污水處理廠選址問題一直是城市污水系統(tǒng)完善的關(guān)鍵問題。國外地下空間的發(fā)展已經(jīng)歷了相當長的一段時間。地下式污水處理廠節(jié)省空間、防止噪聲和異味的影響，但同時，地下式污水處理廠存在技術(shù)難度大、運營維護不夠便捷、建設(shè)成本較高等缺陷。對5座國外典型地下污水處理廠的地下空間設(shè)計和節(jié)能措施進行分析，并從中摸索出一些適用于我國污水處理廠的建設(shè)經(jīng)驗。
國外地下空間的發(fā)展已經(jīng)歷了相當長的一段時間，城市地下大型排水及污水處理系統(tǒng)也取得了很好的發(fā)展。歐洲、日本、荷蘭、美國等一些發(fā)達國家或地區(qū)已經(jīng)建設(shè)了一批地下污水處理廠，為改善當?shù)氐纳瞽h(huán)境及防治環(huán)境污染起到了一定的作用，并取得了一定的經(jīng)濟和社會效益。目前我國處理規(guī)模萬m3/d以上的地下污水處理廠30多座，雖然僅占我國城市污水處理廠比例(數(shù)量)的1.5%左右，但“十二五”期間增量明顯，增加比例約4%。
地下污水處理廠具有一定優(yōu)勢，包括土地使用效率提升50%～70%、破解“鄰避效應(yīng)”、提升地面景觀和周邊土地價值等，但地下污水處理廠的技術(shù)難度、投資運行成本以及未來提升改造空間的限制性也讓人望而卻步。本文介紹5座歐美及日本的地下污水處理廠建設(shè)運營案例，希望能在設(shè)計、工程建設(shè)和運營方面帶來可借鑒和參考的信息。
一、5座地下式污水處理廠的工程概況
芬蘭從1932年開始建造地下污水處理廠。該地下污水處理廠始建于1986年，1994年完工(見圖1)。該廠是芬蘭乃至整個北歐最大的污水處理廠,服務(wù)80萬人口，設(shè)計規(guī)模為33萬m3/d，實際處理量為28萬m3/d(雨季為80萬m3/d)，其中85%為生活污水，15%為工業(yè)廢水。該廠的工程總造價為2.15億美元，其中地下部分造價為1.98億美元。
1.1.1污水處理工藝
該廠的污水處理工藝為一套完整的活性污泥法工藝，進出水水質(zhì)見表1，進水水量28萬m3/d，生化部分的設(shè)計容量為31萬m3 /d。進水先過格柵和初沉池，分離出水中較大的懸浮物，再經(jīng)過活性污泥法去除有機物，這期間投加硫酸亞鐵作為絮凝劑來除磷。脫氮過程發(fā)生于2個單元，第一單元是活性污泥工藝的反硝化工藝段，第二單元是BIOSTYR生物脫氮過濾器，生物過濾器內(nèi)附載脫氮微生物。在活性污泥法的好氧段，廢水中的銨態(tài)氮被氧化成硝酸鹽氮，進而在厭氧段中被還原成氮氣。活性污泥厭氧工藝段和BIOSTYR過濾器中的脫氮過程都基于脫氮細菌，它具有將硝酸鹽氮還原成游離氮氣的能力。其間，沒有化學(xué)物質(zhì)或外部生物質(zhì)被添加到工藝中，但是在后處理階段，會通過加入甲醇來促進反硝化作用。脫氮反應(yīng)的溫度設(shè)定在9～18 ℃。
1.1.2污泥處理工藝
污泥處理采用中溫厭氧消化工藝，消化溫度為36～37 ℃，工藝設(shè)計參數(shù)見表2。消化后的污泥運送到堆肥廠，與泥炭、樹皮等以1∶1的比例進行混合，混合后堆積6個月，之后加入砂和礦物(黑云母)，最后經(jīng)過20 mm孔徑的篩網(wǎng)，經(jīng)過篩網(wǎng)的成品可用作園藝土或者綠色建筑的輔助材料。在堆肥過程中，每年可回收約磷580 t和氮620 t。
1.2挪威奧斯陸B(tài)ekkelaget污水處理廠
該污水處理廠是一座建在山洞中的污水處理廠(見圖2)，位于挪威首都奧斯陸的南邊奧斯陸峽灣邊，是挪威的第二大污水處理廠。該廠于1998年開始建設(shè)，2000年9月投入運行，日均處理量為10萬m3/d，處理污水量占整個奧斯陸地區(qū)的35%～40%，服務(wù)人口約28萬人。
1.2.1污水處理工藝
