城鎮污水處理廠節地技術研究與工程應用

張 寧

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

城鎮污水處理廠作為城市水污染防治最后一道防線，是城市發展不可或缺的一部分。然而，隨著城市化進程的不斷深入，城市人口日益增多，城市生活污水的產生量也隨之增加，同時人民生活水平的提高也促使污水納管率和處理要求的提高。根據“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃要求，十四五期間，新增污水處理能力2 000 萬m3/d，新建、改建和擴建再生水生產能力不少于1 500 萬m3/d，長三角、粵港澳大灣區城市、京津冀、長江干流和南水北調工程沿線地級及以上城市、黃河流域省會城市等可對城鎮污水處理廠提出更嚴格的污染物排放管控要求，水環境敏感地區污水處理基本達到一級A排放標準。顯然，污水處理量的增加、污水資源化利用的推進、水質標準的提高和處理功能的拓展，將會導致現有的城鎮污水處理體系面臨擴建的壓力，勢必加重城市土地資源緊缺的現狀，從而使得城鎮污水處理廠節地需求變得十分迫切。

土地具有多宜性，從一種用途變為另一種用途可能使其收益性或效益得以提高。在城市發展土地資源急缺、城市地價上漲趨勢明顯的情形下，合理規劃污水處理廠布局，節省其占地，不僅可為城市其他部分的建設提供更多可利用的規劃用地，促進城市高質量發展，而且也緩解城市發展給農業用地帶來的壓力，盡可能地保護更多的耕地，具有較好的社會效益、經濟效益和生態效益，對于我國城市可持續發展具有重大意義。

沈昌明等[1]通過對全國421 座污水處理廠（其中重點流域12 個城市60 座）用地現狀面積調研的詳細分析，梳理出了污水處理廠規模、工藝、水質標準、地域對占地的影響，識別出生化處理設施、道路及廣場、綠化為影響污水處理廠用地的關鍵因子。本研究針對城市污水處理工程建設節約用地的需求，將在總結調研國內外已有研究和成果基礎上，從污水處理廠平面優化、污水處理工藝優化與污水處理廠豎向強化等三方面開展污水處理廠節地技術研究，建立適合我國不同區域與技術經濟條件的節地型污水處理廠新建和改造技術集成體系，為我國節地型污水處理廠設計運行提供技術支撐與指導。

1 城鎮污水處理廠節地技術研究

2.1 平面優化節地技術

平面優化節地技術主要通過工藝流程布置、單元組團、單元優化與污水處理功能區占地優化的方式來實現節地。平行或功能相連單元共壁技術是實現組團布置的關鍵，通過采用矩形池型將位置相鄰、功能相連的污水處理構（建）筑物合并共用池壁進行平面布置可以達到組團目的，如將占地面積最大的生化反應池和二沉池設施共壁組團。針對組團布置中水池結構和水力流態優化等難題，已有研究對矩形二沉池單位側進出水進行優化，提出了進出水變截面的新型周進周出二沉池，有效克服不同出水距離造成的水頭損失不均勻性，該平面優化節地技術已在廣州獅嶺污水處理廠（二期）工程與廣州市前鋒凈水廠擴建三期工程中應用。其中，廣州獅嶺污水處理廠二期工程在占地面積類似的情況下，常規平面布置的系統處理能力為5 萬t/d，而采用生反池和矩形周進周出二沉池組團平面布置的系統處理能力高達7 萬t/d，污水處理功能區可節約占地30%，有效提高土地利用效率；廣州市前鋒凈水廠擴建三期工程單位處理水量占地僅0.48 m2/（m3·d），相對于國家建設用地指標基準值節約了40%。

