胡 翔

(深圳市水務<集團>有限公司,廣東深圳 518033)

隨著我國城鎮(zhèn)化水平快速提高,城市土地資源日益稀缺,同時,生活水平提高又使得居民對周邊環(huán)境質量提出更高要求。污水處理廠作為重要的城市市政基礎設施,在改善水環(huán)境、節(jié)約水資源、提高居民生活質量等方面發(fā)揮著巨大作用。但傳統(tǒng)污水處理廠一方面因衛(wèi)生防護要求須占用更多土地資源且容易產(chǎn)生臭氣、噪聲等新的環(huán)境問題,另一方面廠區(qū)整體外觀一般難以與周邊城市景觀相融合,對市容市貌有負面影響,繼而制約周邊地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展,并使周邊土地貶值。

科技進步已使地下空間的開發(fā)利用變得十分成熟,包括地下污水處理廠在內(nèi)的地下空間開發(fā)利用既是社會發(fā)展到一定程度的必然產(chǎn)物,也是現(xiàn)代化大型城市的發(fā)展趨勢[1]。國外地下空間的發(fā)展已歷經(jīng)相當長的時間,一些發(fā)達國家或地區(qū)的城市地下大型排水及污水處理系統(tǒng)都有很好的發(fā)展,如瑞典、挪威、英國、美國、日本、韓國等國家的地下污水處理廠均取得巨大經(jīng)濟和社會效益,地下污水處理廠在我國香港和臺灣地區(qū)也經(jīng)歷了較長時間的發(fā)展[2-3]。近年來,因平衡城市發(fā)展、環(huán)境保護和土地資源的需要,國內(nèi)地下污水處理廠也迅速普及并開始爆發(fā)式增長,據(jù)不完全統(tǒng)計,目前國內(nèi)已建和在建規(guī)模在1萬m3/d以上的地下污水處理廠已超過110座,分布在國內(nèi)20多個不同省市,其中以經(jīng)濟相對發(fā)達的廣東和浙江數(shù)量最多[4]。一般來說,國內(nèi)地下污水處理廠以新建為主,深圳市某污水處理廠為傳統(tǒng)地面式且規(guī)模較大,綜合種種條件,決定按“下地綜合改建”思路進行原地遷建。大型污水處理廠一般為城市污水系統(tǒng)的重要節(jié)點,改造升級影響較大,而原址下地改建等同于“拆舊建新”,無論影響還是困難都會更大、更多。主要困難在于須研究合理可行的分期、分階段實施方案;“新舊銜接”且過程中不能產(chǎn)生新的環(huán)境問題;須提前做好配套新進出水管線研究以確保滿足各期及整體的規(guī)模要求等。本項目可總結相關經(jīng)驗為類似污水處理廠下地改建提供參考。

1 項目背景

該污水處理廠位于深圳市西部區(qū)域,現(xiàn)狀規(guī)模為73.6萬m3/d,分為兩套系統(tǒng)建設,一套系統(tǒng)于1989年11月建成投產(chǎn),后歷經(jīng)兩次擴建,規(guī)模從5萬m3/d擴大至35.2萬m3/d,采用一級處理;二套系統(tǒng)于2004年5月完成預處理部分建設,規(guī)模為38.4萬m3/d,2009年7月二級處理生化工程建成投產(chǎn),規(guī)模為56萬m3/d,2018年10月完成二級生化系統(tǒng)的提標改造,其出水水質達到一級A標準。2021年12月完成一套系統(tǒng)升級改造(規(guī)模降低為17.6萬m3/d),提高其對SS、BOD和氨氮的去除能力,現(xiàn)狀污水流程如圖1所示。該污水處理廠目前是深圳市規(guī)模最大的污水處理廠,承擔原特區(qū)內(nèi)1/3以上面積的污水收集處理任務,對保障西部海域及片區(qū)水環(huán)境意義重大。

