凈水技術(shù) | 污水處理廠海綿城市設(shè)施設(shè)計方案研究與探索

欄目導(dǎo)語

以作品為媒，讓圖紙說話，感受每一個工程項目背后的設(shè)計理念和思想。“設(shè)計案例”與國內(nèi)各大設(shè)計院所聯(lián)名合作，深入剖析我國市政給排水新改擴建工程項目設(shè)計過程中的理念和經(jīng)驗，相互啟迪，引領(lǐng)發(fā)展。

作者簡介

漢京超，男，博士，高級工程師，研究方向為城市雨洪管理及排水工程規(guī)劃設(shè)計E-mail:jingchaohan@ 163. com。

近年來，海綿城市的建設(shè)理念逐步深入人心，海綿城市的示范應(yīng)用也日益普遍，在排水工程規(guī)劃設(shè)計中有機結(jié)合海綿城市建設(shè)理念成為一種趨勢和必然。在宏觀規(guī)劃層面，通過構(gòu)建“山、水、林、田、湖、草”的海綿生態(tài)空間格局，可為城市水環(huán)境整治提供重要保障；在宏觀設(shè)計層面，專家指出基于海綿城市建設(shè)理念的排水工程設(shè)計需要著重考慮系統(tǒng)性、整體性和協(xié)同性；在大片區(qū)設(shè)計尺度上，也有一些針對老城和新城海綿城市試點區(qū)的建設(shè)方案研究；而在微觀項目尺度上，如何結(jié)合市政排水廠站工程的特征，充分發(fā)揮污水處理設(shè)施的就近處理能力及構(gòu)筑物功能特點，因地制宜地進行海綿城市建設(shè)，實現(xiàn)徑流總量和徑流污染的有效控制的相關(guān)研究仍不多見。

本研究結(jié)合某污水處理廠擴建工程，經(jīng)方案評估，在擴建廠區(qū)進行海綿城市的試點工程，將海綿城市設(shè)施有機融合進污水處理廠的擴建方案，有效實現(xiàn)了年徑流總量控制率和年徑流污染控制率，可為污水處理廠中海綿城市設(shè)計和建設(shè)提供重要參考借鑒。

1 項目背景

上海某污水處理廠一期工程已建規(guī)模為8萬m³/d，預(yù)處理采用粗格柵+曝氣沉砂池，二級處理采用AAO生物反應(yīng)池+二沉池，深度處理采用高效沉淀池+高效纖維濾池，出水采用加氯消毒，并執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準。由于服務(wù)范圍內(nèi)污水量不斷增加，同時未來有部分初期雨水也需要納入污水處理廠，2018年該廠啟動了二期擴建工程，第一階段先行實施6萬m³/d，使全廠處理能力達到14萬m³/d ，排水標準仍執(zhí)行一級A標準。

2 海綿城市設(shè)計總體方案

2.1 實施范圍

污水處理廠一期占地面積約為121 010.4 ㎡，本次擴建工程除充分利用現(xiàn)狀廠區(qū)內(nèi)空地新建部分構(gòu)（建）筑物外，需在廠區(qū)外規(guī)劃預(yù)留用地中補充征地，面積約為56 985.4 ㎡。

為充分體現(xiàn)海綿城市建設(shè)理念，整體提升污水處理廠的徑流總量控制及面源污染削減水平，考慮在污水處理廠擴建過程中進行海綿城市設(shè)施的示范建設(shè)，并對海綿城市設(shè)施的建設(shè)范圍進行了分析評估，如表1所示。需要說明的是，若在擴建廠區(qū)建設(shè)海綿設(shè)施，適當考慮工程邊界及實際匯水范圍，服務(wù)面積約為59 002.2 ㎡。

表1：海綿設(shè)施建設(shè)范圍分析評估

綜合考慮現(xiàn)狀改造工程量、實施難度、展示效果、工程效果及工程投資等因素，經(jīng)綜合評估，本次擴建工程海綿城市設(shè)施實施范圍確定為擴建廠區(qū)。在擴建廠區(qū)進行示范建設(shè)后，可以結(jié)合運行效果及積累的養(yǎng)護管理經(jīng)驗，后續(xù)工程中擇機在現(xiàn)狀廠區(qū)內(nèi)進行推廣應(yīng)用。

