全地下式处理设施与溢流污染控制的设计与运行
导语：为了控制溢流污染和初期雨水污染，兼顾旱天和雨天处理运行需求，葛塘河净水站采用了污水处理设施、调蓄池和地下停车场一体化全地下合建的方式。
污水处理采用膜生物反应器(MBR)主体工艺，设计规模为1.20万m3/d，调蓄池设计规模为5 000m3。净水站兼具污水处理、雨水调蓄以及城市交通调节等功能。
实际运行状况表明，净水站在旱天和雨天出水水质均稳定达到了一级A标准。满负荷运行情况下，旱天可削减入河污染物CODCr为1 533 t/a、氨气为109.5 t/a; 雨天可削减COD为210 t/a、SS为144 t/a。全地下式净水站用地面积仅6 100 m2，建设用地指标远低于1.50~ 1.20 m2/(m3·d-1)的限值。同时，与地面景观公园及周边环境相融合，既具备布局紧凑、节地、运行灵活高效等特点，又达到“邻避”变“邻利”的目的。为建设环境友好的地下式污水处理厂提供了设计参考以及实际工程经验。
01、建设规模和形式
1.1 建设规模
葛塘河排水片区面积为5.32 m2，根据现状排水管网，片区内共分为8个汇水分区，规划建设3座调蓄池和2座净水站。其中，葛塘河净水站服务范围为1.63 km2，经人均综合用水指标法和分类用地用水指标法测算，至2025年污水量为1.16万m3/d。因此，确定净水站污水处理规模为1.20万m3/d。
根据《南京市海绵城市专项规划》，典型流域的面源污染削减率达到50%的控制要求时，初期雨水弃流量约为5 mm，一般区域按面积加权估算的径流系数在0.5～0.8。因此，计算确定葛塘河净水站处的调蓄池设计规模为5 000 m3。调蓄池近期用于收集降雨期间的混合雨污水，雨污分流完善后，远期用于收集初期雨水。
1.2 建设形式
葛塘河净水站与调蓄池合建，为充分利用公共空间，同时考虑合建一座小型地下停车场。由于选址位于一处广场下方，为不影响原广场的地上使用功能，考虑净水站采用全地下式。通常，全地下式污水处理厂分为双层加盖和单层加盖，由于该净水站规模较小，综合投资、周边环境等因素，选取单层加盖建设形式。
02、设计水质与处理工艺
2.1 设计进出水水质
葛塘河净水站附近现有一座市政污水处理厂，经对该市政污水处理厂原设计进水水质和近3年实际进水水质进行统计分析，最终确定净水站设计进水水质，如表1所示。
根据目前国家对污水处理厂出水水质的统一要求，参考南京市江北新区目前排放标准考核要求，确定本项目设计出水水质采用《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。
表1 进水水质统计分析
注：括号外数值为水温>12 ℃时的控制指标，括号内数值为水温≤12 ℃时的控制指标。
2.2 工程难点
经对进出水水质统计分析和建设条件分析，本项目设计和实施主要有以下3个工程难点。
(1)用地紧张，布局紧凑：本工程合建净水站、调蓄池和停车场，选址用地面积仅为6 100 m2(含进出通道)，需采用节地型工艺。
(2)兼顾地上地下功能需求：地下设施需满足污水处理达标排放，并需考虑人员、物料、设备进出通道问题，地上在建设后需恢复公共空间功能。
(3)兼顾旱天和雨天处理运行需求：工程设计对旱天和雨天两种工况的水量和水质进行校核，确保出水水质达标。
2.3 主体工艺方案选择
活性污泥法在大型污水处理厂有较多的应用，根据国家住房和城乡建设部的统计数据，截至2010年，在已投入运行的2 739座城市污水处理厂中，10万m3/d 规模以上的污水处理厂有190座，而其中的40%采用了AAO或AO工艺。故本次将AAO工艺作为比选工艺之一。
改良式序列间歇反应器(MSBR)工艺由于较小的占地面积，在市政污水处理中也有较多的应用实例，也可以达到稳定的出水效果，且在江苏地区也有应用。故也作为比选方案之一。
而近年来膜生物反应器(MBR)工艺也广泛用于污水厂的处理中，将MBR工艺作为AAO工艺后端的超滤设施，可以大大提高AAO系统的污泥浓度，减少整个生化系统的体积，从而大幅度减少占地。
本工程中污水厂采用地下式的布置方式，而AAO+MBR工艺可实现集约化的布置，节省用地，故本工程也将AAO+MBR工艺作为比选工艺。
具体方案优缺点比较如表2所示。
表2 方案优缺点比较
由表2可知，AAO+MBR工艺由于膜的维护和更换，虽然运行成本高于另外两个方案，但其处理效果较好，占地面积小，具有较强的适应性和灵活性。此外，其节能减排的效果要远高于其他工艺。朱园园等在AAO+MBR工艺在大型地下式污水处理厂中的应用中发现：AAO+MBR工艺能够稳定实现CODCr、TN、氨氮、TP、SS的去除，出水优于GB 18918—2002一级A的标准要求，且MBR运行稳定。综合考虑到行业发展趋势、用地条件、节能减排及项目投资等方面，本工程采用AAO+MBR工艺。
