城鎮(zhèn)污水處理廠節(jié)地技術(shù)研究與工程應(yīng)用

張 寧

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

城鎮(zhèn)污水處理廠作為城市水污染防治最后一道防線，是城市發(fā)展不可或缺的一部分。然而，隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，城市人口日益增多，城市生活污水的產(chǎn)生量也隨之增加，同時人民生活水平的提高也促使污水納管率和處理要求的提高。根據(jù)“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃要求，十四五期間，新增污水處理能力2 000 萬m3/d，新建、改建和擴(kuò)建再生水生產(chǎn)能力不少于1 500 萬m3/d，長三角、粵港澳大灣區(qū)城市、京津冀、長江干流和南水北調(diào)工程沿線地級及以上城市、黃河流域省會城市等可對城鎮(zhèn)污水處理廠提出更嚴(yán)格的污染物排放管控要求，水環(huán)境敏感地區(qū)污水處理基本達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。顯然，污水處理量的增加、污水資源化利用的推進(jìn)、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高和處理功能的拓展，將會導(dǎo)致現(xiàn)有的城鎮(zhèn)污水處理體系面臨擴(kuò)建的壓力，勢必加重城市土地資源緊缺的現(xiàn)狀，從而使得城鎮(zhèn)污水處理廠節(jié)地需求變得十分迫切。

土地具有多宜性，從一種用途變?yōu)榱硪环N用途可能使其收益性或效益得以提高。在城市發(fā)展土地資源急缺、城市地價上漲趨勢明顯的情形下，合理規(guī)劃污水處理廠布局，節(jié)省其占地，不僅可為城市其他部分的建設(shè)提供更多可利用的規(guī)劃用地，促進(jìn)城市高質(zhì)量發(fā)展，而且也緩解城市發(fā)展給農(nóng)業(yè)用地帶來的壓力，盡可能地保護(hù)更多的耕地，具有較好的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，對于我國城市可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

沈昌明等[1]通過對全國421 座污水處理廠（其中重點流域12 個城市60 座）用地現(xiàn)狀面積調(diào)研的詳細(xì)分析，梳理出了污水處理廠規(guī)模、工藝、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、地域?qū)φ嫉氐挠绊?，識別出生化處理設(shè)施、道路及廣場、綠化為影響污水處理廠用地的關(guān)鍵因子。本研究針對城市污水處理工程建設(shè)節(jié)約用地的需求，將在總結(jié)調(diào)研國內(nèi)外已有研究和成果基礎(chǔ)上，從污水處理廠平面優(yōu)化、污水處理工藝優(yōu)化與污水處理廠豎向強(qiáng)化等三方面開展污水處理廠節(jié)地技術(shù)研究，建立適合我國不同區(qū)域與技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的節(jié)地型污水處理廠新建和改造技術(shù)集成體系，為我國節(jié)地型污水處理廠設(shè)計運(yùn)行提供技術(shù)支撐與指導(dǎo)。

1 城鎮(zhèn)污水處理廠節(jié)地技術(shù)研究

2.1 平面優(yōu)化節(jié)地技術(shù)

平面優(yōu)化節(jié)地技術(shù)主要通過工藝流程布置、單元組團(tuán)、單元優(yōu)化與污水處理功能區(qū)占地優(yōu)化的方式來實現(xiàn)節(jié)地。平行或功能相連單元共壁技術(shù)是實現(xiàn)組團(tuán)布置的關(guān)鍵，通過采用矩形池型將位置相鄰、功能相連的污水處理構(gòu)（建）筑物合并共用池壁進(jìn)行平面布置可以達(dá)到組團(tuán)目的，如將占地面積最大的生化反應(yīng)池和二沉池設(shè)施共壁組團(tuán)。針對組團(tuán)布置中水池結(jié)構(gòu)和水力流態(tài)優(yōu)化等難題，已有研究對矩形二沉池單位側(cè)進(jìn)出水進(jìn)行優(yōu)化，提出了進(jìn)出水變截面的新型周進(jìn)周出二沉池，有效克服不同出水距離造成的水頭損失不均勻性，該平面優(yōu)化節(jié)地技術(shù)已在廣州獅嶺污水處理廠（二期）工程與廣州市前鋒凈水廠擴(kuò)建三期工程中應(yīng)用。其中，廣州獅嶺污水處理廠二期工程在占地面積類似的情況下，常規(guī)平面布置的系統(tǒng)處理能力為5 萬t/d，而采用生反池和矩形周進(jìn)周出二沉池組團(tuán)平面布置的系統(tǒng)處理能力高達(dá)7 萬t/d，污水處理功能區(qū)可節(jié)約占地30%，有效提高土地利用效率；廣州市前鋒凈水廠擴(kuò)建三期工程單位處理水量占地僅0.48 m2/（m3·d），相對于國家建設(shè)用地指標(biāo)基準(zhǔn)值節(jié)約了40%。

