池深較深，設計、施工、運營維護難度極大。因此本項目推薦采用周進周出矩形沉淀池，其具有高表面負荷、低水頭損失、沉淀效率高等特點[3]。同時，其由于池體構造簡單，施工容易，更適合應用于下沉式污水處理廠。

3.2 深度處理工藝選擇

為保證出水SS、TP達標，深度處理采用混凝沉淀+濾池工藝。高效沉淀池具有表面負荷高、占地面積小、池型規整、出水水質穩定的優勢，混凝沉淀工藝推薦采用高效沉淀池。連續流砂過濾器不需停機反沖洗，具有模塊化、能耗低、節約空間和占地、運行維護方便、投資成本低的特點[4]，非常適用于下沉式污水處理廠。因此，濾池推薦采用連續流砂過濾器。

本項目工業廢水占比較高，僅采用二級生化處理工藝，無法有效保證出水COD、色度等穩定達標。因此深度處理單元需要增加高級氧化工藝作為出水保障措施。結合國內眾多類似項目設計經驗，本項目選擇臭氧接觸氧化池來進一步去除COD和色度。

最終確定的工藝流程如圖1所示。

4 工藝設計

4.1 平面及豎向布置

本項目廠外進水管線沿河而建，從一期用地東北角進入廠區，因此進水提升泵房及調節池布置在一期用地的東北角，依據地勢，與主箱體分縫連接，滿足生產需要節約用地。主箱體成矩形，長向縱貫東西，短向橫跨南北，箱體布置考慮近遠期結合。車行道路布置在主箱體的東西兩端，連接市政道路形成環路，車輛可通過車行道路直接進入場地內部到達生產區，箱體內部車道設置在北側，可以與遠期共用。綜合樓布置在地塊西南角，與規劃道路入口緊密相連，交通便捷，充分利用地塊西南角空地，作為綜合樓前廣場，滿足停車綠化活動等功能，綜合樓地下一層，地上四層，總建筑面積為2 993.95 m2。臭氧發生間位于綜合樓東側，總建筑面積為140 m2，平面布置如圖2所示。

圖2 龍洞堡下沉式再生水廠總平面布置圖

污水由廠外進入提升泵房箱體，經粗格柵、預沉砂池、中格柵后提升至主箱體。再經細格柵、曝氣沉砂池、生化系統、深度處理系統后排放。污泥脫水及干化間、高低壓配電間、水源熱泵間的輔助用房位于操作層。為滿足管線綜合布置、設備吊裝，操作層凈高為5.8～6.4 m，箱體頂部景觀公園覆土厚度為1.5 m，箱體占地面積為18 206 m2，本項目箱體平面布置如圖3所示。

圖3 龍洞堡下沉式再生水廠箱體平面布置圖

4.2 主要構筑物及設計參數

4.2.1 預處理單元

前置粗格柵井1座，土建按遠期10萬m3/d設計，設備按近期5萬m3/d安裝，近期安裝1臺柵間隙為50 mm的回轉式機械格柵除污機。

預沉砂池1座，土建按遠期10萬m3/d設計，設備按近期5萬m3/d安裝，預沉砂池的水力停留時間為6.0 min，有效水深為1.8 m，水平流速為0.05 m/s，采用空氣壓縮機和凸輪洗砂泵聯合洗砂排砂。

中格柵井及污水提升泵井1座，土建按遠期10萬m3/d設計，設備按近期5萬m3/d安裝，近期安裝2臺柵間隙20 mm的回轉式機械格柵除污機；進水提升泵采用3臺大泵1臺小泵的搭配形式，其中大泵：Q=1 050 m3/h，H=33 m，N=145 kW；小泵：Q=800 m3/h，H=33 m，N=110 kW。

調節池按近期工業廢水2.5萬m3/d規模設計，停留時間為6.0 h，出水提升泵共3臺，Q=610 m3/h，H=8.3 m，N=21 kW，2用1備。

細格柵渠及曝氣沉砂池，土建按5萬m3/d設計，共設3條渠，分別安裝2臺柵間隙為3 mm的階梯網板格柵和一道人工檢修格柵；曝氣沉砂池水力停留時間為8.0 min，曝氣量為575 m3/h，采用氣提排砂。

4.2.2 二級處理單元

生化池共分2格，按進水方向分別為預缺氧區、厭氧區、缺氧區、好氧區、好氧懸浮填料區。總水力停留時間為19.0 h，其中預缺氧池為0.50 h，厭氧池為1.00 h，缺氧池為4.00 h，好氧池為13.5 h，污泥負荷為0.093 kg BOD5/(kg MLSS·d)，污泥回流比為0～100%，混合液回流比為100%～200%，懸浮填料填充比為27%。

生化池曝氣采用無油螺桿鼓風機，并采用大小風量搭配的形式，其中小風機：Q=1 200～2 760 m3/h，P=30～120 kPa，N=75 kW，1臺；大風機：Q=2 005～4 486 m3/h，P=30～120 kPa，N=132 kW，2臺，1用1備。

