国外地下空间的发展已经历了相当长的一段时间, 城市地下大型排水及污水处理系统也取得了很好的发展^[1]。欧洲、日本、荷兰、美国等一些发达国家或地区已经建设了一批地下污水处理厂, 为改善当地的生活环境及防治环境污染起到了一定的作用, 并取得了一定的经济和社会效益。目前我国处理规模万m³/d以上的地下污水处理厂30多座, 虽然仅占我国城市污水处理厂比例 (数量) 的1.5%左右, 但“十二五”期间增量明显, 增加比例约4%。

　　 地下污水处理厂具有一定优势, 包括土地使用效率提升50%~70%、破解“邻避效应”、提升地面景观和周边土地价值等, 但地下污水处理厂的技术难度、投资运行成本以及未来提升改造空间的限制性也让人望而却步。本文介绍5座欧美及日本的地下污水处理厂建设运营案例, 希望能在设计、工程建设和运营方面带来可借鉴和参考的信息。

　　 芬兰从1932年开始建造地下污水处理厂。Viikinmki地下污水处理厂始建于1986年, 1994年完工 (见图1) 。该厂是芬兰乃至整个北欧最大的污水处理厂, 服务80万人口, 设计规模为33万m³/d, 实际处理量为28万m³/d (雨季为80万m³/d) , 其中85%为生活污水, 15%为工业废水^[2]。该厂的工程总造价为2.15亿美元, 其中地下部分造价为1.98亿美元。

　　 该厂的污水处理工艺为一套完整的活性污泥法工艺, 进出水水质见表1, 进水水量28万m³/d, 生化部分的设计容量为31万m³/d。进水先过格栅和初沉池, 分离出水中较大的悬浮物, 再经过活性污泥法去除有机物, 这期间投加硫酸亚铁作为絮凝剂来除磷。脱氮过程发生于2个单元, 第一单元是活性污泥工艺的反硝化工艺段, 第二单元是BIOSTYR^生物脱氮过滤器, 生物过滤器内附载脱氮微生物。在活性污泥法的好氧段, 废水中的铵态氮被氧化成硝酸盐氮, 进而在厌氧段中被还原成氮气。活性污泥厌氧工艺段和BIOSTYR^过滤器中的脱氮过程都基于脱氮细菌, 它具有将硝酸盐氮还原成游离氮气的能力。其间, 没有化学物质或外部生物质被添加到工艺中, 但是在后处理阶段, 会通过加入甲醇来促进反硝化作用。脱氮反应的温度设定在9~18℃^[2]。

　　 污泥处理采用中温厌氧消化工艺, 消化温度为36~37℃, 工艺设计参数见表2。消化后的污泥运送到Metspirtti堆肥厂, 与泥炭、树皮等以1∶1的比例进行混合, 混合后堆积6个月, 之后加入砂和矿物 (黑云母) , 最后经过20 mm孔径的筛网, 经过筛网的成品可用作园艺土或者绿色建筑的辅助材料。在堆肥过程中, 每年可回收约磷580t和氮620t^[2]。

　　 挪威奥斯陆Bekkelaget污水处理厂是一座建在山洞中的污水处理厂 (见图2) , 位于挪威首都奥斯陆的南边奥斯陆峡湾边, 是挪威的第二大污水处理厂。该厂于1998年开始建设, 2000年9月投入运行, 日均处理量为10万m³/d, 处理污水量占整个奥斯陆地区的35%~40%, 服务人口约28万人^[3]。

　　 污水主体处理工艺包括预处理、生物处理、深度处理。预处理部分包括格栅、曝气沉砂池、初沉池, 并投加氯化铁除磷。生物处理采用活性污泥工艺, 由4个串联式的前置反硝化的活性污泥系统组成。活性污泥工艺每个系列长72 m, 宽20 m, 池深14m, 总体积19 250m³。其中缺氧区7 500m³, 缺氧/好氧转换区2 250m³, 好氧区9 500 m³, DO维持在2 mg/L。污泥内回流率为280%。污泥回流量650~1 300m³/h。同时在回流污泥中加入硫酸亚铁, 实现同步化学除磷。深度处理采用澄清池、砂滤池。同时在回流污泥中加入硫酸亚铁, 实现同步化学除磷。截至2010年的进出水数据, BOD₅去除率为97.5%, TN去除率69.3%, TP去除率大于92.3%^[3]。

　　 污泥处理工艺包括污泥浓缩、厌氧消化和污泥脱水。初沉污泥采用带式浓缩, 产量为20~45tDS/d;剩余污泥采用离心浓缩, 浓缩后污泥含固率为6%, 产量为6~10tDS/d。设有2个厌氧消化罐, 每个体积为4 000m³。厌氧消化温度55℃, 停留时间12d, 操作压力0.3bar (1bar=0.1 MPa) 。进入消化罐的干污泥量为25~45t/d。设有3组Alfa Laval离心机, 脱水后污泥含固率为30%。污泥总产量为5 400tDS/年, 90%的污泥最终被用作种植粮食的营养土。

