地下式污水處理廠AAO+MBR工藝的應用

夏云峰，周 艷，王 濤，閔紅平，盧仲興，焦 鶴，陳 騫

(中建三局綠色產業投資有限公司，湖北武漢 430058)

為應對稀缺的城市土地資源和滿足高質量的環境需求，污水處理廠的建設需尋求向下發展，以最大程度化解鄰避效應。近年來，我國在北上廣深等一線城市及昆明滇池、貴陽南明河等城市重點流域的城市人口密集區建設地下式污水處理廠，以解決土地資源緊缺、城市環境要求高的矛盾[1]。據《“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》，鼓勵再生水利用，地級及以上缺水城市再生水利用率要求達到25%以上，而其中主要利用水源為污水處理廠的尾水，分散式地下污水處理廠的建設更利于污水的就地處理及回用。以貴陽南明河流域治理為例，該流域采用區域污水收集處理與河流治理統籌的方式、污水處理廠分散布局和地下式污水處理廠相結合的建設模式，實現污水處理廠建設土地的集約化及污水的資源化[2]。

地下式污水處理廠以其結構緊湊、占地小、二次污染少、地面用途多元化的優勢正逐年增加建設規模，其運行穩定，受外部環境影響小，可保持甚至提升周邊土地溢價。然而，也應清醒認識到投資成本高、事故風險率大、運維人員健康影響深是其推廣的最大阻力。地下式污水處理廠的豎向布置形式主要分3大類：全地下式、半地下式及隧道式[3]。除隧道式水廠主體結構設置在隧道、巖洞或山洞中外，其余可分為全地下單層加蓋式、全地下雙層加蓋式和半地下雙層加蓋式[4-5]。

近十年以來，國內地下式污水處理廠發展迅速，根據國內地下式污水處理廠的調研[6]，50%以上的地下式污水處理廠采用AAO及其改良工藝作為污水處理主工藝；超過25%的地下式污水處理廠采用MBR作為主工藝。在諸多生物處理主體工藝中，主要聚焦兩大類。一類為短流程，其主流處理方式為AAO及其改良+MBR工藝，以全地下式廣州京溪污水處理廠[7]為代表，該廠融合了先進的MBR工藝、優化的土建結構設計、可靠的儀表自控技術及安全有效的通風系統，以組團式結構布置的形式為后續同類地下式污水處理廠MBR膜工藝的應用提供了充分的依據和借鑒。另一類為長流程，其主流處理工藝為AAO及其改良+高效沉淀+濾池(深床濾池、轉盤濾池等)，在合肥濱湖北澇圩再生水廠[8]和錢江地下式污水處理廠[9]等均有所應用。相較于長流程工藝，采用中空纖維膜的MBR工藝其出水水質更優，占地更小，利于滿足準Ⅳ類及準Ⅲ類出水指標(部分指標滿足Ⅳ類或Ⅲ類標準)及景觀環境用水的用途，但初投資及運營成本相對較高。

現就日益廣泛應用的AAO及其改良工藝+MBR的案例進行總結，主要從進出水水質及出水用途、主要設計參數、污泥和臭氣處理工藝、消防分區等方面進行分析，以期對后續地下式污水處理廠的建設提供參考和借鑒。

1 案例分析

鑒于不同規模的污水處理廠對占地、投資、除臭通風及消防設計等要求不同，故篩選處理規模為10萬～15萬m3/d的地下式污水處理廠作為分析對象，針對設計所關注的關鍵內容進行梳理。

1.1 進、出水水質及再生利用

本研究所選取的7座地下式污水處理廠：煙臺市套子灣污水處理廠二期(15萬m3/d)[10-11]、河北正定新區污水處理廠(10萬m3/d)[12]、珠海前山水質凈化廠(10萬m3/d)[13]、昆明第九(10萬m3/d)和第十污水處理廠(15萬m3/d)[14-16]、深圳坂雪崗水質凈化廠二期(12萬m3/d)[17]、廣州京溪污水處理廠(10萬m3/d)。其設計進、出水水質如圖1和圖2所示。

圖1 7座地下式污水處理廠設計進水水質Fig.1 Design Influent Quality for Seven UWWTPs

圖2 7座地下式污水處理廠設計出水水質Fig.2 Design Effluent Quality for Seven UWWTPs

除深圳坂雪崗水質凈化廠出水執行準Ⅳ類標準(除TN外，其他指標執行Ⅳ類標準,TN≤10 mg/L)外，其余地下式污水處理廠出水均按《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準設計，且廣東省2座污水處理廠還需符合地標《水污染物排放限值》(DB 44/26—2001)第二時段的一級標準要求，主要是CODCr限值降至40 mg/L。

