北京市槐房再生水厂占地31.36hm², 设计规模为60万m³/d, 是目前亚洲最大的地下式再生水厂。污水处理采用预处理+MBR+臭氧+紫外线消毒工艺, 污泥处理采用预脱水+热水解+厌氧消化+板框深度脱水工艺, 脱水滤液采用厌氧氨氧化工艺进行处理^[1]。

　　 槐房再生水厂设计出水水质达到北京市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》 (DB 11/890-2012) 中的B标准, 出水主要用于河湖补水、绿化、市政杂用、工业冷却用水等, 主要的设计进出水水质详见表1。

　　 地下式再生水厂在国内的应用较少、建设规模相对较小, 缺少成熟的设计经验。槐房再生水厂在设计过程中面临了很多难题和挑战, 在安全水厂、绿色水厂、智慧水厂等做了一些创新性尝试, 本文就此展开探讨。

　　 由于槐房再生水厂的核心处理设施和工作人员的巡检工作主要位于地下空间, 具有地下空间大、房间多、层数多的特点, 因此设计时保障水厂运行安全、保证操作人员生命安全的难度比传统地上水厂大, 需要考虑的因素更多。遵循以预防为主的原则, 设计重点考虑了以下几个方面, 即防淹泡措施、消防措施、通风除臭措施和进入地下空间的人员管理。

　　 地下空间污水跑冒会造成处理设施和管廊的淹泡, 直接影响水厂的正常运行, 严重时会导致整个水厂停产甚至工作人员伤亡, 因此需要设置多级屏障防止地下空间的淹泡, 并建立事故应急预案。根据槐房再生水厂工艺流程、设备型式以及地下空间布置的特点分析, 把防淹泡工作的重点关注区域放在粗格栅间及进水泵房、膜格栅和膜池等位置。

　　 对于进水泵房, 主要是要考虑有效保证上游污水在任何时候都是在受控状态下进入位于地下的处理设施。设计中通过采用限流设施、溢流装置、闸门、速闭闸门和水泵来进行调控。水厂设计中, 在进水格栅渠道设速闭闸, 当进水泵房断电时速闭闸关闭, 保证水厂安全;进水格栅渠道的进水板闸与进水泵房水位联锁, 当进水泵房水位超过设定的上限时, 中控室内声光报警, 自动关闭格栅渠道的进水板闸;进水泵井设置液位计和低液位保护浮球;所有进水提升泵停止运行时, 关闭全部进水板闸和进水泵出口阀门。

　　 槐房再生水厂采用的膜格栅为水平转鼓式格栅, 考虑在格栅堵塞严重时可能会出现溢流的情况, 因此设置了溢流渠道和溢流池。膜格栅发生溢流停运时, 中控室内即启动声光报警, 由控制人员介入调整;必要时可以控制直接关闭粗格栅渠道的进水板闸, 停止进水提升泵运行, 关闭水泵出口阀门;膜格栅溢流渠道内设排水泵及液位计, 在发生溢流、溢流液位到达进入溢流水池以及高液位时分别报警, 上传到中控室。

　　 膜系统通过抽吸泵产水, 为避免设备故障导致的淹泡, 在膜池进水渠道设置液位计和高液位报警开关。可以在液位过高时, 控制关闭对应系列进口闸门或阀门, 进水系统相应减小进水泵提升水量。

　　 火灾会造成重大的人员和经济损失, 因此应贯彻“预防为主, 防消结合”的消防工作方针。建立火灾自动报警系统, 报警系统与消防泵、排烟风机、排烟阀、应急照明等消防设施联动, 火灾发生后可立即响应, 将生命和财产损失控制在最低。

　　 将火灾、爆炸危险等级较高的建构筑物布置在地面上, 如甲醇加药系统、臭氧制备系统。总图布置以及各建、构筑物之间的防火间距严格按现行的《建筑设计防火规范》 (GB 50016-2014) 进行设计。

　　 地下处理空间占地面积近14hm², 目前尚未颁布与地下水厂消防相关的规范。在充分学习现行的《建筑设计防火规范》和《地铁设计规范》 (GB 50157-2013) 等相关规范的基础上, 通过与公安消防部门多次沟通并达成一致意见, 结合槐房再生水厂的特点, 制定了地下空间的消防方案, 做到重点部位重点设防。

　　 地下空间建筑耐火等级为一级, 火灾危险性类别为戊类厂房, 耐火等级为二级。整个地下空间共分为51个防火分区, 消防系统的设置包括消火栓给水系统、自动喷水灭火系统、气体灭火系统、建筑灭火器系统和防排烟系统。地下空间主通道处作为安全逃生通道, 通道各处门均采用甲级防火门。除主要通道外, 生物池上部、细格栅及曝气沉砂池、初沉池及膜格栅区域的防火分区最远点到安全出口的距离均小于100m;MBR膜池、加药间、膜擦洗鼓风机间、分变电室等区域的防火分区最远点到安全出口的距离均小于60 m。每个防火分区至少设有2个安全出口, 且至少有一个直通地面。

　　 水厂地下空间内多为散发热、湿及臭气的设施, 为保障巡检人员的人身安全和系统的正常运行, 需要强化通风设计, 采用机械送风和机械排风的全面通风方式。由于通风量非常大, 因此优化通风系统设计, 降低通风系统能耗也是非常关键的。

　　 污水处理过程中产生的氨和硫化氢等臭气需收集处理, 以保障巡检人员的人身安全, 改善水厂空气质量。设计中对所有污水处理构筑物均进行封闭, 对收集的臭气采用生物除臭装置和化学除臭装置进行处理, 处理后通过风塔排放到高空。臭气排放在厂界符合现行的《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 中废气排放一级标准。对于收集的臭气中相对清洁的部分, 创新性地转移至MBR生物池作为曝气气源, 减小了除臭设备的规模, 有利于节约成本。

