國內地下式污水處理廠的發展現狀和關鍵技術分析

楊一烽，杜 炯，張 欣

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

為切實提升水環境質量，加大水污染防治力度，保障國家水安全，《水污染防治行動計劃》(簡稱“水十條”)明確提出“強化城鎮生活污染治理”的規劃要求：加快城鎮污水處理設施建設與改造。因此，現有城鎮污水處理設施，要因地制宜進行改造，2020年底前達到相應排放標準或再生利用要求。污水處理廠是削減城市水污染、保護水環境的重要基礎設施。常規的污水處理廠一般建設在地面以上，隨著城鎮化的高速發展，城市邊界不斷擴大，早期建設的地上污水處理廠已逐漸被城區包圍，噪聲、臭氣等二次污染的鄰避效應逐漸凸顯，對城市生態文明建設產生了負面影響。同時，若采取原廠拆除，在城市邊緣新建地上式污水處理廠，又將存在征地費用高、新增管網及未來面臨再次拆除、擇地新建的問題。因此，傳統地上式污水處理廠已難以滿足城鎮發展建設的需求。

地下式污水處理廠，又稱下沉式污水處理廠或地埋式污水處理廠，是指污水處理構(建)筑物合建在一個或若干箱體內，箱體上部加設構(建)筑物，將操作層封閉在室內的污水處理廠，可分為全地下式污水處理廠和半地下式污水處理廠[1]。地下式污水處理廠在國外已有80年以上的發展歷史，最早興起于芬蘭、荷蘭、日本等國。我國地下式污水處理廠的建設起步較晚，集中發展則在2010年以后，北京、上海、廣州、深圳、浙江等全國各地均在建造一批地下式污水處理廠，以此節約建設用地，將污水處理廠變成環境友好型設施，達到“鄰避”變“鄰利”的目的。地下式污水處理廠最大的特點是節省地上空間，目前,我國地下式污水處理廠的地上空間應用多以綠化為主，未來可通過構建污水處理與生態和諧共存的城市生態綜合體，其涵蓋體育健身、休閑娛樂、科普教育等多種公共服務功能，以提升地下式污水處理廠及其周邊土地的綜合利用價值。地下式污水處理廠上部興建的市政花園等利民的公共設施，不僅不會對自然景觀造成影響，而且可美化市容，又增加城市綠化面積，利于周邊地段的升值，可為提高城市居民生活質量作出貢獻。我國地下式污水處理廠的建設和運營尚處理發展初期，很多設計施工經驗以及管理經驗仍有待完善，因此，我國在技術標準和規程制定上應加快步伐，進一步規范和指導新建、擴建的地下式污水處理廠。鑒于當前我國地下式污水處理廠處于蓬勃發展的階段，切實有必要分析和總結地下式污水處理廠在設計和建設過程中的關鍵技術特征，為地下式污水處理廠的發展提供技術參考。

1 地下式污水處理廠的現狀特征

1.1 運行現狀

據文獻調研，匯總了我國10余座代表性地下式污水處理廠的基本情況(表1)。我國地下式污水處理廠的運行時間基本上始于2010年，區域分布上以一線城市和省會城市為主，最大的設計運行規模為60×104m3/d(分別為天津東郊污水處理廠和北京槐房污水處理廠)；污水處理主體工藝大多采用AAO或AAO+MBR，深度處理工藝一般采用高效沉淀池+不同形式的濾池，以進一步去除懸浮物(SS)和總氮(TN)，在當前我國污水處理廠普遍執行嚴格的排放標準下，地下式污水處理廠與傳統地上污水處理廠的污水處理工藝基本處于同步水平。我國地下式污水處理出水水質基本執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準，實際運行情況表明，大多數地下式污水處理廠出水的COD、總磷(TP)、氨氮等指標均可達到地表水環境質量標準(GB 3838—2002)中準IV類標準，尾水多用于補給河道。

