地下污水厂关键技术及生态综合体实践

地下污水处理厂发展与特点

   地下污水处理厂最早出现在气候寒冷的北欧地区，距今已有80多年的历史。目前，在全球十几个国家，已经建设了两百多座地下污水厂。芬兰赫尔辛基污水厂、挪威奥斯陆水厂，主要是由于平原少、紧靠峡湾等用地条件限制，利用天然的地理条件建设在山洞中；荷兰鹿特丹水厂、法国马赛水厂，则主要由于位于市中心，用地紧张、对环境要求较高，遂采用地下形式；在亚洲地区，日本的地下污水厂应用较多，建设原因包括用地紧张、周边环境要求高等。

    2019年，课题组前往东京有明水回收中心进行了实地调研。这座水厂建于1996年，设计规模12万吨/天，其中4万吨实现再生回用。在当时的日本，这座水厂的定位是“面向21世纪的未来污水处理厂”，因而它的整体造型设计参照宇宙飞船，颇有未来感。

    特别值得介绍的是，有明水回收中心地上的综合利用设施十分完善。该水厂的地面上有两栋构筑物，有着宇宙飞船造型的A栋，包含体育馆、餐厅、对外营业的会议室，还建有东京都彩虹水科学馆，是主要面向儿童和中小学生的科普学习基地；B栋是体育中心，位于深度处理区上层，建有温泉游泳馆、健身中心、亲子中心等，其中温泉游泳馆对水厂的余热进行了回收利用；此外，水厂沉淀池的上方，还建有16块标准化网球场。

    总体来看，很多发达国家的地下污水厂建设高峰期集中在上世纪的80、90年代。随着环境污染治理系统的逐渐完善，近年来，发达国家关于地下污水厂的研究及建设反而不是很多。而我国对于地下厂的关注，主要集中在近十年。2013年之前，国内的地下污水厂建设数量还非常少，主要集中在北上广等经济发达地区；近几年来，随着环境要求的提升及技术的探索，我国建设了大量的全地下、半地下污水厂，地域分布已延伸到了二三线城市，甚至是经济欠发达地区。目前国内已经建成的大概有70多座，总规模超过700多万吨，数量和规模还在快速增长。这些地下水厂的单体规模以中小规模居多， 77%在十万吨/日以下， 48%在五万吨/日以下。

   随着地下污水处理厂工程建设的推进和研究的深入，其建设规模、学术关注度、媒体关注度都在不断提高，地下污水厂建设模式逐渐被学术界与用户接纳。总体来看，地下污水处理厂在国内的快速发展，根本原因在于，近年来我国快速的城镇化对生态环境提出更高要求，而地下污水厂的三个特点与环境治理需求能够较好地契合。

   一是环境友好，变邻避效应为邻利效应。由于地下水厂是全封闭的箱体，且全厂臭气统一收集处理，因而噪声、臭味能够得到有效控制；在控制污染的同时，对周边环境起到质量提升的作用，增加城市绿地，为市民提供休闲空间。这也使地下水厂的选址非常便利。

   二是土地集约，占地不到传统水厂的1/3。传统的地上水厂，道路以及绿化大约可占全厂面积的50%；地下水厂基本不需要卫生防护距离，通过分层结构把操作层、生化池等放到地下，把绿地和道路放到地上，这样至少节省一半的厂区面积；此外，通过池体分布集约设计，还会使占地面积进一步缩小。

   三是资源利用。一般地下厂处理水质优于一级A，可以达到准IV类水标准，不仅可以用作市政绿化及工业冷却水，还可以作为河道生态补水。现在很多城市的河流黑臭严重，缺乏补水是重要原因之一。传统的地上厂一般在城市的远郊，如果进行再生水回用，管网投资和运行成本很高。地下厂环境友好的特点，可以直接建在城市的中心，更加有利于使用再生水资源进行中水回用和河道补水，提升周边的土地价值。

    纵观地下污水厂的发展历史，也可以发现，地下污水厂在具备环境友好、土地集约、资源利用等显著优势的同时，也存在一些问题需要完善。如建设运营成本相对较高、地上利用形式比较单一，缺少规范性文件等。

     针对这些问题，在“十三五”水专项“北京城市副中心高品质水生态建设综合示范”项目中，特别设置了“地下污水厂建设模式创新与生态综合体示范”课题，以期从技术和模式方面加以创新，实现深度脱氮除磷，节省占地投资，改善周边水生态质量，综合开发地面空间，提升土地价值。课题由国投信开水环境投资有限公司牵头，参与单位包括清华大学、北京工业大学、四川省科学城天人环保有限公司、北京信通碧水再生水有限公司。

