全地下式處理設施與溢流污染控制的設計與運行

夏加華

(南京江北新區公用控股集團有限公司，江蘇南京 210044)

自黨的十八大以來，我國堅持“五位一體”總體布局，生態文明建設步入快車道。2015年4月，中央發布《水污染防治行動計劃》(簡稱“水十條”)，提出到2020年我國七大重點流域水質優良比例達到70%以上，地級及以上城市建成區黑臭水體均控制在10%以內[1]，為我國“十三五”期間水環境治理指明方向。“十三五”期間國家相繼發布《長江保護修復攻堅戰行動計劃》《中華人民共和國長江保護法》等多項文件法規，凸顯了長江作為中華民族母親河的重要地位，以及長江全流域水環境治理的決心。

隨著國內水環境治理工作和研究的不斷深入，溢流污染和初期雨水污染控制在各大城市越來越得到重視[2-3]。以上海為例，《中心城雨水調蓄池選址專項規劃》擬建設200座雨水調蓄池，同時，擴建末端污水處理廠規模。江蘇省自“十三五”開始污水處理提質增效工作。隨著雨污分流不斷推進，合流制區域在城區內基本以點狀分布，與超大型城市相比，分散調蓄和就地處理具有節省投資、高效和尾水就地回用等顯著優勢。

南京江北新區地處長江下游，是全國第13個國家級新區，規劃面積為788 km2，新區建設堅持生態優先、綠色發展的理念。馬汊河是新區區域內一條重要河道，末端直接匯入長江。葛塘河位于馬汊河中游位置，全長2.7 km。其中，蓋板溝長度占比約50%，由于歷史原因，存在污水排入蓋板溝進而進入下游河道現象。為能短期內實現水環境改善的目的，于2019年啟動葛塘河凈水站建設，對污水進行處理，同時以空間換取時間，為下一步片區提質增效創造條件。

1 建設規模和形式

1.1 建設規模

葛塘河排水片區面積為5.32 km2，根據現狀排水管網，片區內共分為8個匯水分區，規劃建設3座調蓄池和2座凈水站。其中，葛塘河凈水站服務范圍為1.63 km2，經人均綜合用水指標法和分類用地用水指標法測算，至2025年污水量為1.16萬m3/d。因此，確定凈水站污水處理規模為1.20萬m3/d。

根據《南京市海綿城市專項規劃》，典型流域的面源污染削減率達到50%的控制要求時，初期雨水棄流量約為5 mm，一般區域按面積加權估算的徑流系數在0.5～0.8。因此，計算確定葛塘河凈水站處的調蓄池設計規模為5 000 m3。調蓄池近期用于收集降雨期間的混合雨污水，雨污分流完善后，遠期用于收集初期雨水。

1.2 建設形式

葛塘河凈水站與調蓄池合建，為充分利用公共空間，同時考慮合建一座小型地下停車場。由于選址位于一處廣場下方，為不影響原廣場的地上使用功能，考慮凈水站采用全地下式。通常，全地下式污水處理廠分為雙層加蓋和單層加蓋，由于該凈水站規模較小，綜合投資、周邊環境等因素，選取單層加蓋建設形式。

2 設計水質與處理工藝

2.1 設計進出水水質

葛塘河凈水站附近現有一座市政污水處理廠，經對該市政污水處理廠原設計進水水質和近3年實際進水水質進行統計分析，最終確定凈水站設計進水水質，如表1所示。

根據目前國家對污水處理廠出水水質的統一要求，參考南京市江北新區目前排放標準考核要求，確定本項目設計出水水質采用《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。

