黄孝河铁路桥地下净化水厂工程设计实例
摘要：与传统地面式污水厂相比，地下污水处理厂具有节约土地资源、降低二次污染风险、减少病原体传播、可多元化利用地面空间等优点，近年来成为我国城市污水处理设施建设的重点环节。黄孝河铁路桥地下净化水厂设计规模10×104m3/d，占地2.91hm2，以A2O+MBR作为核心生物处理组合工艺处理合流制污水，出水水质除TN和SS限值分别为15 mg/L和10 mg/L外，其余主要出水水质指标达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中IV类水质标准，处理后的尾水排入黄孝河明渠作为生态补水。本文对该工程的平面布局及设计参数进行了详细说明，以期对后续地下污水厂的工艺设置及设备布局提供参考和借鉴。
引言
地下式污水处理厂起源于上世纪初的北欧国家芬兰，主要是将污水厂水处理构筑物及辅助建筑物紧凑地设置在一个车间内，该车间整体或部分布置于地面以下，大多采用箱体结构。地下污水厂的构筑物布置形式可大致分为全地下式单层加盖、全地下式双层加盖、半地下式双层加盖、半地上式双层加盖[1]。
相较于常规地上式污水厂，其优势在于：地下污水厂整体占地少，布局紧凑;具有良好的密闭性，二次污染基本消除;稳定的温度环境使出水保证率高;另外由于地下污水厂设于地下，对采光照明、通风除臭、消防、防洪(涝)等要求也较高，故地下式污水厂除投资较地上式污水厂更高外，运行成本也会有所增加。因此在开展地下式污水厂的项目建设时需统筹考虑城区土地价值及周边土地利用率，在应用场景上更加契合大城市用地紧张的区域。
地下式污水厂在我国起步较晚，但发展较为迅速，目前集中应用在经济较发达、人口密度高、对土地资源要求和环境质量要求较高的城市及地区。例如，珠海市前山水质净化厂(地下)处理规模为10万m3/d，采用AAO+MBR处理工艺，出水水质优于GB 18918-2002一级A排放标准和广东省地方标准更严值[2]。青岛某商业区附近全地下污水厂规模为4万m3/d，厂区占地1.31hm2，采用生物池+MBR主体工艺，出水同时满足GB 18918-2002一级A排放标准、GB/T18921-2002中娱乐景观环境用水标准和青岛地方标准要求等[3]。宜都市城西污水处理厂(半地下式)采用改良型A2O+MBR工艺处理污水，出水水质达到GB 18918-2002一级A排放标准[4]。当前在北上广深等一线城市，清远、昆明、大理等环境敏感区域以及杭州、青岛、合肥、温州等人口密度较高地区均有运行或在建的地下污水厂。
1、地下污水厂常用工艺
1.1 常规工艺
地下式污水处理厂项目的建设或出于对出水水质的高要求以作为临近水体的生态补水，一般需达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级A标准及以上;或出于对选址用地的集约节地要求，用地面积一般无法满足常规布置的需求;或出于降低选址对周边用地价值的邻避效应，减少对周边的二次污染等。
目前大多地下污水厂二级处理核心工艺中通常选择如改良A2/O工艺、深床滤池、MBBR工艺等一些运行成熟、能耗较低的工艺或其组合。据侯峰等人对国内地下污水厂设计、在建及运行地下污水厂的调研[5]，有一半以上的地下污水厂采用A2O及其改良工艺作为污水处理主工艺;其次，有超过四分之一的地下污水厂采用MBR作为主工艺;另有IFAS、MBBR工艺等高效生物膜工艺在地下污水厂中也有应用。
1.2 布置形式
地下式污水处理厂的布置形式主要分为：全地下式(单层加盖或双层加盖)和半地下式布局(双层加盖)[6]。一般地上式污水处理厂泥水分离多采用圆形幅流式二沉池，地下式处理厂受限于空间以及集约用地的要求，多采用单层或双层矩形沉淀池。此外，MBR膜也是一种常见的泥水分离方式。
2、工程实例
2.1 项目概况
