ai 如何應(yīng)對水與環(huán)境領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)？
地下污水處理廠最早出現(xiàn)在氣候寒冷的北歐地區(qū)，距今已有80多年的歷史。目前，在全球十幾個國家，已經(jīng)建設(shè)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(shè)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(huán)境要求較高，遂采用地下形式；在亞洲地區(qū)，日本的地下污水廠應(yīng)用較多，建設(shè)原因包括用地緊張、周邊環(huán)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(diào)研。這座水廠建于1996年，設(shè)計規(guī)模12萬噸/天，其中4萬噸實現(xiàn)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(shè)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(shè)施十分完善。該水廠的地面上有兩棟構(gòu)筑物，有著宇宙飛船造型的a棟，包含體育館、餐廳、對外營業(yè)的會議室，還建有東京都彩虹水科學(xué)館，是主要面向兒童和中小學(xué)生的科普學(xué)習(xí)基地；b棟是體育中心，位于深度處理區(qū)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(wǎng)球場。
總體來看，很多發(fā)達國家的地下污水廠建設(shè)高峰期集中在上世紀的80、90年代。隨著環(huán)境污染治理系統(tǒng)的逐漸完善，近年來，發(fā)達國家關(guān)于地下污水廠的研究及建設(shè)反而不是很多。
而我國對于地下廠的關(guān)注，主要集中在近十年。2013年之前，國內(nèi)的地下污水廠建設(shè)數(shù)量還非常少，主要集中在北上廣等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)；近幾年來，隨著環(huán)境要求的提升及技術(shù)的探索，我國建設(shè)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(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)。目前國內(nèi)已經(jīng)建成的大概有70多座，總規(guī)模超過700多萬噸，數(shù)量和規(guī)模還在快速增長。這些地下水廠的單體規(guī)模以中小規(guī)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(shè)的推進和研究的深入，其建設(shè)規(guī)模、學(xué)術(shù)關(guān)注度、媒體關(guān)注度都在不斷提高，地下污水廠建設(shè)模式逐漸被學(xué)術(shù)界與用戶接納。總體來看，地下污水處理廠在國內(nèi)的快速發(fā)展，根本原因在于，近年來我國快速的城鎮(zhèn)化對生態(tài)環(huán)境提出更高要求，而地下污水廠的三個特點與環(huán)境治理需求能夠較好地契合。
一是環(huán)境友好，變鄰避效應(yīng)為鄰利效應(yīng)。由于地下水廠是全封閉的箱體，且全廠臭氣統(tǒng)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(huán)境起到質(zhì)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(tǒng)水廠的1/3。傳統(tǒng)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(wèi)生防護距離，通過分層結(jié)構(gòu)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(jié)省一半的廠區(qū)面積；此外，通過池體分布集約設(shè)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(zhì)優(yōu)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(yè)冷卻水，還可以作為河道生態(tài)補水?，F(xiàn)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(tǒng)的地上廠一般在城市的遠郊，如果進行再生水回用，管網(wǎng)投資和運行成本很高。地下廠環(huán)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(fā)展歷史，也可以發(fā)現(xiàn)，地下污水廠在具備環(huán)境友好、土地集約、資源利用等顯著優(yōu)勢的同時，也存在一些問題需要完善。如建設(shè)運營成本相對較高、地上利用形式比較單一，缺少規(guī)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(zhì)水生態(tài)建設(shè)綜合示范”項目中，特別設(shè)置了“地下污水廠建設(shè)模式創(chuàng)新與生態(tài)綜合體示范”課題，以期從技術(shù)和模式方面加以創(chuàng)新，實現(xiàn)深度脫氮除磷，節(jié)省占地投資，改善周邊水生態(tài)質(zhì)量，綜合開發(fā)地面空間，提升土地價值。課題由國投信開水環(huán)境投資有限公司牽頭，參與單位包括清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、四川省科學(xué)城天人環(huán)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(guān)鍵技術(shù)研究
污水處理廠從地上到地下，不是簡單的下沉，模式的轉(zhuǎn)變帶來了更多新的技術(shù)需求，包括高效節(jié)地污水處理技術(shù)、高效生物除臭技術(shù)、污泥深度脫水和資源化利用、智能化管理系統(tǒng)等。在本課題中，主要聚焦于高效節(jié)地型污水處理技術(shù)研究，并結(jié)合實際工程對其他技術(shù)進行不斷優(yōu)化。