2.4 工艺方案确定
葛塘河净水站存在旱天和雨天两种运行工况：
旱天时生活污水直接进入污水处理单元，调蓄池空置；
雨天时混合雨污水一边进入污水处理单元，一边进入调蓄池储存，调蓄池储满后雨水溢流，并在雨后缓慢将调蓄水送至污水处理单元处理。
雨天时进水浓度降低，污水处理单元进水流量可短时适当增加，最大流量按增加50%考虑，进水量由进水泵房控制并设置3台变频潜水离心泵。
进水预处理设置4处格栅。其中，前置50 mm粗格栅设置于总进水端共用，调蓄池进水泵房前设置20 mm粗格栅，净水站进水泵房后设置5 mm细格栅和1 mm精细格栅，以保障后续水处理设备和膜过滤正常运行，格栅配备按照雨天最大流量考虑。曝气沉砂池设置于细格栅和精细格栅之间，旱天停留时间为7.5 min，雨天停留时间为5.0 min。
二级处理采用AAO+MBR工艺。经比选，该工艺尤其适用于小规模、用地紧凑的污水处理中。其中，膜分离较常规平流二沉池节地约50%，同时由于膜池污泥富集浓度高，通过污泥回流可使生物反应池内平均污泥浓度较常规活性污泥法高约60%，具有明显的节地优势。二级处理总体设置1次污泥回流和2次内回流，出水水质相对稳定。
尾水消毒采用紫外线消毒工艺，设备选用管道式，与MBR产水泵衔接；
污泥处理采用叠螺式污泥脱水机脱水至80%含水率，外运处置；
除臭土壤滤池采用生物除臭工艺，臭气经管道收集后送至地面土壤滤池，结合地面绿化设置。
总体工艺流程如图1所示。
图1 净水站工艺流程图
03、工程设计
3.1 平面设计
根据进出水位置和用地条件，净水站将污水处理设施、调蓄池和地下停车场合建，具体平面布置如图2和图3所示。其中，箱体最大尺寸为88.5 m×75.5 m。为便于地下建筑内设备和膜池产水泵区域操作与巡检，箱体内长度方向上设置一条走廊，人员可通过楼梯间进入走廊，到达膜池和辅助用房区域。
图2 净水站下层平面布置图
图3 净水站上层平面布置图
由于该箱体采用单层全地下建设方式，部分设备、栅渣和污泥等需在地面设置检修或进出通道。顶层地面洞口分为4类，包括不常开启的设备检修洞口、膜池区域覆面钢格栅盖板、地面风井和人员出入楼梯井。
结合景观公园绿化，地面上设置土壤除臭生物滤池1座。
结合市民广场功能需求，地面完全敞开。地下停车场设置28个停车位，单独设置进出坡道。
3.2 竖向设计
市民广场地面标高为10.7～11.0 m，箱体位于市民广场下方，整体埋深为5.5 m左右；停车场、脱水机房、鼓风机房及变配电间等地下建筑地面标高为6.35 m，净空高度约为4.5 m；预处理区顶标高为11.30 m，略高于广场地面，箱体内设置该区域操作空间；生物反应池顶板标高为10.70 m，超高为90 cm，上部浅覆土为30 cm；膜池顶标高为11.30 m，超高为180 cm；调蓄池顶标高为9.90 m，上部覆土为110 cm。净水站剖面图如图4所示。
图4 净水站剖面图
箱体位于全地下，为避免强降雨时大量雨水进入箱体对人员、电气设备等造成威胁，于进水端设置速闭闸。同时，在设备检修孔盖板开启相对频繁处，箱体顶设计标高高出广场地坪30 cm，开启不频繁处的盖板采用密闭式盖板。车库坡道处设置截洪沟和强排雨水泵，防止雨水进入箱体。
3.3 AAO生物反应池与膜池设计
AAO生物反应池设置两组，每组可单独运行，有效水深为3.6 m。旱天总水力停留时间为10.9 h，其中厌氧区为2.2 h，缺氧区为3.3 h，好氧区为5.4 h。设计外回流比为400%，好氧至缺氧内回流比为200%，缺氧至厌氧内回流比为100%。由于系统内设置多处回流，生物反应池内污泥质量浓度呈梯度变化，厌氧区为3.2 g/L，缺氧区为6.4 g/L，好氧区为9.6 g/L，平均污泥质量浓度为7.4 g/L。雨天较旱天进水浓度降低40%～50%，按水力负荷增加50%校核生物反应池，雨天总水力停留时间为7.3 h，外回流泵备用泵开启，维持生物反应池污泥浓度，确保旱雨天二级出水水质达标。
膜池共设置4格，水深为3.4 m，平均滤速为12.1 L/(m2·h)，雨天峰值滤速为19.4 L/(m2·h)，池内污泥质量浓度为12.0 g/L。膜过滤采用0.03 μm孔径的聚偏二氟乙烯(PVDF)改性中空纤维膜，膜清洗采用连续曝气膜擦洗+间歇在线加药清洗，产水泵扬程为10 m。