表1 我國部分代表性地下式污水處理廠匯總Tab.1 Summary of Typical UWWTPs at Home

1.2 標準和規范現狀

國外地下大型排水及污水處理系統最早出現于氣候寒冷的北歐地區，目前主要分布在歐洲和亞洲，如荷蘭、挪威、瑞典、法國、日本、韓國、馬來西亞等國。雖國外地下式污水處理廠建設起步較早，但環境容量大，出水水質要求不及國內嚴格，因此，國內的標準和規范無法完全借鑒其設計建設、運行維護方面的工程經驗。在發展初期，我國地下式污水處理廠的設計建設主要依據傳統地上城鎮污水處理廠標準規范體系，并結合傳統城鎮地上污水處理廠和地下空間構筑物的建設特點。工程建設過程中雖可在處理工藝方面參考地上污水處理廠的建設模式和經驗，但地下式污水處理廠要求占地更省、處理效率更高、改擴建冗余度更高、節能要求更嚴、安全性更高。此外，采用地下空間開挖建設的形式，因此，地下式污水處理廠在建筑結構設計方面的要求更嚴格，地下封閉的作業環境也對通風、除臭、照明、防淹、防潮、防腐消防、安全操作、應急措施等方面提出高于(或異于)傳統地上污水處理廠的要求，現行參考的相關標準和規范無法滿足。

目前，我國可供地下式污水處理廠工程建設參考或執行的專業標準和規程處于起步階段。隨著地下式污水處理廠規模的快速擴大，在設計建設、運行維護等過程中標準化、規范化的需求也愈發迫切?！冻擎偽鬯幚韽S節地技術導則》(T/CECS 511—2018)從節地的角度對地下式污水處理廠的主要工藝、配套設計進行了簡述，但在重要設計參數方面仍缺乏結合工程實踐驗證的推薦值。在上述背景下，中國環境保護產業協會于2019年底發布了《地下式城鎮污水處理廠工程技術指南》(T/CAEPI 23—2019)，浙江省住建廳于2020年發布《地埋式城鎮污水處理廠建設技術導則(試行)》，中國工程建設標準化協會于2020年發布《城鎮地下式污水處理廠技術規程》(T/CECS 729—2020)，以上標準和規程從污染防治角度下規定地下式污水處理廠的總體技術要求，同時，也明確了在工藝、建筑、結構、通風、除臭、電氣、儀表等行業下全專業、全系統的針對性規定。未來需要逐漸擴充和完善的地下式污水處理技術標準體系，將確保我國地下污水處理廠設計更經濟、安全、可靠，在運行控制上更高效節能。

2 地下式污水處理廠的關鍵技術特征

我國已建成并運行的地下式污水處理廠已逐漸形成規模，通過研究規模型污水處理廠案例中各專業設計特點，總結了具有地下式污水處理廠特色的幾項重要技術，分別針對地下箱體基坑開挖、除臭系統、通風系統、采光照明系統、消防安全系統的關鍵技術進行探討。

2.1 結構關鍵技術

地下式污水處理廠將水處理構筑物設置于地面以下，操作檢修層設置于水處理構筑物之上，形成兩層的地下空間形式。這些水處理構筑物及操作層層高一般比較大，因此，地下式污水處理廠建設往往對應著大規模深基坑的設計與施工問題：(1)基坑面積巨大，水平支撐體系復雜，造價高昂；(2)深度大，層數少，缺乏換撐條件；(3)大面積基坑水平支撐施工周期長，水平支撐造成基坑開挖及地下構筑物施工不便，對工期緊張的工程項目難以適用。采用無支撐支護形式則可以避免這些問題。

傳統無支撐支護形式，如重力擋墻、排樁或型鋼水泥土攪拌墻等懸臂支護形式，無法滿足軟土地區深基坑的穩定、變形及內力控制要求，因此，需采用新型無支撐支護形式。2012年開始實施的《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120—2012)已將雙排樁設計計算方法列入，各地基坑設計規范中也有不少已經增加了雙排樁設計計算的內容。一般雙排樁支護結構形式如圖1所示，其主要組成部分包括前排樁、后排樁、前后排樁頂部的冠梁、連接前后排樁的連梁、樁間土體及基坑被動區土體的加固等。

