近年来,随着我国经济及城市化建设的飞速发展,国内经济较发达城市在2000年前后建设的数百座污水处理厂面临被城市发展区域包围、成为“城中厂”的现实问题,因噪音、恶臭等环境污染及景观不协调等原因,亟待改建。改造方式为就地改造或异地建设,可是在城市快速发展的今天,在城市下游新建污水处理厂,用地问题也很难解决,所以对某些项目而言就地改造成为可能,就地改造的主要方式为加盖封闭或改建成地下污水处理厂。就地改造不引发大规模的管网及其他改建工程,节省投资;同时也便于与再生水工程同步建设,再生水就地回用能充分体现水资源的价值,有利于增加水资源供给,改善水生态,体现了水的价值链延伸,污水处理厂上部可以建成开放式公园供周边居民使用,提升周边土地价值。这也弥补了地下式污水处理厂运行成本高的短板;特别是在建设海绵城市的背景下,从水资源统筹角度规划污水处理厂布局,建在城市中的地下式污水处理厂便于污水与雨水面源污染净化的通盘考虑。这些都是水资源循环利用的新战略思考。

　　 同时,以下几方面也体现了建设地下式污水处理厂的优势:在城市水系的中上游建设地下式污水处理厂便于污水资源化、方便将再生水就地回用;寒冷地区建设地下式污水处理厂可解决污水处理设施保温,实现污水处理厂正常运行;污水处理厂厂址周边环境要求高或用地面积受限时也可选择建设地下式污水处理厂。

　　 公共设施地下化是国际大城市规划发展的重要方向之一。污水处理厂的地下化构建了污水处理功能、生态功能和谐共存的综合体,将成为城市污水处理系统建设的新趋势和新需求,是解决地面式污水处理厂环境影响问题的有效途径。图1为日本大阪津宁污水处理厂就地加盖改造成公园前后的照片。

　　 大阪市污水处理厂建设年代始于1940年,现在污水处理厂已全部被包围在城市中,如何将污水处理厂的环境与周边环境相协调,是大阪市下水道设施整治的重要内容之一。除了对构筑物加盖除臭外,经过整治,不但已与周围环境相融合,而且也成为市民休闲的好场所,如利用污水处理厂的绿化多的特点,各污水处理厂都有自己的花木节日,供市民参观。详见表1。

　　 国外城市地下大型排水及污水处理系统取得了很好的发展。世界上第一座地下式污水处理厂于1932年在芬兰建造,其首都赫尔辛基的地下式污水处理厂雨季处理能力60万m³/d。1942年瑞典首都斯德哥尔摩利用当地优越的地质条件和先进的开挖技术,建造了世界上第一座现代化的岩石地下式污水处理厂,己经成功地运行了70多年。目前,许多国家都在开发地下污水处理厂,如美国、英国、日本等,在这些国家,地下式污水处理厂均取得了较好的经济和社会效益。

　　 地下式污水处理厂在我国香港和台湾地区也有较长时间的发展,香港地区建造的赤柱污水处理厂,是亚洲第一个建于岩洞内的地下式污水处理厂。台北市从1998年2月开始建设的内湖地下式污水处理厂是台湾省第一座地下式污水处理厂。

　　 随着中国经济的快速发展目前国内的工业化水平、施工机械、施工技术都达到了世界先进水平,曾经阻碍地下空间的开发利用发展的装备和关键技术问题正在逐一突破,包括地下空间的防灾技术、通风技术、照明技术、防水技术、环境控制技术、开挖支护施工技术等,地下空间开发利用的成本逐渐减少,使城市污水处理厂按地下式设计可行性得以逐渐增强。国内地下式污水处理厂自2010年前后开始建设,目前已建成几十座,日处理规模从几万立方米到60万立方米,地下式污水处理厂的建设适合我国人多地少、气候差异较大的国情,符合现代化大都市公共设施走向地下的发展趋势,因此,随着我国水环境治理力度的加大,地下式污水处理厂在我国必将具有很好的发展前景。目前我国还没有关于地下式污水处理厂的规范,设计经验也相对不足。

