水处理

《地下式城镇污水处理厂工程技术指南》解读

2020-03-19 13:24:47 《中国环保产业》 作者:侯锋 王凯军等

作为国家标准化改革的重要举措,国务院印发《深化标准化工作改革方案》(国发〔2015〕13 号)明确提出培育发展团体标准,激发市场主体活力,完善标准供给结构, 建立政府主导制定的标准与市场主导制定的标准协同发展、协调配套的新型标准体系。

中国环境保护产业协会面向社会开展团体标准立项、制修订和发布工作,组织标委会开展行业标准化工作研究,向社会提供符合环境管理和市场创新需求的中国环境保护产业协会标准。

《地下式城镇污水处理厂工程技术指南》解读

摘 要

地下式污水处理厂具有土地集约、资源利用、环境友好的特点,可以有效释放地面空间, 解决邻避问题,实现污水资源化,近年来在我国得到快速发展。2019 年 12 月,我国首例针对 地下式污水处理厂的技术标准《地下式城镇污水处理厂工程技术指南》(T/CAEPI 23—2019) 正式发布。文章针对新发布的团体标准,详细解读了标准制定的背景、意义与作用,重点分析了标准的关键技术内容及参数要求,希望对该标准的理解、应用与推广起到积极的推动作用。

关键词 :地下式污水处理厂 ;标准 ;解读

1 前言

污水处理厂是重要的城镇基础设施,是生态文明建设的重要保障。但传统的污水处理厂存在邻避 效应等诸多问题,因此制约了污水处理事业的发展。地下式污水处理厂具有土地集约、环境友好、资源利用等特点,可有效释放地面空间,解决邻避问题, 实现污水资源化,较传统污水处理厂具有明显的社会、经济和环境优势。据该标准编制组统计,“十二五” 期间地下式污水处理厂数量为29座,处理水量为319万m³/d,然而至“十三五”期间(2016年1月~2019年2月),地下式污水处理厂数量已增长至70座,处理水量超 700万m³/d。

作为一种新兴的污水处理厂建设形式,地下式污水处理厂的设计、建设、运行维护缺乏针对性的技术规范和指引,目前暂时依据传统城镇污水处理厂的标准规范体系。考虑到我国快速增长的工程实践以及传统标准体系已不能完全满足地下式污水处理厂的需求,迫切需要通过对实践经验的总结与规则的提炼, 推动地下式污水处理厂的高质量发展。

基于此需求,2017年7月中国环境保护产业协会下达了“地下式城镇污水处理厂工程技术指南”的立项通知。信开水环境投资有限公司作为主编单位承担了该标准的编制工作,参编单位有清华大学、中国市政工程西北设计研究院有限公司、北京碧水源科技股份有限公司、北控水务(中国)投资有限公司、中国市政工程东北设计研究总院有限公司、四川省科学城天人环保有限公司。经过两年多的努力,2019 年12月19日团体标准《地下式城镇污水处理厂工程技术指南》(T/CAEPI 23 ― 2019)正式发布。

2 标准制定的背景、意义及作用

2.1 地下式污水处理厂快速发展,现有标准体系不能满足发展需求

随着城镇化的快速进程,城区边缘不断向外扩张,原有的郊区逐渐变为市区,相对滞后的城市规划使得一些建设年代较早的污水处理厂被城市包围, “城中厂”与周边区域矛盾凸显的情况在我国非常普遍。在新的社会需求下,地下式污水处理厂应运而生。相比于传统的地上污水处理厂,地下式污水处理厂具有节省土地资源、几乎无臭味、无噪声、可美化周围环境等优势,同时可以提升周围土地的利用价值、拓展城市发展空间。出水可就近补充周边水体, 还可降低污水及再生水管网的建设成本。地下式污水处理厂已成为顺应生态文明要求的可持续的绿色基础设施。

