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《地下式城鎮污水處理廠工程技術指南》解讀

來源: 發布時間:2020-03-09 返回新聞列表
編者按

作為國家標準化改革的重要舉措,國務院印發《深化標準化工作改革方案》(國發〔2015〕13 號)明確提出培育發展團體標準,激發市場主體活力,完善標準供給結構, 建立政府主導制定的標準與市場主導制定的標準協同發展、協調配套的新型標準體系。
中國環境保護產業協會面向社會開展團體標準立項、制修訂和發布工作,組織標委會開展行業標準化工作研究,向社會提供符合環境管理和市場創新需求的中國環境保護產業協會標準。

來源:《中國環保產業》雜志 2020年 第一期

作者:侯鋒 1,王凱軍 2,曹效鑫 1*,龐洪濤 1,邵彥青 1,宮徽 2,周曉 1,張明杰 3,車淑娟 4,李鑫瑋 5,張連國 6,張進 7

單位:1. 信開水環境投資有限公司,北京 101101 ;2. 清華大學,北京 100084 ;3. 中國市政工程西北設計研究院有限公司,蘭州 730000 ;4. 北京碧水源科技股份有限公司,北京 109591 ;5. 北控水務(中國)投資有限公司, 北京 100102;6. 中國市政工程東北設計研究總院有限公司,長春 130021;7. 四川省科學城天人環保有限公司,四川綿陽 621000


《地下式城鎮污水處理廠工程技術指南》解讀

地下式污水處理廠具有土地集約、資源利用、環境友好的特點,可以有效釋放地面空間, 解決鄰避問題,實現污水資源化,近年來在我國得到快速發展。2019 年 12 月,我國首例針對 地下式污水處理廠的技術標準《地下式城鎮污水處理廠工程技術指南》(T/CAEPI 23—2019) 正式發布。文章針對新發布的團體標準,詳細解讀了標準制定的背景、意義與作用,重點分析了標準的關鍵技術內容及參數要求,希望對該標準的理解、應用與推廣起到積極的推動作用。


