山體隧洞式地下再生污水處理廠設(shè)計(jì)探索

曾仲毅 吳銘芳 張安睿 田 嬌 春軍偉

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生活水平提高，人們對(duì)生活環(huán)境的要求也越來越高。但由于人口的急劇膨脹，給城市的污水處理帶來了很大壓力，目前我國污水處理大部分還是在地面污水處理廠中進(jìn)行處理，故地面污水處理廠既是城市污染處理設(shè)施，又是城市的二次污染源。隨著高速發(fā)展的城市化建設(shè)和日益突出的環(huán)境問題，地下式污水處理廠憑借著土地集約、資源利用、環(huán)境友好這三大特點(diǎn)成為建設(shè)首選。地下式污水處理廠不僅能夠最大化釋放地面空間，還能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)污水資源化[1]。

國外地下較大型的污水和排水處理系統(tǒng)發(fā)展比較成熟。1932年在芬蘭建設(shè)了世界首個(gè)地下污水處理廠，服務(wù)于芬蘭首都赫爾辛基，該地下污水處理廠在雨季的日處理能力高達(dá)60萬m3。

在瑞典首都斯德哥爾摩，1942年運(yùn)用先進(jìn)的開挖技術(shù)和當(dāng)?shù)赜欣牡刭|(zhì)條件，建造完成世界第一座巖石地下污水處理廠，服務(wù)年限是70年。目前，美國、日本、英國等發(fā)達(dá)國家都建造了地下污水處理廠，取得了很好的社會(huì)效益和可觀的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

我國地下式污水處理廠發(fā)展起步較晚，同時(shí)也存在著港澳臺(tái)與內(nèi)地之間發(fā)展不同步、不均衡的現(xiàn)象，香港地區(qū)于1991年開始建設(shè)亞洲第一座隧道式污水處理廠——赤柱污水廠，臺(tái)灣地區(qū)從1998年開始建設(shè)內(nèi)湖污水處理廠，2002年正式啟用，設(shè)計(jì)規(guī)模24萬m3/d。

大陸地區(qū)地下式污水處理廠起步雖晚，但發(fā)展十分迅猛，自2009年至今，北京、廣州、深圳、貴陽等城市已建及在建地下污水處理廠有100多座。但仍然存在建設(shè)難度大、建設(shè)運(yùn)行成本高、風(fēng)險(xiǎn)因素高、地面設(shè)施單一等問題[3-4]。目前，國內(nèi)地下污水廠基本上是通過明挖方法修建，這種建設(shè)方法存在廠址地表大量構(gòu)建筑物拆遷、地表生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞、施工對(duì)周邊環(huán)境和交通影響大、工程綜合造價(jià)高等弊端。

鑒于地下隧洞具有隱蔽性高、安全性高、恒溫恒濕、生態(tài)環(huán)境破壞及施工影響小等特性，在因地制宜地利用貴陽當(dāng)?shù)氐匦翁攸c(diǎn)及積極踐行地下空間開發(fā)利用政策導(dǎo)向的情況下，本文以貴陽市松山污水處理廠為依托，探索山體隧洞式地下再生水廠設(shè)計(jì)新模式。

1 依托工程概況

松山污水處理廠(再生水廠)是貴陽市18個(gè)再生水廠之一，為貴陽市南明河大溝治理中松山大溝治理項(xiàng)目的配套工程建設(shè)。污水處理規(guī)模為1.0萬t/d，主要處理松山路片區(qū)生活污水，設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)COD、氨氮、總磷達(dá)到四類水體標(biāo)準(zhǔn)，其他指標(biāo)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)，出水水質(zhì)是城市景觀補(bǔ)水的較高標(biāo)準(zhǔn)。建成后，松山再生水廠能有效處理周邊生活污水，提高市西河水質(zhì)情況，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境、提升城市品位具有重要意義。該污水處理廠(再生水廠)充分利用貴陽市山地地形，將污水處理主要結(jié)構(gòu)建設(shè)在山體隧洞內(nèi)，建成后將是國內(nèi)首個(gè)山體隧洞式地下污水處理廠。

2 設(shè)計(jì)方案研究

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

松山地下污水處理廠的主要地下結(jié)構(gòu)為山體隧洞，隧道主洞共分為2幅(A幅和B幅)，長度均為250 m，兩幅間凈距為40 m。隧道進(jìn)口段位于公路邊，端部位于山內(nèi)部，A幅最大埋深89 m，B幅隧道最大埋深64 m。兩幅隧道中間采用2個(gè)聯(lián)絡(luò)橫洞聯(lián)通，聯(lián)絡(luò)通道長度均為35 m。B幅隧道端部設(shè)置一斜井，用于洞內(nèi)疏散和通風(fēng)，總長度為145 m，出口位于主隧洞的左側(cè)。污水處理隧洞衛(wèi)星云圖見圖1，隧洞總體平面布置見圖2。

