地下式污水處理廠工程設(shè)計內(nèi)容探討

王 燕，孫世昌

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 重慶 400715; 2.深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 廣東 深圳 518060 )

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地下式污水處理廠工程設(shè)計內(nèi)容探討

王 燕1，孫世昌2

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 重慶 400715; 2.深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 廣東 深圳 518060 )

總結(jié)了地下式污水處理廠在工藝、結(jié)構(gòu)、安全等方面存在的問題，分析和探討了地下式污水處理廠工程設(shè)計的主要內(nèi)容，初步給出了地下式污水處理廠工程設(shè)計的主體框架：主體結(jié)構(gòu)、工程工藝、構(gòu)筑物布局、通風(fēng)除臭、采光照明、消防安全、運營維護(hù)及地上景觀設(shè)計。

地下式污水處理廠；工程設(shè)計；存在問題；設(shè)計框架

0 引言

相對于傳統(tǒng)的地上式污水處理廠，地下式污水處理廠具有占地面積小，噪聲、臭味污染小，與自然景觀相協(xié)調(diào)等優(yōu)勢[1]，近些年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用。國外地下式污水處理廠的發(fā)展和應(yīng)用已有近80年的歷史，至今已有200多座地下式污水處理廠處于穩(wěn)定運行當(dāng)中。我國在地下式污水處理廠的建設(shè)和應(yīng)用方面起步較晚，現(xiàn)階段穩(wěn)定運行的地下式污水處理廠只有20多座。隨著我國倡導(dǎo)生態(tài)文明建設(shè)和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，地下式污水處理廠必定會在我國獲得更多的應(yīng)用和發(fā)展。

地下式污水處理廠不是簡單地把地上式污水處理廠搬到地下，而是一個新的、復(fù)雜的工程設(shè)計與建設(shè)過程，在主體工藝設(shè)計、地下空間布局、地上空間景觀設(shè)計、采光照明設(shè)計、除臭降噪設(shè)計等方面提出了更高的要求。鑒于目前地下式污水處理廠存在投資成本高、運行費用大、安全隱患大等問題[2]，且現(xiàn)有的地上式污水處理廠的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不能滿足地下式污水處理廠的建設(shè)與穩(wěn)定運行的需要，制定相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)用于指導(dǎo)地下式污水處理廠的建設(shè)和運行十分必要。

本文在總結(jié)了地下式污水處理廠工藝、結(jié)構(gòu)、安全等方面存在問題的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有地上式污水處理廠的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范用于指導(dǎo)地下式污水處理廠的建設(shè)和運行時存在的問題和不足，探討了制定地下式污水處理廠工程技術(shù)規(guī)范的必要性，并初步給出了規(guī)范的主體框架。

1 地下式污水處理廠工程設(shè)計存在問題

1.1 工藝及設(shè)備選擇

目前，我國已建成和在建的地下式污水處理廠所采用的工藝技術(shù)主要有MBR工藝、A2/ O及其改進(jìn)工藝兩大類[3-4]，同種工藝應(yīng)用到的污水處理規(guī)模變化范圍大，缺乏統(tǒng)一的工藝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，不同污水處理工藝所需配套的處理單元及設(shè)備(例如沉淀池、除臭單元和污泥脫水單元)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，造成占地及投資的浪費。例如，深圳布吉地下式污水處理廠采用了雙層平流沉淀池，提高了處理效果且節(jié)省了占地面積，而我國其他大多數(shù)地下式污水處理廠的沉淀池僅是將傳統(tǒng)的地上式沉淀池搬到地下。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

地下式污水處理廠大多采用地下組團式的設(shè)計形式，運用集成共壁技術(shù)[5]，減少污水處理構(gòu)筑物的總體占地面積。然而目前仍缺少池壁共建相關(guān)技術(shù)的指導(dǎo)，導(dǎo)致不同處理單元池體間的搭配與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不一；除此之外，對于地下式污水處理廠地下空間的層高設(shè)計尚缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，影響基坑挖掘深度及污水處理構(gòu)筑物的布置，提高了總體投資與運行成本。

1.3 安全設(shè)計

目前缺少有關(guān)地下式污水處理廠抗震、抗浮、防洪、防淹等方面的相關(guān)規(guī)定，缺乏防毒、防火、防爆、危險氣體防護(hù)方面的指導(dǎo)以及地下安全運行規(guī)范，導(dǎo)致地下式污水處理廠存在較大的安全與風(fēng)險隱患。

