日照市某地下式污水處理廠設(shè)計

高宗仁，孫 騰

(1.山東省城建設(shè)計院，山東濟南 250021；2.日照市水務(wù)集團污水處理有限公司，山東日照 276800)

日照市根據(jù)規(guī)劃區(qū)內(nèi)主要河道流向及地形情況，將主城區(qū)劃分為4個大、8個小的污水流域片區(qū)(圖1)。其中，日照市第二污水處理廠主要服務(wù)于Ⅱ-C區(qū)，設(shè)計規(guī)模為6萬m3/d，已滿負荷運行，但該片區(qū)規(guī)劃污水量將達到7萬m3/d，已有部分污水未經(jīng)有效處理而溢流排入河道，對水體環(huán)境造成了一定污染。根據(jù)崮河流域污染綜合整治要求，Ⅱ-C區(qū)須新增處理量為1萬m3/d的污水處理設(shè)施。由于日照市第二污水處理廠受制于土地已無法擴建，必須在該區(qū)域重新選址建設(shè)一座污水處理廠。

圖1 日照市污水分區(qū)和廈門路污水處理廠服務(wù)范圍Fig.1 Rizhao Wastewater Zoning and Service Scope of Xiamen Road WWTP

日照市為著名的海濱旅游城市，對生態(tài)環(huán)境及旅游環(huán)境有著很高的要求，新建污水處理廠選址非常困難。經(jīng)過現(xiàn)場多次踏勘并與規(guī)劃部門反復(fù)溝通，擬選定郭家湖子河以西、包頭路以北的三角形地塊作為污水處理廠廠址，但是該廠址周邊為規(guī)劃居住、辦公用地，對環(huán)境的要求非常高。為盡量減少污水處理廠對周邊的影響，規(guī)劃部門提出應(yīng)建設(shè)地下式污水處理廠。

至“十三五”末期，我國地下式污水處理廠數(shù)量已增至80座，處理水量超700萬m3/d，地下式污水處理廠主要工藝為“AAO+MBR”和“AAO+二沉池+混凝沉淀+過濾”兩種，應(yīng)用均已非常成熟和廣泛。國內(nèi)代表性的案例包括：(1)廣州京溪地下式污水處理廠為我國首座采用MBR的地下式污水處理廠，采用地埋式布置，規(guī)模為10萬m3/d，總投資為5.8億元，采用“預(yù)處理+MBR”工藝，出水執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)；(2)濟南市華山地下式水質(zhì)凈化廠，規(guī)模為3萬m3/d，總投資約為1.6億元，占地面積為2.57×103m2，該項目采用“預(yù)處理+AAO+MBR膜+紫外線消毒”污水處理工藝，設(shè)計出水執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)，該項目確保了地上空間的有效利用，符合華山片區(qū)打造5A級景區(qū)的高端定位；(3)臨沂市青龍河地下式污水處理廠，規(guī)模為3萬m3/d，投資為1.8億元，占地面積為1.437×104m2，項目采用了“預(yù)處理+AAO+二沉池+高效沉淀池+轉(zhuǎn)盤濾池”污水處理工藝，設(shè)計出水執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)，該污水處理廠地下式布置解決了緊靠居民區(qū)的環(huán)境敏感和用地緊張的問題。

地下式污水處理廠具有土地集約、環(huán)境友好、資源利用等特點，可有效釋放地面空間，解決鄰避問題，實現(xiàn)污水資源化，較傳統(tǒng)污水處理廠具有明顯的社會、經(jīng)濟和環(huán)境優(yōu)勢。但地下式污水處理廠也存在一些問題，如投資是常規(guī)地面式污水處理廠的1.5～2.0倍，有一定的洪澇風(fēng)險，消防、通風(fēng)的要求比地面污水處理廠高得多。