为有效解决武汉市黄孝河明渠起端旱季污水溢流污染问题，从明渠源头进行污染控制，同时兼顾雨天的合流制溢流污染的控制，依据上位规划在明渠东侧一处条状地块选址修建一座10×104 m3/d水质净化厂以解决区域城市污水问题。
由于周边临近有较为密集的住宅区和大型商圈，公用设施建设用地面积有限且形式为条状，综合考虑出水水质、对周边的环境影响等多方面因素，设计确定采用全地下式污水厂。出水水质除TN按≤15 mg/L执行、SS按≤10 mg/L执行外，其它主要指标均执行地表Ⅳ类水质标准。该污水厂处理后尾水排入黄孝河明渠，作为明渠的生态补水。
2.2 处理工艺
参考临近污水处理厂进水水质和地方建设单位对出水要求，确定本工程进、出水水质的要求(见表1)，二级生物处理工艺采用脱氮除磷工艺，应用于城市污水处理的活性污泥法有A2/O系列、氧化沟系列和SBR系列等;生物膜法有BAF和MBBR等工艺;MBR工艺也是新型的污水处理工艺。考虑到项目附近明渠起端周边的实际情况、合流制污水水质的波动性，结合尾水作为生态补水的用途，确定该污水厂的工艺流程如图1。
该工艺采用多点进水，厌氧区和缺氧区均设进水口，以解决缺氧区碳源不足问题。A2O生化池混合液采用分段回流，缺氧池混合液回流至厌氧池实现厌氧释磷，好氧池混合液回流至缺氧池实现硝化液回流，膜池内剩余污泥外回流至好氧池。生化池的内回流及外回流比例可据进水水质情况进行灵活控制，可最大限度利用碳源，提高脱氮率和抗晴雨季动态变化水质的能力。
为减少占地面积和提高出水水质，该工艺泥水分离通过深度处理段MBR膜完成，由于污水处理车间采用全地埋设置，结构形式采用箱体，构筑物均加盖以便臭气收集和处理。
2.3 处理车间布置
地下式污水处理厂需考虑污水处理设施及辅助设施的布置，按常规设置两条独立的污水处理线，同时还要将这两类设施集成于一体。这既需要结合用地条件，又要结合区间功能与安装施工、巡视检修等所需空间以及通风除臭、采光照明、消防等要求统筹考虑。
建设方给定的用地范围是一个长约500 m、宽约80 m的条状地块，其南面为铁路，西面为大型商圈，东面为高架路，用地条件有限。建设方要求布置处理规模为10×104m3/d的地下式污水处理厂，处理后尾水排入临近明渠作为生态补水。综合上述边界条件，优化设计后确定该地下污水厂处理车间平面布置见图2。
2.3 处理车间布置
地下式污水处理厂需考虑污水处理设施及辅助设施的布置，按常规设置两条独立的污水处理线，同时还要将这两类设施集成于一体。这既需要结合用地条件，又要结合区间功能与安装施工、巡视检修等所需空间以及通风除臭、采光照明、消防等要求统筹考虑。
建设方给定的用地范围是一个长约500 m、宽约80 m的条状地块，其南面为铁路，西面为大型商圈，东面为高架路，用地条件有限。建设方要求布置处理规模为10×104m3/d的地下式污水处理厂，处理后尾水排入临近明渠作为生态补水。综合上述边界条件，优化设计后确定该地下污水厂处理车间平面布置见图2。整个污水处理车间长约282 m，宽约64 m，采用双层加盖形式，车间主要分两层，上层为设备操作层和车道，下层为构筑物层及管廊。上层层高约6.6 m，下层层高约7.0 m。整个车间顶部覆土厚度1.6 m以上;车间下部距设计地面局部最深处约15.4m(生化池和应急溢流泵房底板内底)，其他部分约在地下9.4 m～13.4 m之间。
预处理区主要为细格栅、膜格栅及曝气沉砂区，包括栅渣处理区，竖向上考虑细格栅池下部空间的利用，作为空压机等设备间。预处理区与生化处理区之间的空间也作为水箱及设备间利用。
生化处理区则为A2O主工艺区，在结构和竖向设计上作为最大埋深处，整体为锅底状，其关键在于生物池溢流排水去处，包括膜池的反洗排水。为减少占地，结合管廊首层道路的设置，本次设计将膜池反洗排水及构筑物溢流排水全部纳入管廊最底层的排水泵房和溢流泵房内，再由该泵房压力输送至预处理进水端。在本设计中除臭设施置于生化池顶板上，充分利用生物池顶板上的空间。
