全地下式市政污水處理廠的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究

吳明素

(中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司貴州分公司，貴陽 550000)

1 引言

污水處理廠是城市水環(huán)境、自然環(huán)境治理的重要工具，對維護(hù)社會發(fā)展中的生態(tài)效益意義重大。全地下式污水處理廠是利用地下空間開發(fā)建設(shè)污水處理廠，在節(jié)約土地資源的基礎(chǔ)上治理各類工業(yè)廢水、生活污水。相較于普通污水處理廠，全地下式污水處理廠的建設(shè)尚處于探索階段，需要持續(xù)地優(yōu)化廠區(qū)的整體設(shè)計(jì)，規(guī)范地下污水處理廠的運(yùn)營管理。

2 全地下式市政污水處理廠建設(shè)項(xiàng)目概況

某全地下式市政污水處理廠建設(shè)項(xiàng)目，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)水量為10萬m3/d，近期設(shè)計(jì)水量為5萬m3/d，污水處理的工藝為改良AAO+懸浮填料，水質(zhì)滿足該地區(qū)的排放條件后可排放到指定位置，污水處理所剩的淤泥同樣需要運(yùn)到指定位置集中處理。該污水處理廠的整體結(jié)構(gòu)為全地下式，紅線范圍面積為103 333.33 m2，一期地下基坑實(shí)際占地面積為20 066.67 m2，項(xiàng)目總投資為59 159.89萬元。具體進(jìn)出水質(zhì)指標(biāo)、可去除的污染物，如表1所示。

表1 水質(zhì)及可去除污染物的各項(xiàng)指標(biāo)

3 全地下式污水處理廠的基本特點(diǎn)

全地下式污水處理廠與傳統(tǒng)污水處理廠會存在較多差異，具體體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、消防設(shè)計(jì)、日常管理、防洪防澇等方面[1]。不同于其他類污水處理廠，全地下式污水處理廠具有占地面積小、保溫性能強(qiáng)、降噪效果好、密閉性高等特點(diǎn)，并且能夠與周圍自然環(huán)境相互平衡、相互協(xié)調(diào)，有效地利用周邊土地資源，抑制污水處理過程中的惡臭。但由于全地下式污水處理廠位置的特殊性，廠區(qū)結(jié)構(gòu)埋深大，設(shè)計(jì)難度增加，建設(shè)地下污水處理廠時(shí)的抗浮要求高、箱體滲漏率大，并且全地下式污水處理廠建成后，后期巡檢、設(shè)備維修較為復(fù)雜，對供配電設(shè)備、照明系統(tǒng)的要求較高。因此，在開發(fā)建設(shè)全地下式市政污水處理廠時(shí)，還應(yīng)優(yōu)化廠區(qū)的整體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)⒏黝愇鬯幚砉に嚨那逦坌Чl(fā)揮到最大，保證污水處理廠的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

4 全地下式市政污水處理廠的整體設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對于全地下式的市政污水處理廠，其在建設(shè)中需要嚴(yán)格地遵守市政工程的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，更合理地設(shè)計(jì)污水處理廠。比如，某城鎮(zhèn)污水處理廠設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合當(dāng)?shù)匚鬯幚硪?guī)定，處理當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活所形成的90%的污水。但由于污水處理廠整體規(guī)模有限，所以在廠區(qū)設(shè)計(jì)、設(shè)備選用時(shí)還應(yīng)設(shè)計(jì)能夠支持先進(jìn)污水處理工藝的功能區(qū)域，引進(jìn)創(chuàng)新性更強(qiáng)的污水處理裝置。

除此之外，設(shè)計(jì)全地下式污水處理廠時(shí)，還應(yīng)提前勘察污水處理廠位置，了解其地質(zhì)信息、地下土層結(jié)構(gòu)，然后整體規(guī)劃地下空間內(nèi)的建筑物。合理利用地下空間的過程中，還應(yīng)注意提高功能區(qū)域的安全性能，做好消防設(shè)計(jì)、防淹設(shè)計(jì)、防爆設(shè)計(jì)、防火設(shè)計(jì)等工作。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)基于全地下式市政污水處理廠的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益目標(biāo)，增設(shè)先進(jìn)污水處理裝置、處理工藝，以此在節(jié)約污水處理廠能耗的前提下，提升其污水處理效率。

