地下污水處理廠現(xiàn)狀及發(fā)展前景探析

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【摘要】全球人口的增加和城市化進程使人們對合理開發(fā)利用城市地下空間（UUS）的需求日益迫切。地下污水處理廠（USTPs）作為UUS的一部分，在可持續(xù)城市化中發(fā)揮著重要作用。然而，較高的運營成本和較大的安全隱患等問題仍然限制著USTPs的發(fā)展。文章總結(jié)目前USTPs的應(yīng)用，反映了USTPs的現(xiàn)狀和新發(fā)展，并提出了一些發(fā)展建議。結(jié)合主要處理過程和生態(tài)價值分析，對USTPs的良好應(yīng)用前景提供了有效展望，為今后USTPs的建設(shè)提供了參考。

【關(guān)鍵詞】地下污水處理廠；生態(tài)價值；工藝技術(shù)；發(fā)展前景

1引言

活性污泥法（AS）自誕生以來已有100多年的歷史[1]。在這段時間里，面向不同類型的污水處理過程出現(xiàn)了不同的處理目的，如厭氧/缺氧/好氧的（A/A/O）、缺氧/好氧的（A/O）、膜生物反應(yīng)器（MBR）、移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）。近年來，先后出現(xiàn)了序批式反應(yīng)器（SBR）、氧化溝（OD）、反滲透（RO）膜、催化（CR）等，以這些處理工藝為主體的污水處理廠（STP）是解決水污染問題的重要設(shè)施，在改善城市生態(tài)環(huán)境和節(jié)約水資源方面發(fā)揮著重要作用[2]。由于成本投資、工藝技術(shù)、能源消耗和溫室氣體排放等方面的考慮，現(xiàn)有運行的電廠大多采用地上施工形式。為了減少氣味、噪音和其他污染，這些地上污水處理廠（ASTPs）基本上都建在市郊或者遠離市中心。過去在城市郊區(qū)的ASTPs，現(xiàn)在被新的住宅區(qū)包圍，并逐漸成為新的城市中心。氣味和噪音污染產(chǎn)生，并對附近的居民造成負面影響。因此，一個面積更小（僅為ASTPs的1/3-1/2）且無異味污染的環(huán)境友好型地下污水處理廠（USTPs）逐漸引起人們的關(guān)注[3]。城市地下空間被用來容納各種城市基礎(chǔ)設(shè)施，如地鐵、地下停車場、地下購物中心和USTPs。合理開發(fā)利用地下空間可以緩解現(xiàn)代城市發(fā)展中的各種矛盾。21世紀是人類開發(fā)利用地下空間的新時代。發(fā)達國家和發(fā)展中國家在地下空間的勘探和利用方面進展迅速，科技創(chuàng)新中迎來了新的發(fā)展機遇。但是，USTPs在維護和升級過程中存在的技術(shù)問題也不容忽視。在設(shè)計和選擇主要處理工藝時，必須綜合考慮項目投資、污水總處理、出水水質(zhì)要求、污泥產(chǎn)生等方面。合理、先進、有能力的主工藝對污水處理能力和處理效果至關(guān)重要，直接關(guān)系到USTPs的未來發(fā)展。然而，目前還沒有文章系統(tǒng)地總結(jié)和討論USTP的優(yōu)缺點、主要工藝類型、存在的問題和未來的發(fā)展前景。為了彌補國內(nèi)外對USTPs的研究空白，促進USTPs在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，本文對USTPs的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景進行了綜述。為了實現(xiàn)這一目標，全面介紹了USTPs的結(jié)構(gòu)特點，以及主流USTPs處理工藝的發(fā)展、變化和應(yīng)用現(xiàn)狀。針對污水處理廠在運行、安全、管理等方面存在的問題，指出污水處理技術(shù)的創(chuàng)新和突破以及施工技術(shù)的發(fā)展是污水處理廠可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

2地下污水處理廠的發(fā)展趨勢

不同污水處理工藝的USTPs總數(shù)及其年變化趨勢。從目前統(tǒng)計的USTPs總數(shù)及其年變化來看，2000年以前USTPs總數(shù)不超過10個，均采用AS流程[4]。總的來說，2000年以后，污水處理工藝的類型趨于多樣化，許多新的污水處理工藝，如曝氣生物濾池（BAF）、SBR和MBR工藝也被用于USTPs。污水處理工藝的發(fā)展與社會發(fā)展狀況、人們需求的變化和科學技術(shù)的進步密切相關(guān)。在2000年以前，城市污水中的污染物比較簡單，主要是為了去除化學需氧量（COD）、氮和一些懸浮物[5]。廢水的排放標準相對較低，而AS法是當時最成熟的技術(shù)。2000年以來，隨著社會的發(fā)展，城市生活污水的組成變得復(fù)雜，難降解有機物增多，磷污染嚴重，甚至出現(xiàn)了一些新的污染物。僅依靠AS工藝無法滿足人們對水質(zhì)處理的要求。同時，人們在USTPs的規(guī)劃設(shè)計方面積累了足夠的經(jīng)驗，在技術(shù)的發(fā)展方面也有了很大的進步。這說明隨著城市化進程的加快，城市污水處理廠的發(fā)展越來越好，污水處理廠的污水處理工藝也趨于多樣化和高效化。這表明在保證高水質(zhì)的同時，實現(xiàn)節(jié)能降耗將成為未來地下污水處理的主要目標。可以預(yù)見，隨著污水處理技術(shù)的創(chuàng)新和地下開挖技術(shù)的不斷進步，USTPs的處理規(guī)模將逐步增大。

