王凱軍：我國地下式污水處理廠的發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè) “十三五”期間地上/地下污水處理廠總量與增量情況對比

 

進入”十二五“以來，地下式污水廠成為行業(yè)的熱點領(lǐng)域。一方面，他顛覆性的改變了原有污水廠的功能形態(tài)，因為更好兼顧了社區(qū)，環(huán)境和土地等要素而獲得城市青睞；另一方面，因建設(shè)方式而來的，則是行業(yè)針對投資，安全和運行問題的爭議和討論。而在我們看來，這種”一邊爭議，一邊落地“的場景更有意義，更加值得我們?nèi)ド钊胨伎肌?/p>

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院的王凱軍教授，當(dāng)年曾引用恩格斯的名言“猿從樹上到地下，是完成了猿變成人的關(guān)鍵性一步”，來比喻污水處理廠從地上到地下變化的意義�，F(xiàn)在看來，第一步已經(jīng)邁出，未來還會有第二步，第三步，第N步，這是一個基礎(chǔ)設(shè)施迭代演進的過程，也是一個新物種生長發(fā)展的路程。

牛年第一篇，我們特別整理推送王凱軍教授在“2020年排水大會”上的發(fā)言，這篇文章系統(tǒng)回顧了地下式污水廠在近幾年數(shù)量，技術(shù)和功能方面的發(fā)展情況，也是王老師團隊近些年在此領(lǐng)域思考和實踐的總結(jié)。更有價值的是，這篇文章為我們帶來一個新的視角，那就是從生態(tài)文明建設(shè)的角度重新審視污水廠，他的未來應(yīng)當(dāng)是什么樣的？我們需要做哪些事情來應(yīng)對未來？這篇文章，相信會給你啟發(fā)。

地下污水處理廠發(fā)展背景分析

近年來，我國污水處理廠的建設(shè)取得了舉世矚目的成績。目前，我國已建成5000多個大型污水處理廠，日處理能力將近2億m3/d。盡管如此，污水處理行業(yè)依舊存在諸多難題，例如污水廠占地面積大、鄰避效應(yīng)嚴(yán)重、出水標(biāo)準(zhǔn)和水資源利用率低、能耗藥耗高、資源回收率低等，上述問題嚴(yán)重影響了污水處理行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。由此，引發(fā)了專家學(xué)者們的思考，西方大規(guī)模、大集中、地上式的污水處理廠模式是否是以我國為代表的廣大發(fā)展中國家的唯一選擇？

傳統(tǒng)地上式的污水處理廠，占用大量城市用地，限制周邊近土地的開發(fā)和利用。舉下圖的例子說明，污水處理廠嚴(yán)重影響了周邊地區(qū)的土地價值。我們課題組采用網(wǎng)絡(luò)爬蟲工具，從鏈家網(wǎng)站（bj.lianjia.com/）抓取了北京市2017年某日和2016年某日的所有房價信息，構(gòu)建雙重差分模型，分析其對周邊經(jīng)濟社會影響。結(jié)果表明，處理規(guī)模為4萬m3/d的某污水廠，直接投資2億元（5%），直接占地73畝，價值7.5億（15%），對周邊3.2 km2房價抑制金額為45.8億元（80%）�？梢姡瑐鹘y(tǒng)地上式污水處理廠會嚴(yán)重影響周邊地區(qū)的土地價值。與此形成鮮明對比的則是城市公園的存在，例如陶然亭公園對周邊房價有大幅度的正面提升功能。這一問題發(fā)人深思。

地下污水處理廠的早期建設(shè)，主要是考慮到異地搬遷所引起的投資問題。比如，貴陽青山下沉式再生水廠，下沉式水廠出水要求達到地表水IV類、水資源100%回用的成功案例。該廠建成地下形式后，避免異地搬遷與大規(guī)模管網(wǎng)建設(shè)費用，在處理規(guī)模不變的情況下，投資金額降低。這一模式的開發(fā)為污水處理行業(yè)的發(fā)展提供了一條可行的思路。

在這樣的大背景下，“十二五”期間有一系列的地下式污水處理廠在不斷的摸索中得以建成，數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示其所占比重較低（＜2%），因此，把此階段稱為“發(fā)展初期”。在此時期，關(guān)于地下式污水廠發(fā)展的爭論不斷，引發(fā)了媒體及國際專家的廣泛關(guān)注。

“十二五”期間地上/地下污水處理廠總量與增量對比

在此爭論之際，清華大學(xué)于2015年適時組織了“聚焦地下污水處理廠”的高峰論壇，聽取多方意見。經(jīng)過會議的討論提出，應(yīng)當(dāng)站在時代的角度、宏觀審視地下污水廠的現(xiàn)象，發(fā)揮和利用其優(yōu)勢，順勢而為。也正是在此次論壇中，首次提出將污水處理廠的“負(fù)資產(chǎn)”變?yōu)樯鷳B(tài)的“正資產(chǎn)”的理念，將被動建設(shè)轉(zhuǎn)化為主動追求，從生態(tài)友好、環(huán)境友好、社區(qū)友好幾個方面來實現(xiàn)轉(zhuǎn)變。

