張 超,劉成軍,,*,陳力子,周思廷,譚 瀟,周 欣,馬鑫欣

(1.北京智宇天成設(shè)計咨詢有限公司,北京 101100;2.四川蓉信開工程設(shè)計有限公司,四川成都 610100)

近年來,我國城市化建設(shè)和更新進程飛速,市政基礎(chǔ)設(shè)施等城市服務(wù)體系略顯缺失。 黨的十八大以來,城市生態(tài)文明建設(shè)愈發(fā)重要,公園綠地作為優(yōu)質(zhì)的公共綠色空間是市民對美好生活的迫切需求。 因此,市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與公園綠地需求協(xié)調(diào)關(guān)系嚴峻,呈現(xiàn)相互制約的發(fā)展態(tài)勢,如何平衡好城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和公園綠地建設(shè)是一個亟待解決的問題[1]。 那么,地下式污水處理廠作為市政基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,以其集約化布置、資源化利用、生態(tài)化融合的特色[2-3],在地下空間實現(xiàn)污水凈化,在地上空間系統(tǒng)打造生態(tài)景觀、科普教育、水景綠化等元素,對城市公園綠地的增加是一項重要措施。

本文以西安某地下式污水處理廠為案例,從空間利用、平面布置、生態(tài)環(huán)境品質(zhì)提升等方面分析生態(tài)公園內(nèi)地下式污水處理廠的廠址特點、總體方案,重點闡述平面、高程、工藝、消防、資源利用等方面的工程設(shè)計特點,為類似工程建設(shè)提供參考。

1 項目概況

1.1 項目規(guī)模

西安某地下式污水處理廠設(shè)計規(guī)模為50 000 m3/d,位于生態(tài)公園內(nèi),占地面積約為40 畝(1 畝≈666.67 m2)。

1.2 污水處理標準

本項目主要處理服務(wù)范圍內(nèi)的生活污水、餐廚排水等,出水水質(zhì)主要指標執(zhí)行《陜西省黃河流域污水綜合排放標準》表1 中A 標準,TN 執(zhí)行《西安市城鎮(zhèn)污水處理廠再生水化提標改造和加蓋除臭工程三年行動方案(2018—2020 年)》中要求標準(表1)。 污水經(jīng)處理達標后就近排放至皂河,補充皂河水資源,提升皂河水環(huán)境質(zhì)量。

表1 設(shè)計進、出水水質(zhì)Tab.1 Designed Influent and Effluent Quality

1.3 污泥處理標準

本項目污泥脫水干化至含水率為40%以下外運,充分實現(xiàn)污泥的減量化。

2 廠址特點和總體方案

2.1 廠址特點

本項目選址位于城市生態(tài)公園內(nèi),北側(cè)為市政快速路,南側(cè)、西側(cè)與生態(tài)公園接壤,東側(cè)為人員密集的住宅小區(qū)。 廠址范圍為高低起伏的微地形,地形標高為418.0～431.5 m,由東南向西北降低,場地出入口設(shè)置于北側(cè),如圖1 所示。

圖1 廠區(qū)現(xiàn)狀地面標高Fig.1 Ground Elevation of Existing WWTP

該廠址具有如下特點。

(1)廠址地塊為異形,總面積約為40 畝,在建設(shè)規(guī)模、進水濃度、出水標準的多重限定條件下,可充分利用的土地面積有限。

(2)廠址地塊為公園綠地,海綿城市建設(shè)年徑流總量控制率≥80%,僅全地下式污水處理廠建設(shè)形式滿足規(guī)劃各項指標要求。

(3)廠址南側(cè)生態(tài)公園地塊標高為420.0 ～431.5 m,北側(cè)市政公園地塊標高為419.0 ～422.3 m,市政道路標高為416.2 ～418.0 m,本項目既要與南側(cè)生態(tài)公園有效融合,又要與北側(cè)市政道路便捷銜接。

綜合上述特點,本項目有必要建設(shè)為土地集約型、環(huán)境友好型的全地下式污水處理廠,以滿足用地面積、規(guī)劃、周邊環(huán)境等各方面的需求。 但由于全地下式污水處理廠的結(jié)構(gòu)形式,基坑深度大、消防設(shè)施要求高、工程投資高,特別是運營期生產(chǎn)運輸較為復(fù)雜、汛期水淹風(fēng)險高[4-6]。 因此,結(jié)合本項目地塊生態(tài)公園的微地形特點,擬將污水處理廠箱體整體抬高,合理確定豎向空間布局、優(yōu)化平面布置、簡化消防設(shè)計,建設(shè)一座兼具全地下式和半地下式優(yōu)勢的污水處理廠。