參考國內(nèi)多座污水處理廠的經(jīng)驗，根據(jù)現(xiàn)場條件、項目特性，該污水處理廠采用單層加蓋+地下式綜合車間的方案。

1 工程概況

日照市廈門路污水處理廠設(shè)計規(guī)模為1萬m3/d，處理工藝為“預(yù)處理+改良AAO池+二沉池+高效沉淀池+纖維轉(zhuǎn)盤濾池+紫外消毒”，采用單層加蓋的地下式布置形式，實際占地面積為810 m2，工程投資為4 000萬元。設(shè)計進水水質(zhì)和出水水質(zhì)如表1所示。

表1 設(shè)計進出水水質(zhì)Tab.1 Designed Quality of Influent and Effluent

2 地下式形式選擇及平面布局

2.1 地下式形式選擇

目前，地下式污水處理廠經(jīng)常采用3種形式[1]，包括全地下式布局(單層加蓋)、全地下式布局(雙層加蓋)和半地下式布局(雙層加蓋)，每種形式優(yōu)缺點比較如表2所示。

表2 地下式污水處理廠3種形式對比Tab.2 Comparison of Three Forms of Underground WWTPs

日照市廈門路污水處理廠的特點是：(1)處理規(guī)模較小，為1萬m3/d；(2)廠址緊靠河道，地下水位偏高，為地下1.0 m；(3)場地為不規(guī)則三角形狀，利用難度大。

如采用全地下式布局(單層加蓋)，雖然投資較節(jié)省，但部分附屬設(shè)施建于地上會影響廠區(qū)景觀，占地面積較大；如采用全地下式布局(雙層加蓋)，地下埋深將達到12.0 m，抗浮及施工難度大，雖然規(guī)模小但仍要建設(shè)完善的消防、通風(fēng)、通道等設(shè)施，噸水投資高的問題突出；如果采用半地下式布局(雙層加蓋)，上部會形成大的工業(yè)廠房，影響區(qū)域的整體環(huán)境，投資也相對較高。

結(jié)合周邊景觀要求、工程造價、維護管理和施工難度等問題進行綜合考慮[2]，該工程選用全地下式布局(單層加蓋)的形式，同時將地上的附屬設(shè)施(鼓風(fēng)設(shè)施、加藥設(shè)施、污泥脫水設(shè)施)合并為一座地下式綜合車間，廠區(qū)除辦公樓、景觀水池和巴氏計量槽外，其余生產(chǎn)及附屬設(shè)施均位于地下。該方案既節(jié)省了投資，又有較好的景觀效果。布置方案如圖2所示。

注：標(biāo)高單位為m圖2 地下布局方案Fig.2 Underground Layout Plan

2.2 平面布局

遵循因地制宜的原則，結(jié)合廠區(qū)地形及配套條件進行總平面布置。(1)辦公樓位于廠區(qū)的西北角，設(shè)為兩層，一層為配電室、化驗室和傳達室，二層為辦公用房。(2)二級處理構(gòu)筑物設(shè)置在廠區(qū)南部偏西處，為地下式帶蓋構(gòu)筑物，上蓋適當(dāng)位置設(shè)施檢修孔。(3)三級處理構(gòu)筑物和附屬設(shè)備設(shè)置在廠區(qū)中南部，為地下式車間，包括深度處理構(gòu)筑物、污泥處理構(gòu)筑物、預(yù)處理構(gòu)筑物和附屬設(shè)備等。

廠區(qū)人流入口設(shè)置在北部偏東處，靠近市政道路。地下車間南部設(shè)置物流入口，靠近南側(cè)市政道路。另外，地下車間設(shè)置2座單獨的疏散樓梯通向室外。平面布置如圖3所示。

注：標(biāo)高單位為m圖3 平面分析圖Fig.3 Plan Analysis Diagram

該布置方案功能分區(qū)明確，構(gòu)筑物布置緊湊，同時流程簡短、順暢，避免了管線迂回。廠區(qū)構(gòu)筑物頂部覆土1.0～1.5 m，上部進行綠化并鋪設(shè)便道，廠區(qū)綠化面積約為5 000 m2，綠化率為61.7%。