根据《城市污水处理工程项目建设标准》(建标198—2022)规定，Ⅳ类(1万～5万m3/d)污水厂单位水量的建设用地控制指标不应超过1.50～1.20 m2/(m3·d-1)。本工程污水处理规模为1.20万m3/d，由内插法计算可得本工程单位水量的建设用地控制指标不应超过1.485 m2/(m3·d-1)，即单位面积不超过17 820 m2。本工程AAO生物反应池与膜池共占地约为2 150 m2，远小于建标198—2022计算出的建设用地面积，进一步展现了本工程的节地优势。
3.4 调蓄池设计
调蓄池设计有效水深为3.6 m，内部分为4条廊道，单格宽度为5 m，长度为50.5 m。调蓄池冲洗采用门式冲洗设备(图5)，利用水力学原理和机械结构相结合，调蓄池放空后利用廊道始端设置的存水室和冲洗门即可实现无动力、无外部供水自动冲洗。工作过程是液压控制的2套浮筒(主浮筒和控制浮筒)与数套冲洗门之间的协调动作，其间相连接的是全封闭的液压系统。调蓄池与净水站进水泵房联通，雨后晴天时错峰放空。
注：i为坡度。
图5 门式自动冲洗系统
3.5 消防设计
地下设备用房耐火等级为一级，整体火灾危险性类别定位为丁类。地下设备用房总建筑面积为1 115.87 m2，分为2个防火分区，于走廊中间处设置防火墙分隔，每个防火分区设置1个安全疏散口。
地下停车场共设置28个停车位，建筑面积为1 107.31 m2，作为一个防火分区，设置1个安全疏散口和1处车辆进出坡道。
04、运行管理
4.1 实际运行状况
葛塘河净水站自2020年下半年开始逐步进入调试运行期，近一年运行进水量和进水水质如图6和图7所示，自2021年下半年开始，进水量稳步提升，日运行水量在8 000～10 000 m3/d，且雨季明显高于旱季。从进水水质情况来看，旱季进水平均CODCr质量浓度在200 mg/L左右、平均氨氮质量浓度在20 mg/L左右，而雨季进水平均CODCr质量浓度在120 mg/L左右、平均氨氮质量浓度在14 mg/L左右。水量和进水水质数据说明，片区管网有待于进一步修复完善。
图6 2021年3月—2022年2月的日进水量与月降雨量
注：虚线框表示雨季监测时段。
图7 2021年1月—2021年12月的日进水水质
净水站出水水质(图8)稳定达到一级A标准，其中CODCr质量浓度基本稳定在40 mg/L以下，氨氮质量浓度均不超过1.0 mg/L，TP质量浓度稳定在0.4 mg/L左右。
图8 CODCr、氨氮、TP出水水质
4.2 运营管理要点
葛塘河净水站运营管理采取远程控制为主、人员定期巡检为辅的模式，较常规地上式污水处理厂，运营管理要点包括以下3点。
(1)调蓄池单次使用放空时间不大于24 h，以确保调蓄池的使用效率。放空的平均流量为208 m3/h。尽管现状净水站未达到满负荷，但调蓄池放空仍采取变流量形式，即污水进水流量低峰时为调蓄池放空流量高峰。同时，净水站与市政污水处理厂协同调度，以期净水站相对平稳运行。
(2)每日栅渣、污泥清运等需开启地面盖板，而地面为市民广场开放空间，为减小影响，选择每日广场人员少时作业。
(3)人员巡检与远程监控尤其注意楼梯井出入口和地面盖板开关状态，非巡检时间均采取关闭锁死措施，防止非相关人员进入净水站内或发生安全事故。
05、投资与环境效益
本工程总投资约为1.6亿元，其中工程费用约为1.4亿元。该项目满负荷投入运行后，可削减旱天入河污染物CODCr为1 533 t/a，氨氮为109.5 t/a；以南京市典型年降雨120场测算，可削减雨天入河污染物CODCr为210 t/a，SS为144 t/a。
06、工程总结与思考
(1)葛塘河净水站采用污水处理设施、调蓄池和地下停车场一体化合建方式，兼具污水处理、雨水调蓄以及城市交通调节等功能，同时具备布局紧凑、节地、运行灵活、工艺高效等特点。本工程占地面积远小于建标198—2022相关要求，进一步展现了本工程的节地优势。
(2)采用单层全地下式建设方式，充分利用公共用地地下空间，且建成后不影响公共用地的地上使用功能，对此类分散式净水站的选址和建设具有一定借鉴参考意义。同时，也为建设环境友好的地下式污水处理厂提供了设计参考以及实际工程经验。
(3)采用生物法和物理化学吸附相组合的除臭技术，在地面结合绿化设置土壤除臭生物滤池一座。既能有效降低地下式污水处理厂臭气浓度且运行管理便利，又可与地面景观公园及周边环境相融合，达到“邻避”变“邻利”的目的。
(4)本工程将雨天雨污混合水处理标准按照国标一级A标准设计，与旱天污水处理标准一致。现阶段国内其他城市大部分此类净水站均按此标准执行，雨天增大进水流量，适当降低处理标准的可行性仍有待于业界进一步探讨研究。