　　 槐房再生水厂在设计过程中, 实现以人为本、保持生态与人文相结合、低碳节能, 保证资源、环境和社会的可持续发展。

　　 污水处理采用先进的MBR工艺完成对有机物、氮、磷及悬浮物等污染物的去除, 投加臭氧脱色, 利用紫外线消毒并投加次氯酸钠保证再生水输送过程中对余氯的要求, 设计出水水质达到北京市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》 (DB 11/890-2012) 中B标准的要求。再生水通过配水泵房输送至再生水管网或退水至小龙河, 用于河湖补水、绿化、市政杂用、工业冷却用水等, 实现了污水资源化利用, 节约了自来水的消耗。

　　 采用热水解+厌氧消化工艺处理污泥, 可提高沼气产量, 收集沼气进入沼气锅炉, 产生的热量可用于污泥的热水解, 实现了系统内能量的循环利用。剩余沼气可用于发电。经过板框深度脱水的污泥, 可用于园林绿化, 资源利用的同时也减少了污泥处置量。

　　 由于本工程水源充足, 采用中水源热泵系统, 利用污水中的能量用于厂区的集中供热供冷, 可节约大量的一次能源。水源热泵系统实现零污染, 零排放, 绿色环保。

　　 通过计算比较, 选用再生水水源热泵为工程的热源, 比选择天然气热源节约标煤239.78t/年, 详见表2。

　　 比如在膜擦洗鼓风机的选用上, 采用空气悬浮鼓风机比以往项目采用的多级离心鼓风机可减少近一半占地, 同时还可以进一步节省能耗。

　　 随着城市的快速发展, 城市用地日益紧张, 槐房再生水厂在设计过程中贯彻节地思想, 将绝大部分水区构筑物紧凑布置并建于地下, 在地下空间的上部建设湿地公园, 美化环境。水厂处理规模为60万m³/d, 占地仅31.36hm², 为同规模现况再生水厂占地面积的65%。在紧凑的用地条件下, 合理布置全部MBR工艺污水处理设施, 并实现热水解+厌氧消化工艺的复杂污泥处理设施。

　　 污水处理采用MBR工艺, 是目前最为节地且技术相对成熟的处理工艺之一。

　　 将多个水处理单元按照一定的处理功能有机结合, 形成组团布置的处理单元, 可以压缩建构筑物的间距, 有利于节地。例如本次设计中将细格栅与曝气沉砂池合建、MBR生物池、膜池和设备间合建、臭氧接触池和紫外线消毒池合建、清水池和配水泵房合建, 并将综合楼建于清水池上, 在配水泵房上部建设机修间和仓库、热泵机房等。

　　 在各系列处理构筑物之间设置地下综合管廊, 可以显著压缩建构筑物的间距, 实现节地目的。

　　 工程设计中选用占地面积小的设备形式, 从而进一步减小建构筑物的占地面积。

　　 再生水厂主要处理构筑物布置在地下, 仅再生水加药系统、污泥处理构筑物及综合楼布置在地上。地面上留下了较大的空间, 用于修建人工湿地, 美化环境, 见图1。

　　 智慧水厂是水厂建设管理的发展趋势, 从水厂设计阶段开始借助先进的信息技术辅助设计工作, 有利于全方位打造高水平的水厂, 为智慧水厂奠定坚实的基础。

　　 搭建BIM模型, 各专业在同一个工作平台上协同配合, 减少错误和返工的发生, 可明显提高设计的工作效率, 搭建的模型也更为直观 (见图2) 。

　　 BIM模型直观展示了地下构筑物复杂的空间关系, 通过将模型导入到相应软件中用于关键节点的专项模拟, 协助优化设计。

　　 碰撞检查:采用Revit进行管线碰撞检测, 依据碰撞报告调整管线设计。采光分析:采用Ecotect对地下空间的采光进行模拟分析, 优化人工照明和自然采光的配合, 节约电耗。扩散模拟:采用Ecotect对对厂厂区区各各排排放放口口的的废废气气扩扩散散进进行行模模拟拟, , 确确定定需需要要强强化通风的关键节点, 优化排放口的布置, 减少对公园和水厂办公区的影响。通风模拟:采用Phoenics对厂区关键节点如细格栅间及曝气沉砂池进行臭气排放模拟, 优化排风口布置, 在关键节点强化排风设计。噪声分析:采用CadnaA对噪声进行分析, 优化水厂主要噪声源如制氧车间的平面布置, 减少对水厂工作人员以及水厂外界环境的干扰。人员疏散模拟:采用Pathfinder对逃生路线和距离进行模拟, 确保事故发生时所有工作人员可以在相关规范要求的时间内完成撤离。在设计阶段搭建的BIM模型可以传递到后续的施工和运维阶段继续应用, 为BIM在水厂全生命周期的应用奠定了基础。

　　 采用常规的设计方法计算水厂各单体的工艺参数, 将其转化为BioWin模型, 如图3所示。

　　 将生物池细化为多个生化反应池, 调整每个反应器的容积和曝气情况, 对比运行效果, 综合考虑出水水质、加药量和电耗等因素, 参考模拟结果优化生物池内厌氧池、缺氧池和好氧池的分区以及好氧区的曝气分布, 提高氧气利用率, 降低运行成本。

　　 BioWin模型的建立在水厂运行过程中也可以为生产运行的调整提供技术支持。

　　 大型地下式再生水厂在国内的应用尚未成熟, 在设计过程中可参考的经验较少。在保证水厂出水水质达标的前提下, 在设计过程中从安全、绿色和智慧等方面做了创新性的探索, 优化设计, 为打造样板工程奠定了坚实的基础。