關鍵詞 :地下式污水處理廠 ;標準 ;解讀

1 前言


污水處理廠是重要的城鎮基礎設施,是生態文明建設的重要保障。但傳統的污水處理廠存在鄰避 效應等諸多問題,因此制約了污水處理事業的發展。地下式污水處理廠具有土地集約、環境友好、資源利用等特點,可有效釋放地面空間,解決鄰避問題, 實現污水資源化,較傳統污水處理廠具有明顯的社會、經濟和環境優勢。據該標準編制組統計,“十二五” 期間地下式污水處理廠數量為29座,處理水量為319萬m3/d,然而至“十三五”期間(2016年1月~2019年2月),地下式污水處理廠數量已增長至70座,處理水量超 700萬m3/d。
作為一種新興的污水處理廠建設形式,地下式污水處理廠的設計、建設、運行維護缺乏針對性的技術規范和指引,目前暫時依據傳統城鎮污水處理廠的標準規范體系。考慮到我國快速增長的工程實踐以及傳統標準體系已不能完全滿足地下式污水處理廠的需求,迫切需要通過對實踐經驗的總結與規則的提煉, 推動地下式污水處理廠的高質量發展。
基于此需求,2017年7月中國環境保護產業協會下達了“地下式城鎮污水處理廠工程技術指南”的立項通知。信開水環境投資有限公司作為主編單位承擔了該標準的編制工作,參編單位有清華大學、中國市政工程西北設計研究院有限公司、北京碧水源科技股份有限公司、北控水務(中國)投資有限公司、中國市政工程東北設計研究總院有限公司、四川省科學城天人環保有限公司。經過兩年多的努力,2019 年12月19日團體標準《地下式城鎮污水處理廠工程技術指南》(T/CAEPI 23 ― 2019)正式發布。
2 標準制定的背景、意義及作用 
2.1 地下式污水處理廠快速發展,現有標準體系不能滿足發展需求
隨著城鎮化的快速進程,城區邊緣不斷向外擴張,原有的郊區逐漸變為市區,相對滯后的城市規劃使得一些建設年代較早的污水處理廠被城市包圍, “城中廠”與周邊區域矛盾凸顯的情況在我國非常普遍。在新的社會需求下,地下式污水處理廠應運而生。相比于傳統的地上污水處理廠,地下式污水處理廠具有節省土地資源、幾乎無臭味、無噪聲、可美化周圍環境等優勢,同時可以提升周圍土地的利用價值、拓展城市發展空間。出水可就近補充周邊水體, 還可降低污水及再生水管網的建設成本。地下式污水處理廠已成為順應生態文明要求的可持續的綠色基礎設施。
經過多年發展,傳統的城鎮污水處理廠在設計建設、運行維護等方面已經具備完善的標準規范,形成了有章可依、有據可循的規范化模式。然而地下式污水處理廠與傳統的地上污水處理廠在工藝選擇、建筑結構、通風除臭、運行維護等方面均存在較大差異, 傳統地上污水處理廠的標準規范尚不能完全滿足地下式污水處理廠的要求,地下式污水處理廠的設計、建設、運行維護的規范化、標準化需求十分迫切。
2.2 制定技術標準,為提升設計建設水平、降低投資提供支撐
由于地下單體建設的投資普遍高于地上廠,其設計建設通常需要重點統籌考慮工藝處理效果、占地面積等指標。因此,進行地下式污水處理廠設計建設時, 要通過工藝設計規范化、豎向設計合理化、建筑結構設計優化等方式,盡可能降低建設投資。近年來的快速發展已經積累了較為豐富的業內工程實踐案例,苦于缺乏適用的標準規范體系,許多先進設計建設經驗得不到總結利用,不利于地下式污水處理廠的推廣發展。 
作為地下式污水處理廠的指導性文件,該標準的編制與發布能夠規范地下式污水處理廠的設計建設與運行維護,對于推動地下式污水處理廠高質量發展具有重要意義。
3 主要技術內容及說明
3.1 地下式污水處理廠的定義
目前,英國、荷蘭、挪威、瑞典、法國、丹麥等歐洲國家均建有地下式污水處理廠,中國、日本、韓國、馬來西亞等亞洲國家的建設數量較多,美國也有少量建設。綜合全球地下式污水處理廠的建設特點, 標準編制組提煉出了地下式污水處理廠的核心技術特征 :1)水處理構筑物位于地面以下,這是地下式污水處理廠的基本特征。2)設備操作層封閉,減少臭氣、 噪聲等傳統污水處理廠的二次污染。3)地面層進行綜合利用,充分發揮綜合效益。同時,根據建設項目的不同,地下式污水處理廠可因地制宜地建成全地下、 半地下等形式。
上海嘉定南翔再生水廠見圖 1、大理洱海雙廊再生水廠見圖 2。