设备及加药间包括MBR产水泵、鼓风机房、配电间、加药间等，构成附属综合车间;污泥处理区则包括污泥脱水间、泥库、消毒间等。加药间药剂采用液体药剂地面卸料方式，通过卸料泵将药剂接入加药间。离心浓缩脱水后污泥通过管廊地下一层车行通道收集外运处置。该地下式污水厂仅有综合楼与驿站(地上景观配套)布置在处理车间外。
该污水处理车间占地约1.8 hm2，考虑地上景观及配套设施总用地红线的面积约2.91 hm2，根据《城市污水处理工程项目建设标准》中污水处理厂对用地指标的要求，二级处理加深度处理每吨水占地指标为0.8 m2，该地下污水厂占地仅为同规模常规地面污水处理厂占地(8 hm2)的36.4%。
2.4 主要设计参数
2.4.1 进水及预处理单元
进水由明渠自流进入进水结合井，经结合井内粉碎性格栅机处理后通过下开式堰门自流进入地埋污水厂细格栅池，细格栅、曝气沉砂池及膜格栅作为预处理单元组合在一起，其中细格栅池分3格、曝气沉砂池分2格、膜格栅池分4格，在预处理终端形成两组配水井。细格栅间安装3台栅隙为5mm的内进流网板式细格栅;膜格栅间安装4台栅隙为1 mm的内进流网板式精细膜格栅。
曝气沉砂池分为两格，每格装有10处T型钢制穿孔管，供气由两套螺杆鼓风机提供，单台流量18m3/min，风压39.2kPa。每格安装1台漂浮螺杆，通过管道输送至浮渣分离一体机。另设两套气提吸砂泵(含气提风机)和一套砂水分离器Q=60m3/h。曝气沉砂池水力停留时间为6.5min，水平流速0.07m/s，曝气量0.2Nm3/m3污水。
2.4.2 生化处理单元
生化单元为A2/O生化池，设两组，对称布置形成整体，中间由隔墙分隔，每座由厌氧区、缺氧区及好氧区组成，采用厌氧区和缺氧区分段进水方式，既补充了反硝化碳源以提高脱氮效率，又消耗了硝化液回流所携带DO优化缺氧环境。
厌氧、缺氧及好氧区均设计成由导流墙推流式的矩形水池串联而成，厌、缺氧区内均设潜水推进器，缺氧至厌氧区、好氧至缺氧区均在隔墙设3台混合液回流穿墙潜水泵。回流比分别为100~200%和300~400%。MBR膜池内污泥回流到好氧区的回流比为300~400%。污泥回流由MBR膜池回流渠道内8台(六用两备)污泥回流泵提供动能，将膜池污泥回流至好氧区起端;同时还装设两台剩余污泥泵，单泵流量130 m3/h，扬程16 m，吸程4 m。A2/O生化池设计泥龄为12 d，污泥负荷为0.055 kgBOD5/(kgMLSS·d)，总停留时间为10.35 h。
生物池好氧区池底设板条式曝气器。A2/O生化池好氧区设计气水比为5.2:1，由鼓风机房内3台带变频装置的空气悬浮鼓风机提供曝气，单机供气量为181 m3/min。
2.4.3 深度处理单元
MBR膜池均分为2组，主要承担泥水分离功能，同时可强化有机物和氮的去除效果提高出水水质。本工艺为节省用地将MBR膜池与A2/O生化池合建，通过渠道调整MBR进、出水方向，将膜池的进水引入后端，而回流液在膜池前端，即生物池后端，采用穿墙泵和回流渠进行污泥回流。
膜池共分7列，每列安装膜组件19个，每列预留膜组件安装空位1个，本深度处理单元共安装膜组件数量133个。选用聚偏氟乙烯(PVDF)浸没式中空纤维膜，过滤孔径0.04 μm，设计膜面积共计237910.4 m2，平均膜通量17.5 L/(m2.h)，峰值膜通量为22.7 L/(m2•h)，最大跨膜压差0.05 MPa，膜组件产水10~12 min，反吹扫1 min。MBR膜池一侧设置酸洗池、碱洗池、冲洗水池及反冲洗水池。膜池吹扫由鼓风机房内3台带变频装置的空气悬浮鼓风机提供，膜池内气水比9:1。