圖1 污水處理廠現(xiàn)狀工藝流程

隨著服務片區(qū)城市建設及更新的快速發(fā)展以及深圳市治水提質工作的穩(wěn)步推進,該污水處理廠現(xiàn)狀處理能力已無法滿足片區(qū)污水量的增長需求,急需進一步擴能。另外,城市發(fā)展對于環(huán)境質量的要求越來越高,因此,對污水處理廠的污染物排放、廠容廠貌、廠區(qū)景觀等提出了新的要求,該污水處理廠亟需整體提升。

2 用地條件與建設目標

該污水處理廠現(xiàn)狀被高速公路分為A、B兩個地塊,合計面積約為42.1萬m2,其中東北側B地塊面積約為20.3萬m2,主要包括辦公生活區(qū)、一級處理區(qū)、污泥處理區(qū)、規(guī)劃市政道路和預留用地;西南側A地塊面積約為21.9萬m2,主要為二級生化區(qū)。本次改造主要占用西南側A地塊+市政道路地下空間(可用面積約為1.7萬m2),合計約為23.6萬m2,改建完成后將釋放東北側B地塊用于綜合開發(fā)(圖2)。為最大限度減少傳統(tǒng)污水處理廠對周邊環(huán)境的影響并高起點、高標準打造城市公共空間,本次改建通過分期下地、集約化方式對其進行全地下式改擴建,實現(xiàn)包括提標、擴容、景觀提升、釋放地塊的目標。改建完成后,該污水處理廠將變?yōu)槿叵率轿鬯幚韽S,處理規(guī)模由73.6萬m3/d擴容至100萬m3/d,預計為亞洲最大的地下污水處理廠,而目前國內(nèi)已建成或部分建成的規(guī)模最大的類似污水處理廠為60萬m3/d,如北京槐房廠、上海泰和廠等[5-6]。

圖2 用地條件

3 整體工程方案研究

3.1 改建策略及用地分析

該污水處理廠在整體改建過程不能降低處理水量和水質標準,只能采用“先建后拆、逐步替換下地”的策略,通過合理分期布置相關設施,逐步擴大規(guī)模及提高處理標準。根據(jù)現(xiàn)有用地條件,目前在A地塊內(nèi)尚有預留用地兩塊,面積分別為4.7萬m2和1.2萬m2,加上西側道路地下空間,總計約7.6萬m2土地可用于一期工程的建設。項目總用地面積約為23.6萬m2,按100萬m3/d設計規(guī)模計算,噸水用地指標可從現(xiàn)狀約0.478 m2/(m3·d-1)降至0.236 m2/(m3·d-1),而一期工程按40萬m3/d設計規(guī)模計算,噸水用地指標僅為0.19 m2/(m3·d-1)。根據(jù)《深圳市城市規(guī)劃標準與準則》,100萬m3/d規(guī)模污水處理廠的標準用地指標約為0.6 m2/(m3·d-1),40萬m3/d規(guī)模污水處理廠的標準用地指標約為0.93 m2/(m3·d-1),即總用地指標為規(guī)劃標準指標的39%,一期工程用地指標僅為規(guī)劃標準指標的20%,充分體現(xiàn)了地下污水處理廠的節(jié)地優(yōu)勢[7]。

3.2 進出水水質與污水工藝選擇

結合該污水處理廠近幾年進水水質分析,以及深圳市污水處理廠相關出水水質要求,初步擬定改建后污水處理廠設計進出水主要水質指標如表1所示。

表1 設計進出水水質主要指標

通過上述指標分析進廠污水的可生化性和生物脫氮除磷可行性,表明該污水處理廠在正常工況時完全可以采用生物法脫氮除磷,同時鑒于TN、TP出水標準高,擬輔以化學除磷和增設專門的脫氮工藝。

基于該污水處理廠規(guī)模、用地、進出水質、全地下式建設形式等邊界條件,擬比選出一個用地合適、投資較省、運行費用低、技術成熟、處理效果穩(wěn)定可靠、運行管理方便的工藝方案。為此,對多段缺氧-好氧(AO)、厭氧-好氧-缺氧(AOA)、移動床生物反應器(MBBR)、膜生物反應器(MBR)4個相對主流的工藝方案進行比較,如表2所示。