圖1 廣州市前鋒凈水廠（擴建三期）周進周出二沉池變截面配水渠

2.2 工藝優化節地技術

工藝優化節地技術是通過增加生物量或優化工藝參數來提高生化處理效率與減少生化處理區污水停留時間，進而減少用地面積的節地設計方法。詹詠等[2]通過全面系統的理論分析和小試試驗，研究揭示了進水水質、污泥泥齡、污泥呼吸速率和沉降性能之間的相互關系，結果表明常規進水水質和傳統工藝條件下，通過延長污泥齡至35 d，系統可實現的極限最佳污泥濃度為6 300 mg/L，有效生物量達到1.63±0.14×1011 cell/g MLSS；當系統繼續延長泥齡以獲得更高的污泥濃度并不能提高系統的有效生物量和污染物去除能力，且污泥EMPS（菌膠團間的胞外聚合物）中產生了一類新的腐殖酸類物質，引起污泥表面Zeta 電位的增加，導致絮凝性能惡化。泥膜復合生物量提升是指通過在好氧池、缺氧池內投加生物載體，來達到增加生物處理池的微生物濃度的目的。在同等運行條件下，采用泥膜復合生物量提升的MBBR 工藝能夠提高日處理能力33%以上，且易于控制[3]。顧升波等[4]研究了A/O-MBBR 系統掛膜啟動、填充比、DO、溫度、HRT 和回流比等因素的影響，提出了完整的工藝設計參數和運行參數，并在北京清河污水處理廠初步設計階段應用。已有研究開發出基于仿真和響應面分析的多參數集成優化技術，利用Box-Behnken 響應面分析法以及GPS-X 污水處理過程建模和仿真軟件，對傳統AAO 工藝的溶解氧濃度、泥齡、多點進水和污泥回流等主要運行控制參數響應面進行擬合，以污染物去除效果為約束目標，獲取實現最佳系統狀態所需的工藝運行參數和優化HRT，進而節約污水處理功能區占地面積，該技術已在廣州前鋒凈水廠擴建三期工程應用。

2.3 工藝優化節地技術

當平面優化節地和工藝優化節地技術不能滿足節地需要時，可采用豎向強化節地技術，具體指通過構（建）筑物整體或局部疊加，強化空間利用，減少污水處理廠或污水處理功能區占地的節地方式。多層平板組合沉淀技術是采用多層平板單元強化二沉池的沉淀作用，多層平板單元組合沉淀池的沉淀能力接近斜管（板）沉淀池，通過在單元內設置刮泥機，有效解決了斜管（板）生長生物膜和藻類引起的堵塞問題。李雨陽等[5]中試試驗研究表明放置4 層平板時，沉淀池最大表面水力負荷可提高50%，處理相同水量時所需的沉淀池面積僅為原面積的66%。整體疊加常用的方式是全地下污水處理廠，適用于周邊環境要求高、用地極度緊缺時，地下污水處理廠并不是簡單地把地上污水處理廠“按到地下”，而是重新統籌污水處理廠的功能分區，充分考慮運行后可能出現的雨季被淹、事故超量進水、消防安全、工藝運行異常、設備設施故障等風險，當采用全地下污水處理廠時，主要處理構（建）筑物設于地坪線以下，在充分利用地下空間的同時，廠區地坪以上空間可作為綠化景觀、休閑娛樂、停車等用途，減少額外綠化面積的同時解決了環境相容性問題。

2 城鎮污水處理廠節地技術集成研究

基于實際工程建設方案，在確保出水達標的前提下，以項目全壽命周期成本為約束條件，以節地為目標，提出不同處理規模、不同節地方式的全壽命周期成本分析模型，獲得相同規模下，平面布置優化方案成本最低，工藝優化方案成本次之，豎向強化方案成本較高，如圖2 所示，并在不同節地策略下面形成多種節地技術，實際應用過程中，可選擇一種或幾種技術或模式的組合。當設計的污水處理廠單位用地面積接近《城鎮污水處理工程項目建設標準》（建標198—2022）噸水占地基準值時，優先采用平面優化節地技術，在滿足消防要求和綠化率的情況下，通過減少綠化和道路面積，可有效縮減占地且綜合成本最低，通常節地效果可達20%～30%；當采用平面優化節地技術不能滿足單位用地指標時，可通過工藝優化節地技術減小生化處理設施用地，節約用地繼續提高10%左右，但會增加建設運行成本；當平面優化節地和工藝優化節地均不能滿足節地需要，可考慮豎向強化節地技術，如果周邊環境要求較高、用地緊缺時可建設地下式污水處理廠，節地效果可繼續提高40%以上，但由此帶來投資和施工、運維難度的增加。在以上節地策略的基礎上，通過污水廠地上空間釋放進行土地綜合利用，利用廠內用地作為綠化景觀、休閑娛樂、環保教育基地等用途，向社會公眾開放使用，減少污水廠用地。

