黃孝河鐵路橋地下凈化水廠工程設(shè)計實例
全康環(huán)保:摘要：與傳統(tǒng)地面式污水廠相比，地下污水處理廠具有節(jié)約土地資源、降低二次污染風(fēng)險、減少病原體傳播、可多元化利用地面空間等優(yōu)點，近年來成為我國城市污水處理設(shè)施建設(shè)的重點環(huán)節(jié)。黃孝河鐵路橋地下凈化水廠設(shè)計規(guī)模10×104m3/d，占地2.91hm2，以A2O+MBR作為核心生物處理組合工藝處理合流制污水，出水水質(zhì)除TN和SS限值分別為15 mg/L和10 mg/L外，其余主要出水水質(zhì)指標(biāo)達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，處理后的尾水排入黃孝河明渠作為生態(tài)補水。本文對該工程的平面布局及設(shè)計參數(shù)進行了詳細(xì)說明，以期對后續(xù)地下污水廠的工藝設(shè)置及設(shè)備布局提供參考和借鑒。
引言
地下式污水處理廠起源于上世紀(jì)初的北歐國家芬蘭，主要是將污水廠水處理構(gòu)筑物及輔助建筑物緊湊地設(shè)置在一個車間內(nèi)，該車間整體或部分布置于地面以下，大多采用箱體結(jié)構(gòu)。地下污水廠的構(gòu)筑物布置形式可大致分為全地下式單層加蓋、全地下式雙層加蓋、半地下式雙層加蓋、半地上式雙層加蓋[1]。
相較于常規(guī)地上式污水廠，其優(yōu)勢在于：地下污水廠整體占地少，布局緊湊;具有良好的密閉性，二次污染基本消除;穩(wěn)定的溫度環(huán)境使出水保證率高;另外由于地下污水廠設(shè)于地下，對采光照明、通風(fēng)除臭、消防、防洪(澇)等要求也較高，故地下式污水廠除投資較地上式污水廠更高外，運行成本也會有所增加。因此在開展地下式污水廠的項目建設(shè)時需統(tǒng)籌考慮城區(qū)土地價值及周邊土地利用率，在應(yīng)用場景上更加契合大城市用地緊張的區(qū)域。
地下式污水廠在我國起步較晚，但發(fā)展較為迅速，目前集中應(yīng)用在經(jīng)濟較發(fā)達、人口密度高、對土地資源要求和環(huán)境質(zhì)量要求較高的城市及地區(qū)。例如，珠海市前山水質(zhì)凈化廠(地下)處理規(guī)模為10萬m3/d，采用AAO+MBR處理工藝，出水水質(zhì)優(yōu)于GB 18918-2002一級A排放標(biāo)準(zhǔn)和廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)值[2]。青島某商業(yè)區(qū)附近全地下污水廠規(guī)模為4萬m3/d，廠區(qū)占地1.31hm2，采用生物池+MBR主體工藝，出水同時滿足GB 18918-2002一級A排放標(biāo)準(zhǔn)、GB/T18921-2002中娛樂景觀環(huán)境用水標(biāo)準(zhǔn)和青島地方標(biāo)準(zhǔn)要求等[3]。宜都市城西污水處理廠(半地下式)采用改良型A2O+MBR工藝處理污水，出水水質(zhì)達到GB 18918-2002一級A排放標(biāo)準(zhǔn)[4]。當(dāng)前在北上廣深等一線城市，清遠、昆明、大理等環(huán)境敏感區(qū)域以及杭州、青島、合肥、溫州等人口密度較高地區(qū)均有運行或在建的地下污水廠。
1、地下污水廠常用工藝
1.1 常規(guī)工藝
地下式污水處理廠項目的建設(shè)或出于對出水水質(zhì)的高要求以作為臨近水體的生態(tài)補水，一般需達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中的一級A標(biāo)準(zhǔn)及以上;或出于對選址用地的集約節(jié)地要求，用地面積一般無法滿足常規(guī)布置的需求;或出于降低選址對周邊用地價值的鄰避效應(yīng)，減少對周邊的二次污染等。
