大中型污水處理廠建設過程應用海綿設施的設計研究

王子軒

（蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅 蘭州）

引言

近年來，國家對城建方面加強重視，污水處理廠建設已成為社會經濟發展的重要組成。在城市污水處理廠工程建設中，應用海綿城市的理念能夠發揮其重要的作用。在按制功能方面，海綿設施不僅可以提高雨水下滲的能力，從而達到蓄水和凈水效果。利用高透水性材料，在降雨下滲過程中把污水中的重大粒子以及其他固體污染物和水面完全隔離，以證明物理水處理的優勢。在接下來的研究中，以某城市一大型污水處理廠為例，通過在污水處理廠建設中應用到海綿設施，以實現該污水處理廠在處理污水時獲得更好經濟價值，營造更綠色的環境[1]。結合某一污水處理廠擴建工程，并經具體規劃，將海綿設施有效應用到污水處理廠擴建工程中，實現擴建廠區海綿城試點項目，有效落實雨水調蓄按制量和年度污染按制量。

1 工程概況

某市一大型污水處理廠總占地面積八萬立方米，由于城市發展需求，現需對該工廠進行擴建，該污水處理廠處于沿海區域，該地年降水量較高，降雨頻率較大，年平均氣溫為二十五度，因此需考慮不影響沿海水域。在該工程中采用粗砂隔和沉砂池等設備，均按照城市污水處理規范進行。考慮到該工程施工時處于降雨高發期，采用防水材料進行。該工廠內大多數為綠樹植被，因此在施工時應盡量保護植被完整，在不破壞綠植的前提下進行施工。由于該地附近污水量在近幾年逐步增加，并在一年后進行二次擴建，在此次擴建中，主要對海綿設施進行應用，并按照海綿城市規劃標準執行，接下來對該工程內二次擴建中海綿設施的應用進行施工。

2 海綿設施在污水處理廠應用設計

2.1 功能區污染程度分析

某市污水處理廠由兩方面構成，分別為處理區和附著區。根據實際生產生活，又分為預處理區、主體工藝區(生化處理和深度處理區)、污泥處理區和辦公生活區等幾個功能區域。

其中城市下墊面中，居民區、道路、公園等城市地下污染主要是人為活動造成的，由于污水處理廠一般情況下處于封閉狀態，其人員以及車輛流動情況較小。而在污水處理廠內部，由于一些生產生活而排放出的污染物，也會導致其廠區內部污染程度加深。

由于一些工廠內生產方式不同，因此污染程度也會存在不同。在正常情況下，經研究發現污水處理廠下墊面污染程度為污泥區明顯高于預處理區域。其中當污泥區污染物含量為八百毫克每升時，預處理區域的污染物含量僅為100 毫克每升。但經過一定量降水后，下墊面雨水會經海綿設施使其污染物濃度降低，其主要原因是，在該污水處理廠一般為兩條“線”，分別為水線和泥線[2]。其中水線主要由礫石罐砂粒的厚細網格和爐渣構成，其對應區域為預處理區域。而泥線主要來源于脫水機房及其支撐結構的污染物，由此導致泥線區域的污染物程度明顯比其他區域復雜。

2.2 海綿設施分區

基于設計目標，海綿設施的建設可以區分每個目標值，對場地的下墊面進行分類和匯總，在大面積上對特征相同、污染程度基本相同的下墊面進行分類，這將有利于LID 設施的選擇和存儲量的計算。在明確分區時，可將相關的室外池塘劃分為單獨的區域，利用水面的吸力功能，達到減少特定區域流量的目的；將下水道廠房結構周圍的綠地與廠前的綠地和一些輔助生產建筑（構筑物）一起創建，設施內的混凝土路面和其他不透水區域也可以劃分為該區域，通過增設設備與海綿設施相結合，以達到海綿城市建設標準要求。其中工廠中的道路分區可以通過實現海綿城市設計目標的難易程度來確定。

基于上述對各下墊面污染程度的分析，根據本項目污水處理廠的項目特點，需要確定擴建廠區域的結構布局、綠色布局方案、道路方向等。擴建廠的面積，以有效利用污水處理廠廢水處理廠的容量，保證年總流量和按制擴建廠土地區域內的流量污染[3]。建議將其完全組合。根據地面高度、道路坡度、總體平面布局、道路高度以及廠區場地按制和管線布局，將其分為十九個區域。其中A1 到A4 為擴建區域，可接納一定量降水量；A5 為高腐蝕性集水區域；S1 到S13 為下點面區域，其中包括綠地和屋頂等，作為海綿設施施工地點；S14 為該污水處理廠新建道路區域，此地區暫未進行海綿設施施工。其中十九個分區具體結構見圖1。