3 處理工藝選擇

3.1 主體工藝選擇

目前，我國的地下式污水處理廠約有80座，主要工藝為“AAO+MBR”和“AAO+二沉池+混凝沉淀+過濾”兩種，詳細的對比分析如表3所示。

表3 污水處理廠工藝對比Tab.3 Comparison of WWTPs Processes

方案一具有占地面積小、工藝流程簡單、投資適中但運行費用高的特點，方案二具有成熟穩(wěn)定、運行費用低但投資偏高、占地面積大的特點[3]。

通過日照市其他污水處理廠運行經(jīng)驗可知，污水水質(zhì)季節(jié)波動較大，冬季時部分海產(chǎn)品加工水進入污水處理廠導(dǎo)致進水TP、TN濃度偏高，采用MBR工藝并不合適。另外，該市大部分污水處理廠采用了“AAO+二沉池+混凝沉淀+過濾”工藝，從方便統(tǒng)一運營管理的角度考慮，業(yè)主傾向于采用方案二。

考慮到該項目為地下式污水處理廠，對沉淀和過濾形式進行了比選。

1)二沉池

通常情況下，地下式污水處理廠二沉池采用周進周出的矩形二沉池，配置底部鏈條式刮泥機，目的是取消池頂部的刮泥機活動桁架。該設(shè)備技術(shù)要求較高，多應(yīng)用進口或合資品牌。

廈門路污水處理廠規(guī)模較小，經(jīng)過計算，選用2座直徑為17 m的周進周出圓形二沉池可滿足要求，設(shè)備選用較為成熟的中心傳動單管式吸泥機，頂部亦無活動桁架。在滿足運行要求的前提下盡量節(jié)省投資。

2)深度處理混凝沉淀池

常規(guī)絮凝沉淀池管理維護麻煩，對水量、水質(zhì)變化的適應(yīng)能力較差，加藥量較大、能耗高。高效沉淀池分為快速混合、升流式絮凝和預(yù)沉濃縮3個區(qū)域，設(shè)置污泥回流系統(tǒng)，具有占地面積小、抗沖擊負荷能力強、節(jié)省能耗的特點。當(dāng)前污水處理廠出水對TP要求較高，該工程采用高效沉淀池[5]。

3)過濾方案

V型濾池和反硝化深床濾池應(yīng)用較多，但是需要分格較多，運行管理較為復(fù)雜。該項目工程規(guī)模較小，可在纖維轉(zhuǎn)盤過濾和連續(xù)砂過濾兩種方案中進行選擇。

連續(xù)砂濾池池深達到6.0～7.0 m，水頭損失一般為1.5～2.0 m，需配套氣提的空壓機系統(tǒng)，該工藝能耗較高，并不適用于地下式污水處理廠。纖維轉(zhuǎn)盤濾池通過轉(zhuǎn)盤的濾布進行過濾，水頭損失較小，為0.8 m，配套2臺較小的反洗泵進行分組清洗，不影響連續(xù)過濾，但纖維轉(zhuǎn)盤濾池抗沖擊負荷能力較差。從占地面積、能耗水平和水力流程銜接等方面綜合考慮，該項目選擇纖維轉(zhuǎn)盤過濾。

綜上，該項目工藝選用“AAO+二沉池+高效沉淀池+轉(zhuǎn)盤濾池”方案，且該工藝在臨沂市青龍河地下式污水處理廠已有成功應(yīng)用。

該工程建設(shè)項目總投資為4 000萬元，單位制水成本為1.38元/m3，單位制水經(jīng)營成本為0.94元/m3，投資及運行成本比常規(guī)污水處理廠略高，但比一般地下式污水處理廠低。

3.2 主體工藝設(shè)計參數(shù)