圖1 隧洞衛(wèi)星云圖

圖2 隧洞總體平面布置圖

隧洞方案的設(shè)計(jì)，考慮了污水的處理及循環(huán)再生，見圖2，隧道主洞共分為2幅(A幅和B幅)，污水從A幅隧道進(jìn)洞經(jīng)過處理之后，流經(jīng)聯(lián)絡(luò)通道，再由B幅輸出標(biāo)準(zhǔn)水，實(shí)現(xiàn)污水再生。A幅隧道和B幅隧道相當(dāng)于污水過濾器，能實(shí)現(xiàn)污水到標(biāo)準(zhǔn)水的綠色再生循環(huán)。

2.2 污水處理隧洞設(shè)計(jì)

國內(nèi)地下污水廠基本上是通過明挖方法修建，首先在廠址范圍按照設(shè)計(jì)標(biāo)高開挖出基坑，然后從下向上修建污水處理廠。貴陽松山山體隧洞式污水處理廠將污水處理設(shè)施建于地下隧洞內(nèi)，所有處理設(shè)備均處于地下，辦公室、職工活動(dòng)場所、部分車間和能量轉(zhuǎn)換設(shè)施建于地面，避免了諸如廠址地表大量構(gòu)建筑物拆遷、地表生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞、施工對(duì)周邊環(huán)境和交通影響較大、工程綜合造價(jià)高等明挖法施工地下污水處理廠的弊端，做到對(duì)污水進(jìn)行處理再生的同時(shí)不破壞生態(tài)環(huán)境。同時(shí)，隧道巖體有良好的隔熱和阻溫性，隧道空間具有穩(wěn)定的溫度場，能使污水處理廠綠色高效節(jié)能，節(jié)省污水設(shè)施所用電量。隧洞內(nèi)采用混凝土隔板將隧道主洞分成上下2層，下層為污水處理的缺氧池，上層為設(shè)備區(qū)、人員車輛通道和檢修區(qū)；電力橋架、暖通風(fēng)管、除臭風(fēng)管區(qū)域；起重設(shè)備、照明區(qū)域。

山體隧洞式污水處理廠在國內(nèi)還沒有工程案例，本設(shè)計(jì)是該種新型污水處理廠的首次探索。隧洞斷面布置圖見圖3，該方案隧道凈空寬度為22.00 m、高度為19.10 m，內(nèi)輪廓凈空斷面為355.9 m2，最大開挖面積468 m2。其中上層空間寬度為22.00 m、高度為10.43 m，凈空斷面為187.194 m2。下層空間寬度為21.80 m、高度為7.86 m，凈空斷面為2×72.20 m2。

圖3 隧洞斷面布置圖

隧道主洞砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見圖4。

圖4 隧道主洞砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖(直徑單位：mm)

隧道超前支護(hù)采用6 m長、直徑60 mm超前注漿小導(dǎo)管(環(huán)×縱間距為40 cm×250 cm)；初期支護(hù)采用36 cm厚C20噴射混凝土、I28b型鋼拱架(間距50 cm)、5 m長、直徑25 mm中空注漿錨桿、直徑8 mm鋼筋網(wǎng)(雙層)20 cm×20 cm；防水層采用無紡?fù)凉げ肌?.5 mm厚EVA平板式防水板；二次襯砌采用100 cm厚C35防水鋼筋混凝土。

2.3 隧洞聯(lián)絡(luò)通道及斜井設(shè)計(jì)

利用隧洞聯(lián)絡(luò)通道實(shí)現(xiàn)污水到標(biāo)準(zhǔn)水綠色再生循環(huán)的做法在已有地下污水廠工程中鮮見報(bào)道，為貴陽松山污水處理廠充分利用貴陽山地地形的首次探索，本文給出設(shè)計(jì)參數(shù)以供后續(xù)研究參考。

隧道斜井及聯(lián)絡(luò)通道隧洞凈空寬度為7.40 m、高度為7.80 m，內(nèi)輪廓凈空斷面為51.74 m2，斷面圖見圖5。隧道超前支護(hù)采用2.5 m長、直徑20 mm藥卷錨桿(環(huán)×縱間距為60 cm×120 cm，梅花形布置)；初期支護(hù)采用20 cm厚C25噴射混凝土、I14型鋼拱架(間距60 cm)、2.5 m長、直徑20 mm藥卷錨桿、直徑6.5 mm鋼筋網(wǎng)20 cm×20 cm；防水層采用無紡?fù)凉げ肌?.5 mm厚EVA平板式防水板；二次襯砌采用40 cm厚C35防水鋼筋混凝土。