4.2 整體設(shè)計(jì)

4.2.1 廠區(qū)設(shè)計(jì)

全地下式污水處理廠是地下污水處理廠的一種建設(shè)形式。在上述市政全地下式污水處理廠項(xiàng)目中，地下建筑物分為2層，一層為污水處理供配電系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、防淹裝置、基礎(chǔ)操作層；一層為污水處理、凈化、排放區(qū)域。該污水處理廠共設(shè)有2個(gè)出口，可滿足地下污水處理廠運(yùn)行期間的貨物運(yùn)輸、污水引進(jìn)、設(shè)備運(yùn)輸、建筑物消防、污水排放、污泥運(yùn)輸?shù)确矫娴南嚓P(guān)要求。負(fù)二層、負(fù)一層均設(shè)有消防疏散通道，可以在出現(xiàn)緊急情況后讓廠內(nèi)人員快速地抵達(dá)地面。此外，為提升地下空間利用率，全地下式市政污水處理廠采用模塊化設(shè)計(jì)，將地下空間分為污水預(yù)處理、污水生化處理、污水綜合處理車間等區(qū)域，可對污水處理所需的設(shè)施進(jìn)行集約化、自動(dòng)化管理，整體運(yùn)行設(shè)計(jì)滿足廠區(qū)管理要求。

4.2.2 工藝流程設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目預(yù)處理工藝采用粗格柵+中格柵+細(xì)格柵+曝氣沉砂池；污水生化處理采用改良AAO+懸浮填料工藝；二沉池采用周進(jìn)周出矩形沉淀池；污水深度處理采用高效沉淀池工藝+臭氧接觸氧化工藝+多介質(zhì)流化過濾器工藝；污泥處理采用一體化離心式濃縮脫水機(jī)+污泥低溫除濕干化；消毒工藝采用紫外線消毒+次氯酸鈉輔助消毒，廠區(qū)除臭采用高效生物除臭技術(shù)和離子除臭。

4.2.3 主體工程設(shè)計(jì)

1）粗格柵、中格柵與污水提升泵。根據(jù)全地下式市政污水處理廠的污水處理范圍，確定引水的主干管可從廠外布設(shè)，由處理區(qū)域直接將污水轉(zhuǎn)移到污水處理廠的存水區(qū)域。但是為避免出現(xiàn)廠區(qū)塌陷、被淹風(fēng)險(xiǎn)，保證污水處理廠的安全性，還應(yīng)利用閘井控制水流量。在此過程中，粗格柵、細(xì)格柵的進(jìn)水能力應(yīng)以遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)水量為10萬m3/d為準(zhǔn)，同時(shí)在進(jìn)水泵前設(shè)計(jì)移動(dòng)式除污設(shè)備、集水池，粗格柵間隙約為50 mm，中格柵間隙約為20 mm。集水池內(nèi)部應(yīng)布設(shè)變頻潛污泵，其中，進(jìn)水提升大泵規(guī)格型號為流量Q=1 050 m3/h，揚(yáng)程H=33 m，功率N=145 k W，3臺，2用1備，進(jìn)水提升小泵：規(guī)格型號為Q=800 m3/h，H=33 m，N=110 kW，1臺。

2）布設(shè)細(xì)格柵。全地下式市政污水處理廠的細(xì)格柵根據(jù)廠區(qū)的污水處理需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)水量10萬m3/d、近期設(shè)計(jì)水量為5萬m3/d的全地下式污水處理廠，布設(shè)細(xì)格柵時(shí)，應(yīng)使用階梯式網(wǎng)板格柵，細(xì)格柵渠道寬度為1.5 m，格柵空隙直徑為3 mm，細(xì)格柵污水處理機(jī)的實(shí)際功率為2.25 kW，機(jī)器運(yùn)行期間配置污水高壓沖刷設(shè)備[2]。

3）曝氣沉砂池。設(shè)計(jì)1座2格的曝氣沉砂池，污水處理過程中池內(nèi)的曝氣量為0.2 m3/min，其水力停留時(shí)間為8 min。此外，曝氣沉砂池中間應(yīng)用超越渠道隔開，渠寬3.5 m，并設(shè)有1～2座吸砂橋，砂水分離器、吸砂泵。

