基于案例的地下污水处理厂技术经济分析

郑永鹏

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

近年来，随着我国经济的不断发展，人们对生存环境的要求日益提高，尤其是随着“青山绿水”建设理念的提出，人们对环境的重视提高到一个全新的高度。在建设形式上，污水处理构筑物一般都是地上独立建设，随着城市用地、城市景观要求，以及城市综合环境的限制，近几年也纷纷采用地下建设。该类型的污水处理厂具有其独特的建设形式。

1 地下污水处理厂的特点

我国最新版本的《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）2016年版并未对污水处理厂的建设形式下定义，国内也未有相关的设计标准。根据国内外已经实施的地下污水处理厂，可以将该类污水处理厂归纳为一种集约化池体构筑物布置、上部整体加盖的建设形式，工艺设计水位一般位于设计地面以下。国内主流的布置形式有三种：半地下双层加盖式、全地下双层加盖式、全地下单层加盖式[1]，见图1～图3所示。

2 技术经济分析

2.1 设备投资

2.1.1 工艺设备系统

图1 半地下双层加盖式示意图

图2 全地下式双层加盖式示意图

图3 全地下式单层加盖式示意图

地下式污水处理厂因受检修、操作空间的限制，设备质量和性能比地上式污水处理厂的要求 高，不论是建设管理部门还是建设实施各方均对地下式污水处理厂设备提出了高可靠性、高效率、高度自动化的要求，因此在设备一次性投入上要高于地上污水处理厂。并且考虑到地下运行，以及污水腐蚀环境的影响，设备选材上要严于地上污水处理厂。

2.1.2 电气设备系统

对于地下污水处理厂，首先是各类用电设备总功率相较于地上污水处理厂大，电气系统因总体负荷增加会增大相应投资，并且地下电气设备选型需要充分考虑污水厂环境影响，采用防腐蚀性能的产品；其次是电缆，消防用电缆需采用矿物绝缘电缆和无卤低烟阻燃耐火电缆，其余电缆均需采用无卤低烟阻燃电缆，该部分内容一般需要相应增加20%投资；最后因地下污水处理厂为全封盖式，需要增设日常照明、应急照明、疏散指示照明等，并且一般电气设计均采用E P S集中供电，增加相应设备费用。

2.1.3 仪表及自控系统

因为地下污水处理厂上部为一体化箱体，属于密闭空间，如果发生污水散发的有毒有害气体聚集、水体溢出、内部设备火灾等情况，会对内部正常操作的人员造成较为严重的后果，因此对于仪表及智能监控设施提出较高要求。首先需要增加各类气体监测设备，包括甲烷、硫化氢等，各出入口设置声光报警器；其次需要完善火灾报警系统，包括设置报警器、自动灭火设施等；相较于普通污水处理厂，还需要加强对液位的监控和控制，增设液位仪，设定污水溢出的分级报警，当超过警戒液位时，关闭闸门、水泵等；最后还必须建立一套智能化的信息监控管理系统，包括广播系统、无线对讲系统、门禁系统等，这些都是相较于普通污水处理厂的投资增加部分。

2.1.4 暖通系统

对于暖通系统而言，地下与地上污水处理厂在空调系统上投资相差不多，鼓风机房、变配电间、值班室、仪表间、办公楼等区域的空调设置均相差不大，主要增加的投资为通风系统。地上污水处理厂对于通风换气的要求不高，一般针对泵房、污泥脱水间等几个单体即可，而地下污水处理厂上部加盖，形成巨大的密闭空间，通风换气的空间大大增加。首先是水池上方的空间区域增加了通风换气的需要，另一类是配电间、变压器室等生产性用房的通风换气的需要，相应的投资相较于地上式污水处理厂增加不少。