   地下污水处理厂的关键技术研究

     污水处理厂从地上到地下，不是简单的下沉，模式的转变带来了更多新的技术需求，包括高效节地污水处理技术、高效生物除臭技术、污泥深度脱水和资源化利用、智能化管理系统等。在本课题中，主要聚焦于高效节地型污水处理技术研究，并结合实际工程对其他技术进行不断优化。

     课题研究的高效节地技术为HBR，是一种复合式的生物膜反应器。在研究过程中，课题组进行了新型填料的开发以及反应器开发和优化，在此基础上形成了HBR高效生物膜技术。该技术采用新型的轻质、大孔隙率悬浮填料，纳污量大，不易堵塞，可防止滤料板结；填料比表面积大，使生物膜生长空间充足，生物量高；填料填充率高（70%-90%），正常运行时为固定床，起到过滤截留的作用，出水SS低；反洗时加大曝气使填料流化，老化生物膜脱落后可随水排走。

    基于HBR技术，共形成了两条技术路线，一是纯生物膜HBR技术，这项技术已经完成了试验研究、工程示范和推广；二是泥膜一体HBR技术，这项技术正依托碧水地下污水厂，开展相关的示范建设和研究。

     纯生物膜HBR技术，首先在贵阳某地上污水厂进行了工程示范，规模为三万吨/日。该水厂的原有工艺是采用改良A2O加二沉池，使用新的高效HBR工艺以后，它的停留时间缩短为原有工艺的40%以下，大大节省了占地，如下图所示。

    在过去两年内，这项技术已应用于多项工程案例，从规模一千吨/日、五千吨/日到三万吨/日，都有较为成功的运营案例。

    泥膜一体HBR技术，开发目的主要是针对地下厂或者地上厂的提标改造，将现有技术标准化、装备化，形成相应的工艺包。目前，这项技术依托碧水地下污水厂的一条生化系列（设计规模45000立方米/天）进行了示范改造，在不增加占地的情况下，进一步提高水厂的处理效率和能力。

    《地下式城镇污水厂工程技术指南》的推动

     在课题组进行技术研发以及推动污水厂工程实践的过程中，也遇到了不少问题，许多问题的解决，都需要有针对性的技术规范加以指引。因此，课题组在中国环保产业协会的支持下，推动了国内第一部地下污水厂标准——《地下式城镇污水处理厂工程技术指南》的编制工作，以期进一步促进国内地下厂高质量发展。

   《指南》在2019年12月底正式发布，自今年1月1日起正式实施。文件以现行规范为基础，突出地下厂的特点，注重技术的先进性，重点回答了三个问题：

    第一，什么是地下污水厂？我们所提的地下污水厂，基本特征是水处理构筑物位于地面以下，基本不占用地表面积；地下厂设备操作层封闭，能够减少臭气、噪声等传统污水厂的二次污染；此外，地表层一般要进行综合利用，充分发挥综合效益。

    第二，什么情况下适合建地下污水厂？《指南》明确提出，位于用地紧张或环境敏感区的建设项目适合建设地下污水处理厂，同时还要结合投资成本、占地指标、生态环境等要素综合考虑。地下污水处理厂可以独立建设，也可以和城市水环境综合治理工程、生态综合体等结合建设。

    第三，怎样建设地下厂？地下厂并不是传统的地上厂的简单下沉，而是要有技术的优化及设计的创新。如沉淀池的选择，传统污水厂大多采用辐流式二沉池，而在地下厂，为了节约占地，很多采用矩形沉淀池，周进周出的设计还可以提高水力负荷，便于和生化池的联通。采用矩形周进周出二沉池后，建设用地可以节约一半以上。

    水技术创新社会化服务平台

     水技术创新社会化服务平台的建设主旨，是搭建以企业为主体、产学研深入融合的技术创新平台新模式。平台依托碧水地下水厂的操作层，服务对象包括高校、科研院所和环保企业。一方面，可以作为公共的实验平台。这里有分析实验室和运行维护的人员，需要的人可以来开展小试、中试的研究。同时，这个平台也开展一些技术评估，积极探索与水专项已有平台及国内外平台的合作。

     该平台拥有2间综合实验室、2间生产实证平台，1间控制平台，建筑面积超1500平方米，具备常规水质指标的分析测试能力。平台建设于碧水地下水厂，可以直接取到污水厂的原污水、二级出水、三级出水、原污泥等，为各种试验提供了极大的便利条件。目前，该平台已有一些高校和环保企业入驻。