表1 進水水質統計分析Tab.1 Statistical Analysis of Influent Quality

2.2 工程難點

經對進出水水質統計分析和建設條件分析，本項目設計和實施主要有以下3個工程難點。

(1)用地緊張，布局緊湊：本工程合建凈水站、調蓄池和停車場，選址用地面積僅為6 100 m2(含進出通道)，需采用節地型工藝。

(2)兼顧地上地下功能需求：地下設施需滿足污水處理達標排放，并需考慮人員、物料、設備進出通道問題，地上在建設后需恢復公共空間功能。

(3)兼顧旱天和雨天處理運行需求：工程設計對旱天和雨天兩種工況的水量和水質進行校核，確保出水水質達標。

2.3 主體工藝方案選擇

活性污泥法在大型污水處理廠有較多的應用，根據國家住房和城鄉建設部的統計數據，截至2010年，在已投入運行的2 739座城市污水處理廠中，10萬m3/d 規模以上的污水處理廠有190座，而其中的40%采用了AAO或AO工藝。故本次將AAO工藝作為比選工藝之一。改良式序列間歇反應器(MSBR)工藝由于較小的占地面積，在市政污水處理中也有較多的應用實例，也可以達到穩定的出水效果，且在江蘇地區也有應用。故也作為比選方案之一。而近年來膜生物反應器(MBR)工藝也廣泛用于污水廠的處理中，將MBR工藝作為AAO工藝后端的超濾設施，可以大大提高AAO系統的污泥濃度，減少整個生化系統的體積，從而大幅度減少占地。本工程中污水廠采用地下式的布置方式，而AAO + MBR工藝可實現集約化的布置，節省用地，故本工程也將AAO + MBR工藝作為比選工藝。具體方案優缺點比較如表2所示。

表2 方案優缺點比較Tab.2 Comparison of Advantages and Disadvantages of the Schemes

由表2可知，AAO + MBR工藝由于膜的維護和更換，雖然運行成本高于另外兩個方案，但其處理效果較好，占地面積小，具有較強的適應性和靈活性。此外，其節能減排的效果要遠高于其他工藝。朱園園等[4]在AAO+MBR工藝在大型地下式污水處理廠中的應用中發現：AAO+MBR工藝能夠穩定實現CODCr、TN、氨氮、TP、SS的去除，出水優于GB 18918—2002一級A的標準要求，且MBR運行穩定。綜合考慮到行業發展趨勢、用地條件、節能減排及項目投資等方面，本工程采用AAO+MBR工藝。

2.4 工藝方案確定

葛塘河凈水站存在旱天和雨天兩種運行工況，旱天時生活污水直接進入污水處理單元，調蓄池空置；雨天時混合雨污水一邊進入污水處理單元，一邊進入調蓄池儲存，調蓄池儲滿后雨水溢流，并在雨后緩慢將調蓄水送至污水處理單元處理。雨天時進水濃度降低，污水處理單元進水流量可短時適當增加，最大流量按增加50%考慮，進水量由進水泵房控制并設置3臺變頻潛水離心泵。

進水預處理設置4處格柵。其中，前置50 mm粗格柵設置于總進水端共用，調蓄池進水泵房前設置20 mm粗格柵，凈水站進水泵房后設置5 mm細格柵和1 mm精細格柵，以保障后續水處理設備和膜過濾正常運行，格柵配備按照雨天最大流量考慮。曝氣沉砂池設置于細格柵和精細格柵之間，旱天停留時間為7.5 min，雨天停留時間為5.0 min。

二級處理采用AAO + MBR工藝。經比選，該工藝尤其適用于小規模、用地緊湊的污水處理中[5]。其中，膜分離較常規平流二沉池節地約50%，同時由于膜池污泥富集濃度高，通過污泥回流可使生物反應池內平均污泥濃度較常規活性污泥法高約60%[6]，具有明顯的節地優勢。二級處理總體設置1次污泥回流和2次內回流，出水水質相對穩定。

尾水消毒采用紫外線消毒工藝，設備選用管道式，與MBR產水泵銜接；污泥處理采用疊螺式污泥脫水機脫水至80%含水率，外運處置；除臭土壤濾池采用生物除臭工藝，臭氣經管道收集后送至地面土壤濾池，結合地面綠化設置。總體工藝流程如圖1所示。

圖1 凈水站工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of WWTP

3 工程設計

3.1 平面設計

根據進出水位置和用地條件，凈水站將污水處理設施、調蓄池和地下停車場合建，具體平面布置如圖2和圖3所示。其中，箱體最大尺寸為88.5 m×75.5 m。為便于地下建筑內設備和膜池產水泵區域操作與巡檢，箱體內長度方向上設置一條走廊，人員可通過樓梯間進入走廊，到達膜池和輔助用房區域。