污水主體處理工藝包括預(yù)處理、生物處理、深度處理。預(yù)處理部分包括格柵、曝氣沉砂池、初沉池，并投加氯化鐵除磷。生物處理采用活性污泥工藝，由4個串聯(lián)式的前置反硝化的活性污泥系統(tǒng)組成�；钚晕勰喙に嚸總�系列長72 m，寬20 m，池深14 m，總體積19 250 m3。其中缺氧區(qū)7 500 m3，缺氧/好氧轉(zhuǎn)換區(qū)2 250 m3，好氧區(qū)9 500 m3，DO維持在2 mg/L。污泥內(nèi)回流率為280%。污泥回流量650～1 300 m3/h。同時在回流污泥中加入硫酸亞鐵，實現(xiàn)同步化學(xué)除磷。深度處理采用澄清池、砂濾池。同時在回流污泥中加入硫酸亞鐵，實現(xiàn)同步化學(xué)除磷。截至2010年的進出水數(shù)據(jù)，BOD5去除率為97.5%，TN去除率69.3%，TP去除率大于92.3%。
1.2.2污泥處理工藝
污泥處理工藝包括污泥濃縮、厭氧消化和污泥脫水。初沉污泥采用帶式濃縮，產(chǎn)量為20～45 tDS/d;剩余污泥采用離心濃縮，濃縮后污泥含固率為6%，產(chǎn)量為6～10 tDS/d。設(shè)有2個厭氧消化罐，每個體積為4 000 m3。厭氧消化溫度55 ℃，停留時間12 d，操作壓力0.3 bar(1 bar=0.1 MPa)。進入消化罐的干污泥量為25～45 t/d。設(shè)有3組Alfa Laval離心機，脫水后污泥含固率為30%。污泥總產(chǎn)量為5 400 tDS/年，90%的污泥最終被用作種植糧食的營養(yǎng)土。
1.3荷蘭Dokhaven污水處理廠
該污水處理廠位于荷蘭第二大城市鹿特丹的市中心，是全荷蘭唯一一座地下污水處理廠(見圖3)。該廠于1977年開始規(guī)劃，1981年開工建設(shè)，1987年11月3日正式啟動運行，其設(shè)計處理能力為47萬人口當量/d，處理后的污水排放口設(shè)在海灣。
1.3.1污水處理工藝
該地下污水處理廠的污水處理采用AB工藝，設(shè)計流量為9 100 m3/h(旱季)，19 000 m3/h(雨季)。具體構(gòu)筑物規(guī)格包括：格柵4組，流量7 200 m3/h，格柵直徑1 000 mm，柵隙直徑5 mm。
曝氣沉砂池8組，尺寸14 m×3.5 m×4.33 m(L×W×H)，停留時間5.4 min，總曝氣量為925～3 850 m3/h，吸砂泵為4臺，流量30 m3/h。
A區(qū)好氧曝氣池8組，尺寸為39.6 m×3.5 m×4.32 m(L×W×H)，停留時間為15 min，污泥負荷為3 kgBOD/(kgMLSS˙d)，總曝氣量為4 900～21 800 m3/h，混合濃度為1.5～2 kgMLSS/m3。
中沉池8組，尺寸為60.5 m×13.1 m×2.6 m(L×W×H)，停留時間為50 min，表面負荷為3 m3/(m2˙h)，鏈條刮板機16臺，泵16臺，流量為190～630 m3/h，剩余污泥調(diào)理罐容積為38 m3。
B區(qū)好氧曝氣池4組，尺寸27.2 m×27.2 m×4 m(L×W×H)，停留時間為50 min，污泥負荷為0.15 kgBOD/(kgMLSS˙d)，表曝機16組，混合濃度為3 kgMLSS/m3。
終沉池8組，尺寸為83.1 m×17.2 m×2.5 m(L×W×H)，停留時間為120 min，最大允許流量為14 250 m3/h，表面負荷為1.25 m3/(m2˙h)，鏈條刮板機16臺，污泥回流泵流量為310～710 m3/h，剩余污泥調(diào)理罐容積為35 m3。
1.3.2污泥處理工藝
主流段產(chǎn)生的污泥輸送到600 m外的污泥處理廠進行厭氧消化，消化溫度為33 ℃，停留時間為30 d，消化后的污泥進入調(diào)質(zhì)罐，加入絮凝劑進行最終脫水，設(shè)有2臺離心脫水機，每臺離心機處理能力為40 m3/h。離心脫水后，污泥含固率為30%，儲存在2個儲罐中，等待外運后焚燒，污泥產(chǎn)量為2萬t/年(6 000 tDS/年)。
1.4法國馬賽Géolide污水處理廠
該污水處理廠位于法國南部城市馬賽，始建于1987年，服務(wù)面積包括馬賽和周邊16個鎮(zhèn)，日處理量約24萬m3。該污水處理廠是世界占地面積最大的地下污水處理廠，占地面積為3 hm2(見圖4)。
1.4.1污水處理工藝