2.2 建設(shè)目標

按照《上海市水務(wù)設(shè)施（廠/站）海綿城市建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》（試行），擴建廠/站的擴建部分年徑流總量控制率應(yīng)結(jié)合擴建內(nèi)容和強度綜合分析后確定，取值宜為75% ~80%�？紤]到污水處理廠以污水處理為主要目標，平面上需要建設(shè)較多的建（構(gòu)）筑物，年徑流總量控制率確定為75%。參照上海市年徑流總量控制率與海綿城市設(shè)計降雨量的關(guān)系，對應(yīng)設(shè)計降雨量為22.2 mm，年徑流污染控制率經(jīng)綜合考慮，確定為55%。

2.3 本底條件分析

擴建場地屬于潮坪地帶地貌類型，表層土壤為雜填土和黏性土為主，表層下方為黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土。土壤滲透系數(shù)在0.1~0.5 m/d，屬弱透水性。場地潛水補給來源主要為大氣降水與地表徑流，地下水年平均水位埋深一般為0.50~0.70 m，設(shè)計時低水位埋深可取1.50 m，高水位埋深可取0.50 m。

同時，本工程為地上式常規(guī)污水處理廠，擴建廠區(qū)由于預(yù)留了部分遠期建設(shè)用地，綠地所占比例超過50%。廠區(qū)總體地勢平坦，室外設(shè)計高程為4.50m，道路中心標高為4.45 m，主干道路寬度為7.0m，道路橫坡為2% ，道路邊緣標高為4.38 m。

2.4 設(shè)施選型

基于廠區(qū)高地下水位、低土壤滲透率的本底條件，并依托污水處理廠可自身實現(xiàn)對污染物就近處理的獨特優(yōu)勢，本次海綿設(shè)施選擇考慮以滯、凈、排類型為主，并酌情設(shè)置滲蓄設(shè)施。為此，參照住建部《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》（簡稱《指南》）并經(jīng)綜合分析，重點選擇了透水路面、復(fù)雜型生物滯留設(shè)施（以雨水花園為主），植草溝、池頂綠化（位于生物反應(yīng)池混凝土上蓋）等，結(jié)合污水處理廠污水處理，實現(xiàn)年徑流總量和徑流污染控制的目標。對于超出設(shè)計降雨量的雨水徑流，則主要通過溢流設(shè)施接入廠區(qū)雨水管外排至周邊河道。

2.5 設(shè)計分區(qū)

根據(jù)本工程污水處理廠項目特征，擬充分結(jié)合擴建廠區(qū)的構(gòu)筑物布置方案、綠化布置方案、道路走向等，有效利用污水處理廠污水處理設(shè)施能力，實現(xiàn)擴建廠區(qū)用地范圍內(nèi)的年徑流總量和徑流污染控制。結(jié)合地面高程、道路坡向及功能分區(qū)，將擴建廠區(qū)分為6個海綿分區(qū)，具體情況如表2和圖1所示。普通不透水道路面積為4 274.9 ㎡，透水路面面積為3 679.5 ㎡，普通屋面、封閉水池面積為3 727.8㎡，綠地面積為17459.7 ㎡，（類）開敞水池面積為8 685.4 ㎡，預(yù)留樁基區(qū)域面積為8 685.4 ㎡ ，遠期待建區(qū)域面積為12 489.5 ㎡，區(qū)域綜合徑流系數(shù)為0.445 3。

表2：6 個海綿分區(qū)的下墊面分布

圖1：海綿城市設(shè)計分區(qū)

需要說明的是，為與遠期擴建相結(jié)合并預(yù)留建設(shè)條件，在分區(qū)5提前實施了遠期2座二沉池的樁基，在分區(qū)6提前實施了遠期1座生物反應(yīng)池的樁基。這兩個區(qū)域近期實施樁基，遠期則建設(shè)開敞水池或類開敞水池，因此，近期條件略不利，綜合徑流系數(shù)按近期偏不利情況計算，并按遠期復(fù)核。分區(qū)4遠期將建設(shè)其他處理設(shè)施，以封閉水池為主，因此，在綜合徑流系數(shù)計算時按照遠期偏不利情況。