圖1 污水處理廠海綿設施分區情況

2.3 調蓄容積計算

在進行海綿設施分區后，對區域內調蓄容積進行計算。在計算前，所有準備工作均按照城市排水規劃施工標準來進行，并在計算中各指標也均符合標準。其中海綿設施分區后調蓄容積計算一般按下式來計算：

式中：V 為海綿設施分區后調蓄容積，單位為m3；H 為雨水深度，單位為mm；φ為綜合雨水徑流系數；F 為雨水分支面積，單位為m2。

其中上式（1）中提到的綜合徑流系數計算方式為：

式中：Q 為每項徑流系數；S'為每項面積；S 為總面積。

以S12 分區為例，計算分區徑流系數數值為：

廠區綜合徑流系數計算為：

所需調蓄容積按V=10HφF 進行計算：

通過計算得到調蓄容積具體數值后，根據各區具體情況進行海綿排水設施的構建。

2.4 污水廠海綿排水

通過計算分區內調蓄容積，根據實際情況進行合理排水。由于該污水處理廠為半地下式，其中屋頂排水設計需結合相關技術和各個分支連接關系，以完成整個排水海綿排水系統的形成。該大型污水處理廠中屋頂雨水排水設計中分為屋頂地面排水系統和屋面蓄排水層排水系統兩部分。該排水點內集水溝增設穿孔管用來收集雨水，雨水可以通過集水溝內排水渠管道流入到地面排水系統中。當降雨停止時，由于降雨初期儲存在屋頂土壤和屋頂空隙中的雨水經屋頂排水系統自動流入到系統中排水口，多余水量沿排水層的蓄水池和坡度收集在箱外邊緣的集水口，并通過穿孔管流入到地面排水系統。

該污水處理廠地面總面積為兩公頃，正常情況下污水處理系統應安裝在南北方向，但考慮到該污水處理廠位置特殊且南北方向空間狹小，選擇安裝在東西方向上。其中該污水處理廠東側下凹綠地約占一千六百平方米，西側下凹綠地面積約占七百平方米，下凹綠地總蓄水容積約為六百零五立方米，平均蓄水深度約為二十五厘米。以上數據均符合城市規劃施工標準[4-6]。在降雨初始階段，將屋頂排水系統集水槽承裝的雨水經過管道流入下凹綠地中，將地面排水系統承裝的雨水經過植草溝流入下凹綠地中。經時間雨水累積量增加，最終形成蓄水池。景觀帶和植草溝流入到下凹綠地的雨水排入到污水處理廠專設排水池中。當降雨停止時，下凹綠地所積累的雨水會出現下滲現象，并通過排水井管道流入到地面污水排水系統中。地面污水排水系統收集雨水后，通過雨水滲透和地表徑流排出地表綠地，將地表徑流收集在沿人行道創建的接力型草坪種植園的溝渠中，最后通過下凹綠地排出[7]。在硬質鋪裝收集雨水后，將其從副石中的收集井流入到地表排水系統。

3 結果與討論

在經過上述海綿設施的設計，污水處理廠在對建設后對污染按制率進行比較記錄，見表1。

表1 污染按制率

由表1 可知，下凹式綠地在經過海綿設施設計處理后污染物去除率為85%，植草溝經過海綿設施設計處理后污染物去除率為90%，普通綠地經過海綿設施設計處理后污染物去除率為95%，屋面經過海綿設施設計處理后污染物去除率為95%，硬質鋪裝過海綿設施設計處理后污染物去除率為80%。并通過計算可以得出分區S12 的分區污染物去除率為75.05%，符合污染物去除標準。

結束語

上述某市一污水處理廠建設過程中應用海綿設施的設計，對該廠進行污染程度分析后對其進行海綿設施分區設計。并根據計算得出分區調蓄容積，最后實施海綿排水，污水處理廠的合理排水目前是企業發展的最重要一項，并通過本研究的施工設計可以合理提高污染物去除率。