污水處理廠選址問題一直是城市污水系統(tǒng)完善的關鍵問題。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難度大、運營維護不夠便捷、建設成本較高等缺陷。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”、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運營案例，希望能在設計、工程建設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80萬人口，設計規(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。脫氮反應的溫度設定在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，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處理、生物處理、深度處理。預處理部分包括格柵、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，1987年11月3日正式啟動運行，其設計處理能力為47萬人口當量/d，處理后的污水排放口設在海灣。
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，設計流量為9 100 m3/h(旱季)，19 000 m3/h(雨季)。具體構筑物規(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)構緊湊、占地面積小、易于維護和低能耗的設備。
1.4.2污泥處理工藝
污泥處理廠設在一個前采石場里，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施。隧道式污水處理廠是日本下水道事業(yè)團應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。該處理廠設計服務面積為610萬m2，服務人口26萬人，設計處理污水量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、地下空間工藝設計與節(jié)能減排技術亮點
2.1.1地下工藝設計的原因
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，所有處理設備均處于地下，水池等設施利用原有的巖石，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技術亮點
該廠的工藝亮點是通過熱電聯(lián)產(chǎn)設備回收電能和熱能。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，外包服務費用370萬歐元，材料和設備維護費用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技術亮點
該廠的技術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�？刂拼髽墙ㄓ诘孛嫔�，其他設備都建于地下，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、風扇以及其他的設備，上面的一層主要是作為輸送走廊。
2.3.2技術亮點
(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反應器，于1998年10月開始運行，世界上第一臺ANAMMOX反應器于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，所以最終污水處理廠只能選擇建為地下式。
2.4.2技術亮點
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系。日本政府在面對污水處理廠建設高度問題上，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，來選擇建設在地下還是地上。在日本，污水處理廠的總體建設費用中，處理廠本身的建設費占總費用的30%，管網(wǎng)占總費用的70%。
2.5.2技術亮點
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污水處理廠費用高，但由于原來地上的污水處理設施可以用于隧道工程，所以不需要基礎工程和復蓋，和一般地上污水處理廠的建設費用相比，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。
但是，城市污水處理廠的建設應從實際出發(fā),根據(jù)各地污水的水質(zhì)情況,采取有針對性的建設方式和技術路線，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運營風險較大。地下污水處理廠無論是前期建設還是后期運營維護都需要很高的技術支持，必須先投入大量資金做些試點及調(diào)查研究，等技術穩(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以及新工藝的應用，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施如何與生產(chǎn)設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)的事故應急措施等都是即將面臨的關鍵問題。最后，針對地下污水處理系統(tǒng)設計、施工、運營的相關標準、技術規(guī)范的缺失，如地下廠區(qū)消防標準等，使得相關標準規(guī)范的制定更顯得尤為迫切。