2.2 土建投资

2.2.1 基坑围护

基坑围护对工程的影响较大，不仅对工程整体安全具有重大影响，还往往是工程造价的控制关键点。一般来说，基坑围护属于临时性工程，各方都不愿意投入太多资金。但是，其重要性及发生事故而引发的后果都是巨大的。因此，基坑围护越来越受到各方关注。考虑到池体水深的要求，地下污水处理厂一般埋深较大，能达到10m左右，尤其是全地下污水处理厂，基坑深度可能超过15m，例如上海市泰和污水处理厂的基坑深度达到18m。而普通的地上污水处理厂因水力高程的作用，埋深较大的构筑物不多，并且基坑深度也要小于地下污水处理厂。因此，基坑围护的投资要远远小于地下污水处理厂。

2.2.2 土方、降水及支撑工程

就地下污水处理厂施工顺序而言，做好基坑围护后，下一步工序就是土方开挖、基坑降排水及施作支撑工程等。因为整体深基坑的原因，土方工程量、土方开挖单价、降排水选用形式、降水周期及支撑工程的实施均导致地下污水处理厂的费用要高于一般地上污水处理厂。

2.2.3 地基处理

对污水处理厂而言，构（建）筑物对地基的要求主要包括三个方面：首先是承载能力要够；其次是地基的变形要在构筑物的允许承受范围内；最后是抗浮。对于地上污水厂的建（构）筑物视具体埋置深度采用天然地基、级配砂石换填、桩基等地基处理方式。对于地下污水厂的建（构）筑物一般在10m左右，水池及箱体加上覆土后荷载很大，且不同单元之间荷载相差大，为避免构（建）筑物不均匀沉降，同时考虑构筑物自重抗浮尤其局部抗浮不满足，一般需采取桩基支承抗浮，对于底板已进入岩层的构筑物采用天然地基，但仍需设置抗浮锚杆。这就导致地基处理费用相较于地上污水处理厂投入多。

2.2.4 主体结构

相较于地上污水处理厂，地下污水处理厂在结构上最大的不同是增加了上部加盖，现在设计较多的形式是水池集约化一体布置，箱体建于各水池之上，箱体内一般需要根据建筑防火分区的要求布置防火墙。同时，为了方便人员、设备的进出，满足消防通风的要求，箱体要设置竖向的出入口和通风井，在下部综合水池及箱体中设置通道与出入口联通。这些均是主体结构中需要增加投资的地方。

2.3 其他外部效益分析

在分析地下污水处理厂工程技术经济后，可以得到较为明显的结论，投资相较于地上污水处理厂是增加的。但是相对于投资增加的部分，其发挥的社会效益和潜在的经济效益是巨大的，表面的投资增加却带来了长远的经济效益。

2.3.1 土地资源节省

污水处理厂的建设不仅需要考虑整个厂区的用地情况，还需要兼顾周界的影响，在《室外排水设计规范》（2016年版）中就明确规定，污水厂要少拆迁、少占地。从现有已经建设的地下污水处理厂看，其对于土地资源的节省是显而易见的，随着城市用地的日趋紧张，某种程度上，节省用地的价值，以及周边土地使用价值的提高要远远大于其建设的投入。

2.3.2 环境效益明显

地下污水处理厂全封闭的结构一般都是环境友好型，顶部箱体做功能化处理，根据实际情况及其用途区分，可以在顶部建造配套建筑、公共公园、顶部停车场、厂区绿化、市民休闲中心等，不仅摆脱了污水处理厂脏臭的问题，还进一步兼顾了城市功能，具有一定的经济效益和社会效益。

3 案例研究

3.1 工程概况

某污水处理厂位于湖南省岳阳市，原一期已建工程处理规模为5万m3/d，现状已超负荷运行，随着配套管网的实施，进入污水处理厂的污水量将大大增加，需尽快进行扩容，以适应新的发展形势需要。

此次工程对原有污水处理厂进行扩容，扩容工程规模为5万m3/d，变化系数1.3，工艺采用AA O反应池+二沉池+高效沉淀池+回转式过滤器+紫外线消毒工艺，主要构筑物如表1所列。