圖1 雙排樁典型結構形式Fig.1 Structure of Double-Row Piles

近年來，雙排樁支護形式在深基坑工程中的應用越來越多。例如，遼寧省盤錦市某工程基坑開挖深度達9.75 m，樁錨支護形式對鄰近建筑樁基有影響，且施工復雜、工期較長，因此，選用雙排樁支護形式，取得較好效果[16]。福建沿海軟土地區某工程基坑開挖深度約為9 m，基坑平面尺寸約為100 m×120 m。該工程對比單排樁加內支撐和雙排樁加內支撐2種方案，采用雙排樁可大幅減小樁身彎矩，使該方案可采用預制管樁作為支護樁，大大節省支護工程的造價[17]。無支撐雙排樁支護技術已在白龍港地下式污水廠基坑中得到應用，既縮短工期，又效果良好[18]。

2.2 除臭關鍵技術

地下式污水處理廠運行過程中產生的惡臭氣體主要成分為H2S和NH3。地下式污水處理廠的地下空間為相對密閉的環境，污水和污泥處理過程中產生的臭氣易于富集，因此，通風除臭系統是保證地下污水處理廠安全運行和人員安全的關鍵。多項研究表明，污水預處理和污泥處理是地下式污水處理廠產生的各類惡臭物質濃度相對較高的單元，尤其污泥脫水機房有大量惡臭氣體富集，其次是生化處理單元[19-20]。目前，我國地下式污水處理廠惡臭氣體污染的治理流程包括收集、處理和排放(圖2)。

圖2 地下式污水處理廠惡臭氣體污染的常規 收集及治理模式Fig.2 Conventional Treatment Process of Malodorous Gas Pollution in UWWTPs

地下式污水處理廠的臭氣收集既要注重除臭加罩的密封性，又要兼顧運行管理的便利性。對于巡視強度較低或一般的區域宜采用混凝土現澆板加罩，而巡視強度高的區域宜采用滑動高強度玻璃鋼蓋板加罩。格柵、螺旋輸送機、柵渣外運區域建議采用透明材質加罩。在生物反應池好氧區中，由于要觀察池內曝氣情況，加罩建議設置采光觀察窗。地下式污水處理廠的腐蝕性較地上式更強，臭氣收集管路材質的選擇取決于污染物的濃度和濕度較大的區域(如進水泵站粗格柵間、細格柵間及污泥處理車間)，因此，可選用玻璃鋼管道來收集臭氣，污染物濃度較小的區域(如初沉池、生化池等)則可選用鋁制風管收集臭氣[21]。臭氣收集系統在不影響操作和維護的前提下，盡可能減小除臭空間。收集系統內應保持適度負壓，并根據構筑物內臭氣濃度選擇分區和換氣率。水平管道建議設置0.5%的坡度，采用V字形敷設，并在低點設置冷凝水排放閥及管道。為方便觀測池內抽風情況，可在除臭立管上安裝可讀數流量指示計。

臭氣處理技術一般可分為生物法、物理法和化學法。由于場地控制，地下式污水處理廠的除臭技術選用原則上應考慮占地少、運行相對簡單、效果顯著及經濟性高的方法[22]。我國大型地下式污水處理廠采用的除臭技術以生物除臭為主。其中，廣州京溪地下式污水處理廠采用生物除臭和離子除臭兩種除臭技術[14]；深圳福田地下廠采用生物除臭技術[8，23]；上海泰和地下式污水處理廠針對污水預處理、生化池和污泥脫水機房等產生高濃度的臭氣區域，采用“生物滴濾+改良式生物過濾+活性炭吸附”組合工藝進行臭氣控制[3]。針對調蓄池和透氣井產生臭氣濃度相對較低的區域，僅選用活性炭吸附除臭設備，調蓄池水泵區域僅采用離子法除臭設備[24]。因此，除臭工藝應根據不同地下構筑物所產生臭氣的組分、濃度情況，采用生物法、物化法、吸附法、全過程等組合除臭工藝。