　　 地下式污水处理厂的布置形式主要分为;全地下式布局(单层加盖)、全地下式布局(双层加盖)和半地下式布局(双层加盖)(见图2)。图3为典型地下式污水处理厂的构造。

　　 全地下式的布置形式,顶部空间利用率高,地下空间的通风、照明成本高,半地下式布局顶部空间利用率要低于全地下式,但是,可以利用自然通风与照明,从而可以降低这二部分的运行费用,所以在条件允许情况下建设半地下式污水处理厂更节能。

　　 由于采用高效处理技术的集成化设计,地下式污水处理厂占地面积仅为地上式的1/3左右。随着科技的进步污水处理技术、设备、材料的融合发展,污水处理技术有了长足的发展,开发出多种满足处理要求、处理效率高的工艺与设备,可以满足占地面积小、适合集约化布置的要求,在此条件下可以大大降低地下式污水处理厂的投资,让地下式污水处理厂建设成为可能。在我国南方污水处理厂进水浓度低,采用MBR工艺占地约0.2m²/m³水,在北方地区占地会稍高些。采用A/O+深度处理工艺占地可控制在0.3m²/m³水左右。

　　 地下式污水处理厂可与地下停车场、地上写字楼、地上公园合建,大大提高利用效率。重庆的唐家桥地下式污水处理厂与写字楼、地下停车场合建,写字楼可以对外出租、地下车库可以停放社会车辆,缓解城市停车难的问题。日本镰仓市山崎污水处理厂办公大楼内建有公共体育馆供市民使用,东京都芝浦污水处理厂地上建有写字楼对社会开放,提高土地综合利用价值。

　　 地下式污水处理厂可建设在市中心区域,便于再生水的循环利用,有利于节能减排实现绿色可持续发展。例如深圳市布吉污水处理厂规模20万m³/d,全地下式建设,是为了解决日益严峻的水资源供需矛盾,日益加剧的布吉水环境污染以及市民休闲绿地日益紧缺的现状而兴建,是深圳市重大民生项目。项目位于深圳市龙岗区布吉街道粤宝路西侧,占地面积5.95hm²,总投资约6.23亿元。项目从根本上改变布吉河、深圳河流域水质;体现最佳的社会效益、环境生态效益及经济效益,处理污水的同时,为布吉居民提供绿地、公园及休闲空间。

　　 利用水源热泵技术可实现水中热能回收,给污水处理厂周边区域提供供热或制冷。节能效果明显。国内很多污水处理厂采用水源热泵从污水处理厂尾水提取热能供本厂办公楼供热或供冷气,也有给附近居民供热的案例,地下式污水处理厂周边多有住宅区,更方便给居民供热。

　　 地下式污水处理厂投资较地上式污水处理厂增加20%~30%,处理成本增加20%左右。但是它带来的其他效益足以弥补投资与运行成本的增加,相对地上厂而言确实具有投资高、运行成本也略高的缺点,优点是节省用地、便于污水资源化,补充市政与景观用水有利于改善生态环境、厂区上部可以给居民提供公园绿地,同时可以提升周边土地价值,从整体考虑是经济的。投资成本,南方地区为3 500~5 000元/m³,北方地区为4 000~6 000元/m³。

　　 地下式污水处理厂多采用主体构筑物组团布局共壁合建的箱体式构筑物,工艺多采用高效理单元技术组合、生物处理的核心段多采用改良A²/O、MBBR、MBR、BAF;深度处理依据去除对象的不同多采用深床过滤、活性砂过滤,高效沉淀、磁混凝沉淀,纤维过滤、滤布滤池、超滤等占地少、效率高的工艺。根据地下式污水处理厂特点配备,高标准除臭工艺、通风及消防、地下高效采光、应急安全设施等先进技术,使整体工艺在适应污水处理厂地下模式的同时,实现高出水标准及绿色节能。

