近年来,在我国生态文明建设和城市化进程快速推进的背景下,传统的地上式污水处理厂产生的臭味、噪声污染以及与自然景观不协调等问题引起人们的广泛关注^[1],而具有节省土地资源、节省管网投资、视觉、噪声和臭气污染小等优势的地下式污水处理厂逐渐进入人们的视野^[2]。地下式污水处理厂从诞生至今已有80多年的历史,随着相关研究的不断深入及工程技术的日渐成熟,地下式污水处理厂在全球范围内得到了越来越广泛的应用。目前,世界上10多个国家稳定运行的地下式污水处理厂有200余座,其中以芬兰、瑞典、韩国、日本等国家应用最多^[3,4];我国也有20多座地下式污水处理厂处于稳定运行中,取得了较好的社会、经济和环境效益。

　　 地下式污水处理厂相对于传统的地上式污水处理厂有其独特优势,但投资与成本高、运行维护困难、安全风险大等问题也是现阶段限制其广泛应用的关键因素^[5]。本文概述了地下式污水处理厂的优势及常用工艺类型,分析了地下式污水处理厂在研究和应用方面存在的问题,并提出了相应的解决措施,以期为未来地下式污水处理厂在我国的进一步发展与应用提供技术支持。

　　 (1)节约土地资源。考虑到地下空间和投资的限制,地下式污水处理厂的构筑物设计都比较紧凑,且多选用占地面积小的处理工艺。由于只有部分辅助建筑物建在地面,节省了地上空间,可用于绿化、公园等设施建设或商业开发。与此同时,地下式污水处理厂无需考虑绿化及隔离带等要求,因而占地面积较少,仅为同等规模地上式污水处理厂占地面积的1/3~1/2,甚至更低。

　　 (2)节省管网投资。地下式污水处理厂或再生水厂由于可建设在城市中央,不仅可以大量节约污水收集、管网运输的投资和运营成本,同时可减少管网输送中所导致的泄漏污染,而净化后的再生水还可以实现就近使用,减少了中水管网的投资,具有显著的社会、环境和经济效益。

　　 (3)视觉、噪声和臭气污染小。由于地下式污水处理厂的主要处理设施均处于地下,不会对周边居民的视觉感官产生影响,许多机械噪声和振动对地面的建筑和居民也不会产生影响,有效防止了视觉和噪声污染,与此同时,由于采用全封闭的运行方式,可对产生的臭气进行全面集中收集和处理,从而消除了臭气对环境的影响。

　　 (4)运行稳定、可回收利用余热。地下式污水处理厂温差小、保温效果好,适用于寒冷地区,可以避免活性污泥受低温的影响,也不必过多考虑风、冰、雹、雨、雪等气象条件。与之同时,采用水源热泵技术可大量回收地下式污水处理厂污水中的余热,用于反应器加热和保温,或是为厂区供暖,从而实现了污水中资源的回收利用。

　　 (5)地上景观设计提升周边土地价值。地下式污水处理厂的地上空间可建设成公共绿地或城市公园,为居民提供休闲、游憩或娱乐设施或用地,可有效提高人居环境质量,提升周边土地资源的使用价值,并拓展城市的发展空间。

　　 (6)创新技术提升污染物去除率。由于地下式污水处理厂占地有限,因而都选择占地小且处理效果好的先进工艺,使得出水一般达到一级A标准或是更高(地表Ⅳ类水)标准。随着主流厌氧氨氧化、膜浓缩等污水处理前沿技术的不断创新与发展,占地面积更小、处理效果更好的先进技术设备必将被应用于地下式污水处理厂,从而进一步提高污染物的去除能力。

　　 由于地下式污水处理厂的特殊性,一些占地面积小、容积负荷大、处理效率高、剩余污泥量少的工艺被广泛应用于地下式污水处理厂的二级或深度处理过程。

　　 MBR工艺具有出水优质稳定、剩余污泥产量少、占地面积小、脱氮除磷效率高、可实现全程自动控制等优点,因而特别适用于占地面积有限、对自动化要求程度高的地下式污水处理厂。该工艺集约化程度高、对周边环境影响小、处理后的出水可直接用于景观河道补水。除此之外,采用MBR膜过滤工艺代替二沉池进行深度处理,在节省占地的同时可提高生化池中的污泥浓度,从而提高系统的处理效率。目前,我国采用MBR技术的地下式污水处理厂如表1所示。