2.3 通風關鍵技術

由于污水處理廠的功能特殊性，國家制定了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)及《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—1993)等相關標準，通風及被污染的空氣處理成為工程上必須要妥善解決的問題，污水處理廠中各構筑物應采用適當的通風換氣系統以保證室內空氣質量，既保證工藝過程中有充足的空氣供應，廢氣排放又要滿足國家標準要求，不污染大氣。地下式污水處理廠的各構筑物空間相對封閉，在設計中應設置機械通風換氣系統來彌補自然通風的不足。目前，我國地下式污水處理廠通風技術包括風管式機械通風、聯合通風和無風管式機械通風。

(1)風管式機械通風

傳統風管式機械通風設計嚴格按照《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)執行，劃定防火分區和排煙分區。設置通風及排煙機房，進、排風系統均需敷設風管；通風管道數量多且截面積很大，占據空間多，和其他工藝管線及電纜橋架交叉多，施工敷設困。工程案例有國內最早設計運行的一批地下式污水處理廠，如昆明十一廠、鄭州南三環廠[12]等。

(2)風管式機械通風+自然通風(聯合通風)

風管式機械通風+自然通風在現有工程中應用最為廣泛。防火分區的劃分相對更合理，便于實施。由于大量工程的實施運用，在《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)(2018年版)中特別對地下廠做了補充。通風形式結合工藝特點及運行狀況，進行區域細分與相對集中相結合的方式布置，將有毒、有害、有余熱的區域系統和普通的區域系統分開設置。工程案例有嘉定南翔廠、昆明第十四廠、蘇州新區遷建、蕭山錢江四期、南昌青山湖、湖南岳陽馬壕[5]等地下式污水處理廠。

(3)無風管式機械通風

無風管式機械通風是一種創新的地下廠通風方式，指利用送、排風風機在大空間內形成類似活塞流動來實現污染物排除的機械通風技術。其有效地解決了風管占用大量空間、風管與結構梁交叉的問題，降低凈高和埋深，減少內部空間占用面積，節省工程投資，降低通風換氣用運行及維護成本。無風管式機械通風可應用于地下箱體大空間區域，但不適合此系統的箱體內區域需設置傳統風管式機械通風。全部風機和風井設置消音措施，風機吊裝在箱體風井內。大型或超大型無風管通風系統還要在內部設置射流誘導風機，誘導氣流走向，以避免出現死角。另外，需借助計算機專用軟件做CFD模擬，以保證設計效果。

2.4 照明系統關鍵技術

地下式污水處理廠內部空間內自然光較少或沒有，且早期的地下式污水處理廠在設計思路往往采用能耗較大的人工照明方式，而忽略引入自然光及自然光可帶來的舒適的感官效果。因此，為節約能耗，降低運行成本和提高環境效益，需通過特定的設計將自然光引入地下式污水處理廠。地下式污水處理廠引入自然光的形式分直接式和間接式，直接式采光是指在地下空間頂棚處設置獨立的采光井，但存在施工較繁瑣、采光面積較小、照明效率低的問題。侯鋒[19]對國外相關項目大量調研，優化設計方式，采用面積較大的天窗長廊與地面直接連通進行采光，不僅提高照明效率，還可改善外部景觀。間接式采光是光導纖維利用光的全反射原理，光線基本無損耗。光導纖維和鏡面可使自然光具有靈活彎曲的特點，應用在地下式污水處理廠具有更高的空間利用率和采光效率[25]。