　　 荷兰Dokhaven污水处理厂位于荷兰第二大城市鹿特丹的市中心, 是全荷兰唯一一座地下污水处理厂 (见图3) 。该厂于1977年开始规划, 1981年开工建设, 1987年11月3日正式启动运行, 其设计处理能力为47万人口当量/d, 处理后的污水排放口设在海湾^[4]。

　　 Dokhaven地下污水处理厂的污水处理采用AB工艺, 设计流量为9 100 m³/h (旱季) , 19 000m³/h (雨季) 。具体构筑物规格包括^[4]:格栅4组, 流量7 200 m³/h, 格栅直径1 000 mm, 栅隙直径5mm。

　　 曝气沉砂池8组, 尺寸14m×3.5m×4.33m (L×W×H) , 停留时间5.4min, 总曝气量为925~3 850m³/h, 吸砂泵为4台, 流量30m³/h。

　　 A区好氧曝气池8组, 尺寸为39.6m×3.5m×4.32m (L×W×H) , 停留时间为15min, 污泥负荷为3kgBOD/ (kgMLSS·d) , 总曝气量为4 900~21 800m³/h, 混合浓度为1.5~2kgMLSS/m³。

　　 中沉池8组, 尺寸为60.5m×13.1m×2.6m (L×W×H) , 停留时间为50 min, 表面负荷为3m³/ (m²·h) , 链条刮板机16台, 泵16台, 流量为190~630m³/h, 剩余污泥调理罐容积为38m³。

　　 B区好氧曝气池4组, 尺寸27.2m×27.2m×4m (L×W×H) , 停留时间为50 min, 污泥负荷为0.15kgBOD/ (kgMLSS·d) , 表曝机16组, 混合浓度为3kgMLSS/m³。

　　 终沉池8组, 尺寸为83.1m×17.2m×2.5m (L×W×H) , 停留时间为120 min, 最大允许流量为14 250m³/h, 表面负荷为1.25m³/ (m²·h) , 链条刮板机16台, 污泥回流泵流量为310~710 m³/h, 剩余污泥调理罐容积为35m³。

　　 主流段产生的污泥输送到600m外的Sluisjesdijk污泥处理厂进行厌氧消化, 消化温度为33℃, 停留时间为30d, 消化后的污泥进入调质罐, 加入絮凝剂进行最终脱水, 设有2台离心脱水机, 每台离心机处理能力为40 m³/h。离心脱水后, 污泥含固率为30%, 储存在2个储罐中, 等待外运后焚烧, 污泥产量为2万t/年 (6 000tDS/年) 。

　　 Géolide污水处理厂位于法国南部城市马赛, 始建于1987年, 服务面积包括马赛和周边16个镇, 日处理量约24万m³。Géolide污水处理厂是世界占地面积最大的地下污水处理厂, 占地面积为3hm^2[5] (见图4) 。

　　 污水处理主体工艺包括物理化学处理和生物处理两部分。在生物处理工艺段, 采用ACTIFLO^高速澄清器和BIOSTYR^曝气生物滤池的组合, 将生物处理、澄清与过滤结合在一个紧凑的系统中。ACTIFLO^高速澄清器和BIOSTYR^曝气生物滤池都是结构紧凑、占地面积小、易于维护和低能耗的设备。

　　 污泥处理厂设在一个前采石场里, 距离污水处理厂6km。污泥处理工艺包括厌氧消化、脱水、浓缩和高温干化。厌氧消化的停留时间为10~12d, 温度为55℃。污泥最终经过离心浓缩, 最终的产品用于农业化肥。

　　 神奈川县叶山町污水处理厂位于神奈川县叶山町, 该厂为山中隧道式处理厂, 隧道的最大开挖断面积为420m²的软岩地层, 是日本国内最大的地下洞室 (见图5) 。

　　 该厂在日本国内是仅次于岛根县鹿岛镇污水处理厂的第二大污水处理设施。隧道式污水处理厂是日本下水道事业团应用道路隧道施工法而进行开发的。由于这种施工法是把大部分处理设施都集中在隧道内, 所以即使在平地面积较少的地区, 也能够确保处理厂正常的工作, 该处理厂采用分流排放方式, 排放地点为森户河支流大南乡河。该处理厂设计服务面积为610万m², 服务人口26万人, 设计处理污水量2.47万m³/d, 处理厂占地面积为2.95万m², 于1999年投入运行^[6]。该厂采用“活性污泥法+深度处理+消毒”的工艺路线, 污泥处理采用浓缩脱水后外运。