地下污水廠的問題分析和解決

關(guān)于地下污水廠，之所以負(fù)面聲音不斷，是因為其確實面臨著一定的問題和挑戰(zhàn)：

單位建設(shè)投資高（地下污水處理廠投資高于地上廠1.5-2倍）；

通風(fēng)、除臭能耗高（地下封閉空間）；

占地靠池深建設(shè)困難（生化池和二沉池占地比例超過70%）；

提標(biāo)升級改造難等。

針對上述問題，我們課題組提出正是由于地下污水處理廠的出現(xiàn)，導(dǎo)致大家重新審視有別于地上污水處理廠建設(shè)，研究了適合地下污水處理廠建設(shè)一系列減少占地、降低投資、提高效率的新技術(shù)、新途徑，具體介紹如下如下：

1.節(jié)地型生化處理工藝

生化處理工藝是污水處理廠主要占地的單元，最優(yōu)先考慮的應(yīng)為主體生化處理工藝的優(yōu)選。

目前常用的MBR工藝強化生物處理，出水水質(zhì)良好，可直接回用，污泥濃度高（8~10 g/L），反應(yīng)高效，節(jié)省占地，能夠避免二沉池的建設(shè)，現(xiàn)階段工藝成熟可直接應(yīng)用，是地下式污水處理廠可選的主體工藝之一。

國際領(lǐng)先的MBBR工藝也是可選工藝之一，它無需二沉池，處理負(fù)荷高，采用填料污泥量大，可有效節(jié)省生化池占地30~50%，國外工藝成熟，可借鑒應(yīng)用。同時，中國水環(huán)境集團開發(fā)固定床節(jié)地型生化處理（HBR）工藝，大幅節(jié)省占地75%以上，實現(xiàn)污水生物處理的高效節(jié)地目標(biāo)。

HBR工藝節(jié)省占地示意圖

此外，好氧顆粒污泥技術(shù)沉降速度快（30-70 m/h），節(jié)省占地，省區(qū)二沉池，出水水質(zhì)良好，其出水TN可低于4 mg/L，TP僅為0.3 mg/L。若成功推廣應(yīng)用至地下式污水處理廠，可節(jié)約75%以上的占地面積和30%的能耗。該技術(shù)基于傳統(tǒng)生物處理工藝，但可實現(xiàn)快速沉降及良好的泥水分離效果，是未來地下污水廠可重點開發(fā)的工藝之一。

2.采用新型二沉池優(yōu)化設(shè)計

二沉池也是地下廠建設(shè)的主要難點，需要改進現(xiàn)有沉淀池形式。平流式沉淀池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且采用雙層形式，運行難度大，且占地面積大，不宜在地下式污水廠中應(yīng)用，圓形輻流式沉淀池的結(jié)構(gòu)也無法在地下箱體中采用。

矩形周進周出沉淀池則成為下沉式污水處理廠的優(yōu)選池型，目前，周進周出矩形沉淀池成功推廣運用于國內(nèi)多個下沉式污水處理廠，水力負(fù)荷可達1.5 m3/(m2·h)，出水SS穩(wěn)定達標(biāo)。

矩形周進周出沉淀池應(yīng)用案例

3.廠區(qū)結(jié)構(gòu)布置豎向形式

現(xiàn)階段，一般地下污水處理廠結(jié)構(gòu)設(shè)計采用三層或三層以上結(jié)構(gòu)：

地上層（-2.0 m）：綠化景觀、主題公園；

地下負(fù)一層設(shè)備層（-7.8 m）：預(yù)處理設(shè)備、鼓風(fēng)機、變電間、除臭、加藥設(shè)備、污泥處理設(shè)備；

地下負(fù)二層（-15 m）：預(yù)處理池、生物池、污泥濃縮池池體。

一般地下污水處理廠結(jié)構(gòu)設(shè)計

在此種構(gòu)型下，地下設(shè)置三層，建設(shè)挖深大，土建造價高；設(shè)備操作層屬于地下空間，消防要求高；同時，地下空間的通風(fēng)除臭換氣量大，能耗高。

針對此問題，在北京東壩生態(tài)再生水廠創(chuàng)新性的采用半地下式建設(shè)模式，可采用建筑物或覆土營造景觀兩種形式，充分利用建筑物空間建立企業(yè)研發(fā)中心。