2.2 總體方案

2.2.1 總平面布置

根據(jù)規(guī)劃限定、廠址地形條件及周邊環(huán)境要求,總體布置分布如下:南側(cè)為污水處理廠箱體(以下簡稱“箱體”),依生態(tài)公園微地形修建,箱體頂層進行覆土綠化和景觀打造,結(jié)合現(xiàn)狀生態(tài)公園步道,延伸覆土綠化至箱體頂層,形成連貫的場地空間;北側(cè)為消防車道,與市政道路順接,既滿足廠區(qū)生產(chǎn)運維和生活辦公通行,又滿足消防安全疏散,消防車道結(jié)合北側(cè)微地形設(shè)置成坡形車道,對箱體起到遮擋和消隱的作用;東側(cè)為綜合用房和場前廣場。 各元素平面關(guān)系如圖2 所示。

圖2 廠區(qū)總平面布置圖Fig.2 General Layout of WWTP

2.2.2 高程布置

根據(jù)地下式污水處理廠功能要求,箱體豎向結(jié)構(gòu)分為3 層(池體層、操作層、頂層):池體層為污水處理構(gòu)筑物和管廊,污水處理構(gòu)筑物層高根據(jù)各處理單元工藝需求確定,管廊層標高為411.8 ～414.1 m,層高約為6.2 m;操作層為敞開空間,大多布置工藝設(shè)備、管線、功能房間等,操作層標高為418.5 m,操作層層高為4.0～5.5 m;頂層為生態(tài)景觀公園,覆土為0.6～1.5 m,設(shè)置植草溝、透水鋪裝、綠色屋頂、下沉式綠地等措施,頂層標高為423.5～425.0 m。

箱體北側(cè)近市政道路,利用現(xiàn)狀微地形特點設(shè)置消防車道,箱體北側(cè)車道標高為420.0 m,坡向廠區(qū)東、西兩側(cè)出入口,作為整個廠區(qū)及箱體操作層和管廊層消防疏散通道,使箱體管廊層和操作層埋深均小于10 m;箱體東側(cè)廣場和西側(cè)道路標高為418.0～419.0 m,基本與箱體操作層平接,形成環(huán)形道路,提高生產(chǎn)運輸便捷性;箱體西、南側(cè)頂層與現(xiàn)狀公園直接連接,形成微地形景觀綠化,使箱體頂層作為生態(tài)公園的功能補充和景觀延伸,提升城市生態(tài)公園整體效果。 廠區(qū)南北方向高程關(guān)系如圖3所示。

圖3 廠區(qū)高程關(guān)系示意圖Fig.3 Elevation Relation Diagram of WWTP

本項目受納水體50 年1 遇洪水位為417.0 m,箱體操作層及廠區(qū)道路均設(shè)計高于洪水位,有效降低了污水處理廠的水淹風(fēng)險。

3 工程設(shè)計要點

3.1 箱體平面設(shè)計要點

本項目箱體總平面設(shè)計充分考慮水流、人流、物流,對各個處理系統(tǒng)進行合理分區(qū)、緊湊布置,如圖4 所示。 箱體進水自西南側(cè)接入,至北側(cè)接出,各個構(gòu)筑物分南、北兩側(cè)布置,南側(cè)由西向東依次布置預(yù)處理系統(tǒng)、二級生物處理系統(tǒng),北側(cè)由東向西依次布置深度處理系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)。 變配電間、鼓風(fēng)機房、藥劑投加間、除臭塔等生產(chǎn)用房集中布置于各系統(tǒng)操作層板上。 箱體中上部設(shè)置東西方向貫穿的室內(nèi)車行道,與廠區(qū)消防車道順接,可滿足污泥外運、生產(chǎn)藥劑輸入、設(shè)備運維通行。

圖4 箱體總平面布置圖Fig.4 General Layout of the Box

箱體平面設(shè)計特點如下。

(1)箱體布置方正,呈非對稱式布局,各工藝處理區(qū)按功能合理劃分,產(chǎn)生臭氣、泥渣的區(qū)域集中布置于箱體南側(cè),便于密封、收集;產(chǎn)生污泥的區(qū)域布置于箱體西側(cè)車行道出入口,便于外運,減少對箱體環(huán)境影響;敞開水池區(qū)域布置于箱體北側(cè),近綜合用房、廠區(qū)消防車道,便于參觀、巡檢。