盡管目前污水處理廠出水指標多按一級A排放標準設計，但隨著環保要求的提高，各地污水排放標準也日趨嚴格。目前除北京、天津等發達區域及太湖、滇池等重要流域外，廣東、山東等省及市也出臺了相對嚴格的地方標準，管控嚴格的受納水體如岷江和沱江、梁灘河和大清河流域等污染物排放限值已近地表Ⅲ類和Ⅳ類水質標準。再生水利用率作為“十四五”城鎮排水規劃的重大指標，能否完成目標首要保障為再生水水質。MBR膜技術是一種活性污泥法與膜分離相結合的水處理技術，對于SS及渾濁度的去除具有先天優勢，相較常規深度處理，該工藝能顯著縮短流程，對地下式污水處理廠而言尤能減少占地，同時增強抗沖擊負荷能力，減少剩余污泥排放。因此，MBR膜技術在地下式污水處理廠中擁有較大市場占有率。

1.2 污水處理主要工藝參數

本次研究所選取的7座污水處理廠中2座來自北方城市，5座來自南方城市，污水處理廠運行效果均達到設計預期，滿足設計出水水質要求。鑒于北方城市進水濃度相對較高，針對南方深圳、珠海及昆明的5座地下式污水處理廠相關設計參數進行對比，如表1所示。

表1 南方城市5座地下式污水處理廠主要設計參數Tab.1 Main Design Parameters of Five UWWTPs in Southern Cities

結合進、出水水質，通過相似規模的地下式污水設計參數可知，廣州京溪污水處理廠因進水中有機物濃度偏低，生化段總停留時間較小，不足8 h；昆明第九、第十污水處理廠由于進水TN質量濃度相對較高，達45 mg/L，設計在AAO的好氧段后接缺氧段以強化TN脫除，因此，總停留時間有所增加；坂雪崗水質凈化廠二期因出水執行準Ⅳ類標準(TN≤10 mg/L)，有機物和TN去除要求更高，除預處理段采用10 min預沉砂及50 min速沉外，總停留時間也相對較長，主要增加在AAO中缺氧段和好氧段。

在MBR池中，5座污水處理廠的膜濾徑基本相當，大部分為0.2 μm，出水達到再生水水質要求，通常再生利用場景可直接回用，平均膜通量在18 L/(m2·h)左右。為保證生物池內高濃度污泥，在MBR池污泥回流量上均比較高，達到300%～500%，充分利用膜池的高濃縮污泥進行回流補充生物池泥量。在泥齡方面，總泥齡平均在20 d，適合世代周期長的硝化菌生長，利于生物脫氮。

根據這5座地下式污水處理廠的設計運行情況，針對南方城市以市政污水為主的城鎮污水水質，當進水CODCr≤400 mg/L、TN≤45 mg/L時，相較于傳統AAO+深度處理工藝，采用AAO+MBR工藝時污泥負荷為0.07 kg BOD5/(kg MLSS·d)，低于傳統AAO工藝30%以上污泥負荷，一定程度增加抗沖擊負荷能力；且生物池平均污泥質量濃度為8 g/L，高于傳統的污泥質量濃度(2.5～4.0 g/L)兩倍以上，可提高生物量降低生物池體積，同時MBR工藝的低排泥量在地下式污水處理廠降低了藥耗和人工運輸成本。雖然MBR在工藝上具有較大優勢，但也應客觀認識到在地下式污水處理廠生物池一般作為基坑最深處，MBR的膜組件起吊高度是影響地下式污水處理廠埋深的關鍵控制因素。

1.3 污泥處理及除臭通風

作為有效節省地下空間占地的方式，濃縮和脫水在一體機是地下式污水處理廠污泥處理的必然趨勢，MBR工藝產泥量少，10萬m3/d規模的污水處理廠日產泥量尚不足以就地經濟性消納，且受限于鄰近環境，多采用脫水至含水率為80%后外運填埋處置方式。除深圳坂雪崗水質凈化廠二期采用濃縮調理+板框壓濾的脫水方式外，其余6座污水處理廠均采用機械濃縮脫水一體機，因此，污泥的處理工藝更多考慮節地需求，若對污泥含水率有更高要求則需采取成熟穩定的調理方式結合板框壓濾進行脫水，以降低含水率。污泥的最終處置主要包括外運焚燒和衛生填埋，需結合當地污泥處置的場地及周邊可用的資源。

地下式污水處理廠因整個箱體設于地下，臭氣處理及通排風要求相較地上式更嚴格。調研的7座污水處理廠在臭氣處理上均采用生物(濾池)除臭方式，如表2所示。總體而言，地下式污水處理廠的臭氣處理以低成本生物除臭為主，但鑒于對周邊的環境影響，多輔以離子除臭或活性炭吸附等物化法以保障除臭效果。因此，單一的生物除臭作為地下式污水處理廠常用臭氣處理方式，需配套物理化學除臭方式保障去除效果。

表2 地下式污水處理廠污泥和臭氣處理及排風形式Tab.2 Sludge and Odor Treatment and Venting Form of UWWTPs

在排風形式上，全地下式污水處理廠位于地面下，缺乏自然排風條件，而半地下式污水處理廠則可部分利用自然通風以降低能耗。深圳坂雪崗水質凈化廠二期為半地下式，除充分利用四周開敞空間實現自然通風外，同時對各功能建筑布置側墻風機機械通風。其余幾座地下式污水處理廠均采用機械通風為主的通排風形式，地下式污水處理廠的通風效果直接影響運營人員的身心健康。相較于地上式，地下式污水處理廠的機械送排風也成為了繼采光照明后地下式污水處理廠運營能耗增加的第二大因素，因此，設計時結合當地日照及夏季主導風向酌情考慮設置自然采光井及風環境模擬，形成一定程度自然通排風。

