地下污水廠關鍵技術及生態綜合體實踐
JIEI產業研究院日前舉辦的“走進水專項”系列研討會上，中國水環境集團工程技術中心常務副主任龐洪濤介紹了地下污水廠關鍵技術及生態綜合體實踐，本文根據龐洪濤發言內容整理。
地下污水處理廠發展與特點
地下污水處理廠最早出現在氣候寒冷的北歐地區，距今已有80多年的歷史。目前，在全球十幾個國家，已經建設了兩百多座地下污水廠。芬蘭赫爾辛基污水廠、挪威奧斯陸水廠，主要是由于平原少、緊靠峽灣等用地條件限制，利用天然的地理條件建設在山洞中；荷蘭鹿特丹水廠、法國馬賽水廠，則主要由于位于市中心，用地緊張、對環境要求較高，遂采用地下形式；在亞洲地區，日本的地下污水廠應用較多，建設原因包括用地緊張、周邊環境要求高等。
2019年，課題組前往東京有明水回收中心進行了實地調研。這座水廠建于1996年，設計規模12萬噸/天，其中4萬噸實現再生回用。在當時的日本，這座水廠的定位是“面向21世紀的未來污水處理廠”，因而它的整體造型設計參照宇宙飛船，頗有未來感。
特別值得介紹的是，有明水回收中心地上的綜合利用設施十分完善。該水廠的地面上有兩棟構筑物，有著宇宙飛船造型的A棟，包含體育館、餐廳、對外營業的會議室，還建有東京都彩虹水科學館，是主要面向兒童和中小學生的科普學習基地；B棟是體育中心，位于深度處理區上層，建有溫泉游泳館、健身中心、親子中心等，其中溫泉游泳館對水廠的余熱進行了回收利用；此外，水廠沉淀池的上方，還建有16塊標準化網球場。
總體來看，很多發達國家的地下污水廠建設高峰期集中在上世紀的80、90年代。隨著環境污染治理系統的逐漸完善，近年來，發達國家關于地下污水廠的研究及建設反而不是很多。
而我國對于地下廠的關注，主要集中在近十年。2013年之前，國內的地下污水廠建設數量還非常少，主要集中在北上廣等經濟發達地區；近幾年來，隨著環境要求的提升及技術的探索，我國建設了大量的全地下、半地下污水廠，地域分布已延伸到了二三線城市，甚至是經濟欠發達地區。目前國內已經建成的大概有70多座，總規模超過700多萬噸，數量和規模還在快速增長。這些地下水廠的單體規模以中小規模居多， 77%在十萬噸/日以下， 48%在五萬噸/日以下。
隨著地下污水處理廠工程建設的推進和研究的深入，其建設規模、學術關注度、媒體關注度都在不斷提高，地下污水廠建設模式逐漸被學術界與用戶接納。總體來看，地下污水處理廠在國內的快速發展，根本原因在于，近年來我國快速的城鎮化對生態環境提出更高要求，而地下污水廠的三個特點與環境治理需求能夠較好地契合。
一是環境友好，變鄰避效應為鄰利效應。由于地下水廠是全封閉的箱體，且全廠臭氣統一收集處理，因而噪聲、臭味能夠得到有效控制；在控制污染的同時，對周邊環境起到質量提升的作用，增加城市綠地，為市民提供休閑空間。這也使地下水廠的選址非常便利。
二是土地集約，占地不到傳統水廠的1/3。傳統的地上水廠，道路以及綠化大約可占全廠面積的50%；地下水廠基本不需要衛生防護距離，通過分層結構把操作層、生化池等放到地下，把綠地和道路放到地上，這樣至少節省一半的廠區面積；此外，通過池體分布集約設計，還會使占地面積進一步縮小。
三是資源利用。一般地下廠處理水質優于一級A，可以達到準IV類水標準，不僅可以用作市政綠化及工業冷卻水，還可以作為河道生態補水。現在很多城市的河流黑臭嚴重，缺乏補水是重要原因之一。傳統的地上廠一般在城市的遠郊，如果進行再生水回用，管網投資和運行成本很高。地下廠環境友好的特點，可以直接建在城市的中心，更加有利于使用再生水資源進行中水回用和河道補水，提升周邊的土地價值。
縱觀地下污水廠的發展歷史，也可以發現，地下污水廠在具備環境友好、土地集約、資源利用等顯著優勢的同時，也存在一些問題需要完善。如建設運營成本相對較高、地上利用形式比較單一，缺少規范性文件等。
針對這些問題，在“十三五”水專項“北京城市副中心高品質水生態建設綜合示范”項目中，特別設置了“地下污水廠建設模式創新與生態綜合體示范”課題，以期從技術和模式方面加以創新，實現深度脫氮除磷，節省占地投資，改善周邊水生態質量，綜合開發地面空間，提升土地價值。課題由國投信開水環境投資有限公司牽頭，參與單位包括清華大學、北京工業大學、四川省科學城天人環保有限公司、北京信通碧水再生水有限公司。