1.4 其他方面

在自然采光、照明、進(jìn)出通道設(shè)計、地上空間景觀設(shè)計等方面也缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)，導(dǎo)致地下式污水處理廠的建設(shè)參差不齊，不僅影響美觀，同時造成投資浪費，增加運行成本。

由于地下式污水處理廠特殊的設(shè)計與建設(shè)形式，使得傳統(tǒng)的地上式污水處理廠的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，如《城市污水處理廠工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(建設(shè)部2001修訂版)、《GBJ15-88建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》、《GBJ9-87建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、《GBJ10-89混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、《GBJ7-89建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》等雖然在某些方面可以滿足地下式污水處理廠的排水體制及規(guī)模設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣設(shè)計等方面的需要，但在地下式污水處理廠的地下空間布局、構(gòu)筑物組合布置、工藝設(shè)計、安全防護(hù)設(shè)計等方面存在明顯缺陷。因此，編制城市地下式污水處理廠工程技術(shù)規(guī)范用于指導(dǎo)地下式污水處理廠的工程設(shè)計、施工、驗收、運行與維護(hù)管理，作為地下污水處理技術(shù)工程設(shè)計工作的指導(dǎo)性文件是十分必要的，對于保證我國地下式污水處理廠的建設(shè)質(zhì)量和穩(wěn)定運行具有重要意義。

2 地下式污水處理廠工程設(shè)計內(nèi)容與主體框架

地下式污水處理廠工程設(shè)計要以《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》、《中華人民共和國水污染防治法》為指導(dǎo)，以為水環(huán)境污染控制措施提供技術(shù)規(guī)范、指導(dǎo)水污染治理設(shè)施的建設(shè)和運行管理、提高水污染控制與管理水平、保護(hù)環(huán)境和保障人體健康為宗旨，突出科學(xué)性、普遍性、實用性和可操作性。

按設(shè)計內(nèi)容建設(shè)的地下式污水處理廠要綜合考慮工藝設(shè)計多選擇性、空間布局優(yōu)化、節(jié)能降耗、安全保障以及土地資源綜合利用等方面的問題，在確保穩(wěn)定達(dá)到《GB18918-2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中排放標(biāo)準(zhǔn)或更高標(biāo)準(zhǔn)排放的前提下，選擇投資少、運行成本低的工藝和設(shè)計參數(shù)。

2.1 術(shù)語和定義

除應(yīng)包含部分地上式污水處理廠相關(guān)術(shù)語和定義之外，還應(yīng)包含地下式污水處理廠、全地下式、全地下式雙層加蓋、全地下式單層加蓋、半地下式雙層加蓋、集成共壁、地下組團式等。

2.2 排水體制與處理規(guī)模

對于雨污合流系統(tǒng)，在污水進(jìn)入水廠之前要考慮截流，同時污水廠還應(yīng)考慮設(shè)置溢流設(shè)計，使超出處理能力部分的污水溢流，以保證后續(xù)處理工藝的正常進(jìn)行；在進(jìn)行地下式污水處理廠處理規(guī)模設(shè)計時，要考慮水廠所在區(qū)域的社會經(jīng)濟現(xiàn)狀、規(guī)劃人口、服務(wù)區(qū)內(nèi)的用地規(guī)劃、所在城市歷年污水總量和已有水廠的污水處理總量，同時要留有余地。

2.3 進(jìn)出水水質(zhì)

地下式污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)設(shè)計需要考慮城市污水管道中的實際進(jìn)水水質(zhì)，并結(jié)合城市發(fā)展規(guī)劃、排水系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展趨勢來確定。出水則要滿足《GB18918-2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級A標(biāo)準(zhǔn)或更高標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到地下式污水處理廠升級較為困難，因此建議在成本允許的前提下，把出水水質(zhì)設(shè)計為最高標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 規(guī)劃用地與設(shè)計形式