　　 在生物处理核心段,采用改良A²/O工艺较多,该工艺目前在国内的运用已经十分成熟、可靠程度高,A²/O方案流程较长,但运行成本较低。MBBR工艺通过控制流动填料在生物反应池内的比例,可以形成活性污泥与生物膜法的共生系统,也可以形成以生物膜法为主要处理功能的生物膜系统,该工艺更适合作为地下式污水处理厂升级改造、改善出水水质的情况。鉴于目前改善水环境和污水资源化的需要,如北京、合肥、天津、呼和浩特等多座城市均提出了更严格的出水标准,该工艺良好的弹性可为以后水质再提高奠定基础。MBR工艺生物池污泥浓度高,所需生物池体积小,深度处理多半仅需要消毒处理即可,在以上几种工艺中最节省占地,但是MBR附属设备偏多,运行操作要求高且膜清洗需耗费较多的人力物力,膜更换费用较高。深度度处理部分需要对出水的氨氮、总氮进一步把关时,可选择兼具除氮、SS功能的深床滤池、活性砂滤池;以除磷、SS为目的可以选择高效沉淀、磁混凝沉淀,纤维过滤、滤布滤池、超滤等处理单元或单元组合。

　　 平面布置与竖向上的考虑;地下式污水处理厂集中在有限的地下箱体内,要统筹协调好工艺、各种管线、通风除臭、消防、交通、运营维护各方面的关系,保证有机衔接,实现集约化的集成,从而有效节约空间减小地下箱体体积,达到节省投资的目的。工艺选择上,宜选择高效处理单元组合,平面上满足功能分区,便于安排除臭、管线综合,供电、风机、加药、消毒、污泥脱水与工艺之间的有机衔接。尤其要注意构筑物内的电气、除臭、地下空间通风、消防、事故排水安全等设计。景观设计是地下式污水处理厂的亮点,要结合地下箱体顶部的承重能力合理配置景观、灌木、树木等。

　　 地下式污水处理厂其应对突发事件的能力相对地上式污水处理厂需要大大加强,为了防止意外事故的发生在各专业的设计中均考虑了相应的措施,主要措施如下:

　　 (1)污水处理厂按规范要求负荷等级为二级负荷,考虑本污水处理厂一旦停电,将造成较大的经济损失,因此为提高供电的可靠性,应由双路电源供电,两路电源同时工作互为备用,以保证污水处理厂的正常生产及事故情况下的用电安全。

　　 (2)为保证在紧急情况下人员的安全疏散,在地下通道、地下建筑物内设应急照明灯具及疏散指示标志,并采用蓄电池组供电,供电时间不低于30min,确保地下构筑物工作人员的安全疏散。

　　 (3)为保证事故排烟风机、消防设施的安全运行,采用单独敷设的安全消防专用回路供电,并采用两路电源末端切换,保证事故排风机的正常运行;消防线路穿管暗敷在不燃烧体结构内,并保证保护层厚度不应小于30mm。

　　 (4)进水处设置液控速闭阀和手电两用闸阀两道保护,当发生意外停电时,液控速闭阀自动关闭,闸阀利用高能量的蓄电池组供电将闸阀关闭,避免污水淹没污水处理厂。

　　 (5)在意外事故发生时,自控系统将自动进入到安全模式运行,例如:即使在不停电的状态下原污水进水水位超过警戒水位,系统会指令进水闸门关闭,避免进水淹没地下污水处理厂。

　　 (6)消防用水采用市政水和中水两套独立方案供水,确保消防用水的可靠性。在每个消防分区,两套供水均有消火栓接口,分别独立满足规范要求的间隔。并且在每个消防分区再设置可移动灭火器。

　　 (7)通风系统采用自然通风和机械通风相结合的方式,即使在极特殊情况下的停电仍可利用自然通风进行一定的换气。

　　 从城市可持续发展角度优化污水处理厂布局,在城市建成区建设地下式污水处理厂更方便污水就近回用于景观、市政杂用,优化水资源配置,是建设生态宜居城市的需要。地下式污水处理厂可以有效利用地下空间、节约用地,可以满足不同层次规划的需要,在国内还会有一定的发展空间。地下式污水处理厂集合了工艺、设备、材料、土建施工、集约化设计的诸多方面,与地上式污水处理厂相比存在经验少的现实,还需要不断总结提升。