圖1 廣州市前鋒凈水廠（擴(kuò)建三期）周進(jìn)周出二沉池變截面配水渠

2.2 工藝優(yōu)化節(jié)地技術(shù)

工藝優(yōu)化節(jié)地技術(shù)是通過增加生物量或優(yōu)化工藝參數(shù)來提高生化處理效率與減少生化處理區(qū)污水停留時間，進(jìn)而減少用地面積的節(jié)地設(shè)計方法。詹詠等[2]通過全面系統(tǒng)的理論分析和小試試驗，研究揭示了進(jìn)水水質(zhì)、污泥泥齡、污泥呼吸速率和沉降性能之間的相互關(guān)系，結(jié)果表明常規(guī)進(jìn)水水質(zhì)和傳統(tǒng)工藝條件下，通過延長污泥齡至35 d，系統(tǒng)可實現(xiàn)的極限最佳污泥濃度為6 300 mg/L，有效生物量達(dá)到1.63±0.14×1011 cell/g MLSS；當(dāng)系統(tǒng)繼續(xù)延長泥齡以獲得更高的污泥濃度并不能提高系統(tǒng)的有效生物量和污染物去除能力，且污泥EMPS（菌膠團(tuán)間的胞外聚合物）中產(chǎn)生了一類新的腐殖酸類物質(zhì)，引起污泥表面Zeta 電位的增加，導(dǎo)致絮凝性能惡化。泥膜復(fù)合生物量提升是指通過在好氧池、缺氧池內(nèi)投加生物載體，來達(dá)到增加生物處理池的微生物濃度的目的。在同等運(yùn)行條件下，采用泥膜復(fù)合生物量提升的MBBR 工藝能夠提高日處理能力33%以上，且易于控制[3]。顧升波等[4]研究了A/O-MBBR 系統(tǒng)掛膜啟動、填充比、DO、溫度、HRT 和回流比等因素的影響，提出了完整的工藝設(shè)計參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，并在北京清河污水處理廠初步設(shè)計階段應(yīng)用。已有研究開發(fā)出基于仿真和響應(yīng)面分析的多參數(shù)集成優(yōu)化技術(shù)，利用Box-Behnken 響應(yīng)面分析法以及GPS-X 污水處理過程建模和仿真軟件，對傳統(tǒng)AAO 工藝的溶解氧濃度、泥齡、多點進(jìn)水和污泥回流等主要運(yùn)行控制參數(shù)響應(yīng)面進(jìn)行擬合，以污染物去除效果為約束目標(biāo)，獲取實現(xiàn)最佳系統(tǒng)狀態(tài)所需的工藝運(yùn)行參數(shù)和優(yōu)化HRT，進(jìn)而節(jié)約污水處理功能區(qū)占地面積，該技術(shù)已在廣州前鋒凈水廠擴(kuò)建三期工程應(yīng)用。

2.3 工藝優(yōu)化節(jié)地技術(shù)

當(dāng)平面優(yōu)化節(jié)地和工藝優(yōu)化節(jié)地技術(shù)不能滿足節(jié)地需要時，可采用豎向強(qiáng)化節(jié)地技術(shù)，具體指通過構(gòu)（建）筑物整體或局部疊加，強(qiáng)化空間利用，減少污水處理廠或污水處理功能區(qū)占地的節(jié)地方式。多層平板組合沉淀技術(shù)是采用多層平板單元強(qiáng)化二沉池的沉淀作用，多層平板單元組合沉淀池的沉淀能力接近斜管（板）沉淀池，通過在單元內(nèi)設(shè)置刮泥機(jī)，有效解決了斜管（板）生長生物膜和藻類引起的堵塞問題。李雨陽等[5]中試試驗研究表明放置4 層平板時，沉淀池最大表面水力負(fù)荷可提高50%，處理相同水量時所需的沉淀池面積僅為原面積的66%。整體疊加常用的方式是全地下污水處理廠，適用于周邊環(huán)境要求高、用地極度緊缺時，地下污水處理廠并不是簡單地把地上污水處理廠“按到地下”，而是重新統(tǒng)籌污水處理廠的功能分區(qū)，充分考慮運(yùn)行后可能出現(xiàn)的雨季被淹、事故超量進(jìn)水、消防安全、工藝運(yùn)行異常、設(shè)備設(shè)施故障等風(fēng)險，當(dāng)采用全地下污水處理廠時，主要處理構(gòu)（建）筑物設(shè)于地坪線以下，在充分利用地下空間的同時，廠區(qū)地坪以上空間可作為綠化景觀、休閑娛樂、停車等用途，減少額外綠化面積的同時解決了環(huán)境相容性問題。