表2 污水處理工藝比選

由表2可知,4種工藝各有優(yōu)劣,考慮到本項目規(guī)模大、投資高,同時又是主城區(qū)污水系統(tǒng)的主要兜底節(jié)點,加上全地下式建設形式,決定了項目對安全穩(wěn)定的要求較高,故推薦該污水處理廠生化工藝采用穩(wěn)定可靠、處理效率高、低碳節(jié)能、運行成本相對較低的多段AO工藝。污水處理整體工藝流程如圖3所示。

圖3 污水處理工藝流程

3.3 平面布置

本項目主要布置在現(xiàn)狀西南側地塊,建成后該地塊地下為污水處理廠,地面為公園及新型產(chǎn)業(yè)用房,并釋放現(xiàn)狀東北側地塊用于綜合開發(fā)。整個地下污水處理廠按功能主要分為預處理區(qū)、二級生物處理區(qū)、深度處理區(qū)、消毒及排放區(qū)、污泥處理區(qū)及調(diào)蓄池區(qū)6個區(qū)域,東北角可作為地下車庫為地面公共空間服務,并與生產(chǎn)區(qū)域完全隔離(圖4)。

圖4 地下污水處理廠平面分區(qū)

3.4 豎向布置

本項目采用全地下廠形式,在滿足地面相關工程的基礎上對豎向空間進行了合理布置,以地面相對標高0.00計,地下箱體頂板標高-2.00 m,操作層底標高-9.00 m,池底標高-20.00 m(圖5)。

注:圖中標高尺寸單位為m。

4 工程分步實施方案

本項目規(guī)模大,又是在現(xiàn)狀廠區(qū)范圍內(nèi)進行下地改建,且改建期間不減量、不降標,這些約束條件決定了整個地下污水處理廠不可能一次性建成,需要合理地分階段、分步驟來實施,并以此進行水量騰挪,確保滿足建設期間處理污水不減量、出水標準不降低的要求。擬將整個工程分為三期進行建設,采用“建一拆一、先建后拆”的原則對全廠進行逐步下地改建。

4.1 一期工程

4.1.1 概況

一期工程包括地下污水處理廠及其地上配套設施,地下污水處理廠規(guī)模為40萬m3/d,主要利用A地塊西側預留用地及西側道路地下空間進行建設,同時利用B地塊北側用地新建污泥臨時處理設施,并完成整個進出水干管建設。地上配套設施包括污水處理廠管理用房、相應地面公園設施和市政修復道路。一期工程有兩個箱體,通過地下通道連接。其中,1#主箱體位于A地塊西側,面積約為6.4萬m2;2#箱體位于A地塊北側,面積約為1.2萬m2。

4.1.2 現(xiàn)狀設施拆除及土地釋放

一期工程建成后,新增40萬m3/d污水處理能力并新建管理用房,可將部分污水調(diào)入一期工程進行處理。二套預處理系統(tǒng)、2/3的二套生化系統(tǒng)等部分現(xiàn)狀生產(chǎn)設施及附屬設施可以進行拆除,拆除后總計可空出約13.5萬m2土地,其中A地塊約7.8萬m2土地用于二期建設,B地塊可釋放約5.7萬m2土地(圖6)。

圖6 一期工程建設

4.1.3 期間污水處理能力變化

一期工程利用現(xiàn)狀空地及道路地下空間進行建設,施工期間對現(xiàn)狀污水處理廠運行基本沒有影響。一期工程建成后,污水處理能力變?yōu)?13.6萬(56萬+17.6萬+40萬)m3/d。

4.2 二期工程

4.2.1 概況

二期工程包括地下污水處理廠及其地上配套設施,地下污水處理廠規(guī)模為40萬m3/d,利用一期工程建成后拆除A地塊現(xiàn)狀部分二套生化系統(tǒng)空出地塊的地下空間進行建設;地上配套設施包括相應地面公園設施和新型產(chǎn)業(yè)用房。二期工程只有一個箱體,位于A地塊東側,面積約為6.5萬m2,一、二期箱體通過地下通道連接。