　　 A²/O工艺及其改良工艺,如Anoxic-A²/O工艺、分段进水A²/O工艺、多级A/O工艺等,具有脱氮除磷效率高、有效抑制丝状菌膨胀、运行费用低等优势。为获得更高、更稳定的出水水质,在设计地下式污水处理厂时,常把A²/O工艺与其他工艺设备组合使用,例如MBR、MBBR、深床滤池、纤维转盘滤池等。目前,我国采用A²/O工艺的地下式污水处理厂如表2所示。

　　 MBBR工艺是通过向反应器中投加一定数量的悬浮载体用于微生物着床形成生物膜以实现生物脱氮除磷和有机物去除的工艺,该工艺兼具传统流化床和生物接触氧化法两者的优点,投资少、运营管理方便、污泥产率低,可不设置污泥回流设备,不需要填料支架,克服了传统活性污泥法及固定式生物膜法的缺点及限制,我国青岛高新区地下式污水处理厂就是最有代表性的MBBR工程案例之一^[12]。AB工艺具有占地小,布局紧凑等特点,适合于土地资源相对缺乏地区建设地下式污水处理厂,但出水水质相对一般,最具代表性的是荷兰Dokhaven地下式污水处理厂。

　　 地下式污水处理厂的建设需要深基坑开挖施工和分层布设,难度大且建设成本较高。一般情况下,地下式污水处理厂的投资成本(4 000~6 000元/m³)是同等规模地上式污水处理厂(2 000元/m³)的2~3倍,这是因为地下式污水处理厂占地有限,因而需要选择结构紧凑、处理效率高、运行维护要求更高的工艺及相应的设备,因而相对增加了工艺设备的总体造价及运行、检修维护费用^[13]。与此同时,地下需要增加除臭和通风等设备,运营成本也较高,这两项的电耗可能达到全地下厂总电耗的30%~50%。

　　 由于采用地下全封闭设计,污水处理过程中产生的有毒有害气体需要进行密闭处理处置后才能排放到大气中,但存在着恶臭气体泄漏的风险,对地下工作人员的健康产生影响。有研究指出,地下式污水处理厂污水处理过程中产生的硫化氢、氨以及诸如甲硫醇、甲硫醚等挥发性有机物会对人体健康产生严重危害^[14],而污水处理过程中的噪声污染也会对工作人员的健康产生影响。

　　 地下式污水处理厂存在的安全隐患也不容忽视,水厂断电或是遇到强降雨时,可能会发生水倒灌、污水泄漏等情况,导致水厂存在被淹隐患。据称,地下式污水处理厂至少要设置3道闸门保障污水处理厂的防涝。与此同时,地下式污水处理厂由于采用地下密闭的建设形式,因而也存在火灾隐患。

　　 地下式污水处理厂的地上空间除部分留作采光使用外,大部分都可用于进行景观设计,一般包括公园、湿地、园林以及文体娱乐等设施,可为水厂周边居民提供舒适的休闲娱乐环境,同时可提高地上空间及其周边土地价值,可以抵消一部分因地下式设计所高出的建设投资和运行成本,符合资源节约、人与自然和谐发展的要求,对于地下式污水处理厂的长效运行具有十分重要的作用。

　　 国内外在地下式污水处理厂的地上景观设计方面已开展了相关探索,但研究报道较少。马来西亚Pantai地下式污水处理厂的地上工程功能分区明确、布局合理、紧凑,在满足生产、生活的基础上,还可提供近14万m²的休闲公园和绿色景观^[15]。我国深圳布吉污水处理厂地上空间为休闲文体公园,建设了一定的文体设施,以实现水资源的循环利用,提升了周边土地价值,带动了周边经济发展^[11]。总体而言,虽然目前地下式污水处理厂的景观设计取得了一定的发展,但仍存在着设计理念相对落后、模式比较单一、功能不够完善、综合效益较低等问题,尚有很大的提升空间。

　　 标准化是保障地下式污水处理厂能顺利发展的必备因素,缺少相应的标准和技术规范也是地下式污水处理厂面临的难题。据了解,美国、日本、欧盟都有关于地下式污水处理厂的相应规范和标准,而我国地下式污水处理厂的建设和运行维护只能依靠传统经验或是直接把地上式污水处理厂“挪”到地下深基坑中,尚无国家技术标准来统一规范地下式污水处理厂的工程实施,而现有的《城市污水处理工程项目建设标准》和《城镇污水处理厂污染物排放标准》仅能满足地上式城市污水处理厂的建设、运行及污染指标排放标准的相关规定要求,无法用于地下式污水处理厂工程设计、建设施工、设备安装及运行维护等环节的规范要求。