地下污水處理廠的關鍵技術研究
污水處理廠從地上到地下，不是簡單的下沉，模式的轉變帶來了更多新的技術需求，包括高效節地污水處理技術、高效生物除臭技術、污泥深度脫水和資源化利用、智能化管理系統等。在本課題中，主要聚焦于高效節地型污水處理技術研究，并結合實際工程對其他技術進行不斷優化。
課題研究的高效節地技術為HBR，是一種復合式的生物膜反應器。在研究過程中，課題組進行了新型填料的開發以及反應器開發和優化，在此基礎上形成了HBR高效生物膜技術。該技術采用新型的輕質、大孔隙率懸浮填料，納污量大，不易堵塞，可防止濾料板結；填料比表面積大，使生物膜生長空間充足，生物量高；填料填充率高（70%-90%），正常運行時為固定床，起到過濾截留的作用，出水SS低；反洗時加大曝氣使填料流化，老化生物膜脫落后可隨水排走。
基于HBR技術，共形成了兩條技術路線，一是純生物膜HBR技術，這項技術已經完成了試驗研究、工程示范和推廣；二是泥膜一體HBR技術，這項技術正依托碧水地下污水廠，開展相關的示范建設和研究。
純生物膜HBR技術，首先在貴陽某地上污水廠進行了工程示范，規模為三萬噸/日。該水廠的原有工藝是采用改良A2O加二沉池，使用新的高效HBR工藝以后，它的停留時間縮短為原有工藝的40%以下，大大節省了占地，如下圖所示。
在過去兩年內，這項技術已應用于多項工程案例，從規模一千噸/日、五千噸/日到三萬噸/日，都有較為成功的運營案例。
泥膜一體HBR技術，開發目的主要是針對地下廠或者地上廠的提標改造，將現有技術標準化、裝備化，形成相應的工藝包。目前，這項技術依托碧水地下污水廠的一條生化系列（設計規模45000立方米/天）進行了示范改造，在不增加占地的情況下，進一步提高水廠的處理效率和能力。
《地下式城鎮污水廠工程技術指南》的推動
在課題組進行技術研發以及推動污水廠工程實踐的過程中，也遇到了不少問題，許多問題的解決，都需要有針對性的技術規范加以指引。因此，課題組在中國環保產業協會的支持下，推動了國內第一部地下污水廠標準——《地下式城鎮污水處理廠工程技術指南》的編制工作，以期進一步促進國內地下廠高質量發展。
《指南》在2019年12月底正式發布，自今年1月1日起正式實施。文件以現行規范為基礎，突出地下廠的特點，注重技術的先進性，重點回答了三個問題：
第一，什么是地下污水廠？我們所提的地下污水廠，基本特征是水處理構筑物位于地面以下，基本不占用地表面積；地下廠設備操作層封閉，能夠減少臭氣、噪聲等傳統污水廠的二次污染；此外，地表層一般要進行綜合利用，充分發揮綜合效益。
第二，什么情況下適合建地下污水廠？《指南》明確提出，位于用地緊張或環境敏感區的建設項目適合建設地下污水處理廠，同時還要結合投資成本、占地指標、生態環境等要素綜合考慮。地下污水處理廠可以獨立建設，也可以和城市水環境綜合治理工程、生態綜合體等結合建設。
第三，怎樣建設地下廠？地下廠并不是傳統的地上廠的簡單下沉，而是要有技術的優化及設計的創新。如沉淀池的選擇，傳統污水廠大多采用輻流式二沉池，而在地下廠，為了節約占地，很多采用矩形沉淀池，周進周出的設計還可以提高水力負荷，便于和生化池的聯通。采用矩形周進周出二沉池后，建設用地可以節約一半以上。
水技術創新社會化服務平臺
水技術創新社會化服務平臺的建設主旨，是搭建以企業為主體、產學研深入融合的技術創新平臺新模式。平臺依托碧水地下水廠的操作層，服務對象包括高校、科研院所和環保企業。一方面，可以作為公共的實驗平臺。這里有分析實驗室和運行維護的人員，需要的人可以來開展小試、中試的研究。同時，這個平臺也開展一些技術評估，積極探索與水專項已有平臺及國內外平臺的合作。
該平臺擁有2間綜合實驗室、2間生產實證平臺，1間控制平臺，建筑面積超1500平方米，具備常規水質指標的分析測試能力。平臺建設于碧水地下水廠，可以直接取到污水廠的原污水、二級出水、三級出水、原污泥等，為各種試驗提供了極大的便利條件。目前，該平臺已有一些高校和環保企業入駐。