污水處理主體工藝包括物理化學(xué)處理和生物處理兩部分。在生物處理工藝段，采用ACTIFLO高速澄清器和BIOSTYR曝氣生物濾池的組合，將生物處理、澄清與過濾結(jié)合在一個緊湊的系統(tǒng)中。ACTIFLO高速澄清器和BIOSTYR曝氣生物濾池都是結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、易于維護和低能耗的設(shè)備。
1.4.2污泥處理工藝
污泥處理廠設(shè)在一個前采石場里，距離污水處理廠6 km。污泥處理工藝包括厭氧消化、脫水、濃縮和高溫干化。厭氧消化的停留時間為10～12 d，溫度為55 ℃。污泥最終經(jīng)過離心濃縮，最終的產(chǎn)品用于農(nóng)業(yè)化肥。
1.5日本神奈川縣葉山町污水處理廠
神奈川縣葉山町污水處理廠位于神奈川縣葉山町，該廠為山中隧道式處理廠，隧道的最大開挖斷面積為420 m2的軟巖地層，是日本國內(nèi)最大的地下洞室(見圖5)。
該廠在日本國內(nèi)是僅次于島根縣鹿島鎮(zhèn)污水處理廠的第二大污水處理設(shè)施。隧道式污水處理廠是日本下水道事業(yè)團應(yīng)用道路隧道施工法而進行開發(fā)的。由于這種施工法是把大部分處理設(shè)施都集中在隧道內(nèi)，所以即使在平地面積較少的地區(qū)，也能夠確保處理廠正常的工作，該處理廠采用分流排放方式，排放地點為森戶河支流大南鄉(xiāng)河。該處理廠設(shè)計服務(wù)面積為610萬m2，服務(wù)人口26萬人，設(shè)計處理污水量2.47萬m3/d，處理廠占地面積為2.95萬m2，于1999年投入運行。該廠采用“活性污泥法+深度處理+消毒”的工藝路線，污泥處理采用濃縮脫水后外運。
二、地下空間工藝設(shè)計與節(jié)能減排技術(shù)亮點
2.1.1地下工藝設(shè)計的原因
由于芬蘭平原較少，而山地較多，所以該污水處理廠在選址時，為了少占用寶貴的土地資源，所以選擇建在地下。該污水處理廠的治理目標是實現(xiàn)現(xiàn)在和確保未來的高品質(zhì)污水處理需求。
該地下污水處理廠位于巖洞內(nèi)，地下占地面積約為14 hm2。該廠廠址高于海平面，出水經(jīng)過巖石隧道，采用重力流排入大海，出水口位于水底20 m深處。這個設(shè)計還可防止海水倒灌入處理廠。挖掘工作從1988年初持續(xù)到1992年，所有處理設(shè)備均處于地下，水池等設(shè)施利用原有的巖石，混凝土只在需要的地方才采用。該廠利用產(chǎn)生的沼氣來發(fā)電和供熱，供本廠使用。
2.1.2技術(shù)亮點
該廠的工藝亮點是通過熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備回收電能和熱能。該廠污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣年產(chǎn)量為1 340萬Nm3，目前產(chǎn)生的電力可以滿足該廠電力需求的70%，2017年的目標是提高至80%(見表3)。目前，產(chǎn)生的熱量可以滿足污水處理廠自身需要。
2.1.3運行維護與未來規(guī)劃
根據(jù)2015年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，該廠運行費用為1 180萬歐元，人工費用260萬歐元，外包服務(wù)費用370萬歐元，材料和設(shè)備維護費用440萬歐元，翻新投資費用380萬歐元，總計2 630萬歐元。
隨著赫爾辛基市的人口不斷增長，以及廢水產(chǎn)量和極端氣候現(xiàn)象的增加，全球變暖為污水處理廠帶來新的挑戰(zhàn)。另外，污水處理廠的現(xiàn)有處理能力逐漸難以滿足越來越嚴格的排放標準，該污水處理廠一直致力于研發(fā)與提標改造。此外，提高工廠的能源效率也是未來發(fā)展的一個重要目標。圖6為污水處理廠在屋頂加裝太陽能光伏板回收能量。
2.2挪威奧斯陸B(tài)ekkelaget污水處理廠
2.2.1地下設(shè)計的原因
該污水處理廠建于山洞中的原因是它緊靠奧斯陸峽灣，峽灣附近沒有足夠大的場地便于污水處理廠建于地上，并且峽灣邊是奧斯陸市民休閑娛樂的場所，所以該廠選擇建于山洞中。