(2)各工藝構(gòu)筑物順水流布置,有序銜接,流程簡短、清晰,水頭損失小。

3.2 工藝設(shè)計要點

根據(jù)本項目進水水質(zhì)特點,污水采用“粗、細格柵+曝氣沉砂池+多模式可切換生化池+矩形沉淀池+高效沉淀池+新型反硝化池+精密過濾器+紫外線消毒”,污泥采用帶式濃縮脫水與低溫風(fēng)冷干化組合工藝,臭氣采用高效生物除臭技術(shù),工藝流程如圖5 所示。

圖5 工藝流程圖Fig.5 Flow Chart of Process

本項目采用多模式生化與新型反硝化的污水處理工藝是二級處理、深度處理工藝新的嘗試,可實現(xiàn)生化處理工藝的靈活控制和污染物各項指標的深度強化處理,為地下式污水處理廠的工藝選擇和設(shè)計提供借鑒。

(1)二級處理工藝

本項目二級處理工藝為多模式可切換運行生化池+矩形沉淀池的組合工藝,主要是考慮靈活應(yīng)對污水處理廠進水水質(zhì)的周期性和季節(jié)性波動。 雖然一定程度上增加了工程投資,但是在出水穩(wěn)定運行和運行成本節(jié)約方面的優(yōu)勢是較為顯著的。 具體設(shè)計如下。

多模式可切換的生化池,是以改良AAO 模式為基礎(chǔ)設(shè)計,平均水力停留時間為18.7 h,其中:預(yù)脫硝區(qū)為0.5 h、厭氧區(qū)為1.0 h、缺氧區(qū)為5.7 h、好氧區(qū)為11.5 h。 擬好氧區(qū)池容2.5 h,作為兼性區(qū)使用,既可作為缺氧區(qū)運行,也可作為好氧區(qū)運行,從而實現(xiàn)多模式的切換運行功能。 矩形沉淀池設(shè)計表面負荷為1.08 m3/(m2·h),采用矩形折流式周進周出形式,通過特殊的布水形式和排泥形式,提高表面水力負荷和固體負荷。 生化工藝布置如圖6 所示。

圖6 生化工藝布置圖Fig.6 Layout Plan of Biological Process

(2)深度處理工藝

本項目深度處理工藝為高效沉淀池、反硝化池、精密過濾。 高效沉淀池設(shè)兩座,設(shè)計混合區(qū)、絮凝區(qū)平均水力停留時間分別是2.9、10.5 min,沉淀區(qū)表面負荷為9.65 m3/(m2·h)。 反硝化池設(shè)8 組,設(shè)計反硝化負荷為0.43 g/(m2·d)、平均濾速為8.0 m/h。 精密過濾設(shè)2 組。

(3)工藝設(shè)計特點

1)生化池、二沉池、高效沉淀池均采用矩形構(gòu)筑物形式,反硝化池、精密過濾采用模塊化設(shè)備組,布置緊湊、集約,空間利用率高,節(jié)約箱體占地。

2)可切換生化池設(shè)計,可實現(xiàn)改良AAO 工藝與Bardenpho 工藝的靈活切換,適用于不同水質(zhì)工況下污染物的強化處理,具有較好的脫氮除磷效果和應(yīng)對進水水質(zhì)波動的能力。

3)反硝化池設(shè)計耦合了生物濾池和生物膜工藝的技術(shù)優(yōu)勢,通過采用新型輕質(zhì)濾料和高填充率的固定床構(gòu)型,實現(xiàn)深度脫氮功能,保障出水穩(wěn)定達標。

3.3 消防設(shè)計要點

箱體的消防設(shè)計一般是按照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)(2018 年版)對地下廠房的相關(guān)要求執(zhí)行,目前存在兩個問題:一是嚴格按照規(guī)范執(zhí)行,會使箱體劃分復(fù)雜、消防疏散措施繁多,箱體有效運維空間和箱體頂層利用空間嚴重減少;二是突破規(guī)范要求,采用專項評估和評審消防的方式,將直接導(dǎo)致設(shè)計周期變長、建設(shè)成本增加,特別是小規(guī)模的項目問題更加凸顯[7]。 因此,本項目在設(shè)計時,考慮設(shè)計周期緊張的因素,嚴格按照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)(2018 年版)執(zhí)行,并在規(guī)范允許的前提下,最大限度地優(yōu)化、簡化設(shè)計。