矩形周進周出二沉池共設3座，表面負荷為1.13 m3/(m2·h)，有效水深為4.50 m。配水孔直徑為200 mm，分四段不等間距布置，可確保流量均勻分配，避免進水造成任何的短流和渦動，提高污泥沉降效率[5]。

4.2.3 深度處理單元

高效沉淀池共2座，其中混合區1格、絮凝區2格、斜管沉淀區2格。混合區停留時間為2.1 min，投加PAC藥劑，使懸浮顆粒脫穩并流入絮凝區。絮凝區總停留時間為21.3 min，投加PAM藥劑，繼續形成個大密實、易于沉淀的絮凝體[6]。推流反應區上升流速為18.54 mm/s，較慢的上升流速可降低礬花碎裂幾率。斜管沉淀區表面負荷為10.75 m3/(m2·h)，沉淀的較高密度污泥繼續回流至混合區，以提高絮凝體有效碰撞幾率，降低藥耗。單座共設3臺污泥螺桿泵，Q=30～50 m3/h，H=30 m，N=11 kW，1臺用于污泥回流，1臺用于排泥并兼全池放空，1臺互為備用，日常運行中根據泥位高度來控制排泥量[7]，臭氧接觸池停留時間為30 min，臭氧投加量為5 mg/L，采用管式臭氧發生器(12 kg/h，1臺)，進一步去除出水中難降解的污染物及色度[8]。

中間提升泵房1座，共設5臺提升泵：Q=520.8 m3/h，H=3.6 m，N=9 kW，4用1備。

連續流砂過濾器共1座分7格，每格設置8套過濾器設備，共56套，單套過濾器面積為6 m2，設計濾速為6.2 m/h。

4.2.4 尾水消毒排放及回用單元

紫外線消毒渠1座，設備1套，共112支，功率為20.7 kW，有效生物驗定劑量≥22 mJ/cm2。巴氏計量槽1座，喉寬為0.75 m，測量為25～1 100 L/s。

綜合水池1座，采用次氯酸鈉輔助消毒，停留時間為30 min，有效水深為4.6 m。配有變頻恒壓供水系統1套，其中供水泵3臺，2用1備，Q=30 m3/h，H=40 m，N=7.5 kW。穩壓泵1臺，Q=6 m3/h，H=30 m，N=1.5 kW。尾水提升采用干式泵：Q=700 m3/h，H=50.0 m，N=160 kW，4臺變頻，3用1備。

4.2.5 污泥理單元

污泥脫水工藝前設貯泥池1座，并從鼓風機房引曝氣管，采用微孔曝氣。脫水采用離心濃縮脫水一體機，單臺流量為20～30 m3/h，共設3臺，2用1備。脫水后的污泥由螺桿泵輸送至污泥低溫風冷干化系統，最終出泥含水率降低至50%。

4.2.6 除臭系統

污水處理廠的臭氣污染物成分比較復雜，主要以NH3為主，其次為H2S[9]。本項目臭氣主要來自：預處理區、生化區、污泥脫水及干化間。受限于地下污水處理廠柱網間距特點，無法在地下箱體內布置超大除臭裝置，同時為了避免長距離除臭管路造成的管線碰撞、氣壓分布不均等問題，采取分區域分單元除臭方式。因此共設4套生物除臭系統，分別為：預處理除臭系統1套，除臭風量Q=12 000 m3/h；生化池除臭系統2套，除臭風量Q=30 000 m3/h；污泥脫水單元除臭系統1套，除臭風量Q=13 000 m3/h；污泥干化間除臭系統1套，除臭風量Q=10 000 m3/h。

4.2.7 水源熱泵系統

本項目從污水余溫熱能中提取熱量為水廠附屬綜合樓制冷供熱[10]。水源熱泵間位于綜合水池上，設計污水溫差冬季為3 ℃、夏季為5 ℃，最大制冷量為345 kW，最大制熱量為345 kW。

5 輔助專業設計

5.1 結構及基坑支護設計

本項目池體層為現澆鋼筋混凝土水池結構，操作層為鋼筋混凝土框架結構。本項目地質條件良好，箱體底板位于中風化灰巖層，該處地基強度、穩定性較好，是良好的天然地基持力層，因此本項目無需地基處理，但需要對局部溶洞區域進行處理。同時，本項目場地地勢較高，地下水位較深，主箱體底板標高也高于魚梁河百年一遇洪水位，經核算箱體結構自重即可滿足抗浮要求。

本項目基坑開挖后將在四周形成高為3.5～15.0 m的基坑邊坡，根據邊坡工程地質條件和開挖高度，本項目采用坡率法+錨桿或中空錨桿+掛網噴漿護坡+局部豎向肋柱支護+截水溝方案進行支護。

5.2 建筑及消防設計

對于下沉式污水處理廠而言，可通過人工照明解決日常工作生活的需求，但沒有自然光，一個空間無法成為真正的建筑[11]。因此,本項目箱體頂部開設自然采光孔，箱體四周采用下沉式廊道設計，進行自然補光照明，同時節約大量電能，為下沉式污水處理廠自然采光起到示范作用。