    下面简单介绍一下针对水专项中的地下污水厂相关课题，几个参与单位基于这个平台的技术研究成果。

     北京工业大学的研究团队，按照水专项课题的要求，主要开展了基于生物膜的高效生物脱氮技术的研究，包括短程硝化、半程反硝化、厌氧氨氧化等。其中，基于生物膜的短程硝化，主要是通过NH2OH的投加及各种参数的联合控制来实现，TIN去除率可达到83%以上，可实现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脱氮工艺，针对传统短程硝化难以长期维持的特点，北工大的团队提出了短程反硝化与厌氧氨氧化结合的工艺，短程反硝化只需要控制COD和反应时间，使硝氮转化为亚硝氮后不再继续反硝化，以实现稳定控制；基于AAO的生物膜法强化反硝化除磷技术，针对国内非常普遍的有机物浓度低、脱氮除磷要求高的矛盾难题，利用双污泥系统，使脱氮除磷在同一个反应器中同时发生，实现了一碳双用，在有限的条件下创造高效的脱氮除磷效果，目前这个技术已经完成了小试研究，正依托碧水平台开展百吨级的中试工作。

     清华大学的团队主要开展了好氧颗粒污泥技术的研究。好氧颗粒污泥是近几年出现的新工艺，具有沉淀速度快、节省占地的优点，但是在国内的应用非常少，其主要问题在于国内进水的复杂性和运行中颗粒的稳定性。清华大学针对这些问题，开发了纳米絮凝剂复配SBR工艺，可以替代现有的好氧颗粒污泥技术。

    纳米絮凝剂复配SBR工艺通过投加纳米絮凝剂，辅助污泥的快速沉降，同时有利于颗粒污泥的增长。基于这项工艺，清华大学开展了单体的好氧颗粒污泥反应器及水解酸化耦合好氧颗粒污泥反应器的研究。目前清华大学结合前期的研究成果，将继续开展百吨级的中试研究及两级工艺的中试研究。

   生态综合体研究与实践

    在课题中，我们提出了以地下污水厂为核心的生态综合体创新模式。生态综合体秉承着绿色低碳的生态文明建设理念，从根本上改变了传统地上污水厂的规划思路和建设模式，把污水处理和资源利用，以及生态景观、休闲娱乐、科普教育和科技研发等公共服务功能有机融合在一起，做到地上和地下的统筹规划，节省土地资源，改善周边环境质量，彻底解决污水厂的邻避难题，实现负资产向正资产转变。

    依托碧水地下污水厂，课题组进行了生态综合体实践。该项目包含四个关键要素：地下污水厂、科技研发平台、科普教育基地、生态景观建设。目前，前三个要素已基本建设完成，景观部分还在建设过程中。

    从周围环境的变化中可以看到生态综合体的初步效应：在2016年之前，通州的玉带河是非常明显的黑臭河，在水厂建设运行后，高品质的再生水流向河道，玉带河迅速返清，河道的生态得到了恢复，水草和鱼虾清晰可见。未来，地面将建设成开放性的生态活水公园，与周边绿地统筹规划，打造为世界级的中央水生态森林公园。

    在课题实施过程中，课题组边研究、边推广，在贵阳、成都、上海、大理等多个项目中进行生态综合体工程实践。如贵阳的青山水厂，包括地下的操作层，地上的景观公园，科普馆等，为周围居民的休闲娱乐提供了很好的去处。大理洱海项目包括六座下沉式的再生水厂，其实在最初的规划中，仅是建设一座，在看到地下水厂的多项优势及与当地特色旅游业的结合点后，规划改为了6座。水厂就建在大理的景点附近，不仅有效处理了当地各种废水，还与当地产业结合，起到了协同发展的作用。

    这些项目得到了党和国家、地方领导的高度关注，在过去几年中，全国人大常委会委员长栗战书考察了成都的天府新区再生水厂，国务院副总理韩正考察了大理的双廊再生水厂，全国人大常委会副委员长丁仲礼考察了贵阳青山再生水厂，财政部相关领导也多次到项目中调研考察，给予高度认可。

    在地下厂的生态综合体研究与创新模式应用过程中，我们也在不断的推进和探索，从最早单一的城市生态综合体建设模式，逐步融合发展，提升到了流域水环境综合治理、区域产业协同开发的层面上，以期进一步提升污水厂的综合价值，支撑行业发展和生态文明建设。

     未来，希望在立法、规划等政策保障的基础上，通过技术提升、模式创新，突破传统的建设模式，让污水厂不仅是污染物处理的终端基础设施，还能够物尽其用，提供公共服务、创造多元价值、产生积极的区域影响、实现生态绿色发展。