采用3套紫外线消毒装置，每套装置平均处理流量1389m3/h，峰值流量1806 m3/h。紫外消毒设备紫外线剂量在15mJ/cm2~22mJ/cm2。此外预留应急时NaClO的投加及相应管路系统。
出水经巴氏计量槽计量后排入临近明渠作为生态补水。
2.4.4 污泥处理单元
污泥处理单元由污泥缓冲池、离心式浓缩脱水一体机及污泥料仓组成，设有5套离心浓缩脱水一体设备(四用一备)，每套处理量50 m3/h，剩余污泥含水率由99.4%降至80%以下，每日运行16 h，最大污泥产量16000 kg/d(干重)。辅助设施包括污泥切割机、污泥进料泵、加药泵、冲洗装置及制药设备。
每台脱水机配套脱水后干污泥输送泵，脱水污泥被送至污泥料仓，2套污泥料仓总容积为100 m3，卸料能力30 m3/h。脱水机设置两套PAM制配系统，一用一备，配置能力5 kg/h，配备5台PAM投药泵，单泵1500 L/h，投加点位包括污泥脱水前和污泥缓冲池中。
2.4.5 加药单元
加药间药剂配置均采用液态药剂，包括混凝剂PAC、碳源NaAc、膜清洗药剂柠檬酸和NaClO，设卸药泵，流量均为20m3/h，加药间配置药剂储罐及其投配系统。
PAC药剂投加点为好氧池出水端，PE储罐20m3，单泵350L/h。NaAc投加至生化池缺氧区补充碳源，PE储罐20m3，单泵500L/h;柠檬酸原位清洗投加至产水泵吸水管、酸洗池和水洗池;NaClO原位清洗投加至产水泵吸水管、碱洗池、水洗池和反冲洗池。
2.4.6 除臭及通风单元
除臭采用生物除臭方式，所需密闭、收集及除臭的构筑物及设施主要为进水及预处理单元、二级生化处理单元和污泥脱水机房等，设计除臭为两套系统，总风量为100000m3/h。
车间内地下一层过道、地下二层管廊、鼓风机房、加药间、膜设备间、细格栅、膜格栅、曝气沉砂池等设备集中区域采用机械排烟、自然补风的方式，脱水车间、储泥池、变配电间、生物池上部及地下一层走道和地下二层管廊采用加压送风。
设计选用单速导翼型风机和高温双速消防风机，双速消防风机平时低速排风，火灾时高速排烟;脱水机、变配电间、MBR膜池及生物池上部、地下一层走道采用单速导翼型风机，泥库、鼓风机房、加药间、膜设备间、预处理区、仪表间及地下一层走道及地下二层管廊采用高温消防风机，脱水间、变配电间及地下一层走道采用单速消防加压送风机。共设置9套排风(烟)系统，换风次数根据区域性质按3～8次/h设计。
4、结论与展望
黄孝河铁路桥地下净化水厂设计规模为10×104m3/d，采用A2O+MBR作为核心生物处理组合工艺，设计出水除TN和SS的限值浓度分别为15 mg/L和10 mg/L外，其余主要出水水质均满足《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中地表水IV类水标准，处理后尾水排入黄孝河明渠作为生态补水，目前该污水厂正处于建设中。
全地下式水厂工艺设计需充分利用下沉箱体的平面功能划分和竖向结构合并，为便于开挖支护、地基处理及抗浮设计，箱体总体布置应尽量将埋设深度相近的构筑物集中设置，实现相同标高共底板，避免高程错落。此外，从运营维护角度考虑需重点统筹采光、通风和消防设计，此三者可有效节省运行能耗同时保障污水处理厂运行的安全性。
地上式和地下式污水厂功能相同，但在设计上重点存在差异。地上式污水厂设计中次要的因素如受限于空间及限高的设备吊装、安装，采光与通风除臭等则成为地下式污水厂设计中首要考虑因素。尤其是地下式污水厂的除臭和消防，为节省除臭设备功率，除臭装置宜设置在除臭风量最大的单元附近，以减少风管投资及运行费用;为保障消防安全，人员活动密集区域宜尽量布置集中，不宜分散设置。
本项目总投资约6亿元，吨水投资约6000元/m3污水，较常规地上式污水处理厂建造成本3000元/m3污水增加约一倍，因此当采用全地下式污水处理厂必须权衡周边影响和投资成本两者的关系。