本項目生產區為水工構筑物，按生產類別定義為戊類廠房，參考《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)(2018年版)第3章廠房(倉庫)防火分區要求進行設計[12]，即防火分區的最大允許建筑面積小于1 000 m2，當設置自噴時，防火分區的面積可增加至2 000 m2，廠房內任一點至最近的安全出口的直線距離不能超過60 m。但由于本項目采用下沉式廊道，箱體操作層可直通室外，因此本項目箱體操作層為一個大防火分區。箱體池體層共設6個防火分區，其中防火分區1#～防火分區5#面積均小于1 000 m2，防火分區6#設自動噴淋系統，防火分區面積為1 946 m2。

目前，隨著國內下沉式污水處理廠的飛速建設發展，越來越多的消防專項評估；相關指南、規程、規范等對地下廠的消防設計進行了深化明確。例如，正定新區全地下污水處理廠、太原晉陽污水處理廠、青島高新區污水處理廠、昆明第十一污水處理廠、鄭州南三環污水處理廠均通過消防專項評估方式，突破了規范要求的防火分區面積上限，最大防火分區面積做到4 000 m2[13-14]。2020年1月1日實施的《地下式城鎮污水處理廠工程技術指南》(T/CAEPI 23—2019)中，第7.4.2條明確提出“地下廠如需突破GB 50016對防火分區最大允許建筑面積的限制，應進行消防專項論證”。浙江省住建廳2020年6月2日發布的《地埋式城鎮污水處理廠建設技術導則(試行)》文件中，對全地埋式污水處理廠的操作層、管廊層的防火分區面積進行了突破，允許最大單個防火分區的面積不超5 000 m2；同時界定了操作層、管廊層的最遠疏散距離分別為70 m和200 m。2019 年11 月發布的《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)局部修訂征求意見稿中，對地下污水處理廠按設備用房和水工構筑物進行了區分，要求設備用房最大防火分區面積為1 000 m2，而水工構筑物則按照工藝要求確定防火分區面積。因此隨著關于地下污水處理廠相關規范的推出，以及相關專項評估論證的推進，在滿足消防安全的前提下，防火分區、疏散距離等設計難點逐漸被合理化，更有利于地下箱體工藝處理單元集約化布置、降低地下箱體的壓抑感、提升操作管理舒適度，更能充分釋放箱體頂部可利用空間，打造更加精美的景觀公園。

5.3 電氣設計

本項目供電系統按照二級負荷設計，并設計兩回路10 kV電源，兩回路電源1用1備，并為二期工程預留足夠的增容能力。生化池操作層上設有2座變配電站，每座變配電站皆深入負荷中心。10 kV配電中心與1#變配電間合建，臨近鼓風機房及預處理單元，設有2臺1 600 kVA的干式變壓器，同時使用，互為備用。2#變配電間臨近污泥處理系統，設有2臺800 kVA的干式變壓器，近期1用1冷備，遠期同時啟用，可滿足遠期污泥處理系統的用電需求。為防止變電間被淹，其室內地坪高于箱體操作層1.0 m，電纜鋪設于電纜溝內；為保證頂部電纜橋架安裝，房間梁下凈高為5.0 m。

5.4 通風系統設計

本項目池體管廊層設置機械送、排風系統，換氣次數為4次/h，操作層大空間設置機械排風系統、自然補風，預處理及生化池上部空間換氣次數為4次/h，二沉池及深度處理區上部空間換氣次數為3次/h。其中，污泥脫水間、鼓風機房、高低壓配電間、加藥間換氣次數為12次/h，污泥轉運間換氣次數為6次/h，進出水監測室、消防泵房、水源熱泵間、機修倉庫換氣次數為4次/h。

6 技術經濟指標

本項目總規模為10萬 m3/d，一期規模為5.0萬 m3/d(其中預處理按10萬 m3/d土建施工)，一期箱體占地指標為3 640 m2/m3。因進水成分復雜、濃度較高；出水標準高、出廠污泥含水率低；基坑灰頁巖開挖、溶洞處理等特點，本項目在設計參數、設備質量、材料材質防腐、施工措施等方面投資較高。一期工程費用為4.32億元，單位運行總成本為1.65 元/m3。

7 運行效果

本項目已正式運行，出水效果穩定，2017年—2019年實際進、出水水質檢測結果如表5所示。

表5 2017年—2019年進、出水水質

8 結論

(1)本項目進水工業廢水占比高，核心工藝采用改良AAO加懸浮填料、臭氧接觸氧化工藝，出水能穩定達到準四類地表水標準，為同類型進水水質、用地受限、環境友好度要求高的污水處理廠提供了參考價值。

(2)箱體除臭系統應結合柱網布置特點，采取分區域分單元除臭方式，避免長距離管線碰撞、氣壓分布不均等問題。

(3)采用下沉式廊道，箱體操作層可直通室外，因此操作層可優化為一個大防火分區，并可進行自然補光改善箱體采光條件。

(4)變配電站應充分利用生化池操作層空間，深入負荷中心，降低供電半徑。為防止被淹，其室內地坪高于操作層1.0 m；為保證頂部電纜橋架安裝，房間梁下凈高至少為5.0 m。

(5)通過下沉式集約化布置，極大的節約土地資源，箱體占地指標為3 640 m2/m3。