圖2 凈水站下層平面布置圖Fig.2 Lower Floor Layout Plan of WWTP

圖3 凈水站上層平面布置圖Fig.3 Upper Floor Layout Plan of WWTP

由于該箱體采用單層全地下建設方式，部分設備、柵渣和污泥等需在地面設置檢修或進出通道。頂層地面洞口分為4類，包括不常開啟的設備檢修洞口、膜池區域覆面鋼格柵蓋板、地面風井和人員出入樓梯井。結合景觀公園綠化，地面上設置土壤除臭生物濾池1座。結合市民廣場功能需求，地面完全敞開。地下停車場設置28個停車位，單獨設置進出坡道。

3.2 豎向設計

市民廣場地面標高為10.7～11.0 m，箱體位于市民廣場下方，整體埋深為5.5 m左右；停車場、脫水機房、鼓風機房及變配電間等地下建筑地面標高為6.35 m，凈空高度約為4.5 m；預處理區頂標高為11.30 m，略高于廣場地面，箱體內設置該區域操作空間；生物反應池頂板標高為10.70 m，超高為90 cm，上部淺覆土為30 cm；膜池頂標高為11.30 m，超高為180 cm；調蓄池頂標高為9.90 m，上部覆土為110 cm。凈水站剖面圖如圖4所示。

圖4 凈水站剖面圖Fig.4 Longitudinal Section of WWTP

箱體位于全地下，為避免強降雨時大量雨水進入箱體對人員、電氣設備等造成威脅，于進水端設置速閉閘。同時，在設備檢修孔蓋板開啟相對頻繁處，箱體頂設計標高高出廣場地坪30 cm，開啟不頻繁處的蓋板采用密閉式蓋板。車庫坡道處設置截洪溝和強排雨水泵，防止雨水進入箱體。

3.3 AAO生物反應池與膜池設計

AAO生物反應池設置兩組，每組可單獨運行，有效水深為3.6 m。旱天總水力停留時間為10.9 h，其中厭氧區為2.2 h，缺氧區為3.3 h，好氧區為5.4 h。設計外回流比為400%，好氧至缺氧內回流比為200%，缺氧至厭氧內回流比為100%。由于系統內設置多處回流，生物反應池內污泥質量濃度呈梯度變化，厭氧區為3.2 g/L，缺氧區為6.4 g/L，好氧區為9.6 g/L，平均污泥質量濃度為7.4 g/L。雨天較旱天進水濃度降低40%～50%，按水力負荷增加50%校核生物反應池，雨天總水力停留時間為7.3 h，外回流泵備用泵開啟，維持生物反應池污泥濃度，確保旱雨天二級出水水質達標。

膜池共設置4格，水深為3.4 m，平均濾速為12.1 L/(m2·h)，雨天峰值濾速為19.4 L/(m2·h)，池內污泥質量濃度為12.0 g/L。膜過濾采用0.03 μm孔徑的聚偏二氟乙烯(PVDF)改性中空纖維膜，膜清洗采用連續曝氣膜擦洗+間歇在線加藥清洗，產水泵揚程為10 m。

根據《城市污水處理工程項目建設標準》(建標198—2022)規定，Ⅳ類(1萬～5萬m3/d)污水廠單位水量的建設用地控制指標不應超過1.50～1.20 m2/(m3·d-1)。本工程污水處理規模為1.20萬m3/d，由內插法計算可得本工程單位水量的建設用地控制指標不應超過1.485 m2/(m3·d-1)，即單位面積不超過17 820 m2。本工程AAO生物反應池與膜池共占地約為2 150 m2，遠小于建標198—2022計算出的建設用地面積，進一步展現了本工程的節地優勢。

3.4 調蓄池設計

調蓄池設計有效水深為3.6 m，內部分為4條廊道，單格寬度為5 m，長度為50.5 m。調蓄池沖洗采用門式沖洗設備(圖5)，利用水力學原理和機械結構相結合，調蓄池放空后利用廊道始端設置的存水室和沖洗門即可實現無動力、無外部供水自動沖洗[7]。工作過程是液壓控制的2套浮筒(主浮筒和控制浮筒)與數套沖洗門之間的協調動作，其間相連接的是全封閉的液壓系統。調蓄池與凈水站進水泵房聯通，雨后晴天時錯峰放空。