地下式污水處理廠的建設(shè)用地一般為同等規(guī)模地上式的1/3～1/2左右[6]，因此在進(jìn)行規(guī)劃用地估算時可根據(jù)傳統(tǒng)地上式的規(guī)劃用地規(guī)模進(jìn)行估算，具體需視所采用的設(shè)計形式、工藝類型及景觀設(shè)計需求等而定。地下式污水處理廠有全地下式和半地下式兩種設(shè)計形式，工程投資、地質(zhì)條件、巖層深度、規(guī)劃用地面積等都對地下式污水處理廠的設(shè)計形式有影響。相對于全地下式的設(shè)計形式，半地下式投資少、通風(fēng)采光更好、節(jié)省能耗且更安全穩(wěn)定。因此，在外部條件許可下，可優(yōu)先考慮半地下式的設(shè)計形式。

2.5 地下布局與結(jié)構(gòu)設(shè)計

地下式污水處理廠土建工程部分的投資占水廠總投資的50%以上[7]，較地上式污水處理廠高，對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化以節(jié)約土建工程投資是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要工作。

(1)構(gòu)筑物布局。 地下式污水處理廠構(gòu)筑物布局直接影響水廠的占地面積和工程投資。雖然地下式設(shè)計有全地下單層加蓋、全地下雙層加蓋和半地下雙層加蓋三種形式，但構(gòu)筑物的布局大多采用的是依托集成共壁技術(shù)的組團式布置形式。

(2)埋置深度。地下深度是影響地下式污水處理廠土建工程造價的重要因素之一。在設(shè)計埋置深度時，一般可以通過建立不同地下深度地下式污水處理廠的工程造價的非線性目標(biāo)方程，同時結(jié)合主體處理工藝及工程總投資，選取相對經(jīng)濟合理的埋置深度。

(3)基坑支護(hù)。地下式污水處理廠的基坑支護(hù)設(shè)計需根據(jù)地質(zhì)情況及地形條件來決定，可采用的途徑有拉森鋼板樁、鋼管斜支撐支護(hù)、中心島法開挖施工等。除了基坑支護(hù)設(shè)計之外，有研究指出沉井結(jié)構(gòu)也可以起到施工階段的支護(hù)與止水作用，且可節(jié)省基坑支護(hù)及止水帷幕工程投資[8]。

(4)抗浮設(shè)計與空間受力計算。盡管地下式污水處理廠由無數(shù)個小部件組成，但都將其看作一個整體來計算所受浮力和橫向受力。然而，在進(jìn)行抗浮設(shè)計時，仍要分成各個小塊來進(jìn)行，根據(jù)工程所在區(qū)域的地質(zhì)、地形條件，采用抗浮錨桿或抗拔樁等抗浮設(shè)計。在空間受力計算時，垂直方向上要考慮支撐結(jié)構(gòu)的靜態(tài)負(fù)載和動態(tài)負(fù)載、設(shè)備自身載重和上部景觀的靜態(tài)負(fù)載，水平方向上要考慮水壓、土壓以及設(shè)備載荷的變化。

(5)鋼筋混凝土與防滲、防腐蝕設(shè)計。為滿足大型水處理構(gòu)筑物的工藝要求，減少儲水構(gòu)筑物的滲漏隱患，需要盡量減少變形縫的數(shù)量。與此同時，為提高混凝土的防滲抗裂性能，要進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計。在進(jìn)行防水防腐蝕設(shè)計時，要嚴(yán)格執(zhí)行《GB50046-2008工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》及其他相關(guān)規(guī)定，進(jìn)而提出相應(yīng)的設(shè)計要求。

2.6 單體構(gòu)筑物設(shè)計

單體構(gòu)筑物主要包括一級處理單元的各個環(huán)節(jié)(格柵、提升泵房、沉砂池)、二沉池、污泥處理單元等。其中，污泥處理單元由儲泥池、濃縮脫水一體機及污泥料倉等組成，輔助設(shè)施包括污泥切割機、污泥進(jìn)料泵、加藥泵、沖洗裝置及制藥設(shè)備。

2.7 主體工藝設(shè)計

地下式污水處理廠對出水水質(zhì)的要求較高，一般需要達(dá)到《GB18918-2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級A 標(biāo)準(zhǔn)或更高標(biāo)準(zhǔn)，因此主體工藝的設(shè)計應(yīng)包括二級處理和三級處理工藝。污水處理工藝的選擇應(yīng)充分考慮技術(shù)的可行性、經(jīng)濟的合理性，并依據(jù)規(guī)劃用地面積、工程投資、進(jìn)出水水質(zhì)要求、污泥處理處置方案等綜合考慮后確定。常用的二級處理工藝有MBR工藝、A2/ O工藝及其改進(jìn)工藝；三級處理工藝有混凝沉淀、吸附、臭氧氧化、膜分離和消毒等。