4.2.2 現(xiàn)狀設施拆除及土地釋放

二期工程建成后,新增40萬m3/d污水處理能力,加上一期工程,共計新增80萬m3/d污水處理能力,已超過現(xiàn)狀處理設施73.6萬m3/d的總規(guī)模?？蓪⑹Ｓ辔鬯{(diào)入二期工程進行處理,A地塊余下現(xiàn)狀設施均可以進行拆除,其中一套預處理系統(tǒng)位于B地塊,對A地塊下地改建基本沒有影響,并于2021年完成提標改建,出水水質除TN外可達到一級A標準且出水直接排海,故暫時保留以應對雨季高峰流量。對應設施拆除后,總計可空出約9.5萬m2土地用于三期建設,基本位于A地塊(圖7)。

4.2.3 期間污水處理能力變化

二期工程實施時已拆除現(xiàn)狀二套生化系統(tǒng)2/3處理能力,即施工期間污水處理能力變?yōu)?6.3萬(18.7萬+17.6萬+40萬)m3/d。二期工程建成后,污水處理能力變?yōu)?16.3萬(18.7萬+17.6萬+40萬+40萬)m3/d。

4.3 三期工程

4.3.1 工程概況

三期工程包括地下廠及其地上配套設施,地下污水處理廠規(guī)模為20萬m3/d,利用二期工程建成后拆除現(xiàn)狀剩余設施后空出地塊的地下空間進行建設,同時新建全廠配套的污泥處理系統(tǒng)及事故調(diào)蓄池;地上配套設施包括相應地面公園設施。三期工程有3個箱體,占地面積約為9.5萬m2。

4.3.2 現(xiàn)狀設施拆除及土地釋放

三期工程建成后,新增20萬m3/d污水處理能力和100萬m3/d污泥處理能力,污水、污泥處理規(guī)模均達到100萬m3/d?？刹鸪鼴地塊剩余所有現(xiàn)狀設施,污水、污泥全部轉入地下處理,可釋放B地塊約13.9萬m2土地,總計釋放約19.6萬m2土地(圖8)。

4.3.3 期間污水處理能力變化

三期工程實施時已拆除現(xiàn)狀二套生化系統(tǒng)剩余1/3處理能力,污水處理能力為97.6萬(17.6萬+40萬+40萬)m3/d。三期工程建成后再拆除完成提標改建的一套系統(tǒng),污水處理能力變?yōu)?00萬(40萬+40萬+20萬)m3/d。

4.4 土建分期建設可實施性

根據(jù)上述工程分期內(nèi)容,一期工程有兩座獨立基坑,二期工程有一座獨立基坑,三期工程結合先期完成的一、二期基坑,分為3座獨立基坑。一期基坑施工時,需對其東北側現(xiàn)狀污水處理構筑物進行保護,確保污水處理構筑物能正常運行;二期基坑施工時,需部分拆除現(xiàn)狀污水處理構筑物,地下連續(xù)墻位置處需清除地下廢棄管線、構筑物樁基等障礙物,同時需對其西南側剩余的污水處理構筑物進行保護;三期基坑施工時,需拆除剩余的污水處理構筑物,同時需對新建成、已運行的一、二期污水處理構筑物進行保護。

對一、二期地下箱體的保護,最重要的是減小和限制三期工程基坑開挖時圍護結構的變形。合理設置基坑支撐體系是減小基坑變形的關鍵。本項目各期地下箱體的基坑支撐主要利用永久性結構水平框架作為基坑支護結構的水平支撐,并將一、二期工程基坑支撐設置在箱體結構中層板及頂板位置,利用兩層樓板作為支撐體系的一部分,避免基坑換撐工況,減小由于支撐拆除造成的廢棄工程及工期延長。同時三期工程基坑支撐可直接支承于已完成的一、二期地下箱體中兩層樓板上,能較好限制圍護墻的變形,減小三期工程基坑施工時對一、二期地下箱體的影響。