3地下污水處理廠處理工藝的優(yōu)勢分析

與ASTPs相比，由于地質(zhì)和環(huán)境風險的限制，USTPs對最佳污水處理工藝的選擇有較高要求。通過工藝創(chuàng)新和流程優(yōu)化相結(jié)合，降低運營和維護成本尤為重要。因此，工藝流程短、處理單元少、設(shè)計更方便的污水處理工藝越來越流行。自2000年以來，MBR、MBBR、SBR、BAF等一些占地小、體積負荷大、處理效率高、殘留污泥產(chǎn)生低的污水處理工藝被廣泛應(yīng)用于USTPs。可以發(fā)現(xiàn)，A/A/O和MBR工藝在污水處理總量和總規(guī)模上都比其他工藝具有絕對優(yōu)勢。此外，與A/A/O工藝相比，MBR工藝在提升USTPs處理規(guī)模方面更具優(yōu)勢[6]。為了更好地分析各污水處理工藝應(yīng)用于USTPs的優(yōu)勢，我們對各污水處理工藝的優(yōu)缺點及處理規(guī)模進行了比較。MBR工藝具有占地面積低的優(yōu)勢，氮磷去除效率高，運行穩(wěn)定，剩余污泥產(chǎn)生少，并可實現(xiàn)全自動控制等。MBR工藝是目前世界上最先進的廢水回用工藝之一，特別適用于占地面積有限、自動化要求高的USTPs。它不僅可以用于脫氮除磷的二級處理，還可以與A/A/O工藝相結(jié)合進行深度處理。該工藝出水水質(zhì)較高，可達到景觀水或循環(huán)水的標準。目前采用MBR工藝和MBR＋A/A/O組合工藝的USTPs應(yīng)用范圍非常廣泛。MBR工藝是最適合USTPs的處理工藝，但其建設(shè)投資大、運行維護費用高等缺陷嚴重影響了MBR工藝的廣泛使用。USTPs在規(guī)劃、建設(shè)和河床評估方面的成本很高。因此，要擴大MBR技術(shù)在USTPs中的應(yīng)用，還需要找到降低MBR工藝成本的方法。從節(jié)約建設(shè)投資和運行維護費用的角度來看，A/A/O工藝具有明顯的優(yōu)勢。

4地下污水處理廠的智能化發(fā)展

在考慮土地占用成本、網(wǎng)絡(luò)投資成本和生態(tài)環(huán)境的情況下，智能化USTP是一種新型的低成本污水處理模式，是一種環(huán)境友好、資源密集型、可持續(xù)的污水處理模式[7]。因此，在城市土地資源日益稀缺的情況下，城市群發(fā)展前景可觀。此外，運營成本高、安全風險大、技術(shù)突破等仍是USTPs發(fā)展中不可避免的問題。不同的污水處理工藝對應(yīng)不同的智能化USTP設(shè)計和規(guī)劃布局。不同廢水處理工藝的選擇不僅關(guān)系到出水水質(zhì)，還關(guān)系到USTP的設(shè)計和建設(shè)成本、運行和維護成本以及安全性。因此，選擇合理、成熟、有發(fā)展前景的污水處理工藝對智能化USTPs的長遠發(fā)展至關(guān)重要?？傮w而言，從規(guī)劃、建設(shè)、環(huán)境評估、運行和維護等方面都需要比ASTP更多的資源和成本，而且技術(shù)要求更高。這些問題可以通過經(jīng)驗的積累、技術(shù)的創(chuàng)新和技術(shù)的不斷進步加以改善和解決。此外，城市地下空間的開發(fā)利用是一門涉及地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、環(huán)境、市政、安全的交叉學科。

5實例應(yīng)用

以廣州市番禺區(qū)洛溪島凈水廠工程（已建成）為例，洛溪島污水總規(guī)劃規(guī)模10萬m3/d，采用全地埋式建設(shè)，箱體按10萬m3/d一次建設(shè)，設(shè)備按5+2.5+2.5萬m3/d規(guī)模進行配置。截留雨水處理規(guī)模11萬m3/d，設(shè)備按11萬m3/d規(guī)模配置。處理工藝如下：污水處理工藝：粗格柵及進水泵房→網(wǎng)板細格柵→曝氣沉砂池→膜格柵→MBR生物池→MBR膜池→紫外消毒→出水計量→外排珠江后航道。雨污水應(yīng)急處理工藝：粗格柵及進水泵房→網(wǎng)板細格柵→曝氣沉砂池→磁混凝沉淀池→排放泵池→出水計量→外排珠江后航道（見圖1）。

6結(jié)語

隨著城市污水污染組分的復(fù)雜性，污水處理工藝需要在未來的研究和應(yīng)用中不斷開發(fā)和創(chuàng)新，以滿足未來城市污水處理的需要。本文分析發(fā)現(xiàn)改良A/A/O+MBR工藝是當前國內(nèi)地埋式污水處理廠設(shè)計成熟且普遍采用的處理工藝。它們具有處理效率高、養(yǎng)分負荷高、運行成本低、占地面積小、資源循環(huán)利用效率高等優(yōu)點，在用地緊張、急需污水處理的大城市可推廣應(yīng)用。建立一個有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，以此對地下污水處理廠設(shè)計進行規(guī)范指導，更有益于行業(yè)發(fā)展，避免重復(fù)建設(shè)，更好地進行生態(tài)保護。

作者:黃志敏 單位:中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司廣州分公司