目前大多地下污水廠二級處理核心工藝中通常選擇如改良A2/O工藝、深床濾池、MBBR工藝等一些運行成熟、能耗較低的工藝或其組合。據(jù)侯峰等人對國內(nèi)地下污水廠設(shè)計、在建及運行地下污水廠的調(diào)研[5]，有一半以上的地下污水廠采用A2O及其改良工藝作為污水處理主工藝;其次，有超過四分之一的地下污水廠采用MBR作為主工藝;另有IFAS、MBBR工藝等高效生物膜工藝在地下污水廠中也有應(yīng)用。
1.2 布置形式
地下式污水處理廠的布置形式主要分為：全地下式(單層加蓋或雙層加蓋)和半地下式布局(雙層加蓋)[6]。一般地上式污水處理廠泥水分離多采用圓形幅流式二沉池，地下式處理廠受限于空間以及集約用地的要求，多采用單層或雙層矩形沉淀池。此外，MBR膜也是一種常見的泥水分離方式。
2、工程實例
2.1 項目概況
為有效解決武漢市黃孝河明渠起端旱季污水溢流污染問題，從明渠源頭進行污染控制，同時兼顧雨天的合流制溢流污染的控制，依據(jù)上位規(guī)劃在明渠東側(cè)一處條狀地塊選址修建一座10×104 m3/d水質(zhì)凈化廠以解決區(qū)域城市污水問題。
由于周邊臨近有較為密集的住宅區(qū)和大型商圈，公用設(shè)施建設(shè)用地面積有限且形式為條狀，綜合考慮出水水質(zhì)、對周邊的環(huán)境影響等多方面因素，設(shè)計確定采用全地下式污水廠。出水水質(zhì)除TN按≤15 mg/L執(zhí)行、SS按≤10 mg/L執(zhí)行外，其它主要指標(biāo)均執(zhí)行地表Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。該污水廠處理后尾水排入黃孝河明渠，作為明渠的生態(tài)補水。
2.2 處理工藝
參考臨近污水處理廠進水水質(zhì)和地方建設(shè)單位對出水要求，確定本工程進、出水水質(zhì)的要求(見表1)，二級生物處理工藝采用脫氮除磷工藝，應(yīng)用于城市污水處理的活性污泥法有A2/O系列、氧化溝系列和SBR系列等;生物膜法有BAF和MBBR等工藝;MBR工藝也是新型的污水處理工藝。考慮到項目附近明渠起端周邊的實際情況、合流制污水水質(zhì)的波動性，結(jié)合尾水作為生態(tài)補水的用途，確定該污水廠的工藝流程如圖1。
該工藝采用多點進水，厭氧區(qū)和缺氧區(qū)均設(shè)進水口，以解決缺氧區(qū)碳源不足問題。A2O生化池混合液采用分段回流，缺氧池混合液回流至厭氧池實現(xiàn)厭氧釋磷，好氧池混合液回流至缺氧池實現(xiàn)硝化液回流，膜池內(nèi)剩余污泥外回流至好氧池。生化池的內(nèi)回流及外回流比例可據(jù)進水水質(zhì)情況進行靈活控制，可最大限度利用碳源，提高脫氮率和抗晴雨季動態(tài)變化水質(zhì)的能力。
為減少占地面積和提高出水水質(zhì)，該工藝泥水分離通過深度處理段MBR膜完成，由于污水處理車間采用全地埋設(shè)置，結(jié)構(gòu)形式采用箱體，構(gòu)筑物均加蓋以便臭氣收集和處理。
2.3 處理車間布置
地下式污水處理廠需考慮污水處理設(shè)施及輔助設(shè)施的布置，按常規(guī)設(shè)置兩條獨立的污水處理線，同時還要將這兩類設(shè)施集成于一體。這既需要結(jié)合用地條件，又要結(jié)合區(qū)間功能與安裝施工、巡視檢修等所需空間以及通風(fēng)除臭、采光照明、消防等要求統(tǒng)籌考慮。
建設(shè)方給定的用地范圍是一個長約500 m、寬約80 m的條狀地塊，其南面為鐵路，西面為大型商圈，東面為高架路，用地條件有限。建設(shè)方要求布置處理規(guī)模為10×104 m3/d的地下式污水處理廠，處理后尾水排入臨近明渠作為生態(tài)補水。綜合上述邊界條件，優(yōu)化設(shè)計后確定該地下污水廠處理車間平面布置見圖2。