2 城鎮(zhèn)污水處理廠節(jié)地技術(shù)集成研究

基于實際工程建設(shè)方案，在確保出水達(dá)標(biāo)的前提下，以項目全壽命周期成本為約束條件，以節(jié)地為目標(biāo)，提出不同處理規(guī)模、不同節(jié)地方式的全壽命周期成本分析模型，獲得相同規(guī)模下，平面布置優(yōu)化方案成本最低，工藝優(yōu)化方案成本次之，豎向強(qiáng)化方案成本較高，如圖2 所示，并在不同節(jié)地策略下面形成多種節(jié)地技術(shù)，實際應(yīng)用過程中，可選擇一種或幾種技術(shù)或模式的組合。當(dāng)設(shè)計的污水處理廠單位用地面積接近《城鎮(zhèn)污水處理工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（建標(biāo)198—2022）噸水占地基準(zhǔn)值時，優(yōu)先采用平面優(yōu)化節(jié)地技術(shù)，在滿足消防要求和綠化率的情況下，通過減少綠化和道路面積，可有效縮減占地且綜合成本最低，通常節(jié)地效果可達(dá)20%～30%；當(dāng)采用平面優(yōu)化節(jié)地技術(shù)不能滿足單位用地指標(biāo)時，可通過工藝優(yōu)化節(jié)地技術(shù)減小生化處理設(shè)施用地，節(jié)約用地繼續(xù)提高10%左右，但會增加建設(shè)運(yùn)行成本；當(dāng)平面優(yōu)化節(jié)地和工藝優(yōu)化節(jié)地均不能滿足節(jié)地需要，可考慮豎向強(qiáng)化節(jié)地技術(shù)，如果周邊環(huán)境要求較高、用地緊缺時可建設(shè)地下式污水處理廠，節(jié)地效果可繼續(xù)提高40%以上，但由此帶來投資和施工、運(yùn)維難度的增加。在以上節(jié)地策略的基礎(chǔ)上，通過污水廠地上空間釋放進(jìn)行土地綜合利用，利用廠內(nèi)用地作為綠化景觀、休閑娛樂、環(huán)保教育基地等用途，向社會公眾開放使用，減少污水廠用地。

圖2 節(jié)地技術(shù)集成效果示意圖

3 工程應(yīng)用案例

3.1 項目概況

昆明第十一污水處理廠位于規(guī)劃的景觀綠化公園內(nèi)，周邊為居民樓與商務(wù)辦公區(qū)，需盡量減少污水廠對周邊環(huán)境的影響且滿足城市規(guī)劃對片區(qū)環(huán)境的整體要求。本工程處理規(guī)模6 萬m3/d，為確保能滿足該地區(qū)快速發(fā)展的人口需要，從建設(shè)百年工程角度考慮，將生物反應(yīng)池處理能力考慮了1.3 的安全系數(shù)，這也意味著在原設(shè)計6 萬m3/d 規(guī)模用地的基礎(chǔ)上滿足8 萬m3/d 的處理能力，且出水水質(zhì)達(dá)到一級A 標(biāo)準(zhǔn)。為減少對周邊環(huán)境的影響且滿足城市規(guī)劃對片區(qū)環(huán)境的整體要求，該水廠設(shè)計為全地下污水處理廠，主要構(gòu)筑物均位于地下箱體內(nèi)，而地下箱體一旦建成將無法再通過新增構(gòu)筑物實現(xiàn)處理能力的提高。因此，為實現(xiàn)8 萬m3/d 處理能力，昆明第十一污水處理廠采用了平面優(yōu)化、工藝優(yōu)化、豎向強(qiáng)化等節(jié)地技術(shù)。

3.2 平面優(yōu)化技術(shù)

