全地下污水处理厂建设优势分析
——以厦门市马銮湾再生水厂为例

费霞丽

（厦门水务集团有限公司，福建 厦门361009）

0 引言

美丽中国理念是强调人与自然和谐共生、良性循环、全面持续发展的理念。污水处理厂是保护水环境、治理水污染和水资源循环再利用的关键设施。近三十年来，我国建设了大量的城市污水处理厂，但是还有不少污水处理厂存在着因出水水质不合格、二次污染严重、邻避效应而导致的土地资源浪费等系列问题。所以，近年来环保部门对污水处理厂的出水水质考核指标有了大幅提高，同时，所采用的全地下建设型式极大地减小了对周边环境的影响，大幅度提高了城市土地利用效率，实现了与周围环境的和谐共处，取得了良好的社会效应，为污水处理提供了新的建设模式。

1 传统污水处理厂问题研究

1.1 土地开发利用差

我国绝大多数的污水处理厂采用地上式建设模式，工艺构筑物布置零散，从而造成占地面积较大、无法与周边环境相协调、影响城市形象的问题[1]。众多大中城市的污水处理厂因为景观性较差和邻避效应，使周边土地无法开发利用，闲置浪费，这对土地资源日渐紧缺的大中城市发展造成了较大的影响和障碍。

1.2 二次污染加剧

地上式污水处理厂同时又加剧了噪声、空气等二次污染。

噪声污染主要来源于污水处理厂中生产设备，如鼓风机、水泵等。现在污水处理厂普遍采用的降噪方法是种植隔音绿化、安装消音设备等，但都无法有效解决噪声污染问题，对长期在污水处理厂工作的人员健康造成了影响。空气污染主要来源于污水处理厂产生的臭气。臭气主要产生在预处理工艺段和污泥处理工艺段，如粗细格栅、污泥脱水机房等。虽然目前很多污水处理厂采用了密封加罩等措施，但也不能完全消除臭味[2]。

1.3 出水水质不达标

2015年4月国务院颁布了《水污染防治行动计划》，对于城镇污水处理厂出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准。我国较早时间建设的大部分污水处理厂执行的是一级B标准、甚至是二级标准，所以现有的污水、污泥处理工艺很难满足要求，需要进一步提标改造。

综合以上，传统建设模式的污水处理厂由于资源利用率低、二次污染严重、能耗较高等问题，与环境友好、资源集约的设计目标存在着较大的差距，因此，全国有条件的区域开始尝试高标准的全地下式污水处理厂的建设模式。

2 马銮湾全地下再生水厂简介

2.1 工程规模及处理目标

2.1.1 服务区域

马銮湾再生水厂的服务范围主要为马銮湾区域内的新城西片区、北片区、马銮岛、核心区和新美泵站服务区域，目前片区内排水现状存在很多问题：

（1）未达标污水的排放对周边水体污染严重，上游养殖业、餐饮业产生的污水以及未达标的工业污水偷排漏排现象屡有发生；

（2）片区内雨、污水混流现象严重。

针对区域内存在的恶劣问题，马銮湾再生水厂的建设对保护地区水环境将发挥关键作用。

2.1.2 进出水水质分析

经过污水量预测，马銮湾再生水厂近期规模按5.0万m3/d建设，远期规模为13.7万m3/d。根据规划，马銮湾再生水厂出水需作为马銮湾淡水水系的生态补水，地区环境要求较高，所以出水水质按类IV类水水质标准，即除TN优于一级A外，其他均执行地表IV类水标准。马銮湾再生水厂的进出水水质见表1。根据每个指标的去除率，CODcr和BOD5采用常用的生物处理工艺辅助混凝沉淀则可稳定达标。该工程的处理难点是TN、TP和SS的控制，再加上环保局对污水处理厂实施24 h监测，这就要求出水水质长期稳定可靠，因此，碳源的合理分配、氮的有效去除和深度处理工艺是该工程的重点。

表1 马銮湾再生水厂进出水水质一览表 mg/L

2.2 工艺路线论证

2.2.1 污水预处理段

根据进出水水质特点及国内外工程实例，马銮湾再生水厂采用“分点进水多段式AAO+二沉池+高效沉淀池+反硝化深床滤池+超滤膜”的主体工艺。工艺流程如图1所示。鉴于进水中含砂量较大，为更有效地洗脱有机物、浮渣和油脂，利于后续处理工艺，预处理段采用曝气沉砂池。马銮湾再生水厂设计进水的SS为200 mg/L，考虑到为保证后续生化段的足够碳源，所以生化处理段前不设初沉池。

图1 马銮湾再生水厂工艺流程图

2.2.2 污水二级处理段

污水二级处理采用分点进水多段式AAO工艺。精确的分点进水可以有效分配碳源，多段缺氧/好氧顺序排列，可以为反硝化菌、硝化菌的生长创造合适的环境。该工艺具有如下特点：