污水處理廠設(shè)計流量為416.67 m3/h，變化系數(shù)KZ=1.34(市政主干管收集污水量為7萬m3/d，所以變化系數(shù)按照7萬m3/d計算)。

1)改良AAO池

改良AAO池尺寸為44.1 m×36.9 m×6.2 m，共有4個功能區(qū)，分別為預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)。池子1座2格，池頂覆土1.0～1.5 m，上部綠化并鋪設(shè)便道，適當(dāng)位置開設(shè)檢修孔。

① 預(yù)缺氧池

主要功能是微生物利用進水中的有機物去除回流污泥中的硝態(tài)氮，為聚磷菌提供更好的厭氧環(huán)境。厭氧池有效容積為336 m3，有效水深為5.6 m，停留時間為1.2 h，污泥回流比為20%，池內(nèi)設(shè)置2臺潛水?dāng)嚢杵鳎β蔔=2.5 kW。

② 厭氧池

主要功能是創(chuàng)造厭氧環(huán)境，充分釋放磷，為下一步除磷創(chuàng)造條件。厭氧池有效容積為380 m3，有效水深為5.6 m，停留時間為1.35 h，污泥回流比為100%，池內(nèi)設(shè)置2臺潛水?dāng)嚢杵鳎琋=2.5 kW。

③ 缺氧池

主要功能是抑制絲狀菌生長，防止污泥膨脹，完成反硝化脫氮。缺氧池有效容積為890 m3，有效水深為5.5 m，停留時間為3.5 h，池內(nèi)設(shè)置4臺攪拌器，N=4 kW。

④ 好氧池

主要功能是在好氧環(huán)境下，利用微生物降解BOD5及利用硝化反應(yīng)去除氨氮，同時生物除磷。好氧池有效容積為5 256 m3，有效水深為5.5 m，停留時間為12.6 h，污泥負荷為0.08 kg BOD5/(kg MLSS·d)，污泥質(zhì)量濃度MLSS為4 000 mg/L，污泥齡θ為30 d，污泥內(nèi)回流比為200%～300%。好氧池內(nèi)設(shè)內(nèi)回流泵2臺(PP泵，N=5.5 kW)，用于將好氧池的污泥回流到缺氧池。池內(nèi)設(shè)曝氣管668根，流量為 6～13 m3/(h·根)。

2)二次沉淀池

共有2座。每座沉淀池直徑D為17 m，高度為4.4 m，有效水深為4.0 m，有效容積為907 m3。沉淀池主要功能是泥水分離，污泥回流，將剩余污泥排至污泥濃縮池。沉淀池表面負荷為0.92 m3/(m2·h)，沉淀池內(nèi)設(shè)中心傳動全橋式刮吸泥機，L=17 m，N=2.2 kW。

3)高效沉淀池

尺寸為14.0 m×13.8 m×6.7 m，利用絮凝劑的絮凝作用進一步去除污水中細小的膠體、懸浮物和色度?；炷卧O(shè)置攪拌機和折板，沉淀段設(shè)置斜板，并設(shè)置底部刮吸泥機(N=1.5 kW)和污泥回流泵(N=5.5 kW)。沉淀池最大流量表面負荷為8.4 m3/(m2·h)。

4)轉(zhuǎn)盤濾池

尺寸為5.5 m×5.4 m×3.5 m，共設(shè)10個直徑為2.0 m的轉(zhuǎn)盤，單盤有效面積為5.7 m2。最大流量過濾速度為8.16 m/h，配置反洗泵2臺，每臺設(shè)備流量Q=30 m3/h，N=2.2 kW，揚程H=9 m。

5)污泥處理系統(tǒng)

設(shè)置2臺處理能力為5～10 m3/h的帶式濃縮脫水機，配套污泥螺桿泵、沖洗泵和空壓機等。每天產(chǎn)生含水率為80%的污泥7.5 t，外運至日照市污泥生物處理廠進一步處理。