2.6 設(shè)施規(guī)模計算

對于選擇海綿設(shè)施的設(shè)計調(diào)蓄容積，參照住建部《指南》進行計算，如式（1）。

V=10HpF （1）

其中:V—設(shè)計調(diào)蓄容積，m³；

H—設(shè)計降雨量，mm；

φ———綜合雨量徑流系數(shù)，可進行加權(quán)平均計算；

F———匯水面積，h㎡（ 1 h㎡=104㎡）。本工程設(shè)計降雨量為22.2 mm，綜合徑流系數(shù)為0.445 3，匯水面積為59 002.2 ㎡，經(jīng)計算，擴建廠區(qū)理論所需調(diào)蓄量約為583.3 m³。

對6個分區(qū)進行調(diào)蓄指標分解，如表3所示。分區(qū)6理論所需調(diào)蓄量最大，為175.2 m³，分區(qū)1所需調(diào)蓄量較小，為22.8 m³。

表3：分區(qū)調(diào)蓄指標分解

2.7 布置方案及建設(shè)目標復(fù)核

結(jié)合分區(qū)內(nèi)平面布局、設(shè)施分布以及上文的海綿設(shè)施選型，對各個分區(qū)因地制宜地進行海綿設(shè)施布置，如圖2所示。其中道路兩側(cè)的植草溝主要收集道路雨水及周邊地塊雨水，地塊內(nèi)部的植草溝和雨水花園主要收集地塊內(nèi)的雨水徑流和經(jīng)斷接的屋面雨水，池頂綠化則主要設(shè)置于生物反應(yīng)池厭缺氧池上方，用于收集池頂雨水。每個分區(qū)中起主要作用的海綿設(shè)施工程量如表3所示。擴建廠區(qū)雨水管道按照重現(xiàn)期為5年設(shè)計，雨水管網(wǎng)分布如圖3所示。超出海綿設(shè)施滯蓄能力的雨水通過溢流井溢流至雨水管道中，經(jīng)現(xiàn)狀 DN1000和新建 DN1500排放口排入廠區(qū)北側(cè)河道中。

圖2：海綿設(shè)施分區(qū)設(shè)計

圖3：廠區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計

需要說明的是，開敞水池（主要是二沉池）的雨水全部進入污水處理構(gòu)筑物，由于全部產(chǎn)流、不產(chǎn)生下滲等，徑流系數(shù)應(yīng)取1 ，但不匯流至雨水管網(wǎng)，徑流量控制比例為100%。類開敞水池區(qū)域主要指分區(qū)6的生物反應(yīng)池，通過建設(shè)池頂綠化以及頂棚雨水收集裝置將雨水全部引流進入生物反應(yīng)池內(nèi)，不產(chǎn)生雨水徑流，因此，效果與開敞水池無異，而池頂綠化的效果可不單獨計算。

經(jīng)復(fù)核計算，通過建設(shè)725 ㎡雨水花園、2 060m植草溝，結(jié)合開敞水池及730 ㎡池頂綠化，累計雨水徑流控制量約為646.9 m³，明顯大于583.3 m³的理論所需調(diào)蓄體積。且每個分區(qū)均能實現(xiàn)分區(qū)自身的控制目標，因此，上述平面布置方案可以有效滿足75%年徑流總量控制率要求。

參照《指南》，加權(quán)平均計算本工程的年徑流污染控制率，如表4所示。經(jīng)計算，本工程年徑流污染控制率為59.8% ，可以滿足55%的控制目標。

表4：年徑流污染控制率復(fù)核

3 海綿城市設(shè)計相關(guān)思考

在污水處理廠進行海綿城市建設(shè)具有以下幾個典型特點和優(yōu)勢:（類）開敞水池對徑流總量控制及徑流污染控制貢獻較大、控制的污染雨水可就近處理、可利用再生水澆灌海綿設(shè)施、運行維護可以與污水處理廠綠化養(yǎng)護協(xié)同考慮等。同時，設(shè)計過程中還應(yīng)注意以下要點。