4）AAO系統(tǒng)。AAO系統(tǒng)具體指AAO生化池，其設(shè)計(jì)參數(shù)主要集中在好氧池污泥濃度管理、回流模式、水力停留時(shí)間、污泥齡及氣水比等方面。對于市政污水處理廠建設(shè)項(xiàng)目而言，其污水處理中的脫氮要求高，所以在設(shè)計(jì)污水處理過程中的水力停留時(shí)間時(shí)，設(shè)計(jì)值為19 h，預(yù)缺氧池、厭氧池、缺氧池、好氧池分別為0.5 h、1.0 h、4 h、13.5 h。AAO系統(tǒng)的氣水比則需根據(jù)地下污水處理廠運(yùn)行期間的供氣量進(jìn)行計(jì)算。本項(xiàng)目采用微孔鼓風(fēng)曝氣充氧，所需總供風(fēng)量為312.5 m3/min（氣水比9∶1），空氣管道采用不銹鋼管。

5）二沉池及高效沉淀池。本項(xiàng)目二沉池采用周進(jìn)周出矩形沉淀池，池內(nèi)設(shè)有3組，設(shè)計(jì)水深為4.5 m，引水后池內(nèi)表面負(fù)荷為1.51 m3/（m2·h），回流污泥濃度為XS=8.0 g/L。

高效沉淀池由機(jī)械混合池、機(jī)械反應(yīng)池、斜管沉淀池組成。集混合、反應(yīng)、沉淀功能于一體，具有去除COD、SS、磷等作用。高效沉淀池內(nèi)可分出3個(gè)主要的區(qū)域：（1）混合區(qū)。安裝有快速攪拌器，投入堿式氯化鋁（PAC），使藥劑與污水充分混合后，流入絮凝區(qū)，混合池的混合時(shí)間為2.09 min。（2）絮凝區(qū)。安裝慢速攪拌器，投入絮凝劑（PAM），形成個(gè)體較大且易于沉淀的絮凝體，絮凝池的反應(yīng)時(shí)間為10.65 min。（3）沉淀區(qū)。斜管安裝區(qū)，池面設(shè)出水堰，沉淀區(qū)下部是濃縮區(qū)，安裝有濃縮刮泥機(jī)，將沉淀下來的污泥刮至池底中部，排出池外，沉淀段的表面負(fù)荷為10.75 m3/（m2·h），沉淀池清水區(qū)高度為1.0 m。

6）防淹設(shè)計(jì)、安全設(shè)計(jì)。對于全地下式污水處理廠，其在運(yùn)行時(shí)容易面臨水淹風(fēng)險(xiǎn)，所以設(shè)計(jì)廠區(qū)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)防淹設(shè)計(jì)。具體需注意以下3方面：（1）科學(xué)選址。合理設(shè)計(jì)污水處理廠的標(biāo)高，設(shè)計(jì)污水進(jìn)出口時(shí)應(yīng)在上、下坡口布設(shè)駝峰、雨水溝，使污水經(jīng)此流入污水處理箱體。（2）為確保污水處理廠的污水處理箱體的安全性，還應(yīng)布設(shè)備用發(fā)電機(jī)，從而在箱體停電時(shí)及時(shí)利用備用發(fā)電機(jī)維持箱體的基本運(yùn)轉(zhuǎn)，使污水能夠順利被處理。（3）污水處理廠周圍應(yīng)設(shè)置維護(hù)設(shè)施，如實(shí)體圍墻，并將砂帶分別布設(shè)在污水進(jìn)出口位置，以此增強(qiáng)污水處理廠的防洪能力，改善其安全性能。

4.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著各類信息技術(shù)的發(fā)展，污水處理廠管理控制不再局限于人工管理，自動(dòng)化控制技術(shù)被應(yīng)用在污水處理廠的控制體系內(nèi)。因此，在建設(shè)全地下式污水處理廠設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)基于自動(dòng)化控制技術(shù)優(yōu)化廠區(qū)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在PLC節(jié)能控制技術(shù)支持下，全地下式污水處理廠可自動(dòng)化控制污水處理過程中的各個(gè)設(shè)備，同時(shí)采集污水處理中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，靈活設(shè)置污水處理裝置的各項(xiàng)參數(shù)。