　　 目前,我国政府没有出台文件对地下式污水处理厂的建设给予明确补贴,只有个别地方有相关补贴政策,比如高价回购地下式污水处理厂的出水或再生水作为景观用水等。以安徽省合肥市塘西河再生水厂为例^[10],由于采用膜技术,耗电量比较大,运行费用超过1元/m³,因而该地下式污水处理厂的运营主要依靠当地政府进行补贴,即以高于1元/m³的价格回购再生水用作湿地公园的景观用水,以保证地下式污水处理厂的收支基本能够平衡。但我国对地下式污水处理厂运行方面的补贴并不多见。在资金投入方面,虽然“十二五”时期我国地下式污水处理厂建设投资显著增加,但和地上式污水处理厂的投资相比,仍有显著差距,只占总投资的12%左右,提升空间十分巨大。

　　 目前我国地下式污水处理厂的建设蓬勃兴起,但存在的问题也不容忽视。如何通过经济、技术和政策手段尽可能地克服或缓解所存在的问题是决定未来我国地下式污水处理厂应用和发展前景的关键。

　　 在我国提出生态文明理念促进的技术大繁荣背景下,地下式污水处理厂在建设模式上也在不断地开拓与创新。地下式污水处理厂建设可作为生态文明建设的抓手,以污水处理为载体构建城市生态综合体,与景观、湿地、公园包括都市农业等相结合^[16]。例如,可以设计一个地下式污水处理厂,一跟现代设施农业或都市农业相结合,二为市民提供休闲的空间,第三建立生态湿地,这样就同时具有为社会服务,为生产服务,以及为自然服务的功能,打造低碳的资源回收、零排放和生态的污水处理系统,将污水处理厂由变负资产为生态正资产,实现跨界思维的污水处理模式的创新,以大幅增加市场容量,促进我国经济社会的发展。

　　 建设地下式污水处理厂对技术创新提出了新的挑战,包括预处理、生物处理以及深度处理污泥等一系列问题都需要深入研究^[17]。若能研发出专门供地下式污水处理厂使用的技术或者关联性更强的技术,地下式污水处理厂的处理效率将会大大提高,并会获得更好的发展。例如采用恒温处理等技术将会显著提高生物过程对于污水的处理能力,从而获得更高的容积去除负荷,而主流厌氧氨氧化、好氧颗粒污泥,膜浓缩等都可以显著降低污水处理反应器的体积并获得很好的处理效果。

　　 目前,有关指导和规范传统地上式污水处理厂的标准或规范已比较完善,部分污水处理厂建设要求和出水水厂要求甚至达到了国际领先水平。相比而言,地下式污水处理厂在我国刚刚兴起,目前许多指标或标准只能借用现有地上式污水处理厂或依靠传统经验,这将不利于地下式污水处理厂的建设和发展。制定相关标准或规范用于指导地下式污水处理厂建设和运行,对于削减地下式污水处理厂的建设和运行成本、降低安全隐患与风险、规范运行操作与检修维护、优化提升地上景观设计等方面都具有十分重要的作用。

　　 以北控水务投资建设运营的8个地下式污水处理厂项目为例(表3),从污水处理厂的建设、运行及管理方式方面来看,这些污水处理厂已经摆脱了原有的单一政府投资和运营管理模式,拓宽了投融资渠道,实现了投资多元化,BT模式、BOT模式、准BOT模式、TOT模式、托管运营模式和供排水一体化模式等,都可以应用到地下式污水处理厂的建设和运行管理中。

　　 除此之外,由于地下式污水处理厂的建设可以为地方政府节约大量的土地资源和资本,因而地方政府可以考虑加大对地下式污水处理厂建设与运行的补贴力度,制定相关的补贴机制措施,促进地下式污水处理厂的广泛应用和长效运行。

　　 MBR工艺和A²/O及其改进工艺是地下式污水处理厂的常用工艺。相对于传统地上式污水处理厂,地下式污水处理厂具有节约土地资源、节省管网投资、提升水厂周边土地价值、污染物去除率高等优势,同时也存在着建设和运行成本高、风险性高、安全隐患大、景观设计单一、缺乏规范性文件指导、投资与补贴机制不足等问题。设计理念创新、关键技术突破、相关规范和标准的制定以及投资与补贴机制的完善将有助于我国地下式污水处理厂的广泛应用和长效发展。