2.3 處理車間布置
地下式污水處理廠需考慮污水處理設(shè)施及輔助設(shè)施的布置，按常規(guī)設(shè)置兩條獨立的污水處理線，同時還要將這兩類設(shè)施集成于一體。這既需要結(jié)合用地條件，又要結(jié)合區(qū)間功能與安裝施工、巡視檢修等所需空間以及通風(fēng)除臭、采光照明、消防等要求統(tǒng)籌考慮。
建設(shè)方給定的用地范圍是一個長約500 m、寬約80 m的條狀地塊，其南面為鐵路，西面為大型商圈，東面為高架路，用地條件有限。建設(shè)方要求布置處理規(guī)模為10×104 m3/d的地下式污水處理廠，處理后尾水排入臨近明渠作為生態(tài)補水。綜合上述邊界條件，優(yōu)化設(shè)計后確定該地下污水廠處理車間平面布置見圖2。整個污水處理車間長約282 m，寬約64 m，采用雙層加蓋形式，車間主要分兩層，上層為設(shè)備操作層和車道，下層為構(gòu)筑物層及管廊。上層層高約6.6 m，下層層高約7.0 m。整個車間頂部覆土厚度1.6 m以上;車間下部距設(shè)計地面局部最深處約15.4m(生化池和應(yīng)急溢流泵房底板內(nèi)底)，其他部分約在地下9.4 m～13.4 m之間。
預(yù)處理區(qū)主要為細(xì)格柵、膜格柵及曝氣沉砂區(qū)，包括柵渣處理區(qū)，豎向上考慮細(xì)格柵池下部空間的利用，作為空壓機等設(shè)備間。預(yù)處理區(qū)與生化處理區(qū)之間的空間也作為水箱及設(shè)備間利用。
生化處理區(qū)則為A2O主工藝區(qū)，在結(jié)構(gòu)和豎向設(shè)計上作為最大埋深處，整體為鍋底狀，其關(guān)鍵在于生物池溢流排水去處，包括膜池的反洗排水。為減少占地，結(jié)合管廊首層道路的設(shè)置，本次設(shè)計將膜池反洗排水及構(gòu)筑物溢流排水全部納入管廊最底層的排水泵房和溢流泵房內(nèi)，再由該泵房壓力輸送至預(yù)處理進水端。在本設(shè)計中除臭設(shè)施置于生化池頂板上，充分利用生物池頂板上的空間。
設(shè)備及加藥間包括MBR產(chǎn)水泵、鼓風(fēng)機房、配電間、加藥間等，構(gòu)成附屬綜合車間;污泥處理區(qū)則包括污泥脫水間、泥庫、消毒間等。加藥間藥劑采用液體藥劑地面卸料方式，通過卸料泵將藥劑接入加藥間。離心濃縮脫水后污泥通過管廊地下一層車行通道收集外運處置。該地下式污水廠僅有綜合樓與驛站(地上景觀配套)布置在處理車間外。
該污水處理車間占地約1.8 hm2，考慮地上景觀及配套設(shè)施總用地紅線的面積約2.91 hm2，根據(jù)《城市污水處理工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中污水處理廠對用地指標(biāo)的要求，二級處理加深度處理每噸水占地指標(biāo)為0.8 m2，該地下污水廠占地僅為同規(guī)模常規(guī)地面污水處理廠占地(8 hm2)的36.4%。
2.4 主要設(shè)計參數(shù)
2.4.1 進水及預(yù)處理單元
進水由明渠自流進入進水結(jié)合井，經(jīng)結(jié)合井內(nèi)粉碎性格柵機處理后通過下開式堰門自流進入地埋污水廠細(xì)格柵池，細(xì)格柵、曝氣沉砂池及膜格柵作為預(yù)處理單元組合在一起，其中細(xì)格柵池分3格、曝氣沉砂池分2格、膜格柵池分4格，在預(yù)處理終端形成兩組配水井。細(xì)格柵間安裝3臺柵隙為5mm的內(nèi)進流網(wǎng)板式細(xì)格柵;膜格柵間安裝4臺柵隙為1 mm的內(nèi)進流網(wǎng)板式精細(xì)膜格柵。