圖2 節地技術集成效果示意圖

3 工程應用案例

3.1 項目概況

昆明第十一污水處理廠位于規劃的景觀綠化公園內，周邊為居民樓與商務辦公區，需盡量減少污水廠對周邊環境的影響且滿足城市規劃對片區環境的整體要求。本工程處理規模6 萬m3/d，為確保能滿足該地區快速發展的人口需要，從建設百年工程角度考慮，將生物反應池處理能力考慮了1.3 的安全系數，這也意味著在原設計6 萬m3/d 規模用地的基礎上滿足8 萬m3/d 的處理能力，且出水水質達到一級A 標準。為減少對周邊環境的影響且滿足城市規劃對片區環境的整體要求，該水廠設計為全地下污水處理廠，主要構筑物均位于地下箱體內，而地下箱體一旦建成將無法再通過新增構筑物實現處理能力的提高。因此，為實現8 萬m3/d 處理能力，昆明第十一污水處理廠采用了平面優化、工藝優化、豎向強化等節地技術。

3.2 平面優化技術

實施平行生化反應池共壁布置，減少平行生化反應池之間的空地；通過矩形生化反應池和矩形沉淀池共壁布置，減少生化反應池和沉淀池之間的空地。預處理區、生化處理區、深度處理區和泥處理區的所有構筑物采用同一基坑以實現全廠組團。同時，進水泵房、粗細格柵與曝氣沉砂池組團合建，中間提升泵房與高效沉淀池合建。構筑物之間盡可能采用了渠道連接，減少水頭損失和用地；在滿足消防要求的前提下，將紫外線消毒池與出水泵房、脫水機房與料倉、配電間與回用水泵房、鼓風機房與加藥間等建筑物合并布置，避免了點狀分散增加占地面積的缺點。

初沉池、二沉池等構筑物采用矩形布置方式，并與其它構筑物進行組合布置。選用占地小且適合構筑物組合布置的設備，有助于降低處理單元的占地面積，如采用潛水泵、噪音低的風機或隔聲裝置、用地較省的深度處理設施和工藝；采用機械濃縮設備替代重力濃縮池；采用用地小、噪聲低、環境友好的污泥脫水設備。

3.3 工藝優化技術

基于投資和運行成本均為最小且運行工藝成熟、管理方便、占地面積在可接受范疇，本工程采用“AAO+ 二沉池+ 高效沉淀池+V 型濾池+ 紫外線消毒”處理工藝。其中，高效沉淀池把混合/絮凝/沉淀進行重新組合，為組團化集約緊湊型布置，占用土地少，混合、絮凝采用機械方式攪拌方式，沉淀采用斜管裝置；與普通平流式沉淀池相比，可大幅度提高水力負荷，污染物去除率，分子間相互接觸的機率，使絮凝劑在循環中得到充分利用，減少了藥劑投加量，降低了運行成本，并與中間提升泵房合并布置于合建式池體內。

3.4 豎向強化技術

該工程地面層是綜合樓，位于地下箱體粗格柵之上。地下箱體作為地下式污水處理廠的主體構筑物，共分兩層，箱體負一層平面位于地面下7.3m，按從南向北依次布置有進水泵房、粗細格柵及曝氣沉砂池、初沉池、反應池、二沉池、加藥間、鼓風機房、中間提升泵房及高效沉淀池、V 型濾池、紫外線消毒池及出水泵房、均質池、脫水機房及料倉、配電間、回用水泵房；負二層平面位于地面下11.5～12.0 m，安裝有初沉污泥泵、高效沉淀池的剩余污泥泵等設備，為保證暴雨時進入箱體的雨水可及時排除和便于部分構筑物的放空檢修，在負二層區域各設置了一座放空泵井，可將最低處的污水提升后排入進水泵房前池。

該工程地下箱體上部種植綠化植物，綠化系數達到91%，在保證綠化面積的同時減少綠化用地，而且污水處理廠生產區以外的區域面向社會公眾開放，實現了上部空間的有效釋放。

3.5 節地效果

根據《城鎮污水處理工程項目建設標準》（建標198—2022），昆明第十一污水處理廠單位用地面積應為1.15 m2/（m3·d），而實際單位用地面積僅為0.68 m2/（m3·d），節地比例高達40.9%。

4 結 語

基于城鎮污水處理廠建設或擴建節約用地的需求，本研究從平面、工藝、豎向等三個維度提供了節地技術，主要包括單元組團、單元優化；增加生物量、優化工藝參數；整體或局部疊加等。其中，在相同規模下，平面布置優化技術成本最低，工藝優化技術成本次之，豎向強化技術成本較高，實際應用時可選擇一種或幾種技術因地制宜地有機組合，以實現節地與運行穩定、節能降耗、建設成本之間的平衡。