经过多年发展,传统的城镇污水处理厂在设计建设、运行维护等方面已经具备完善的标准规范,形成了有章可依、有据可循的规范化模式。然而地下式污水处理厂与传统的地上污水处理厂在工艺选择、建筑结构、通风除臭、运行维护等方面均存在较大差异, 传统地上污水处理厂的标准规范尚不能完全满足地下式污水处理厂的要求,地下式污水处理厂的设计、建设、运行维护的规范化、标准化需求十分迫切。

2.2 制定技术标准,为提升设计建设水平、降低投资提供支撑

由于地下单体建设的投资普遍高于地上厂,其设计建设通常需要重点统筹考虑工艺处理效果、占地面积等指标。因此,进行地下式污水处理厂设计建设时, 要通过工艺设计规范化、竖向设计合理化、建筑结构设计优化等方式,尽可能降低建设投资。近年来的快速发展已经积累了较为丰富的业内工程实践案例,苦于缺乏适用的标准规范体系,许多先进设计建设经验得不到总结利用,不利于地下式污水处理厂的推广发展。

作为地下式污水处理厂的指导性文件,该标准的编制与发布能够规范地下式污水处理厂的设计建设与运行维护,对于推动地下式污水处理厂高质量发展具有重要意义。

3 主要技术内容及说明

3.1 地下式污水处理厂的定义

目前,英国、荷兰、挪威、瑞典、法国、丹麦等欧洲国家均建有地下式污水处理厂,中国、日本、韩国、马来西亚等亚洲国家的建设数量较多,美国也有少量建设。综合全球地下式污水处理厂的建设特点, 标准编制组提炼出了地下式污水处理厂的核心技术特征 :1)水处理构筑物位于地面以下,这是地下式污水处理厂的基本特征。2)设备操作层封闭,减少臭气、 噪声等传统污水处理厂的二次污染。3)地面层进行综合利用,充分发挥综合效益。同时,根据建设项目的不同,地下式污水处理厂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厂见图 1、大理洱海双廊再生水厂见图 2。

3.2 建设地下式污水处理厂的条件

正如所有的新技术、新工艺一样,地下式污水处理厂同样存在最佳的适用范围,即所谓的利基市场(Niche Market)。经过多年的实践,地下式污水处理厂的优势和特点逐步明确,因此该标准提出“位于用地紧张地区、人口稠密地区或环境敏感区等的建设项目宜选择建设地下式污水处理厂,并应结合投资成本、占地指标、生态环境要求、水资源综合利用等综合考虑”。

当前,我国城镇化的整体战略是“两横三纵”, 即以中心城市引领城市群发展,推动中心城市工业化进程和城镇化进程,增强中心城市的辐射带动作用, 使中心城市成为高质量发展的重要助推器。首先,京津冀地区、长江三角洲城市群和粤港澳大湾区依旧是我国城市群建设的重中之重;其次是位于西部地区的成渝城市群,其将是我国继京津冀地区、长三角和粤港澳之后的第四大经济增长极 ;长江中游城市群和江淮地区是未来中部发展的核心,将起到区域经济发动机的作用,黔中和滇中地区则是西南发展的核心。这些地区是目前地下式污水处理厂建设的主要集中区域,也是未来地下式污水处理厂发展的重点区域。

地下式污水处理厂既可独立建设,也可与城市水环境综合治理工程、生态综合体等结合建设。由于地下式污水处理厂的选址更为容易,地下式污水处理厂利于污水的适当分散处理,有助于实现就近处理、就地回用,从而可以减少管网投资和运行成本,同时充分发挥城市第二水源的作用。通过地面层景观生态、 公共服务、能源综合回收等多种综合利用模式的实施, 能够达到美化厂区环境、服务周边社会、节约能源的目的,对治理黑臭水体、增加生态产品供给具有重要 的现实意义。

3.3 系统优化,实现地下式污水处理厂高效节地

地下式污水处理厂并不是把地上的污水处理厂 “简单下沉”,而是重新统筹污水处理厂的功能分区, 充分考虑各类安全风险,提出涵盖工艺优化、组团共壁、通风除臭、应急处理等方面的全套集成技术。地下式污水处理厂应采用分层布置形式,在竖向布置上可分为水处理构筑物层、设备操作层和地面层。结合实际工程建设方案,通过平面、竖向和工艺三个维度的优化,形成节地组合技术。