曝氣沉砂池分為兩格，每格裝有10處T型鋼制穿孔管，供氣由兩套螺桿鼓風(fēng)機提供，單臺流量18m3/min，風(fēng)壓39.2kPa。每格安裝1臺漂浮螺桿，通過管道輸送至浮渣分離一體機。另設(shè)兩套氣提吸砂泵(含氣提風(fēng)機)和一套砂水分離器Q=60m3/h。曝氣沉砂池水力停留時間為6.5min，水平流速0.07m/s，曝氣量0.2Nm3/m3污水。
2.4.2 生化處理單元
生化單元為A2/O生化池，設(shè)兩組，對稱布置形成整體，中間由隔墻分隔，每座由厭氧區(qū)、缺氧區(qū)及好氧區(qū)組成，采用厭氧區(qū)和缺氧區(qū)分段進水方式，既補充了反硝化碳源以提高脫氮效率，又消耗了硝化液回流所攜帶DO優(yōu)化缺氧環(huán)境。
厭氧、缺氧及好氧區(qū)均設(shè)計成由導(dǎo)流墻推流式的矩形水池串聯(lián)而成，厭、缺氧區(qū)內(nèi)均設(shè)潛水推進器，缺氧至厭氧區(qū)、好氧至缺氧區(qū)均在隔墻設(shè)3臺混合液回流穿墻潛水泵?；亓鞅确謩e為100~200%和300~400%。MBR膜池內(nèi)污泥回流到好氧區(qū)的回流比為300~400%。污泥回流由MBR膜池回流渠道內(nèi)8臺(六用兩備)污泥回流泵提供動能，將膜池污泥回流至好氧區(qū)起端;同時還裝設(shè)兩臺剩余污泥泵，單泵流量130 m3/h，揚程16 m，吸程4 m。A2/O生化池設(shè)計泥齡為12 d，污泥負(fù)荷為0.055 kgBOD5/(kgMLSS?d)，總停留時間為10.35 h。
生物池好氧區(qū)池底設(shè)板條式曝氣器。A2/O生化池好氧區(qū)設(shè)計氣水比為5.2:1，由鼓風(fēng)機房內(nèi)3臺帶變頻裝置的空氣懸浮鼓風(fēng)機提供曝氣，單機供氣量為181 m3/min。
2.4.3 深度處理單元
MBR膜池均分為2組，主要承擔(dān)泥水分離功能，同時可強化有機物和氮的去除效果提高出水水質(zhì)。本工藝為節(jié)省用地將MBR膜池與A2/O生化池合建，通過渠道調(diào)整MBR進、出水方向，將膜池的進水引入后端，而回流液在膜池前端，即生物池后端，采用穿墻泵和回流渠進行污泥回流。
膜池共分7列，每列安裝膜組件19個，每列預(yù)留膜組件安裝空位1個，本深度處理單元共安裝膜組件數(shù)量133個。選用聚偏氟乙烯(PVDF)浸沒式中空纖維膜，過濾孔徑0.04 μm，設(shè)計膜面積共計237910.4 m2，平均膜通量17.5 L/(m2.h)，峰值膜通量為22.7 L/(m2?h)，最大跨膜壓差0.05 MPa，膜組件產(chǎn)水10~12 min，反吹掃1 min。MBR膜池一側(cè)設(shè)置酸洗池、堿洗池、沖洗水池及反沖洗水池。膜池吹掃由鼓風(fēng)機房內(nèi)3臺帶變頻裝置的空氣懸浮鼓風(fēng)機提供，膜池內(nèi)氣水比9:1。
采用3套紫外線消毒裝置，每套裝置平均處理流量1389m3/h，峰值流量1806 m3/h。紫外消毒設(shè)備紫外線劑量在15mJ/cm2~22mJ/cm2。此外預(yù)留應(yīng)急時NaClO的投加及相應(yīng)管路系統(tǒng)。
出水經(jīng)巴氏計量槽計量后排入臨近明渠作為生態(tài)補水。
2.4.4 污泥處理單元
污泥處理單元由污泥緩沖池、離心式濃縮脫水一體機及污泥料倉組成，設(shè)有5套離心濃縮脫水一體設(shè)備(四用一備)，每套處理量50 m3/h，剩余污泥含水率由99.4%降至80%以下，每日運行16 h，最大污泥產(chǎn)量16000 kg/d(干重)。輔助設(shè)施包括污泥切割機、污泥進料泵、加藥泵、沖洗裝置及制藥設(shè)備。
每臺脫水機配套脫水后干污泥輸送泵，脫水污泥被送至污泥料倉，2套污泥料倉總?cè)莘e為100 m3，卸料能力30 m3/h。脫水機設(shè)置兩套PAM制配系統(tǒng)，一用一備，配置能力5 kg/h，配備5臺PAM投藥泵，單泵1500 L/h，投加點位包括污泥脫水前和污泥緩沖池中。