（1）缺氧/好氧交替布置，省去传统A/O工艺的消化液内回流设施，且可充分利用原水中的碳源进行反硝化，对低C/N城市生活污水的高效脱氮尤为有利；

（2）由于污水分散进入各段，其总的稀释作用被推迟，系统各段悬浮物浓度呈梯度分布，所以该工艺比常规营养物去除工艺具有较多的污泥储量和较长的固体停留时间，不同的进水点和进水流量分配增加了单位池容的处理能力，大大降低脱氮所需的池容；

（3）缺氧区进水一方面可充分利用原水中的易生物降解有机物，另外异养菌的生长受到限制，利于自养硝化菌的生长；

（4）缺氧区和好氧区交替存在可以对好氧区硝化时消耗的碱度有一定补充，可以避免硝化碱度不足的情况发生，此外每段的缺氧区相当于高负荷选择器，可有效抑制丝状菌污泥膨胀。

2.2.3 污水深度处理段

面对更严格的出水水质控制标准，经过二级生物处理后 CODcr、TN、TP、SS尚不能达到排放指标。重点、难点处理指标主要是TN、SS和TP。该工程深度处理采用“高效沉淀池+反硝化深床滤池+超滤膜”的组合工艺。

反硝化深床滤池是集生物脱氮及过滤功能合二为一的处理单元，滤池采用2～4 mm的石英砂作为反硝化生物的挂膜介质，生物膜量大，可达20～50 g/L，在保证充足碳源的情况下，出水TN浓度可小于5 mg/L。另外，反硝化深床滤池滤层深度较深，足以避免窜流或穿透现象，即使前端处理工艺发生污泥膨胀也不会使滤床发生水力穿透，固体负荷高的特性大大延长了滤池过滤周期，减少了反冲洗次数，并能轻松应对峰值流量或处理厂污泥膨胀等异常情况。反硝化深床滤池可以根据出水要求控制TN去除量，近期可满足地表类IV类水体要求，远期可根据指标提升水质。

SS≤5 mg/L是要求很高的出水指标，一般要采用膜过滤才能达到这个标准，再加上前端设置的高效沉淀池采用的石英砂颗粒，导致颗粒间隙比较大。为了使污水厂的出水100%稳定达标，仅采用“高效沉淀池+反硝化深床滤池”的深度处理工艺是无法保证出水稳定达标的。另外，该工程出水系作为马銮湾淡水水系的生态补水、城市杂用水及工业企业的生产用水，水质需要非常稳定。综合以上因素，末端设置了先进的超滤膜工艺，确保了出水水质。

3 马銮湾再生水厂优势分析

3.1 促进环境友好

3.1.1 全地下式布置

地下式污水处理厂，即各处理构筑物和部分建筑物建设在地面以下，厂区地上作为其他建筑物建设、绿化、停车场等公共区域用途。根据不同的布置方式，可以分为双层加盖式半地下布局、双层加盖式全地下布局和单层加盖式全地下布局[3]。三种方式见图2。由简图可知，单层加盖方案上部空间有较多的安装孔，不利于上部地块的开发，所以工程实际应用少；双层加盖式半地下建设方案整体景观效果和双层加盖式全地下布局方案还是差很多，且对外公共开放区域较小。综合以上，马銮湾再生水厂采用全地下式双层加盖的建设模式。

马銮湾再生水厂整体位于地下，上部种植绿化，池体全部覆盖土，生产活动均位于密封的地下。如图3厂区地上部分平面布置所示，根据远期规划再生水厂公众开放范围可达2.43 hm2，可以作为公用或公共设施用地，并将污泥脱水机房和厂前区布置在全地下箱体上方，很大程度上方便了污泥的频繁外运以及污泥脱水设备的日常维护。如图4所示：水厂的操作层全部设置在地面以下，地下箱体综合处理构筑物长200 m，宽77 m，顶部覆土2.0 m，箱体中间设置宽8 m的进出通道，方便日常检修及巡视；中间通道两端由东向西依据工艺流程分别建造预处理段、二级生物处理段和深度处理区，各构筑物之间布置合理、紧凑。在外观上具有景观效果美、占地集约的优势。

图2 不同地下式污水厂布置方案

图3 厂区地上部分平面布置图

图4 箱体地下操作层平面布置图

3.1.2 绿色厂区景观

马銮湾片区作为厦门海绵城市试点区，为响应海绵城市精神，整个污水厂的平面绿化及景观设计充分体现了海绵城市的内涵。如图5所示，在厂区内主要道路采用透水路面，人行小道采用透水砖铺砌，改进了城市植物调节生态能力。厂区大量空地打造花园景观，种植大量适合当地环境、具有观赏价值的植物，全厂绿化率不小于60%。此外，对于裸露在地上的所有设施均作外形美化，所以，马銮湾再生水厂展示出了与周围环境高度的协调和呼应。