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圖 1 上海嘉定南翔再生水廠

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圖 2 大理洱海雙廊再生水廠


3.2 建設地下式污水處理廠的條件


正如所有的新技術、新工藝一樣,地下式污水處理廠同樣存在最佳的適用范圍,即所謂的利基市場(Niche Market)。經過多年的實踐,地下式污水處理廠的優勢和特點逐步明確,因此該標準提出“位于用地緊張地區、人口稠密地區或環境敏感區等的建設項目宜選擇建設地下式污水處理廠,并應結合投資成本、占地指標、生態環境要求、水資源綜合利用等綜合考慮”。
當前,我國城鎮化的整體戰略是“兩橫三縱”, 即以中心城市引領城市群發展,推動中心城市工業化進程和城鎮化進程,增強中心城市的輻射帶動作用, 使中心城市成為高質量發展的重要助推器。首先,京津冀地區、長江三角洲城市群和粵港澳大灣區依舊是我國城市群建設的重中之重;其次是位于西部地區的成渝城市群,其將是我國繼京津冀地區、長三角和粵港澳之后的第四大經濟增長極 ;長江中游城市群和江淮地區是未來中部發展的核心,將起到區域經濟發動機的作用,黔中和滇中地區則是西南發展的核心。這些地區是目前地下式污水處理廠建設的主要集中區域,也是未來地下式污水處理廠發展的重點區域。
地下式污水處理廠既可獨立建設,也可與城市水環境綜合治理工程、生態綜合體等結合建設。由于地下式污水處理廠的選址更為容易,地下式污水處理廠利于污水的適當分散處理,有助于實現就近處理、就地回用,從而可以減少管網投資和運行成本,同時充分發揮城市第二水源的作用。通過地面層景觀生態、 公共服務、能源綜合回收等多種綜合利用模式的實施, 能夠達到美化廠區環境、服務周邊社會、節約能源的目的,對治理黑臭水體、增加生態產品供給具有重要 的現實意義。
3.3 系統優化,實現地下式污水處理廠高效節地
地下式污水處理廠并不是把地上的污水處理廠 “簡單下沉”,而是重新統籌污水處理廠的功能分區, 充分考慮各類安全風險,提出涵蓋工藝優化、組團共壁、通風除臭、應急處理等方面的全套集成技術。地下式污水處理廠應采用分層布置形式,在豎向布置上可分為水處理構筑物層、設備操作層和地面層。結合實際工程建設方案,通過平面、豎向和工藝三個維度的優化,形成節地組合技術。
3.3.1  平面優化節地技術
平面優化節地技術主要通過工藝流程布置、單元組團、單元優化或優化污水處理功能區占地等方式來實現節地。按照從整體到局部的思路,該標準提出了多項不同的平面優化節地技術,包括構(建)筑物平面優化組團技術、矩形周進周出二沉池流態優化技術等。
平行或功能相連單元共壁是實現組團節地布置的關鍵。以矩形池為基礎,通過采用位置相鄰、功能相連的污水處理構(建)筑物合并、共用池壁等平面布置方式,可實現組團節地的目的,常見的共壁設計有占地面積最大的生化反應池和二沉池共壁組團等。
對于矩形二沉池的流態優化,編制組對國內運行較好的單層矩形二沉池進行調研總結,明確提出 “單層矩形二次沉淀池的進出水布置方式宜為周邊進水、周邊出水,表面水力負荷宜為1.2~1.6m3/(m2·h),污泥固體負荷不宜大于200kg/(m2·d),有效水深宜為4.0~4.5m,池寬宜為6.0~10.0m,池長不宜大于80m”。以貴陽新莊污水處理廠一期、二期實際工程為例(見圖 3),兩者處理規模均為 25 萬 t/d,按照傳統輻流式沉淀池設計時(新莊一期),其占地面積為2.9 萬m2,而采用矩形周進周出二沉池組團平面布置時(新莊二期),其占地面積僅為1.3 萬m2。有效提高了土地利用效率。