2.4.5 加藥單元
加藥間藥劑配置均采用液態(tài)藥劑，包括混凝劑PAC、碳源NaAc、膜清洗藥劑檸檬酸和NaClO，設(shè)卸藥泵，流量均為20m3/h，加藥間配置藥劑儲罐及其投配系統(tǒng)。
PAC藥劑投加點為好氧池出水端，PE儲罐20m3，單泵350L/h。NaAc投加至生化池缺氧區(qū)補充碳源，PE儲罐20m3，單泵500L/h;檸檬酸原位清洗投加至產(chǎn)水泵吸水管、酸洗池和水洗池;NaClO原位清洗投加至產(chǎn)水泵吸水管、堿洗池、水洗池和反沖洗池。
2.4.6 除臭及通風(fēng)單元
除臭采用生物除臭方式，所需密閉、收集及除臭的構(gòu)筑物及設(shè)施主要為進水及預(yù)處理單元、二級生化處理單元和污泥脫水機房等，設(shè)計除臭為兩套系統(tǒng)，總風(fēng)量為100000m3/h。
車間內(nèi)地下一層過道、地下二層管廊、鼓風(fēng)機房、加藥間、膜設(shè)備間、細(xì)格柵、膜格柵、曝氣沉砂池等設(shè)備集中區(qū)域采用機械排煙、自然補風(fēng)的方式，脫水車間、儲泥池、變配電間、生物池上部及地下一層走道和地下二層管廊采用加壓送風(fēng)。
設(shè)計選用單速導(dǎo)翼型風(fēng)機和高溫雙速消防風(fēng)機，雙速消防風(fēng)機平時低速排風(fēng)，火災(zāi)時高速排煙;脫水機、變配電間、MBR膜池及生物池上部、地下一層走道采用單速導(dǎo)翼型風(fēng)機，泥庫、鼓風(fēng)機房、加藥間、膜設(shè)備間、預(yù)處理區(qū)、儀表間及地下一層走道及地下二層管廊采用高溫消防風(fēng)機，脫水間、變配電間及地下一層走道采用單速消防加壓送風(fēng)機。共設(shè)置9套排風(fēng)(煙)系統(tǒng)，換風(fēng)次數(shù)根據(jù)區(qū)域性質(zhì)按3～8次/h設(shè)計。
4、結(jié)論與展望
黃孝河鐵路橋地下凈化水廠設(shè)計規(guī)模為10×104m3/d，采用A2O+MBR作為核心生物處理組合工藝，設(shè)計出水除TN和SS的限值濃度分別為15 mg/L和10 mg/L外，其余主要出水水質(zhì)均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中地表水IV類水標(biāo)準(zhǔn)，處理后尾水排入黃孝河明渠作為生態(tài)補水，目前該污水廠正處于建設(shè)中。
全地下式水廠工藝設(shè)計需充分利用下沉箱體的平面功能劃分和豎向結(jié)構(gòu)合并，為便于開挖支護、地基處理及抗浮設(shè)計，箱體總體布置應(yīng)盡量將埋設(shè)深度相近的構(gòu)筑物集中設(shè)置，實現(xiàn)相同標(biāo)高共底板，避免高程錯落。此外，從運營維護角度考慮需重點統(tǒng)籌采光、通風(fēng)和消防設(shè)計，此三者可有效節(jié)省運行能耗同時保障污水處理廠運行的安全性。
地上式和地下式污水廠功能相同，但在設(shè)計上重點存在差異。地上式污水廠設(shè)計中次要的因素如受限于空間及限高的設(shè)備吊裝、安裝，采光與通風(fēng)除臭等則成為地下式污水廠設(shè)計中首要考慮因素。尤其是地下式污水廠的除臭和消防，為節(jié)省除臭設(shè)備功率，除臭裝置宜設(shè)置在除臭風(fēng)量最大的單元附近，以減少風(fēng)管投資及運行費用;為保障消防安全，人員活動密集區(qū)域宜盡量布置集中，不宜分散設(shè)置。
本項目總投資約6億元，噸水投資約6000元/m3污水，較常規(guī)地上式污水處理廠建造成本3000元/m3污水增加約一倍，因此當(dāng)采用全地下式污水處理廠必須權(quán)衡周邊影響和投資成本兩者的關(guān)系。