北京東壩生態(tài)再生水廠設(shè)計圖

另一種可行的思路是地上構(gòu)筑物覆土營造景觀，充分利用廠區(qū)的豎向空間：地上覆土，營造景觀；地上一層設(shè)置操作間，避免地下空間的封閉問題；地下一層設(shè)置主體構(gòu)筑物，減少挖深，有效降低工程造價。

北控水務(wù)在寧東污水處理廠廠區(qū)結(jié)構(gòu)布置豎向形式

生態(tài)綜合體的研究與實踐

2016年10月，清華大學(xué)再一次召開關(guān)于污水處理廠建設(shè)高峰論壇，提出將城鄉(xiāng)生態(tài)綜合體建設(shè)與地下污水廠相結(jié)合，進一步推動“負(fù)資產(chǎn)”向“正資產(chǎn)”的轉(zhuǎn)變，并且明確提出，把地下污水廠作為抓手，推動生態(tài)文明建設(shè)。

污水處理廠生態(tài)綜合體，根據(jù)所在地區(qū)，分為城區(qū)型和郊野型，具備公共服務(wù)、教育、生態(tài)、科研等多方面功能。秉承生態(tài)文明理念，將污水處理與提供生態(tài)景觀、休閑娛樂、科普教育、科技研發(fā)、濕地綠化等公共服務(wù)有機融合，地上地下統(tǒng)籌規(guī)劃，改善周邊環(huán)境質(zhì)量。

城市生態(tài)綜合體的研究與實踐

生態(tài)綜合體概念的提出，可以說是污水處理的行業(yè)踐行生態(tài)文明理念的一次社會實踐。在幾年前我去參加歐洲水科技周交流會議上，做了相關(guān)報告，國外學(xué)者馬上表示，公共基礎(chǔ)設(shè)施就應(yīng)該這樣建設(shè)，歐洲說的多，沒有機會實踐。所以說，污水處理廠可成為良好的載體，與周邊社區(qū)融合，為居民提供各類服務(wù)，是未來引領(lǐng)世界技術(shù)進步的方向之一。

生態(tài)文明建設(shè)是中國在社會發(fā)展方面的一次創(chuàng)舉。所謂“生態(tài)文明”，是以人與自然、人與人、人與社會和諧共生、良性循環(huán)、全面發(fā)展、持續(xù)繁榮為基本宗旨的社會形態(tài)。美國國家人文科學(xué)院院士小約翰·柯布（John B. Cobb, Jr.）曾撰文指出“直接進入生態(tài)文明的發(fā)展抉擇帶給中國一個千載難逢的偉大機會，這個機會是中國獨有的領(lǐng)導(dǎo)世界的機會……中國應(yīng)該抓住直接進入生態(tài)文明這一千載難逢的偉大歷史機遇。”

在生態(tài)文明的大背景下，特別是進入“十三五”時期以來，地下式污水處理廠的總處理規(guī)模和總投資增量明顯，分別占同期污水處理廠處理水量和總投資的18%和30%左右。眾所周知，發(fā)展趨勢要看增量，而不是看存量，因此地下污水處理廠的建設(shè)已經(jīng)成為非常明顯的發(fā)展趨勢。值得注意的是，在此快速發(fā)展的階段，地下式污水處理廠的建設(shè)方式不約而同了走向了生態(tài)綜合體的形式。

“十三五”期間地上/地下污水處理廠總量與增量情況對比

接下來，列舉幾個地下污水處理廠及生態(tài)綜合體建設(shè)的實例。

1.案例分析（1）：南翔再生水廠

南翔再生水廠為全國首批PPP示范項目，由中國水環(huán)境集團建設(shè)，是華東地區(qū)首座地下式再生水廠。出水標(biāo)準(zhǔn)達地表IV類。該項目主要分為三大板塊，地面景觀公園、水環(huán)境科普館（華東首座）、地下污水處理層。總占地11.32公頃，約170畝地。該廠污水處理本身的工藝改進不大，但是建筑的藝術(shù)、科技館、景觀等已經(jīng)初具雛形。

上海南翔下沉式再生水廠

2.案例分析（2）：清溪凈水廠

合肥市清溪凈水廠位于合肥市蜀山區(qū)，占地面積約4.8萬m2，較同規(guī)模水廠節(jié)地2/3，是由安徽國禎在安徽省建設(shè)的最大的地下水廠PPP項目，出水水質(zhì)COD、總磷、氨氮達到地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)，總氮小于5 mg/L。清溪凈水廠地上部分建成市政休閑公園，與城市居民日常生活融為一體。