(1)消防分區(qū)及人員疏散設(shè)計

本項目箱體地下建筑面積為30 438 m2,豎向分2 層,定義為戊類廠房、一級耐火等級。

本項目共劃分防火分區(qū)10 個,每個防火分區(qū)扣除水池、檢修通道等區(qū)域后,采用自動噴淋滅火系統(tǒng),面積均控制在2 000 m2以內(nèi)。 每個防火分區(qū)通過防火墻或防火卷簾分隔,均設(shè)置至少2 個安全出口,安全出口采用封閉樓梯間或防火門直通室外和借用防火門通向相鄰防火分區(qū)的組合方式,防火分區(qū)內(nèi)任意一點的安全疏散距離均小于60 m。

整個箱體所有防火分區(qū)的劃分思路是,將直通室外的安全出口布設(shè)在箱體南、北兩側(cè),使箱體北側(cè)防火分區(qū)利用廠區(qū)消防車道進行安全疏散,箱體南側(cè)防火分區(qū)利用箱體頂層公園進行安全疏散。 以此劃分,一方面,可以取消消防電梯、減少樓梯間等配置;另一方面,可以集中布置樓梯間,為箱體頂層整體打造創(chuàng)造條件。

(2)通風(fēng)系統(tǒng)與防排煙系統(tǒng)

在前述防火分區(qū)劃分的基礎(chǔ)上,進行通風(fēng)系統(tǒng)和防排煙系統(tǒng)設(shè)計。 本項目對整個箱體進行通風(fēng)設(shè)計,以消除箱體內(nèi)部余熱、余濕和進行運維空間內(nèi)污染物濃度控制。 整個箱體的排風(fēng)均采用機械排風(fēng)方式,各區(qū)域排風(fēng)量根據(jù)現(xiàn)行通風(fēng)設(shè)計規(guī)范要求及區(qū)域功能需求確定,其中:設(shè)備用房及配電間按照設(shè)備發(fā)熱量,藥劑投加間換氣次數(shù)為12次/h,預(yù)處理及污泥處理區(qū)域等環(huán)境質(zhì)量差的操作層空間換氣次數(shù)為6 次/h,操作層大空間及池體層管廊區(qū)域換氣次數(shù)為4 次/h 以下;整個箱體的送風(fēng)采用機械或自然送風(fēng)方式,各區(qū)域送風(fēng)量均按照排風(fēng)量的80%確定,其中:防火分區(qū)1 ～7 為機械送風(fēng),防火分區(qū)8 ～10 在箱體北側(cè)設(shè)置百葉窗實現(xiàn)自然送風(fēng)。

本項目對封閉樓梯間進行防煙設(shè)計,整個箱體共設(shè)置7 個封閉樓梯間,其中,箱體北側(cè)2 個樓梯間由管廊層至廠區(qū)消防車道,箱體南側(cè)5 個樓梯間由操作層至箱體頂層,均為地下一層且直通室外,采用自然送風(fēng)系統(tǒng)。

本項目僅對管廊層、操作層車行道和參觀通道可能有人員經(jīng)常停留的區(qū)域進行排煙設(shè)計,水池、設(shè)備房間、設(shè)備檢修區(qū)等無可燃物和無人員經(jīng)常停留的區(qū)域不考慮設(shè)計。 排煙風(fēng)道、補風(fēng)風(fēng)道與通風(fēng)系統(tǒng)合用,平時通風(fēng)用,火災(zāi)發(fā)生時兼作排煙系統(tǒng)。 其中,管廊層采用機械通風(fēng)兼排煙系統(tǒng),操作層車行道和參觀通道利用箱體頂層開設(shè)排煙窗實現(xiàn)自然排煙。

(3)消防設(shè)施設(shè)計

本項目箱體內(nèi)分為不同的工藝處理區(qū)域,消防設(shè)施應(yīng)在安全、經(jīng)濟的前提下合理區(qū)分設(shè)置。 高、低壓配電室設(shè)置二氧化碳滅火器,箱體操作層大空間、管廊及生產(chǎn)功能房間均設(shè)置磷酸銨鹽干粉滅火器。整個箱體(除配電間、操作層敞開水池、池體層構(gòu)筑物)均按照防火分區(qū)設(shè)置自動噴淋系統(tǒng)。 另外,本項目還按照相關(guān)防火規(guī)范的要求設(shè)計火災(zāi)報警系統(tǒng)、消防水池、消防水泵房等。

(4)消防設(shè)計特點

1)通過設(shè)置廠區(qū)消防車道作為箱體疏散通道,節(jié)省消防電梯2 臺、機械加壓送風(fēng)機房2 個,減少封閉樓梯間3 個、送風(fēng)機房3 個,提高箱體操作層運維空間和增加頂層公園綠地面積,節(jié)約了工程投資。