6)污水源熱泵系統(tǒng)

污水源熱泵系統(tǒng)冬季提取污水的低位熱能為建筑物供暖，夏季用污水降低建筑物室內(nèi)溫度。水源為污水處理廠出水，冬季進水溫度最低為6 ℃，夏季進水溫度最高為35 ℃。制冷采暖服務(wù)對象為廠區(qū)綜合樓及西鄰辦公樓，總面積為3 100 m2。機組制冷量為144.0 kW，輸入功率為22.5 kW；制熱量為165.0 kW，輸入功率為32.4 kW。配置板換循環(huán)水泵2臺每臺Q=45 m3/h，H=16 m，N=4.0 kW；空調(diào)循環(huán)水泵2臺，每臺泵Q=40 m3/h，H=24 m，N=5.5 kW，另外還配置鈦板板式換熱器、旋流除砂器和臥式除污器等。

3.3 其他方面

(1)總進水管設(shè)置電動閘門和速閉式閘門，可確保突然停電或其他事故時停止進水，以免對地下車間造成影響。

(2)采用污水源熱泵系統(tǒng)進行采暖和制冷，可充分利用污水處理廠水源溫度，節(jié)約能耗。

(3)地下綜合車間布置了室內(nèi)消火栓系統(tǒng)和自噴式滅火系統(tǒng)，消火栓接口滿足規(guī)范要求。通風(fēng)系統(tǒng)采用自然通風(fēng)和機械通風(fēng)相結(jié)合的方式，頂部設(shè)有通風(fēng)管，車間內(nèi)設(shè)有14臺軸流通風(fēng)機，單臺風(fēng)量為9 133 m3/h，換風(fēng)次數(shù)為12次/h。

(4)通過合理布局，采用主體構(gòu)筑物單層加蓋+綜合車間合建方案，將箱體開挖深度從12.0 m降至7.0 m，降低施工難度、節(jié)省投資。

4 運行情況及效果分析

4.1 實際運行出水水質(zhì)

廈門路污水處理廠已建成滿負荷運行，近一年進、出水水質(zhì)如圖4所示。

圖4 污水處理廠水質(zhì)變化Fig.4 Changes of Water Quality of WWTP

污水處理廠出水CODCr質(zhì)量濃度為19.1～29.4 mg/L，BOD5質(zhì)量濃度為4.0～8.1 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度為0.2～2.3 mg/L，TP質(zhì)量濃度為0.08～0.18 mg/L，TN質(zhì)量濃度為5.2～11.4 mg/L，SS質(zhì)量濃度為5～7 mg/L。出水水質(zhì)均優(yōu)于一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)達到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。實踐證明，“AAO+二沉池+混凝沉淀+過濾”方案用于小型地下式污水處理廠中穩(wěn)定有效。該項目對預(yù)處理、厭氧池和污泥脫水系統(tǒng)產(chǎn)生的臭氣進行處理，經(jīng)過第三方檢測，廠界臭氣濃度、氨、硫化氫和甲烷指標(biāo)均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)中表5廠界廢氣排放最高允許排放濃度的要求，通過了環(huán)保驗收。該工程較好地解決了片區(qū)污水污染問題，出水排入郭家湖子河作為景觀補充水，環(huán)境效益顯著。

4.2 環(huán)境效益

對污水處理廠地面除辦公樓、巡檢通道、檢修口外的區(qū)域均進行了綠化，廠區(qū)綠化率可達到61.7%，地面環(huán)境效果好，既不會對自然景觀產(chǎn)生影響，也不會影響周邊建筑的整體視覺效果。鼓風(fēng)機等設(shè)備布置于地下綜合車間，有效防止了噪音對周邊的影響。構(gòu)筑物位于地下且對敏感構(gòu)筑物進行臭氣處理，避免了對周邊居民區(qū)和辦公區(qū)產(chǎn)生影響。