3.3.1 平面优化节地技术

平面优化节地技术主要通过工艺流程布置、单元组团、单元优化或优化污水处理功能区占地等方式来实现节地。按照从整体到局部的思路,该标准提出了多项不同的平面优化节地技术,包括构(建)筑物平面优化组团技术、矩形周进周出二沉池流态优化技术等。

平行或功能相连单元共壁是实现组团节地布置的关键。以矩形池为基础,通过采用位置相邻、功能相连的污水处理构(建)筑物合并、共用池壁等平面布置方式,可实现组团节地的目的,常见的共壁设计有占地面积最大的生化反应池和二沉池共壁组团等。

对于矩形二沉池的流态优化,编制组对国内运行较好的单层矩形二沉池进行调研总结,明确提出 “单层矩形二次沉淀池的进出水布置方式宜为周边进水、周边出水,表面水力负荷宜为1.2~1.6m3/(m2·h),污泥固体负荷不宜大于200kg/(m2·d),有效水深宜为4.0~4.5m,池宽宜为6.0~10.0m,池长不宜大于80m”。以贵阳新庄污水处理厂一期、二期实际工程为例(见图 3),两者处理规模均为 25 万 t/d,按照传统辐流式沉淀池设计时(新庄一期),其占地面积为2.9 万m2,而采用矩形周进周出二沉池组团平面布置时(新庄二期),其占地面积仅为1.3 万m2。有效提高了土地利用效率。

(a)传统二沉池(占地面积 2.9 万 m2)

(b)矩形周进周出二沉池(占地面积 1.3 万 m2)

(贵阳新庄污水处理厂,25 万 t/d)

3.3.2 竖向优化节地技术

竖向优化节地技术是指通过构(建)筑物整体或局部叠加,强化空间利用效率,减少污水处理厂整体占地面积或某些污水处理功能区占地面积的节地方式。

一方面,适当增加生化池的有效水深可达到竖向优化节地效果 :传统地上厂生化池水深一般为5.0~6.0m,该标准提出“生物反应池水深一般宜为7.0~8.0m,也可适当加深,具体深度应综合考虑地质条件、曝气设备性能确定”。另一方面,二沉池的竖向叠加也可达到明显的节地效果:通过设置双层沉淀池,使单位用地的沉淀面积大幅度增加,从而减小二沉池的占地。

3.3.3 工艺优化节地技术

工艺优化节地技术指通过优化工艺参数或采用特殊池型及高效设备,以提高处理效率,减少水力停留时间,进而减少用地面积的节地设计方法。

大量研究表明,我国污水处理厂进水中的无机砂粒含量较高,且平均粒径小于 0.2mm不能被传统沉砂池有效去除的细砂占比较高。由于地下空间内清砂、清淤相对困难,该标准提出设计时应考虑采用新型高效的除砂设备,以提高沉砂池的去除粒径,尤其是强化对0.1~0.2mm细砂的去除效果。

对于主体生化工艺,标准编制组的调研显示我国现有地下式污水处理厂中超过一半的地下式污水处理厂采用基于AAO的各种改良工艺(如多级AO工艺)作为主体生化工艺 ;有超过 1/4 的地下式污水处理厂选择采用膜生物反应器 ;高效生物膜工艺在地下式污水处理厂中也有运用。

对于污泥处理工艺,由于地下空间内安全及占地问题较为突出,因此需将工艺安全及占地面积作为工艺选择的首要因素。污泥浓缩脱水建议选择一体化设备以节约占地面积,同时设备的安全性也应着重考虑。当需要在地下式污水处理厂区内将污泥脱水至 80% 含水率时,常用的污泥机械浓缩脱水设备一般为带式浓缩脱水一体机或离心式浓缩脱水一体机。当需要在地下式污水处理厂区内将污泥进一步脱水至30% ~ 60% 含水率时,宜选用安全性及工作效率较高、占地面积较少的污泥低温干化工艺。