1.4 消防分區設計

根據《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)第5.3.1條，地下或半地下建筑設備用房防火分區的最大允許建筑面積不應大于1 000 m2；若防火分區面積超過1 000 m2，則須考慮增設自動滅火系統，此時防火分區面積上限為2 000 m2；若超過2 000 m2，則需經過消防主管部門的性能化設計審查。各水廠消防設計思路如表3所示。

表3 地下式污水處理廠消防設計要點Tab.3 Main Points of Fire Protection Design for UWWTPs

地下式污水處理廠與常規地下室設備房不同，其操作區內生物池、膜池等水工構筑物檢修平臺均為大面積檢修蓋板，設備和管道用不燃材料制造，其他可燃物很少，火災危險性小。但現行消防分區暫無規律可循，一般采用室內消火栓系統+室內自噴系統的形式，以最大程度減少防火分區數量和疏散出口設置，變配電間采用氣體滅火系統。該方式可在減少地上出入口的同時降低對地面景觀設計的影響。

由于各地方消防政策的差異，地下式污水處理廠的消防設計過程中應多與當地消防主管部門溝通協商，明確地下箱體空間的消防設施的設置。相關部門于2019年末在《建筑設計防火規范》局部修訂條文(征求意見稿)中針對地下式污水處理廠操作區生物池、二沉池等水工構筑物檢修平臺的防火分區面積做出彈性規定，根據工藝要求確定，但因修訂稿尚未發布，目前的規劃和設計仍以增設自噴系統居多。因此，結合自然采光和消防應急出口設計一定程度能提高消防安全保障性。

1.5 用地投資及地上空間

7座污水處理廠單位水量的用地及建設成本如表4所示。根據《城市污水處理工程項目建設標準》，包含深度處理的污水處理廠占地面積為0.80～0.95 m2/(m3·d-1)，而表4中地下式污水處理廠的用地指標為0.17～0.45 m2/(m3·d-1)，均小于建設標準。采用半地下式污水處理廠其噸水建設成本顯著低于全地下式，由于地下污水處理廠大多采用一體化箱體結構設計，其優勢為在功能上高度集約，將水平地面上的功能往豎向集聚；在用地面積上占地小，節省了大量土地資源。另一方面，國內南方城市地上式污水處理廠的噸水平均投資一般在3 000元/m3，從初期投資來看主流MBR工藝的地下污水處理廠投資約為常規地上污水處理廠的2倍。

表4 單位用地及建設成本Tab.4 Unit Land Use and Construction Costs

由于MBR工藝初期投資成本高，在地下式污水處理廠的地上空間利用希望可多元化、商業化，諸如景觀水系、公園綠地、科普館、公共停車場等。然而，目前規劃或建設的地面空間設計的理念相對落后，模式較為單一[18]，多為綠地公園或水系，一定程度發揮了土地的社會價值但未尋找到商業開發的合適路徑，無法補貼地下空間的采光和通風能耗。在貴陽南明河流域系統治理工程中配套的貴醫污水處理廠、六廣門污水處理廠等幾座全地下式污水處理廠，其地上及地下空間的復合利用已逐步走向多功能化、商業化和協同化，但運營后效果仍待觀察。此外，污水處理廠地上空間以景觀公園或公共停車場的形式開發，依然要考慮污水處理廠的運維與空間管理界面的劃分，主要是污水處理廠運維人員巡檢路線與地上開發區域行經路線的分隔，以保證安全獨立。

2 結論

(1)隨著國家對環境保護及再生水資源化的日益重視，城鎮污水處理廠排放限值也日益嚴格，地下式污水處理廠以其分散式布設及就地回用的優勢正逐步應用在城鎮污水處理及水環境綜合治理工程中。AAO+MBR工藝以其較強抗沖擊負荷能力和較高污泥濃度在地下式污水處理廠建設中可作為優先考慮工藝類型。

(2)相較于全地下式污水處理廠，采用半地下式可有效降低照明和通風在污水處理廠運行維護上的能耗和成本，因此，如有條件建議采用半地下或人造坡地的形式建設地下污水處理廠，充分發揮自然采光井及風環境模擬形成的自然通排風。

(3)作為地下式污水處理廠，占地平面及空間多為有限，因此，污泥脫水后含水率不宜過低，以增加用地負擔及調理流程，建議脫水至行業及地方要求含水率后外運，以減少在地下箱體的停留和處理時間。

(4)采用AAO+MBR工藝作為地下式污水處理廠主體工藝，較《城市污水處理工程項目建設標準》所提供的用地限值可節省一半以上的用地面積；該工藝平均污泥負荷為0.07 kg BOD5/(kg MLSS·d)，污泥齡為20 d，可滿足市政污水一級A排放標準。