由于傳統(tǒng)污水處理廠存在一定的臭氣、噪聲和感官影響等問題，通常情況下需要設(shè)置50.0～100.0 m的衛(wèi)生防護距離，但仍然會導(dǎo)致周邊土地的貶值。土地資源越來越稀缺，污水處理廠的選址也變得越來越困難[6]。通過地下式污水處理廠的形式，一方面節(jié)約了土地，另一方面最大程度上降低了對周邊環(huán)境的影響。廈門路污水處理廠西北側(cè)約100.0 m處即為2座商務(wù)辦公樓，南側(cè)和西側(cè)為汽車交易服務(wù)中心，均沒有受到污水處理廠的影響?？梢?，污水處理廠地下式布置可有效保障周邊土地功能的正常使用。

4.3 用地面積

廈門路污水處理廠占地面積為810 m2，單位占地面積為0.81 m2/(m3·d-1)，遠小于《城市污水處理工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(建標(biāo)198—2022)的1.95 m2/(m3·d-1)限值和《山東省建設(shè)用地控制標(biāo)準(zhǔn)》(2019年)的1.75 m2/(m3·d-1)限值?？梢娫摰叵率轿鬯幚韽S占地面積約為標(biāo)準(zhǔn)限值的50%，且征地費用節(jié)約了500萬元。規(guī)模越大，地下式污水處理廠占地小的優(yōu)勢更加明顯。

4.4 資源利用和節(jié)能

該廠采用了污水源熱泵系統(tǒng)，每個采暖制冷季可回收熱量6.3×1010J。處理后再生水回用于廠區(qū)及周邊的綠化、景觀、道路澆灑，每年可節(jié)約新鮮用水量為18 000 m3。采用磁懸浮鼓風(fēng)機和用于精確曝氣的控制系統(tǒng)，根據(jù)水質(zhì)情況調(diào)節(jié)曝氣量，風(fēng)機節(jié)約用電可達到10%以上。

4.5 與同類型項目的對比

與同類型污水處理廠的對比如表4所示。

表4 與同類型污水處理廠對比Tab.4 Comparison with Similar WWTPs

與同類型項目對照，日照市廈門路污水處理廠在工程投資、施工和運營等方面具有較大的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

(1)針對日照市廈門路周邊環(huán)境的要求，污水處理廠采用了全地下式(單層加蓋)+地下式綜合車間的布局，有較好的景觀效果，基本沒有對周邊土地的使用形成影響。(2)根據(jù)現(xiàn)場條件、項目特性優(yōu)化布局，占地為810 m2，僅為用地標(biāo)準(zhǔn)限值的50%，征地費節(jié)約了500萬元，主體構(gòu)筑物地下開挖深度為7.0 m，降低了施工難度和投資。(3)污水主要處理構(gòu)筑物采用單層加蓋式布置，設(shè)備綜合車間與污水構(gòu)筑物布置在不同區(qū)域，減少了臭氣對操作環(huán)境的影響，僅需對預(yù)處理、污泥系統(tǒng)、厭氧池單獨進行臭氣的收集和處理。(4)進行資源回收和利用，采用污水源熱泵技術(shù)用于辦公區(qū)制冷和采暖，每個采暖制冷季可回收熱量為6.3×1010J。處理后再生水回用于廠區(qū)及周邊的綠化、景觀、道路澆灑，每年可節(jié)約自來水用量為18 000 m3。注重低碳節(jié)能理念，采用了磁懸浮鼓風(fēng)機和用于精確曝氣的控制系統(tǒng)，根據(jù)水質(zhì)情況調(diào)節(jié)，風(fēng)機節(jié)約用電可達到10%以上。(5)在中心城區(qū)建設(shè)分散式地下式污水處理廠，因地制宜地進行整體布局、工藝選型，投資、運行成本和環(huán)境效益等方面可行。該工程案例對類似條件的污水處理廠設(shè)計有一定的借鑒意義。