2.8 通風(fēng)除臭設(shè)計

污水處理系統(tǒng)中的臭氣源主要分布在進(jìn)水粗格柵、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵、沉砂池、厭氧池等，污泥處理系統(tǒng)中的臭氣來源主要分布在污泥濃縮、污泥脫水及外運過程。對污水、污泥處理單元進(jìn)行密閉，再通過進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口進(jìn)行換氣，把惡臭氣體抽送到處理裝置中進(jìn)行處理是地下式污水處理廠通風(fēng)除臭設(shè)計的關(guān)鍵。常用的除臭工藝有天然植物液噴淋法、高能離子法、生物過濾法、化學(xué)反應(yīng)法、活性炭吸附法、光氧催化法、土壤脫臭法等，這些方法在應(yīng)用中各有特點和利弊，需要根據(jù)污染程度、使用環(huán)境與條件來權(quán)衡。

2.9 采光照明設(shè)計

由于采用地下式的設(shè)計和運行模式，進(jìn)行采光照明設(shè)計顯得至關(guān)重要。不同的地下式建設(shè)形式會獲得不同的自然采光效果，而對于人工照明的需求也不相同。地下式污水處理廠在進(jìn)行采光照明設(shè)計時，可依據(jù)《GB50034-2013建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的要求進(jìn)行設(shè)計，盡可能通過增加自然采光來降低因照明所產(chǎn)生的能耗，從而降低地下式污水處理廠的總體運行成本。

2.10 消防與安全設(shè)計

地下式污水處理廠消防設(shè)計包括總圖、建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、電氣和暖通等各項的消防設(shè)計，如消防車道設(shè)計、建筑消防及防火分區(qū)、消防給水設(shè)計、電氣消防設(shè)計、防排煙系統(tǒng)設(shè)計等。相對于地上式污水處理廠，地下式污水處理廠在消防設(shè)計方面要增加必需的消防排煙設(shè)施；在安全設(shè)計方面，應(yīng)重視防洪排澇問題、防爆問題，以及地下水廠和公共設(shè)施相連接的安全管理等問題。

2.11 運營維護(hù)設(shè)計

由于處于地下，地下式污水廠的運行維護(hù)相對困難，使得自動化控制與閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)成為必不可少的部分。相對于同規(guī)模的地上式污水處理廠，地下式污水廠自控儀表系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量及技術(shù)指標(biāo)均較高，安全監(jiān)測系統(tǒng)、消防及聯(lián)動控制系統(tǒng)則是地下式污水處理廠的新增內(nèi)容。

2.12 地上景觀設(shè)計

地下式污水處理廠的地上景觀設(shè)計可提高地上空間及其周邊土地價值，可帶動水廠周邊社會經(jīng)濟的發(fā)展，因而可以從總體上削減地下式污水處理廠的成本。地上景觀設(shè)計一般包括公園、濕地、園林以及文體娛樂等設(shè)施，具體設(shè)計時應(yīng)綜合考慮景觀設(shè)計的特色、社區(qū)友好和生態(tài)友好、景觀風(fēng)格以及設(shè)計與維護(hù)的成本，同時提升地下式污水處理廠的生態(tài)環(huán)境價值及社會經(jīng)濟價值。

3 結(jié)論

地下式污水處理廠工程設(shè)計主要包含主體結(jié)構(gòu)、工程工藝、構(gòu)筑物布局、通風(fēng)除臭、采光照明、消防安全、運營維護(hù)及地上景觀設(shè)計等方面的內(nèi)容。本文探討內(nèi)容可用于指導(dǎo)地下式污水處理廠的設(shè)計和運行，減少投資及運行成本并降低安全風(fēng)險與隱患。

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Primary Exploration of Engineering Design of Underground Sewage Treatment Plant

WANG Yan1, SUN Shi-chang2

(1.College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China)

The problems of the process, structure and safety of the underground sewage treatment plant were summarized, the necessity of formulating the engineering design of underground sewage treatment plant was analyzed, and its main frame was introduced tentatively.

underground sewage treatment plant; engineering design; problems; main frame

2017-03-18

王燕，西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院2014級本科生，研究方向：環(huán)境工程。

孫世昌，博士后，深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，研究方向：環(huán)境工程。

X703

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1673-9655(2017)05-0055-04