下面簡單介紹一下針對水專項中的地下污水廠相關課題，幾個參與單位基于這個平臺的技術研究成果。
北京工業大學的研究團隊，按照水專項課題的要求，主要開展了基于生物膜的高效生物脫氮技術的研究，包括短程硝化、半程反硝化、厭氧氨氧化等。其中，基于生物膜的短程硝化，主要是通過NH2OH的投加及各種參數的聯合控制來實現，TIN去除率可達到83%以上，可實現城市污水污染物的深度去除；基于生物膜的半程反硝化城市污水深度脫氮工藝，針對傳統短程硝化難以長期維持的特點，北工大的團隊提出了短程反硝化與厭氧氨氧化結合的工藝，短程反硝化只需要控制COD和反應時間，使硝氮轉化為亞硝氮后不再繼續反硝化，以實現穩定控制；基于AAO的生物膜法強化反硝化除磷技術，針對國內非常普遍的有機物濃度低、脫氮除磷要求高的矛盾難題，利用雙污泥系統，使脫氮除磷在同一個反應器中同時發生，實現了一碳雙用，在有限的條件下創造高效的脫氮除磷效果，目前這個技術已經完成了小試研究，正依托碧水平臺開展百噸級的中試工作。
清華大學的團隊主要開展了好氧顆粒污泥技術的研究。好氧顆粒污泥是近幾年出現的新工藝，具有沉淀速度快、節省占地的優點，但是在國內的應用非常少，其主要問題在于國內進水的復雜性和運行中顆粒的穩定性。清華大學針對這些問題，開發了納米絮凝劑復配SBR工藝，可以替代現有的好氧顆粒污泥技術。
納米絮凝劑復配SBR工藝通過投加納米絮凝劑，輔助污泥的快速沉降，同時有利于顆粒污泥的增長。基于這項工藝，清華大學開展了單體的好氧顆粒污泥反應器及水解酸化耦合好氧顆粒污泥反應器的研究。目前清華大學結合前期的研究成果，將繼續開展百噸級的中試研究及兩級工藝的中試研究。
生態綜合體研究與實踐
在課題中，我們提出了以地下污水廠為核心的生態綜合體創新模式。生態綜合體秉承著綠色低碳的生態文明建設理念，從根本上改變了傳統地上污水廠的規劃思路和建設模式，把污水處理和資源利用，以及生態景觀、休閑娛樂、科普教育和科技研發等公共服務功能有機融合在一起，做到地上和地下的統籌規劃，節省土地資源，改善周邊環境質量，徹底解決污水廠的鄰避難題，實現負資產向正資產轉變。
依托碧水地下污水廠，課題組進行了生態綜合體實踐。該項目包含四個關鍵要素：地下污水廠、科技研發平臺、科普教育基地、生態景觀建設。目前，前三個要素已基本建設完成，景觀部分還在建設過程中。
從周圍環境的變化中可以看到生態綜合體的初步效應：在2016年之前，通州的玉帶河是非常明顯的黑臭河，在水廠建設運行后，高品質的再生水流向河道，玉帶河迅速返清，河道的生態得到了恢復，水草和魚蝦清晰可見。未來，地面將建設成開放性的生態活水公園，與周邊綠地統籌規劃，打造為世界級的中央水生態森林公園。
在課題實施過程中，課題組邊研究、邊推廣，在貴陽、成都、上海、大理等多個項目中進行生態綜合體工程實踐。如貴陽的青山水廠，包括地下的操作層，地上的景觀公園，科普館等，為周圍居民的休閑娛樂提供了很好的去處。大理洱海項目包括六座下沉式的再生水廠，其實在最初的規劃中，僅是建設一座，在看到地下水廠的多項優勢及與當地特色旅游業的結合點后，規劃改為了6座。水廠就建在大理的景點附近，不僅有效處理了當地各種廢水，還與當地產業結合，起到了協同發展的作用。
這些項目得到了黨和國家、地方領導的高度關注，在過去幾年中，全國人大常委會委員長栗戰書考察了成都的天府新區再生水廠，國務院副總理韓正考察了大理的雙廊再生水廠，全國人大常委會副委員長丁仲禮考察了貴陽青山再生水廠，財政部相關領導也多次到項目中調研考察，給予高度認可。
在地下廠的生態綜合體研究與創新模式應用過程中，我們也在不斷的推進和探索，從最早單一的城市生態綜合體建設模式，逐步融合發展，提升到了流域水環境綜合治理、區域產業協同開發的層面上，以期進一步提升污水廠的綜合價值，支撐行業發展和生態文明建設。
未來，希望在立法、規劃等政策保障的基礎上，通過技術提升、模式創新，突破傳統的建設模式，讓污水廠不僅是污染物處理的終端基礎設施，還能夠物盡其用，提供公共服務、創造多元價值、產生積極的區域影響、實現生態綠色發展。
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