3.1 海綿設(shè)施選型

結(jié)合本次海綿城市試點工程設(shè)計，認為污水處理廠的海綿城市設(shè)計應(yīng)因地制宜進行設(shè)施選型。一方面，在污水處理能力有余量的前提下，宜充分發(fā)揮污水處理廠污染物可就近處理的優(yōu)勢，將污染較嚴重的初期雨水引入處理流程，有效助力年徑流污染及徑流總量控制率目標的實現(xiàn)；另一方面，應(yīng)該充分考慮不同分區(qū)的功能特點進行布置，例如污泥處理處置區(qū)域周邊以及主干運輸通道路面污染一般較重，同時對于道路荷載要求較高，應(yīng)優(yōu)先采用不透水路面，慎用透水路面，且路面雨水優(yōu)先考慮導(dǎo)入污水系統(tǒng)處理。此外，針對于地下水位偏高的問題，設(shè)施選型中也應(yīng)充分考慮，并酌情設(shè)置防滲土工布隔離地下水。

3.2 海綿設(shè)施設(shè)計計算

對于污水處理廠的海綿設(shè)施效果計算，應(yīng)當考慮近遠結(jié)合，按照每個分區(qū)近遠期中偏不利工況計算和建設(shè)設(shè)施，這樣才能更好地新老銜接，從而避免海綿設(shè)施需要反復(fù)建設(shè)或者產(chǎn)生廢棄工程。同時，應(yīng)當充分考慮不同設(shè)施的具體情況，例如對于加蓋除臭的生物反應(yīng)池，如果可以建設(shè)池頂綠化，并將加蓋池頂雨水進行有效收集和導(dǎo)流進池體，也可按開敞水池考慮效果。此外，對于開敞水池，由于不具有下滲效果，推薦徑流系數(shù)按1考慮，同時徑流量控制比例按100%考慮，這樣相對更加合理，也可以充分體現(xiàn)開敞水池高滯蓄量以及高污染物去除率的特點。如果開敞水池采用較低的徑流系數(shù)，則其作用將被直接排除在海綿設(shè)施效果計算之外，顯然與實際情況不符。

3.3 海綿設(shè)施的運維

關(guān)于海綿設(shè)施的運維，一方面，在設(shè)計階段就應(yīng)當充分考慮運維的難度和工作量。例如污水處理廠很多開關(guān)站、變配電間等構(gòu)筑物由于安全以及防滲等原因，不適合建設(shè)屋頂綠化，但是生物反應(yīng)池可以結(jié)合除臭、混凝土加蓋等局部建設(shè)池頂綠化，不僅可滯納雨水、美化景觀環(huán)境，而且解決了屋頂綠化養(yǎng)護不便的問題，一舉多得。另外，污水處理廠還可以結(jié)合再生水利用進行海綿設(shè)施的養(yǎng)護和澆灌，更好地體現(xiàn)節(jié)水的理念。

4 結(jié)論

在污水處理廠中進行海綿城市的試點應(yīng)用有其獨特的特點和優(yōu)勢。本研究結(jié)合某污水處理廠的擴建工程，經(jīng)方案評估，在擴建廠區(qū)進行海綿城市的試點工程。通過本底條件分析、設(shè)施選型分析、設(shè)計分區(qū)劃分、設(shè)施規(guī)模計算、平面布置及建設(shè)目標復(fù)核環(huán)節(jié)，將海綿城市設(shè)施有機融合進污水處理廠的擴建方案，并達到了年徑流總量控制率和年徑流污染控制率。研究認為，污水處理廠的海綿城市設(shè)施選型應(yīng)因地制宜，充分考慮污水處理廠自身污染處理能力以及不同建（構(gòu)）筑物的功能和特點；海綿設(shè)施設(shè)計計算應(yīng)當近遠結(jié)合，按照偏不利工況考慮，同時開敞水池的計算應(yīng)當合理選用徑流系數(shù)及徑流量控制比例；海綿設(shè)施的運維應(yīng)當在設(shè)計階段就提前考慮，并與廠區(qū)再生水回用有機結(jié)合。本研究可為污水處理廠中海綿城市建設(shè)提供重要參考借鑒。

推薦參考

本文原標題為《污水處理廠海綿城市設(shè)施設(shè)計方案研究與探索》，發(fā)表在《凈水技術(shù)》2022年第11期“設(shè)計案例欄目"，歡迎水業(yè)學(xué)者、科研與技術(shù)人員參考引用，文獻引用格式如下：

漢京超．污水處理廠海綿城市設(shè)施設(shè)計方案研究與探索[J].凈水技術(shù)，2022,41 ( 11 ) : 154-159.

HANJC.Research and exploration on the design scheme of sponge city facilities in WWTP[J]. Water Purification 'Technology , 2022 , 41(11):154-159.