圖5 隧道聯(lián)絡(luò)通道及斜井?dāng)嗝鎴D(直徑單位：mm)

2.4 山體隧洞式污水處理廠節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)

在節(jié)能環(huán)保方面，主要結(jié)合以下三方面綜合考慮，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的理想效果。

1) 采用節(jié)地型生化處理工藝。生化處理工藝是污水處理廠主要占地的單元，松山污水處理廠采用MBR及國際領(lǐng)先的MBBR工藝強(qiáng)化生物處理，出水水質(zhì)良好，可直接回用，污泥質(zhì)量濃度高(8～10 g/L)，反應(yīng)高效，能夠避免二沉池的建設(shè)，大幅節(jié)省占地75%以上，實(shí)現(xiàn)污水生物處理的高效節(jié)地目標(biāo)。

2) 利用山體隧洞固有優(yōu)勢(shì)節(jié)能。污水處理設(shè)施建于地下隧洞內(nèi)，洞室頂部采用混凝土噴錨防護(hù)，巖石與襯砌之間設(shè)排水層。所有處理設(shè)備均處于地下，水池等設(shè)施利用原有的巖石，混凝土只在需要的地方才采用。辦公室、職工活動(dòng)場所、部分車間和能量轉(zhuǎn)換設(shè)施建于地面。主要設(shè)施處于地下，可以有效地防止異味及噪聲對(duì)周圍居民生活的影響，使得周圍居民的生活環(huán)境保持很好。利用產(chǎn)生的沼氣來發(fā)電和供熱，可供本廠使用。此外，隧道巖體有良好的隔熱和阻溫性，隧道空間具有穩(wěn)定的溫度場，能使污水處理廠實(shí)現(xiàn)綠色高效節(jié)能，節(jié)省污水設(shè)施所用電量。山體隧洞式污水處理廠實(shí)施效果見圖6。

圖6 隧洞式污水處理廠設(shè)計(jì)效果圖

3) 探索生態(tài)綜合體實(shí)踐設(shè)計(jì)。秉承生態(tài)文明理念，將污水處理與提供生態(tài)景觀、休閑娛樂、科普教育、科技研發(fā)、濕地綠化等公共服務(wù)有機(jī)融合，地上、地下統(tǒng)籌規(guī)劃，改善周邊環(huán)境質(zhì)量。將城鄉(xiāng)生態(tài)綜合體建設(shè)與地下污水廠相結(jié)合，進(jìn)一步推動(dòng)“負(fù)資產(chǎn)”向“正資產(chǎn)”的轉(zhuǎn)變，推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)。在城市更新進(jìn)程中，該地下污水處理廠在補(bǔ)齊城市基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施的短板方面將起到一定主導(dǎo)作用。

3 結(jié)語

貴陽松山污水處理廠(再生水廠)為國內(nèi)首座山體隧洞式污水處理廠，做到了對(duì)土地資源的高效集約化利用及生態(tài)環(huán)境影響“正資產(chǎn)”化。該再生水廠的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下。

1) 松山污水處理廠(再生水廠)是國內(nèi)山體隧洞式地下污水處理廠的首次探索，致力于打造隱蔽、安全、環(huán)保的地下污水處理廠，將污水處理設(shè)施置于山體隧洞內(nèi)，并將城鄉(xiāng)生態(tài)綜合體建設(shè)與地下污水廠相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)對(duì)土地資源的高效集約化利用，達(dá)到環(huán)保節(jié)能的效果。

2) 處理廠的主要處理設(shè)備均處于地下隧洞內(nèi)，有效地防止了噪聲和異味對(duì)周圍居民生活的影響，且洞內(nèi)設(shè)施基本上不受外部因素的影響，更有利于處理流程的選擇及處理效果的穩(wěn)定，使污水處理更為高效。利用隧洞及聯(lián)絡(luò)通道的布置形式實(shí)現(xiàn)了污水的處理及循環(huán)再生，利用山體隧洞固有的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了更高效的綜合節(jié)能。

3) 項(xiàng)目的實(shí)施，是污水處理行業(yè)踐行生態(tài)綜合體這一生態(tài)文明理念的一次社會(huì)實(shí)踐，可作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要抓手來推動(dòng)促進(jìn)城市更新，為快速城鎮(zhèn)化導(dǎo)致城市公共服務(wù)體系缺失的補(bǔ)齊提供了良好的契機(jī)，為我國污水處理行業(yè)未來的發(fā)展鋪路。

4) 項(xiàng)目的實(shí)施，創(chuàng)新了我國山體式地下污水處理廠的建設(shè)形式，探討了地下污水處理廠與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展充分融合的新模式，可供其他類似工程參考借鑒。