表1 构筑物一览表

考虑到该污水处理厂的特殊地理位置，周边规划为城市居住用地，该工程扩容项目采用半地下双层加盖布置，主体污水处理构筑物均采用半地下布置，顶板以上覆土并实施绿化布置，满足景观功能的需求，使污水处理厂与周围环境和谐统一。因工艺流程设计导致该项目基坑坑底标高变化较大，拟建地下污水处理厂构筑物埋深约6～10.5m，整体构筑物采用灌注桩支承抗浮。因场地限制，基坑围护采用双排灌注桩形式，内部设置高压旋喷桩格构式加固和止水，同时，基坑深度较浅的区域采用分级放坡开挖。

3.2 编制依据

此次技术经济指标的计算基于初步设计概算，定额依据为《湖南建筑消耗量定额》（2014）、《湖南装饰消耗量定额》（2014）、《湖南安装消耗量定额》（2014）、《湖南市政消耗量定额》（2014）。其他依据包括岳阳市工程造价信息（2018年1月）、市政工程设计概算编制办法（建标[2011]1号），以及类似工程技术经济指标。取费标准执行湘建价[2016]160号文《调整补充增值税条件下建设工程计价依据的通知》及《关于增值税条件下材料价格发布与使用和规定》的通知。人工工资参照湘建价[2017]165号文中湖南省各市、州建设工程人工工资单价，岳阳市88元/日。设备价格为设备原价与设备运杂费之和，主要工艺设备采用市场询价方式参考定价，一般设备根据类似工程经验取定。

3.3 投资分析

根据上述分析，基于概算阶段，对该污水处理厂的技术经济指标进行汇总统计，具体数据如表2所列。

该项目为已建工程的扩容，不考虑计列铺底流动资金。从表2可以看出该项目工程费指标为5 862.15元/m3，总投资指标为7 008.89元/m3。从指标上看比该类型一般地上污水处理厂高2 000元/m3左右，主要原因正如上文中分析的，可以从土建和设备投资两个方面考虑，从该项目上看，土建增加的费用较大，尤其是上部箱体、基坑围护增加的费用。

地下污水处理厂虽然土建和设备投资相较于普通地上污水处理厂大，但节约了大量的土地资源，随着城市建设的日趋成熟，土地资源越来越紧张，土地价值也逐年增加，节省的土地价值有可能大大超过土建及设备的投入。

根据《城市污水处理工程项目建设标准（修订）》（2001）的相关规定，城市污水处理工程建设规模类别和污水处理级别划分应符合相关规定，具体如下所示[2]：

表2 污水处理厂技术经济指标一览表

建设规模类别（以污水处理量计）：

Ⅰ类：50～100 万 m3/d；

Ⅱ类：20～50 万 m3/d；

Ⅲ类：10～20 万 m3/d；

Ⅳ类：5～10 万 m3/d；

Ⅴ类：1～5 万 m3/d；

注：以上规模分类含下限值，不含上限值。

该项目处理规模为5万m3/d，取定的类别应为Ⅳ类。不同类别的污水处理厂用地指标各不相同，单位水量的建设用地不应超过相应指标。根据《城市污水处理工程项目建设标准（修订）》（2001）的相关规定，具体指标如表3所列。

表3 污水厂建设用地指标一览表[2]m2（/m3·d）

该工程建设规模类别属于Ⅳ类项目，新增用地 15 069.54 m2，约 22.60亩，建设用地指标根据相关标准可计算得到（0.45+0.35）×50 000=40 000（m2），即 60亩，相较于该次污水处理厂用地22.6亩的规模，节约了37.4亩工程用地，这部分土地的效益巨大。同时产生的环境效益，以及其他经济效益则是长期发挥作用的。

4 结论

地下污水处理厂与地上污水处理厂在工艺路线上并无不同，之所以能得到迅速推广，最大的推动力还是对土地资源的高效利用，尤其是在土地资源紧张的大城市，地下污水处理厂因其自身的特点广受欢迎。该布置形式虽然在一次性投入上比较大，但是随着时间的推移，其社会效益、环境效益的优点会逐步发挥重要作用。