清溪凈水廠

創(chuàng)新引領(lǐng)與發(fā)展趨勢

為明確未來的發(fā)展趨勢，首先要明確的一個基礎(chǔ)問題就是，地下污水處理廠為什么在中國蓬勃發(fā)展？

成都市三瓦窯污水處理廠由于鄰避效應(yīng)，于2013年被炸掉，隨后跨江新建，7年后，該廠再次被城市包圍，再次面臨重建的問題。

再以蘇州為例進行分析，我們調(diào)研了蘇州市現(xiàn)有城市污水廠與城市公園的分布情況，如下圖所示。其中，姑蘇區(qū)城東污水廠毗鄰古護城河和蘇州大學(xué)，周邊居民區(qū)環(huán)繞，距古城相門700（直線）；高新區(qū)新區(qū)污水廠，毗鄰京杭運河，距離蘇州市政府1.3公里（直線），目前為重點發(fā)展區(qū)；高新區(qū)鎮(zhèn)湖污水廠規(guī)模4萬噸，距離虎丘區(qū)政府2 km（直線），面臨居民投訴問題。

被城市包圍的污水廠——以蘇州為例

（紅色：城市污水處理廠；綠色：城市公園）

那么，分析為什么會出現(xiàn)被城市包圍的污水廠這一現(xiàn)象呢？這與我國的城市化率有關(guān)系。美國及歐洲從十九世紀(jì)末到上世紀(jì)中期，用了近70年的時間從30%的城市化率發(fā)展到60%，而污水處理廠是在城市化后期開始建設(shè)，而我國從本世紀(jì)初到目前，只用了20年的時間達到60%同樣的城鎮(zhèn)化率水平，污水處理廠大規(guī)模建設(shè)也同期建設(shè)完成。因此，污水處理廠的建設(shè)跟城市發(fā)展同步進行，所以，大部分的早期的污水處理廠被城市建設(shè)包圍的。

我國與美國城鎮(zhèn)化率的變化趨勢

另外，值得注意的是，在這樣快速的城市建設(shè)的過程中，其實忽略了很多問題，城市綠地公園就是其中之一。聯(lián)合國最佳標(biāo)準(zhǔn)是人均60 m2綠地面積，而我國在2019年人均綠地面積僅為14.40 m2，依舊具有較大差距。再以北京方莊污水處理廠為例，占地4.9公頃，遠大于或接近于北京許多重要的街心公園，如會城門公園（2.5公頃）、南館公園（2.62公頃）、團結(jié)湖公園（4.6公頃）。由此可見，污水廠若將地面部分建成公園，對城市綠地的增加是至關(guān)重要的。

除城市綠地外，快速城鎮(zhèn)化也導(dǎo)致了城市公共服務(wù)體系的缺失。從數(shù)據(jù)調(diào)研可以看到，我國現(xiàn)階段人均體育場面積是日本1/13；美國博物館超過35000家，平均8500人擁有一座博物館，而在我國，平均250000人擁有一座博物館，美國是我國人均占有量的30倍。“十九大”對國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化提出要求，新時代大國治理需要轉(zhuǎn)向公共服務(wù)。在城市更新進程中，在補齊城市基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施的短板方面，地下污水處理廠應(yīng)該起到主導(dǎo)作用。這些都為地下污水處理廠的建設(shè)提供了良好的契機。

部分城市公共服務(wù)設(shè)施的需求和差距

地下式污水處理廠可以與生態(tài)景觀、休閑娛樂、科普教育、科技研發(fā)、濕地綠化等眾多元素有機結(jié)合起來。城市污水處理廠的地上空間還可以具有更多其他豐富的功能。溫州中心濱江商務(wù)區(qū)桃花島片區(qū)的新晉網(wǎng)紅打卡點冰雪運動中心，是溫州體育休閑公園的一部分，坐落在杭鋼集團旗下的溫州市中心片污水處理廠屋頂東側(cè)；大理洱海環(huán)湖水環(huán)境治理項目建設(shè)了6座高品質(zhì)下沉式再生水廠，地面有機結(jié)合了特色酒店、充電樁、生態(tài)農(nóng)業(yè)、生態(tài)停車場等，與社會的經(jīng)濟發(fā)展充分融合。

大理洱海環(huán)湖水環(huán)境治理項目

將污水處理廠建成地下的形式，最大的障礙是厭氧消化裝置難以建在地下。2020年8月，普拉克與光大環(huán)保（中國）有限公司簽訂雄安新區(qū)垃圾綜合處理設(shè)施一期工程有機垃圾聯(lián)合厭氧項目合同。該工程采用半地下隱藏式“去工業(yè)化”設(shè)計，地上部分主要為管理宣教區(qū)、休閑娛樂區(qū)、景觀區(qū)，地下部分主要為生產(chǎn)區(qū)。這為地下污水廠的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

結(jié)語

地下污水處理廠及生態(tài)綜合體的建設(shè)，有利于把污水廠的“負(fù)資產(chǎn)”做成城市的“正資產(chǎn)”，應(yīng)該以城市地下污水廠作為抓手踐行生態(tài)文明的理念，把地下污水廠作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要抓手來推動促進城市更新，為我國污水處理行業(yè)未來的發(fā)展鋪好路！