5 項目初步效益分析

有別于傳統(tǒng)污水處理廠,本項目將采用先進的工藝和設計理念對污水、污泥、臭氣進行全面處理,結合全方位的再生水回用(15萬m3/d),實現(xiàn)該污水處理廠生態(tài)、低碳、節(jié)能、環(huán)境友好的目標。

作為城市基礎設施,污水處理廠以服務社會為主要目的,對城市經(jīng)濟的貢獻主要表現(xiàn)為外部效果,所產(chǎn)生的效益除部分經(jīng)濟效益可以定量計算外,大部分則表現(xiàn)為難以用貨幣量化的社會效益和環(huán)境效益,因此,從系統(tǒng)角度出發(fā)進行綜合評價較為合適。

5.1 環(huán)境效益

本項目改建完成后,出水標準整體提升至“準Ⅳ類”(除TN ≤8mg/L外,其余主要水質指標達到地表Ⅳ類水要求)。處理后的尾水將作為寶貴水資源用于城市水廊道補水,一是改善城市水環(huán)境質量,頂托咸潮,促進城市水生態(tài)健康發(fā)展;二是改善區(qū)域水環(huán)境污染狀況,緩解西部海域環(huán)境容量壓力。預計改建成后至少可削減排放至水體的污染物總量如表3所示。

5.2 社會效益

目前,環(huán)境保護已成為一項基本國策,水污染所引發(fā)的各種問題也日益受到全社會的關注和重視,而本項目將市政設施建設與城市更新開發(fā)創(chuàng)新融合,在顯著改善周邊環(huán)境、釋放土地價值的同時,通過置換土地平衡污水處理廠建設資金,開創(chuàng)有特區(qū)特色的開發(fā)模式。本項目一方面為城市提供了全新的市政污水處理基礎設施,另一方面還通過“工業(yè)上樓”“地面公園”為城市新型產(chǎn)業(yè)開拓發(fā)展空間,為群眾提供環(huán)境優(yōu)美的高質量休閑活動場所,有利于建設和諧社區(qū)以及促進社會、經(jīng)濟發(fā)展,進一步樹立城市的良好形象。

5.3 經(jīng)濟效益

本項目作為市政污水處理設施,通過污水處理量進行定量收費可以為項目產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益,但重要的是通過改善城市環(huán)境為社會產(chǎn)生間接經(jīng)濟效益。污水處理廠對區(qū)域水環(huán)境有著廣泛的影響,使該地區(qū)工業(yè)及旅游業(yè)發(fā)展不受環(huán)境條件制約,并協(xié)調(diào)好社會經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護目標,本項目可以通過拓展產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間、實現(xiàn)區(qū)域土地增值兩個方面增益該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。

6 結語

(1)傳統(tǒng)污水處理廠占地較大,功能上以削減污染物為主,一般來說環(huán)境友好度不足,越來越不適應城市發(fā)展。通過“上園下廠”或“上樓下廠”等綜合開發(fā)方式,可實現(xiàn)釋放土地、規(guī)模擴能、提標升級、生態(tài)友好及拓展產(chǎn)業(yè)空間等多重建設目標,在解決城市基礎設施更新需求的同時,又緊跟城市建設高質量發(fā)展的趨勢,能形成良好的項目效益。

(2)經(jīng)綜合比選,本項目生化方案采用技術成熟可靠、處理效果穩(wěn)定、運行管理簡單的多段AO工藝,并輔以深度處理提升出水TN和SS指標;基于改建期間不減量、不降標的要求,采用“建一拆一、先建后拆”的分階段實施方案,通過合理分期可以確保水量平衡及下地改建的可行性。

(3)污水處理廠原址下地改建應基于自身的邊界條件來策劃實施方案,一是要明確切實可行的分期方案,保證各期箱體既能獨立建設又能在建成后進行獨立處理,并能在不同階段組合成大的整體;二是要提前開展新進出水管線的研究,管線建設要有前瞻性,既能滿足當期箱體獨立運行需要又能匹配項目整體規(guī)模。