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(a)傳統二沉池(占地面積 2.9 萬 m2

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(b)矩形周進周出二沉池(占地面積 1.3 萬 m2


(貴陽新莊污水處理廠,25 萬 t/d) 
圖 3 不同二沉池形式的占地面積比較


3.3.2  豎向優化節地技術


豎向優化節地技術是指通過構(建)筑物整體或局部疊加,強化空間利用效率,減少污水處理廠整體占地面積或某些污水處理功能區占地面積的節地方式。
一方面,適當增加生化池的有效水深可達到豎向優化節地效果 :傳統地上廠生化池水深一般為5.0~6.0m,該標準提出“生物反應池水深一般宜為7.0~8.0m,也可適當加深,具體深度應綜合考慮地質條件、曝氣設備性能確定”。另一方面,二沉池的豎向疊加也可達到明顯的節地效果:通過設置雙層沉淀池,使單位用地的沉淀面積大幅度增加,從而減小二沉池的占地。
3.3.3  工藝優化節地技術
工藝優化節地技術指通過優化工藝參數或采用特殊池型及高效設備,以提高處理效率,減少水力停留時間,進而減少用地面積的節地設計方法。
大量研究表明,我國污水處理廠進水中的無機砂粒含量較高,且平均粒徑小于 0.2mm不能被傳統沉砂池有效去除的細砂占比較高。由于地下空間內清砂、清淤相對困難,該標準提出設計時應考慮采用新型高效的除砂設備,以提高沉砂池的去除粒徑,尤其是強化對0.1~0.2mm細砂的去除效果。
對于主體生化工藝,標準編制組的調研顯示我國現有地下式污水處理廠中超過一半的地下式污水處理廠采用基于AAO的各種改良工藝(如多級AO工藝)作為主體生化工藝 ;有超過 1/4 的地下式污水處理廠選擇采用膜生物反應器 ;高效生物膜工藝在地下式污水處理廠中也有運用。
對于污泥處理工藝,由于地下空間內安全及占地問題較為突出,因此需將工藝安全及占地面積作為工藝選擇的首要因素。污泥濃縮脫水建議選擇一體化設備以節約占地面積,同時設備的安全性也應著重考慮。當需要在地下式污水處理廠區內將污泥脫水至 80% 含水率時,常用的污泥機械濃縮脫水設備一般為帶式濃縮脫水一體機或離心式濃縮脫水一體機。當需要在地下式污水處理廠區內將污泥進一步脫水至30% ~ 60% 含水率時,宜選用安全性及工作效率較高、占地面積較少的污泥低溫干化工藝。
綜上,通過平面、豎向和工藝的優化及系統集成,地下式污水處理廠單位處理規模用地面積可達到0.3~0.5m2/(m3·d),遠低于國家建設用地指標基準值,社會、經濟和環境效益顯著。
3.4 臭氣等二次污染的控制
傳統的地上污水處理廠的臭氣無組織逸散,易對周邊環境產生二次污染。相比之下,地下式污水處理廠的臭氣經收集處理后有組織排放,既是地下式污水處理廠區正常運營的需要,也有利于提升水廠周邊空氣環境質量。
該標準提出地下式污水處理廠“除臭系統宜與通風系統統籌、系統設計”的原則,同時提出了臭氣收集處理的技術要求和措施,以避免二次污染。污水處理廠各工段均會產生一定濃度的臭氣,包括預處理段(提升泵房、粗細格柵、沉砂池)、生化反應段(各類厭氧、缺氧、好氧反應池)、污泥處理段(污泥濃縮池、貯存池、脫水間等),其中預處理段和污泥處理段是臭氣控制的重點區域。硫化氫和氨氣是污水處理廠惡臭的特征污染物,其濃度受污水水質、處理工藝、運行工況、氣候條件等因素影響而存在一定的差別。對全國污水處理廠的調研測試表明,預處理段硫化氫和氨的濃度范圍分別大致為0~10mg/m3(密封狀態下甚至可達幾百mg/m3)與0.5~5mg/m3,污泥處理段硫化氫和氨的濃度范圍分別為5~30mg/m3與1~10mg/m3。污染物濃度較大且人員操作較頻繁的區域是臭氣控制的重點環節,如粗格柵間、進水泵站、細格柵間以及污泥脫水間等區域,因此在設計時不僅要考慮設備以及池體的除臭,而且需要考慮整體空間的除臭。所有與除臭相關的構筑物及設備必須加蓋封閉,并設置臭氣收集點,同時需要保證構筑物及設備內部始終為微負壓狀態,以防止臭氣外泄。地下式污水處理廠臭氣收集與處理裝置見圖 4。


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(a)吸氣式負壓收集

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(b)生物除臭裝置


圖 4 地下式污水處理廠臭氣收集與處理裝置



除臭工藝選擇上優先選擇生化技術。與物化處理技術相比,生物除臭具有高效低耗、操作簡便、 技術清潔等優點。荷蘭Delft大學Bart kraakman 聯合學術界和工程界的專家在ES&T期刊上發表述評文章,對目前污水處理廠除臭的幾項技術進行了評價, 評價采用IChemE可持續框架,綜合考慮了污染物去除效果、經濟性、社會影響,指出生物滴濾法是污水處理廠最適宜的除臭技術。基于污水處理廠除臭的研究和工程實踐,該標準提出“地下式污水處理廠的除臭工藝應以生物處理工藝為核心,生物除臭裝置的填料使用壽命不宜低于 15 年”。


4 結語
《地下式城鎮污水處理廠工程技術指南》( T/ CAEPI 23―2019)在編制過程中,整合了我國地下式污水處理廠領域技術研究和工程實踐優勢單位的經驗,對地下式污水處理廠相關技術規范進行了系統梳理,初步建立了全球地下式污水處理廠信息數據庫。通過總結現有地下式污水處理廠的實踐成果,形成了 “規劃―設計―建設―運營”的技術框架,通過多學科專業的協同研究,提出了一系列引導、規范、提升地下式污水處理廠質量的技術方法、措施方案和參數。該標準的發布實施,規定了地下式城鎮污水處理廠設計、建設及運行維護等技術要求,填補了我國在該領域的標準空白,有助于地下式污水處理廠在我國的規范、健康發展。






參考文獻 :

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來源:《中國環保產業》雜志 2020年第一期


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