2.2.2技術(shù)亮點
該廠的技術(shù)亮點是沼氣提純工藝，該項目投資成本為2 560萬元，包括加熱系統(tǒng)和污泥處理系統(tǒng)的重建，總成本為4 400萬元。
2008年，該污水處理廠建設(shè)了沼氣提純項目，目的是為了使奧斯陸市實現(xiàn)在20年內(nèi)溫室氣體排放減少50%的目標。截止到2009年，沼氣產(chǎn)量可達370萬Nm3/年(甲烷含量為60%)，相當于電量2 400萬kW˙h或柴油220萬L。至2012年，奧斯陸市使用沼氣作為燃料的公共汽車已經(jīng)有76輛，同時還有100～200輛重卡。
該污水處理廠的沼氣提純項目采用COOAB工藝。沼氣提純的第一步是通過活性炭吸附去除H2S，操作壓力2 bar;隨后通過裝有COOAB的升流式反應(yīng)器吸附去除CO2，同時還有1個COOAB填料再生塔，不斷再生COOAB填料，補充到CO2吸附塔中。隨后沼氣在5～6 bar的操作壓力之下進行干燥，然后加壓裝入沼氣儲存罐，儲存罐壓力200 bar。隨后由卡車運往沼氣公司。提純后的沼氣中CH4含量理論上能提高到99%，實際在97%左右，水蒸氣含量小于32 mg/Nm3，氧氣含量小于1%，硫化物含量小于23 mg/Nm3。提純后每1 Nm3燃料氣中蘊含的能量相當于9.8 kW˙h的電力，或相當于1.1 L的汽油。厭氧消化產(chǎn)生的沼氣中CH4含量為50%～65%，CO2含量為35%，H2S含量約為1%。
2.3荷蘭Dokhaven污水處理廠
2.3.1地下工藝設(shè)計
該污水處理廠選擇地下式的原因主要有：①此處建廠無需額外的泵站，僅靠重力輸送即可，無需對當時已有的下水管道系統(tǒng)作修改;②該地區(qū)屬于市中心，用地非常緊張，選擇地下式可以最大程度節(jié)約用地，同時將環(huán)境干擾(臭氣、噪音等)最小化。
該廠是埋于地下的矩形混凝土箱，長237 m，寬158 m，高8～9 m。控制大樓建于地面上，其他設(shè)備都建于地下，廠房頂部修建公園。污水處理廠走廊和中心地區(qū)由兩層組成，底下的一層主要是管道、泵架、風扇以及其他的設(shè)備，上面的一層主要是作為輸送走廊。
2.3.2技術(shù)亮點
(1)熱電聯(lián)產(chǎn)。污泥厭氧消化生成的沼氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)，發(fā)電用于污水處理廠運行，余熱用于消化系統(tǒng)加熱和冬季辦公室取暖等。電力能耗1 900萬kW˙h/年，曝氣能耗750萬kW˙h/年，沼氣發(fā)電量800萬kW˙h/年(約總能耗的42%)，若考慮余熱利用的能量，該廠的實際能量自給率已超過70%。
(2)厭氧氨氧化工藝脫氮。采用SHARON+ANAMMOX工藝對污泥消化液進行脫氮，該廠采用了世界上第一臺SHARON反應(yīng)器，于1998年10月開始運行，世界上第一臺ANAMMOX反應(yīng)器于2002年6月投入運行。污泥消化液的含氮濃度高達1 500 mg/L，水溫為28 ℃，SHARON反應(yīng)器運行參數(shù)為罐體直徑為19.5 m，罐體高為5.75 m，流量550 m3/d，水力停留時間3 d，好氧停留時間24 h，溫度35 ℃，pH 7～7.2，溶解氧濃度1.5 mg/L。ANAMMOX反應(yīng)器的運行參數(shù)為罐體直徑為2.2 m，罐體高為18 m，流量550 m3/d，水力停留時間3 h，設(shè)計負荷800 kgN/d，溫度35 ℃，pH 7.5。與傳統(tǒng)硝化/脫氮工藝相比，SHARON/ANAMMOX工藝可以將運行成本降低90%，二氧化碳排放量降低88%，不產(chǎn)生有害氣體N2O，不產(chǎn)生有機物質(zhì)，不產(chǎn)生過剩污泥，節(jié)省占地面積50%，具有可持續(xù)性和經(jīng)濟效益等特征。
2.4法國馬賽Géolide污水處理廠
2.4.1地下設(shè)計的原因
該污水處理廠選擇建為地下式的原因是，污水處理廠建在馬賽的市中心，附近有居民區(qū)，而且著名的Stade Vélodrome足球場遠遠先于污水處理廠的建設(shè)，所以最終污水處理廠只能選擇建為地下式。