注：i為坡度。圖5 門式自動沖洗系統Fig.5 Automatic Gate-Type Flushing System

3.5 消防設計

地下設備用房耐火等級為一級，整體火災危險性類別定位為丁類。地下設備用房總建筑面積為1 115.87 m2，分為2個防火分區，于走廊中間處設置防火墻分隔，每個防火分區設置1個安全疏散口。

地下停車場共設置28個停車位，建筑面積為1 107.31 m2，作為一個防火分區，設置1個安全疏散口和1處車輛進出坡道。

4 運行管理

4.1 實際運行狀況

葛塘河凈水站自2020年下半年開始逐步進入調試運行期，近一年運行進水量和進水水質如圖6和圖7所示，自2021年下半年開始，進水量穩步提升，日運行水量在8 000～10 000 m3/d，且雨季明顯高于旱季。從進水水質情況來看，旱季進水平均CODCr質量濃度在200 mg/L左右、平均氨氮質量濃度在20 mg/L左右，而雨季進水平均CODCr質量濃度在120 mg/L左右、平均氨氮質量濃度在14 mg/L左右。水量和進水水質數據說明，片區管網有待于進一步修復完善。

圖6 2021年3月—2022年2月的日進水量與月降雨量Fig.6 Influent and Rainfall during March 2021 to February 2022

注：虛線框表示雨季監測時段。圖7 2021年1月—2021年12月的日進水水質Fig.7 Influent Quality during January 2021 to December 2022

凈水站出水水質(圖8)穩定達到一級A標準，其中CODCr質量濃度基本穩定在40 mg/L以下，氨氮質量濃度均不超過1.0 mg/L，TP質量濃度穩定在0.4 mg/L左右。

圖8 CODCr、氨氮、TP出水水質Fig.8 Effluent Quality of CODCr, Ammonia Nitrogen and TP

4.2 運營管理要點

葛塘河凈水站運營管理采取遠程控制為主、人員定期巡檢為輔的模式，較常規地上式污水處理廠，運營管理要點包括以下3點。

(1)調蓄池單次使用放空時間不大于24 h，以確保調蓄池的使用效率。放空的平均流量為208 m3/h。盡管現狀凈水站未達到滿負荷，但調蓄池放空仍采取變流量形式，即污水進水流量低峰時為調蓄池放空流量高峰。同時，凈水站與市政污水處理廠協同調度，以期凈水站相對平穩運行。

(2)每日柵渣、污泥清運等需開啟地面蓋板，而地面為市民廣場開放空間，為減小影響，選擇每日廣場人員少時作業。

(3)人員巡檢與遠程監控尤其注意樓梯井出入口和地面蓋板開關狀態，非巡檢時間均采取關閉鎖死措施，防止非相關人員進入凈水站內或發生安全事故。

5 投資與環境效益

本工程總投資約為1.6億元，其中工程費用約為1.4億元。該項目滿負荷投入運行后，可削減旱天入河污染物CODCr為1 533 t/a，氨氮為109.5 t/a；以南京市典型年降雨120場測算，可削減雨天入河污染物CODCr為210 t/a，SS為144 t/a。

6 工程總結與思考

(1)葛塘河凈水站采用污水處理設施、調蓄池和地下停車場一體化合建方式，兼具污水處理、雨水調蓄以及城市交通調節等功能，同時具備布局緊湊、節地、運行靈活、工藝高效等特點。本工程占地面積遠小于建標198—2022相關要求，進一步展現了本工程的節地優勢。

(2)采用單層全地下式建設方式，充分利用公共用地地下空間，且建成后不影響公共用地的地上使用功能，對此類分散式凈水站的選址和建設具有一定借鑒參考意義。同時，也為建設環境友好的地下式污水處理廠提供了設計參考以及實際工程經驗。

(3)采用生物法和物理化學吸附相組合的除臭技術，在地面結合綠化設置土壤除臭生物濾池一座。既能有效降低地下式污水處理廠臭氣濃度且運行管理便利，又可與地面景觀公園及周邊環境相融合，達到“鄰避”變“鄰利”的目的。

(4)本工程將雨天雨污混合水處理標準按照國標一級A標準設計，與旱天污水處理標準一致。現階段國內其他城市大部分此類凈水站均按此標準執行，雨天增大進水流量，適當降低處理標準的可行性仍有待于業界進一步探討研究。