實施平行生化反應(yīng)池共壁布置，減少平行生化反應(yīng)池之間的空地；通過矩形生化反應(yīng)池和矩形沉淀池共壁布置，減少生化反應(yīng)池和沉淀池之間的空地。預(yù)處理區(qū)、生化處理區(qū)、深度處理區(qū)和泥處理區(qū)的所有構(gòu)筑物采用同一基坑以實現(xiàn)全廠組團(tuán)。同時，進(jìn)水泵房、粗細(xì)格柵與曝氣沉砂池組團(tuán)合建，中間提升泵房與高效沉淀池合建。構(gòu)筑物之間盡可能采用了渠道連接，減少水頭損失和用地；在滿足消防要求的前提下，將紫外線消毒池與出水泵房、脫水機(jī)房與料倉、配電間與回用水泵房、鼓風(fēng)機(jī)房與加藥間等建筑物合并布置，避免了點狀分散增加占地面積的缺點。

初沉池、二沉池等構(gòu)筑物采用矩形布置方式，并與其它構(gòu)筑物進(jìn)行組合布置。選用占地小且適合構(gòu)筑物組合布置的設(shè)備，有助于降低處理單元的占地面積，如采用潛水泵、噪音低的風(fēng)機(jī)或隔聲裝置、用地較省的深度處理設(shè)施和工藝；采用機(jī)械濃縮設(shè)備替代重力濃縮池；采用用地小、噪聲低、環(huán)境友好的污泥脫水設(shè)備。

3.3 工藝優(yōu)化技術(shù)

基于投資和運(yùn)行成本均為最小且運(yùn)行工藝成熟、管理方便、占地面積在可接受范疇，本工程采用“AAO+ 二沉池+ 高效沉淀池+V 型濾池+ 紫外線消毒”處理工藝。其中，高效沉淀池把混合/絮凝/沉淀進(jìn)行重新組合，為組團(tuán)化集約緊湊型布置，占用土地少，混合、絮凝采用機(jī)械方式攪拌方式，沉淀采用斜管裝置；與普通平流式沉淀池相比，可大幅度提高水力負(fù)荷，污染物去除率，分子間相互接觸的機(jī)率，使絮凝劑在循環(huán)中得到充分利用，減少了藥劑投加量，降低了運(yùn)行成本，并與中間提升泵房合并布置于合建式池體內(nèi)。

3.4 豎向強(qiáng)化技術(shù)

該工程地面層是綜合樓，位于地下箱體粗格柵之上。地下箱體作為地下式污水處理廠的主體構(gòu)筑物，共分兩層，箱體負(fù)一層平面位于地面下7.3m，按從南向北依次布置有進(jìn)水泵房、粗細(xì)格柵及曝氣沉砂池、初沉池、反應(yīng)池、二沉池、加藥間、鼓風(fēng)機(jī)房、中間提升泵房及高效沉淀池、V 型濾池、紫外線消毒池及出水泵房、均質(zhì)池、脫水機(jī)房及料倉、配電間、回用水泵房；負(fù)二層平面位于地面下11.5～12.0 m，安裝有初沉污泥泵、高效沉淀池的剩余污泥泵等設(shè)備，為保證暴雨時進(jìn)入箱體的雨水可及時排除和便于部分構(gòu)筑物的放空檢修，在負(fù)二層區(qū)域各設(shè)置了一座放空泵井，可將最低處的污水提升后排入進(jìn)水泵房前池。

該工程地下箱體上部種植綠化植物，綠化系數(shù)達(dá)到91%，在保證綠化面積的同時減少綠化用地，而且污水處理廠生產(chǎn)區(qū)以外的區(qū)域面向社會公眾開放，實現(xiàn)了上部空間的有效釋放。

3.5 節(jié)地效果

根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（建標(biāo)198—2022），昆明第十一污水處理廠單位用地面積應(yīng)為1.15 m2/（m3·d），而實際單位用地面積僅為0.68 m2/（m3·d），節(jié)地比例高達(dá)40.9%。

4 結(jié) 語

基于城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)或擴(kuò)建節(jié)約用地的需求，本研究從平面、工藝、豎向等三個維度提供了節(jié)地技術(shù)，主要包括單元組團(tuán)、單元優(yōu)化；增加生物量、優(yōu)化工藝參數(shù)；整體或局部疊加等。其中，在相同規(guī)模下，平面布置優(yōu)化技術(shù)成本最低，工藝優(yōu)化技術(shù)成本次之，豎向強(qiáng)化技術(shù)成本較高，實際應(yīng)用時可選擇一種或幾種技術(shù)因地制宜地有機(jī)組合，以實現(xiàn)節(jié)地與運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)能降耗、建設(shè)成本之間的平衡。