在上述全地下式市政污水處理廠的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括控制柜就地控制、PLC控制站控制、中央監(jiān)控室控制管理3大板塊。對于位置較為特殊的地下污水處理廠，因內(nèi)部環(huán)境較為復(fù)雜，所以設(shè)計(jì)自控系統(tǒng)時(shí)應(yīng)增設(shè)人員定位、環(huán)境監(jiān)測、無人巡檢等功能。為控制系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，PLC技術(shù)的結(jié)構(gòu)為CPU模塊，其在系統(tǒng)出現(xiàn)故障后可支持系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。

除此之外，地下污水處理廠內(nèi)的空氣問題嚴(yán)重，空氣中流通著大量的腐蝕性氣體，在布設(shè)儀表箱、PLC電路板、其他自控設(shè)備時(shí)應(yīng)涂刷防腐蝕涂層。同時(shí)，在進(jìn)口水箱、生化池蓋板以及氣體可能存在積水現(xiàn)象的區(qū)域安裝自動(dòng)化的氣體、液體監(jiān)測儀表，實(shí)時(shí)監(jiān)控該區(qū)域水流量以及氣體的變化，如氣體中二氧化碳濃度、空氣濕度等[3]。污水處理中需要添加氯氣時(shí)，可布設(shè)專用的氯氣檢測儀在線監(jiān)測氯化物，并由PLC系統(tǒng)的傳感裝置將其移動(dòng)到PLC控制總站。若發(fā)現(xiàn)某一氣體濃度超出標(biāo)準(zhǔn)值，系統(tǒng)可自動(dòng)報(bào)警并及時(shí)啟動(dòng)通風(fēng)換氣裝置，快速地將有害氣體轉(zhuǎn)移、排出，以此確保污水處理廠內(nèi)部環(huán)境的安全性。

4.4 全地下式市政污水處理廠的具體應(yīng)用

4.4.1 污水處理

全地下式市政污水處理廠在具體應(yīng)用時(shí)，其污水處理環(huán)節(jié)包括預(yù)處理、生化處理、沉淀等環(huán)節(jié)。具體包括以下3方面：（1）通過初次的沉淀污水，清理污水中的部分有機(jī)物，使污水中固體懸浮物濃度下降，然后通過生物處理，二次凈化污水。生物處理期間，全地下式污水處理廠可利用AAO生化池處理污水。在此過程中，相關(guān)人員需嚴(yán)格地控制生化池污水流入點(diǎn)、回流點(diǎn)的水流量。（2）使用沉淀池、過濾床處理污水，處理完畢后利用自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，測量水質(zhì)，分析水質(zhì)中的各項(xiàng)指標(biāo)是否符合預(yù)期要求。（3）確定水質(zhì)中的各項(xiàng)指標(biāo)符合排放標(biāo)準(zhǔn)后，還應(yīng)再次對水質(zhì)進(jìn)行紫外線消毒，最后清潔水質(zhì)。

4.4.2 污泥處理

污泥處理環(huán)節(jié)中，全地下式污水處理廠會通過一體化離心式濃縮脫水機(jī)+污泥低溫除濕干化的方式處理污泥。處理過程中污泥內(nèi)部的水分會持續(xù)下降，低至50%以內(nèi)，隨后處理污泥中的臭氣，使污泥排放符合地區(qū)環(huán)境保護(hù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。此外，全地下式市政污水處理廠的應(yīng)用同樣有利于提升地下空間利用率，節(jié)約土地資源，構(gòu)建節(jié)能型的地下污水處理廠區(qū)。

5 結(jié)語

綜上所述，為節(jié)約土地資源，控制污水處理廠區(qū)對環(huán)境的不利影響，應(yīng)積極建設(shè)全地下式的污水處理廠。該類污水處理廠處于地下，可減少土地資源使用量，但是為保證污水處理的整體效果，應(yīng)設(shè)計(jì)出高標(biāo)準(zhǔn)、安全性強(qiáng)且具有一定節(jié)能性的污水處理廠，使其在城市化發(fā)展中能夠高效處理城鎮(zhèn)污水，凈化水資源，保護(hù)水環(huán)境，推進(jìn)我國生態(tài)文明建設(shè)。