综上,通过平面、竖向和工艺的优化及系统集成,地下式污水处理厂单位处理规模用地面积可达到0.3~0.5m2/(m3·d),远低于国家建设用地指标基准值,社会、经济和环境效益显著。

3.4 臭气等二次污染的控制

传统的地上污水处理厂的臭气无组织逸散,易对周边环境产生二次污染。相比之下,地下式污水处理厂的臭气经收集处理后有组织排放,既是地下式污水处理厂区正常运营的需要,也有利于提升水厂周边空气环境质量。

该标准提出地下式污水处理厂“除臭系统宜与通风系统统筹、系统设计”的原则,同时提出了臭气收集处理的技术要求和措施,以避免二次污染。污水处理厂各工段均会产生一定浓度的臭气,包括预处理段(提升泵房、粗细格栅、沉砂池)、生化反应段(各类厌氧、缺氧、好氧反应池)、污泥处理段(污泥浓缩池、贮存池、脱水间等),其中预处理段和污泥处理段是臭气控制的重点区域。硫化氢和氨气是污水处理厂恶臭的特征污染物,其浓度受污水水质、处理工艺、运行工况、气候条件等因素影响而存在一定的差别。对全国污水处理厂的调研测试表明,预处理段硫化氢和氨的浓度范围分别大致为0~10mg/m3(密封状态下甚至可达几百mg/m3)与0.5~5mg/m3,污泥处理段硫化氢和氨的浓度范围分别为5~30mg/m3与1~10mg/m3。污染物浓度较大且人员操作较频繁的区域是臭气控制的重点环节,如粗格栅间、进水泵站、细格栅间以及污泥脱水间等区域,因此在设计时不仅要考虑设备以及池体的除臭,而且需要考虑整体空间的除臭。所有与除臭相关的构筑物及设备必须加盖封闭,并设置臭气收集点,同时需要保证构筑物及设备内部始终为微负压状态,以防止臭气外泄。地下式污水处理厂臭气收集与处理装置见图 4。

除臭工艺选择上优先选择生化技术。与物化处理技术相比,生物除臭具有高效低耗、操作简便、 技术清洁等优点。荷兰Delft大学Bart kraakman 联合学术界和工程界的专家在ES&T期刊上发表述评文章,对目前污水处理厂除臭的几项技术进行了评价, 评价采用IChemE可持续框架,综合考虑了污染物去除效果、经济性、社会影响,指出生物滴滤法是污水处理厂最适宜的除臭技术。基于污水处理厂除臭的研究和工程实践,该标准提出“地下式污水处理厂的除臭工艺应以生物处理工艺为核心,生物除臭装置的填料使用寿命不宜低于 15 年”。

4 结语

《地下式城镇污水处理厂工程技术指南》( T/ CAEPI 23―2019)在编制过程中,整合了我国地下式污水处理厂领域技术研究和工程实践优势单位的经验,对地下式污水处理厂相关技术规范进行了系统梳理,初步建立了全球地下式污水处理厂信息数据库。通过总结现有地下式污水处理厂的实践成果,形成了 “规划―设计―建设―运营”的技术框架,通过多学科专业的协同研究,提出了一系列引导、规范、提升地下式污水处理厂质量的技术方法、措施方案和参数。该标准的发布实施,规定了地下式城镇污水处理厂设计、建设及运行维护等技术要求,填补了我国在该领域的标准空白,有助于地下式污水处理厂在我国的规范、健康发展。

作者:侯锋 1,王凯军 2,曹效鑫 1*,庞洪涛 1,邵彦青 1,宫徽 2,周晓 1,张明杰 3,车淑娟 4,李鑫玮 5,张连国 6,张进 7

单位:1. 信开水环境投资有限公司,北京 101101 ;2. 清华大学,北京 100084 ;3. 中国市政工程西北设计研究院有限公司,兰州 730000 ;4. 北京碧水源科技股份有限公司,北京 109591 ;5. 北控水务(中国)投资有限公司, 北京 100102;6. 中国市政工程东北设计研究总院有限公司,长春 130021;7. 四川省科学城天人环保有限公司,四川绵阳 621000

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