　　 由于芬兰平原较少, 而山地较多, 所以Viikinmki污水处理厂在选址时, 为了少占用宝贵的土地资源, 所以选择建在地下。Viikinmki污水处理厂的治理目标是实现现在和确保未来的高品质污水处理需求。

　　 Viikinmki地下污水处理厂位于岩洞内, 地下占地面积约为14hm²。该厂厂址高于海平面, 出水经过岩石隧道, 采用重力流排入大海, 出水口位于水底20m深处。这个设计还可防止海水倒灌入处理厂。挖掘工作从1988年初持续到1992年, 所有处理设备均处于地下, 水池等设施利用原有的岩石, 混凝土只在需要的地方才采用^[1]。该厂利用产生的沼气来发电和供热, 供本厂使用。

　　 该厂的工艺亮点是通过热电联产设备回收电能和热能。该厂污泥厌氧消化产生的沼气年产量为1 340万Nm³, 目前产生的电力可以满足该厂电力需求的70%, 2017年的目标是提高至80% (见表3) 。目前, 产生的热量可以满足污水处理厂自身需要^[2]。

　　 根据2015年的统计数据显示, 该厂运行费用为1 180万欧元, 人工费用260万欧元, 外包服务费用370万欧元, 材料和设备维护费用440万欧元, 翻新投资费用380万欧元, 总计2 630万欧元^[2]。

　　 随着赫尔辛基市的人口不断增长, 以及废水产量和极端气候现象的增加, 全球变暖为污水处理厂带来新的挑战。另外, 污水处理厂的现有处理能力逐渐难以满足越来越严格的排放标准, Viikinmki污水处理厂一直致力于研发与提标改造。此外, 提高工厂的能源效率也是未来发展的一个重要目标。图6为污水处理厂在屋顶加装太阳能光伏板回收能量。

　　 Bekkelaget污水处理厂建于山洞中的原因是它紧靠奥斯陆峡湾, 峡湾附近没有足够大的场地便于污水处理厂建于地上, 并且峡湾边是奥斯陆市民休闲娱乐的场所, 所以该厂选择建于山洞中。

　　 该厂的技术亮点是沼气提纯工艺, 该项目投资成本为2 560万元, 包括加热系统和污泥处理系统的重建, 总成本为4 400万元^[3]。

　　 2008年, Bekkelaget污水处理厂建设了沼气提纯项目, 目的是为了使奥斯陆市实现在20年内温室气体排放减少50%的目标。截止到2009年, 沼气产量可达370万Nm³/年 (甲烷含量为60%) , 相当于电量2 400万kW·h或柴油220万L。至2012年, 奥斯陆市使用沼气作为燃料的公共汽车已经有76辆, 同时还有100~200辆重卡。

　　 Bekkelaget污水处理厂的沼气提纯项目采用COOAB工艺。沼气提纯的第一步是通过活性炭吸附去除H₂S, 操作压力2 bar;随后通过装有COOAB的升流式反应器吸附去除CO₂, 同时还有1个COOAB填料再生塔, 不断再生COOAB填料, 补充到CO₂吸附塔中。随后沼气在5~6bar的操作压力之下进行干燥, 然后加压装入沼气储存罐, 储存罐压力200bar。随后由卡车运往沼气公司。提纯后的沼气中CH₄含量理论上能提高到99%, 实际在97%左右, 水蒸气含量小于32mg/Nm³, 氧气含量小于1%, 硫化物含量小于23mg/Nm³。提纯后每1Nm³燃料气中蕴含的能量相当于9.8kW·h的电力, 或相当于1.1L的汽油。厌氧消化产生的沼气中CH₄含量为50%~65%, CO₂含量为35%, H₂S含量约为1%^[3]。

　　 DOKHAVEN污水处理厂选择地下式的原因主要有: (1) 此处建厂无需额外的泵站, 仅靠重力输送即可, 无需对当时已有的下水管道系统作修改; (2) 该地区属于市中心, 用地非常紧张, 选择地下式可以最大程度节约用地, 同时将环境干扰 (臭气、噪音等) 最小化。

　　 该厂是埋于地下的矩形混凝土箱, 长237m, 宽158m, 高8~9m。控制大楼建于地面上, 其他设备都建于地下, 厂房顶部修建公园。污水处理厂走廊和中心地区由两层组成, 底下的一层主要是管道、泵架、风扇以及其他的设备, 上面的一层主要是作为输送走廊。^[1]。

　　 (1) 热电联产。污泥厌氧消化生成的沼气用于热电联产, 发电用于污水处理厂运行, 余热用于消化系统加热和冬季办公室取暖等。电力能耗1900万kW·h/年, 曝气能耗750万kW·h/年, 沼气发电量800万kW·h/年 (约总能耗的42%) , 若考虑余热利用的能量, 该厂的实际能量自给率已超过70%^[4]。