图5 厂区内透水路面

3.1.3 科学臭气处理

马銮湾再生水厂主体构筑物位于箱体内，为保证工人有一个良好的操作环境以及减少对周围环境的空气污染，该工程采用《恶臭污染物排放标准》（GB 14554—1993）中规定的厂界废气排放二级标准，对重点区域的臭气进行有组织的收集、处理和排放。对于恶臭气体散发点如粗格栅及进水泵房、细格栅及旋流沉砂池、生反池、储泥池等选用防腐蚀能力强、投资费用低的混凝土加盖方式，臭气经密闭收集后，通过风管输送到生物除臭设备。马銮湾再生水厂采用两级生物处理的复合式生物除臭工艺，技术新颖工艺可靠，臭气经过温度调节、增湿的一级生物处理后进入二级生物滤池工艺，滤层选用多孔、湿润和充满活性微生物的填料，吸附性和降解能力强。结合厂区总体布置，再生水厂设置三套生物除臭设备，分别处理污水预处理单元、生反池单元和污泥处理单元产生的臭气。在微生物的高效处理下，大量臭气中的有害成分被去除，达到排放标准后排放。

3.2 实现资源节约

3.2.1 土地节约

表面来看，全地下式污水处理厂的投资成本较高，但是当人类可利用的土地资源日趋减少，土地价格逐渐增高时，全地下式污水处理厂的价值就会显现出来。马銮湾再生水厂地处湾区重要地段，土地价值高，环境敏感要求标准高。根据《城市污水处理工程项目建设标准》，马銮湾再生水厂远期规模建设用地指标为0.95 m2/m3·d，即用地面积为13 hm2，而该工程规划用地面积为6.85 hm2，所以通过全地下集约化布置、将厂前区和污泥泵房建设在一体化构筑物上方等措施满足了用地指标标准。如图6所示，为提高土地利用率，箱体上方还建设水科普教育基地一座，免费对公众开放，主要目的是向社会大众宣传普及节约水资源的环保理念。

图6 水科普教育基地

3.2.2 能源节约

马銮湾再生水厂在节约土地资源的同时，也通过选择先进的处理工艺、低能耗设备努力实现能源节约。工艺方面具体措施如采用精确曝气控制系统、优选水泵、对内外回流比及曝气量进行优化等。综合楼建筑外围护结构采用外保温系统，建筑外立面处理上凹凸较少，从而减少了外围护结构的热损失和能源消耗。

3.3 保障安全生产

3.3.1 结构安全可靠

马銮湾再生水厂位于厦门市海沧区，地基土主要由耕植土、素填土、黏土、粗砂等组成，工程性能不良，其余各岩土层力学强度一般。鉴于以上地质特点，马銮湾再生水厂的结构难点在于集约化的箱体，以及不同功能的单体连接、上部箱体的柱网布置和大面积的深基坑。

参考和借鉴国内其他大型地下污水处理厂结构设计后，马銮湾再生水厂的箱体采用现浇钢筋混凝土结构，短向设置“2道底板加强带+池壁顶板后浇带”，长向设置“1道完全伸缩缝及4道底板加强带+池壁顶板后浇带 ”。盛水构筑物水位线以下0.5 m以上的池内壁、顶板底面均涂抹环氧树脂类防腐材料。鉴于地下水位较高，马銮湾再生水厂采用抗拔锚杆的设计保证抗浮效果。整个工程克服结构难点保证了厂区箱体的安全可靠。

3.3.2 消防布置合理

该工程地下箱体的生产构筑物为污水、污泥处理的蓄水或盛水构筑物，在正常生产情况下，一般不易发生火灾，只有在操作失误、管理不当及其他意外事故状态下，才有可能导致火灾的发生。地下箱体内除了工作人员每天的定期巡视外，没有人员在箱体内停留，所以疏散难度不大，对人员伤害可能性小。基于以上以及国内大型地下式污水厂消防系统布置案例，马銮湾再生水厂将地下箱体分为9个防火分区。如图7所示，每个防火分区面积不大于2 000 m2，并在箱体内设置室内消火栓系统和灭火器系统，除东侧1个车道出入口外，水厂还在每个防火分区内分别设置通往地面的逃生楼梯，保证每个防火分区都有1个直通室外的独立安全出口，并以通过相邻防火分区的甲级防火门作为第二个安全疏散口，整个工程的消防方案布置保证了再生水厂的生产安全。

图7 防火分区及应急楼梯示意图

4 结语

本文通过厦门市马銮湾再生水厂，详细分析了全地下式污水处理厂的优点。马銮湾再生水厂采用“分点进水多段式AAO+二沉池+高效沉淀池+反硝化深床滤池+超滤膜”的主体工艺使出水稳定达到类IV类水水质标准，保护了水环境；合理的平面和竖向布置、以海绵城市理念打造厂区景观、采用科学除臭系统避免二次污染，使马銮湾再生水厂成为环境友好型污水厂；通过全地下集约化布置和箱体上方厂区空地的利用实现了土地节约。

[1]杨勇,王玉明,王琪,等.我国城镇污水处理厂建设及运行现状分析[J].给水排水,2011,(8):35-39.

[2]许小平,赵艳,潘婷,等.污水处理厂除臭工艺收集系统的选择与分析[J].中国给水排水,2012,28(22):54-58.

[3]邱维.我国地下污水处理厂建设现状及展望[J].中国给水排水,2017,33(6):18-26.