2)樓梯間集中布置在箱體南側(cè),避免了箱體頂層生產(chǎn)用房分散布置對公園景觀整體性的破壞,大大提升頂層公園景觀效果。

3)相鄰防火分區(qū)送排風(fēng)機房合建,各防火分區(qū)送排風(fēng)機房交錯布設(shè),減少風(fēng)管交叉占用操作層凈高,同時保證區(qū)域通風(fēng)全方位、無死角。

4)根據(jù)人員停留情況和可燃物類別劃分箱體,并對各區(qū)域進行差異性排煙設(shè)計,簡化了箱體的防排煙系統(tǒng);同時,利用箱體頂層布置自動采光排煙天窗,實現(xiàn)排煙和天然采光的雙重功能,既是環(huán)保節(jié)能的體現(xiàn),又能提升地下空間人員工作環(huán)境條件。

3.4 資源節(jié)約與利用

本項目節(jié)能設(shè)計體現(xiàn)在工藝系統(tǒng)、照明、建設(shè)形式等方面,在節(jié)能降耗的前提下確保污水、污泥達標排放。 工藝系統(tǒng)采用可切換運行的生化池、可靈活超越的工況、高效低耗的設(shè)備;在生化池、二沉池頂板設(shè)置光導(dǎo)照明系統(tǒng),充分利用室外自然光,節(jié)約照明電力;箱體北側(cè)及頂板開設(shè)建筑門窗,利用自然采光、通風(fēng),降低能耗同時提升運維環(huán)境。

本項目采用污水源熱泵系統(tǒng),為綜合用房、箱體參觀空間提供制冷供暖。 系統(tǒng)設(shè)計總冷負荷約為255 kW,設(shè)計總熱負荷約為260 kW。

4 運行效果

本項目已于2022 年1 月正式投產(chǎn)并進入運營初期,各污水處理構(gòu)筑物及設(shè)備均高效、安全、穩(wěn)定運轉(zhuǎn),進水水質(zhì)各項指標暫未達到設(shè)計值,出水主要指標已達到并優(yōu)于設(shè)計要求值。 2022 年6 月—2023 年5 月實際進出水水質(zhì)指標如表2 所示,達標率均為100%。

表2 實際進出水水質(zhì)指標Tab.2 Actual Influent and Effluent Water Quality Indices

5 工程經(jīng)濟指標

本項目總投資約為4.5 億元,第一部分工程費用約為4.0 億元。 污水處理運行成本約為1.50元/m3。

6 結(jié)語

(1)城市生態(tài)公園地下式污水處理廠總體設(shè)計需結(jié)合規(guī)劃限定條件、地形特點和道路交通情況,確定平面和高程布置,選擇工程投資少、設(shè)計難度小、運維風(fēng)險低的污水處理廠建設(shè)形式。 本工程是地下式污水處理廠合理運用地形條件的典型案例,箱體頂層與現(xiàn)狀公園協(xié)同打造微地形生態(tài)景觀公園,補充并拓展了城市公園的功能和空間,最大限度減少污水廠建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響,是城市生態(tài)文明建設(shè)的重要體現(xiàn)。

(2)箱體內(nèi)各污水處理系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,分區(qū)布局緊湊、集約,運維檢修流線、參觀檢查流線和生產(chǎn)運輸流線順暢、不迂回,有效提高污水處理廠運營管理效率和空間環(huán)境質(zhì)量,為同類污水廠的集約化、模塊化布置提供參考。

(3)污水處理工藝的多模式切換、靈活超越工況,可有效應(yīng)對水質(zhì)波動,進一步確保污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和出水達標。 該組合工藝較適用于水質(zhì)周期性或季節(jié)性變化的污水處理項目,特別是TN指標變化顯著的項目更為適用。

(4)利用生態(tài)公園微地形設(shè)計廠區(qū)消防車道,降低箱體的消防疏散深度,減少消防電梯、疏散樓梯間、送風(fēng)機房的設(shè)置,提高箱體空間利用率和頂層公園綠化率。 該思路嚴格參考《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)(2018 年版)的防火要求,實現(xiàn)了消防系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化、簡化,是城市公園地下式污水處理廠消防設(shè)計思路的新選擇。

(5)充分利用污水熱能、太陽能等綠色能源,年標準煤節(jié)約達到83.47 t,年CO2排放量減少218.69 t。