　　 (2) 厌氧氨氧化工艺脱氮。采用SHARON+ANAMMOX工艺对污泥消化液进行脱氮, 该厂采用了世界上第一台SHARON反应器, 于1998年10月开始运行, 世界上第一台ANAMMOX反应器于2002年6月投入运行。污泥消化液的含氮浓度高达1 500mg/L, 水温为28℃, SHARON反应器运行参数为罐体直径为19.5m, 罐体高为5.75m, 流量550 m³/d, 水力停留时间3d, 好氧停留时间24h, 温度35℃, pH 7~7.2, 溶解氧浓度1.5mg/L。ANAMMOX反应器的运行参数为罐体直径为2.2m, 罐体高为18m, 流量550m³/d, 水力停留时间3h, 设计负荷800kgN/d, 温度35℃, pH 7.5。与传统硝化/脱氮工艺相比, SHARON/ANAM-MOX工艺可以将运行成本降低90%, 二氧化碳排放量降低88%, 不产生有害气体N₂O, 不产生有机物质, 不产生过剩污泥, 节省占地面积50%, 具有可持续性和经济效益等特征^[4]。

　　 Géolide污水处理厂选择建为地下式的原因是, 污水处理厂建在马赛的市中心, 附近有居民区, 而且著名的Stade Vélodrome足球场远远先于污水处理厂的建设, 所以最终污水处理厂只能选择建为地下式。

　　 该厂污泥厌氧消化产生的沼气用于热电联产, 除供污水处理厂用之外, 还能为足球场供热。

　　 叶山町污水处理厂位于神奈川县叶山町, 三浦半岛的西半部, 三面环山, 平地不多, 沿着海岸线形成市区, 沿海的平地有稠密的居民区, 丘陵区是近郊的绿地和风景区, 并且海域是旅游的资源和渔民谋生的场所, 为了将地形因素和对景观的影响控制在最小限度之内, 该污水处理厂建成山中隧道式处理厂。

　　 日本的不少污水处理厂都采取部分地下式, 而非全部地下式。何种形式的选取与管网和排放水的水位有密切关系。日本政府在面对污水处理厂建设高度问题上, 首要考虑的是经济条件, 然后再根据当地的特殊条件, 来选择建设在地下还是地上。在日本, 污水处理厂的总体建设费用中, 处理厂本身的建设费占总费用的30%, 管网占总费用的70%。

　　 污水处理厂所占用的土地面积是常规地上污水处理厂占地面积的1/3。

　　 虽然隧道工程的费用要比在地上建设污水处理厂费用高, 但由于原来地上的污水处理设施可以用于隧道工程, 所以不需要基础工程和复盖, 和一般地上污水处理厂的建设费用相比, 其费用基本上不变。

　　 现在国外发达国家的污水处理厂正逐步走向小型化, 由于受到地形条件的限制, 某些小型污水处理厂不得不位于居民区和商业中心附近。在城市用地日趋紧张的局面下, 地下污水处理厂的优势相对明显。地下污水处理厂由于处于地下封闭状态, 对周围环境的影响较小, 与周边环境协调性强, 可节约土地资源, 防止周边土地贬值, 尤其适合于在土地资源高度紧张、环境要求高的地区建设。

　　 但是, 城市污水处理厂的建设应从实际出发, 根据各地污水的水质情况, 采取有针对性的建设方式和技术路线, 并且一定要综合考虑经济因素与实际情况, 以满足实际需要为基准, 因地制宜, 才能将地下污水处理厂的优势实现最大化。地下污水处理厂应该是在一些特定条件下的可选择方案。例如, 在中国北方冰冻地区建设地下污水处理厂的意义就要大于南方地区。就目前而言, 在国内建设地下污水处理厂依然会面对投资大、运行费用高等问题。并且, 地下污水处理厂建设运营风险较大。地下污水处理厂无论是前期建设还是后期运营维护都需要很高的技术支持, 必须先投入大量资金做些试点及调查研究, 等技术稳定时为合理利用土地资源、美化环境, 再把污水处理厂建在地下。

　　 未来, 地下污水处理厂发展的一个重要方向是如何通过工艺的进一步优化, 通过高效低成本的新技术以及新工艺的应用, 进一步缩小占地, 节省投资, 使其土地节约的特点更加突出, 比传统地面厂更具竞争力。其次, 如何系统地解决地下污水处理系统的安全问题、防洪排涝问题、防爆问题, 以及地面景观公园等公共设施如何与生产设施进行人性化的有效隔离, 如何建立适用于地下污水处理系统的事故应急措施等都是即将面临的关键问题。最后, 针对地下污水处理系统设计、施工、运营的相关标准、技术规范的缺失, 如地下厂区消防标准等, 使得相关标准规范的制定更显得尤为迫切。