2.4.2技術(shù)亮點
該廠污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)，除供污水處理廠用之外，還能為足球場供熱。
2.5日本神奈川縣葉山町污水處理廠
2.5.1地下工藝的選擇原因
葉山町污水處理廠位于神奈川縣葉山町，三浦半島的西半部，三面環(huán)山，平地不多，沿著海岸線形成市區(qū)，沿海的平地有稠密的居民區(qū)，丘陵區(qū)是近郊的綠地和風景區(qū)，并且海域是旅游的資源和漁民謀生的場所，為了將地形因素和對景觀的影響控制在最小限度之內(nèi)，該污水處理廠建成山中隧道式處理廠。
日本的不少污水處理廠都采取部分地下式，而非全部地下式。何種形式的選取與管網(wǎng)和排放水的水位有密切關(guān)系。日本政府在面對污水處理廠建設(shè)高度問題上，首要考慮的是經(jīng)濟條件，然后再根據(jù)當?shù)氐奶厥鈼l件，來選擇建設(shè)在地下還是地上。在日本，污水處理廠的總體建設(shè)費用中，處理廠本身的建設(shè)費占總費用的30%，管網(wǎng)占總費用的70%。
2.5.2技術(shù)亮點
污水處理廠所占用的土地面積是常規(guī)地上污水處理廠占地面積的1/3。
雖然隧道工程的費用要比在地上建設(shè)污水處理廠費用高，但由于原來地上的污水處理設(shè)施可以用于隧道工程，所以不需要基礎(chǔ)工程和復(fù)蓋，和一般地上污水處理廠的建設(shè)費用相比，其費用基本上不變。
三、總結(jié)與展望
現(xiàn)在國外發(fā)達國家的污水處理廠正逐步走向小型化,由于受到地形條件的限制, 某些小型污水處理廠不得不位于居民區(qū)和商業(yè)中心附近。在城市用地日趨緊張的局面下，地下污水處理廠的優(yōu)勢相對明顯。地下污水處理廠由于處于地下封閉狀態(tài), 對周圍環(huán)境的影響較小, 與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)性強, 可節(jié)約土地資源, 防止周邊土地貶值, 尤其適合于在土地資源高度緊張、環(huán)境要求高的地區(qū)建設(shè)。
但是，城市污水處理廠的建設(shè)應(yīng)從實際出發(fā),根據(jù)各地污水的水質(zhì)情況,采取有針對性的建設(shè)方式和技術(shù)路線，并且一定要綜合考慮經(jīng)濟因素與實際情況，以滿足實際需要為基準，因地制宜，才能將地下污水處理廠的優(yōu)勢實現(xiàn)最大化。地下污水處理廠應(yīng)該是在一些特定條件下的可選擇方案。例如，在中國北方冰凍地區(qū)建設(shè)地下污水處理廠的意義就要大于南方地區(qū)。就目前而言，在國內(nèi)建設(shè)地下污水處理廠依然會面對投資大、運行費用高等問題。并且，地下污水處理廠建設(shè)運營風險較大。地下污水處理廠無論是前期建設(shè)還是后期運營維護都需要很高的技術(shù)支持，必須先投入大量資金做些試點及調(diào)查研究，等技術(shù)穩(wěn)定時為合理利用土地資源、美化環(huán)境，再把污水處理廠建在地下。
未來，地下污水處理廠發(fā)展的一個重要方向是如何通過工藝的進一步優(yōu)化，通過高效低成本的新技術(shù)以及新工藝的應(yīng)用，進一步縮小占地，節(jié)省投資，使其土地節(jié)約的特點更加突出，比傳統(tǒng)地面廠更具競爭力。其次，如何系統(tǒng)地解決地下污水處理系統(tǒng)的安全問題、防洪排澇問題、防爆問題，以及地面景觀公園等公共設(shè)施如何與生產(chǎn)設(shè)施進行人性化的有效隔離，如何建立適用于地下污水處理系統(tǒng)的事故應(yīng)急措施等都是即將面臨的關(guān)鍵問題。最后，針對地下污水處理系統(tǒng)設(shè)計、施工、運營的相關(guān)標準、技術(shù)規(guī)范的缺失，如地下廠區(qū)消防標準等，使得相關(guān)標準規(guī)范的制定更顯得尤為迫切。