2.5 消防系統關鍵技術

地下式污水處理廠因空間相對封閉，火災風險性較大，其消防系統的設計相比于傳統的地上式污水處理廠具有獨特的技術特征。目前，尚無針對地下式污水處理廠的防火規范依據，因此，地下式污水處理廠的消防設計主要參照《建筑設計防火規范》(GB 50014—2014)中對于廠房的消防要求。規范中對地下廠房防火分區的最大允許建筑面積為1 000 m2，在廠房內設置自動滅火系統情況下，防火分區的建筑面積可增加一倍，同時，應保證每個防火分區至少有兩個安全出口，且至少有一個安全出口可以直通室外。按照以上要求，地下式污水處理廠的操作層和管廊間會被防火墻分隔成多個部分，因而，需設置過多的疏散口，這會造成管理不便、設備繁瑣和影響地上空間的利用等問題。目前，國內已建的幾個大型地下式污水處理廠所采用的設計方案均為設置自動噴水滅火系統，單個防火分區的面積評估后按照2 000、3 000、 4 000 m2考量[26]。上海泰和污水處理廠的消防系統采用了“室內消火栓系統+自動噴淋系統+防火分隔水幕”的組合方式，地下空間內采用阻燃電纜和難燃玻璃鋼的風管，以保證消防安全[24]。

高壓細水霧消防技術采用特殊的噴頭在特定的壓力工作下(一般為10 MPa及以上)將水流分解成細小霧粒進行滅火，因其具有滅火效率高、維護費用低、擴展性強等特點，所以，其適宜在地下式污水處理廠中應用。該技術能有效降低消防用水量，以此減少傳統消防水池和泵房對地下有限箱體空間的占用。微米級(一般為100 μm及以下)的高速霧滴能夠沖擊乳化、吸熱膨脹和稀釋洗滌煙霧，有效提高火場能見度。同時，微米級霧滴絕緣性良好，對于地下式污水處理廠設施層電氣設備的火災防護具有良好效果，能防止因火場漏電可能造成的人身危害[27]。目前，高壓細水霧消防技術在地下綜合管廊消防系統中應用較多，重慶市云陽縣迎賓大道某地下綜合管廊采用了該項技術，不僅能環保節水，而且具有快速隔離火源的功能[28]。南寧市五象新區某地下綜合管廊中也采用了高壓細水霧滅火系統，證實其對高壓電力管廊消防防護具有較好的效果和經濟優勢[29]。

3 結語

我國已建成的地下式污水處理廠工藝運行基本穩定，均在不同程度上實現了土地節約、二次污染少和環境友好的目標。我國大城市具有人口規模大、土地資源緊張的特點，地下式污水處理廠的建設符合現代化城市地下空間的開發和利用趨勢，也符合資源節約、人與自然和諧發展的科學發展觀的要求。當前，我國地下式污水處理廠的開發正處于快速發展階段，主體工藝多采用成熟的AAO和MBR技術，深度處理工藝一般采用高密度沉淀池和反硝化濾池，出水水質執行一級A排放標準或地表水準IV類標準。

我國地下式污水處理廠設計和施工的專業標準規范日趨完善，同時，在實踐過程中發展和優化有別于傳統地上污水處理廠的關鍵特色技術：(1)縮短地下式污水處理廠大規模深基坑的施工工期的無支撐支護技術；(2)有效降低地下式處理污水廠臭氣濃度且運行管理便利的臭氣收集技術和生物法、物理化學吸附及其組合除臭技術；(3)減小地下式處理污水廠凈高和埋深，減少內部空間占用面積，節省工程投資和運維成本的無風管式機械通風技術；(4)為地下式污水處理廠節約能源，提高采光效率的光導纖維和鏡面間接照明技術；(5)有效提高地下式污水處理廠防火安全，降低消防用水量的自動噴水滅火系統和高壓細水霧消防技術。本文圍繞相關技術進行了歸納和總結，以期為未來地下式污水處理廠設計、建設、運行提供借鑒和技術支撐。