課題研究的高效節(jié)地技術(shù)為hbr，是一種復(fù)合式的生物膜反應(yīng)器。在研究過程中，課題組進行了新型填料的開發(fā)以及反應(yīng)器開發(fā)和優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上形成了hbr高效生物膜技術(shù)。該技術(shù)采用新型的輕質(zhì)、大孔隙率懸浮填料，納污量大，不易堵塞，可防止濾料板結(jié)；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(shù)，共形成了兩條技術(shù)路線，一是純生物膜hbr技術(shù)，這項技術(shù)已經(jīng)完成了試驗研究、工程示范和推廣；二是泥膜一體hbr技術(shù)，這項技術(shù)正依托碧水地下污水廠，開展相關(guān)的示范建設(shè)和研究。
純生物膜hbr技術(shù)，首先在貴陽某地上污水廠進行了工程示范，規(guī)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(jié)省了占地，如下圖所示。
在過去兩年內(nèi)，這項技術(shù)已應(yīng)用于多項工程案例，從規(guī)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(shù)，開發(fā)目的主要是針對地下廠或者地上廠的提標改造，將現(xiàn)有技術(shù)標準化、裝備化，形成相應(yīng)的工藝包。目前，這項技術(shù)依托碧水地下污水廠的一條生化系列（設(shè)計規(guī)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(zhèn)污水廠工程技術(shù)指南》的推動
在課題組進行技術(shù)研發(fā)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(shù)規(guī)范加以指引。因此，課題組在中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會的支持下，推動了國內(nèi)第一部地下污水廠標準——《地下式城鎮(zhèn)污水處理廠工程技術(shù)指南》的編制工作，以期進一步促進國內(nèi)地下廠高質(zhì)量發(fā)展。
《指南》在2019年12月底正式發(fā)布，自今年1月1日起正式實施。文件以現(xiàn)行規(guī)范為基礎(chǔ)，突出地下廠的特點，注重技術(shù)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(gòu)筑物位于地面以下，基本不占用地表面積；地下廠設(shè)備操作層封閉，能夠減少臭氣、噪聲等傳統(tǒng)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(fā)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(huán)境敏感區(qū)的建設(shè)項目適合建設(shè)地下污水處理廠，同時還要結(jié)合投資成本、占地指標、生態(tài)環(huán)境等要素綜合考慮。地下污水處理廠可以獨立建設(shè)，也可以和城市水環(huán)境綜合治理工程、生態(tài)綜合體等結(jié)合建設(shè)。
第三，怎樣建設(shè)地下廠？地下廠并不是傳統(tǒng)的地上廠的簡單下沉，而是要有技術(shù)的優(yōu)化及設(shè)計的創(chuàng)新。如沉淀池的選擇，傳統(tǒng)污水廠大多采用輻流式二沉池，而在地下廠，為了節(jié)約占地，很多采用矩形沉淀池，周進周出的設(shè)計還可以提高水力負荷，便于和生化池的聯(lián)通。采用矩形周進周出二沉池后，建設(shè)用地可以節(jié)約一半以上。
水技術(shù)創(chuàng)新社會化服務(wù)平臺
水技術(shù)創(chuàng)新社會化服務(wù)平臺的建設(shè)主旨，是搭建以企業(yè)為主體、產(chǎn)學(xué)研深入融合的技術(shù)創(chuàng)新平臺新模式。平臺依托碧水地下水廠的操作層，服務(wù)對象包括高校、科研院所和環(huán)保企業(yè)。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(shù)評估，積極探索與水專項已有平臺及國內(nèi)外平臺的合作。
該平臺擁有2間綜合實驗室、2間生產(chǎn)實證平臺，1間控制平臺，建筑面積超1500平方米，具備常規(guī)水質(zhì)指標的分析測試能力。平臺建設(shè)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(huán)保企業(yè)入駐。
下面簡單介紹一下針對水專項中的地下污水廠相關(guān)課題，幾個參與單位基于這個平臺的技術(shù)研究成果。
北京工業(yè)大學(xué)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(shù)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(shù)的聯(lián)合控制來實現(xiàn)，tin去除率可達到83%以上，可實現(xiàn)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(tǒng)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(jié)合的工藝，短程反硝化只需要控制cod和反應(yīng)時間，使硝氮轉(zhuǎn)化為亞硝氮后不再繼續(xù)反硝化，以實現(xiàn)穩(wěn)定控制；基于aao的生物膜法強化反硝化除磷技術(shù)，針對國內(nèi)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(tǒng)，使脫氮除磷在同一個反應(yīng)器中同時發(fā)生，實現(xiàn)了一碳雙用，在有限的條件下創(chuàng)造高效的脫氮除磷效果，目前這個技術(shù)已經(jīng)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(xué)的團隊主要開展了好氧顆粒污泥技術(shù)的研究。好氧顆粒污泥是近幾年出現(xiàn)的新工藝，具有沉淀速度快、節(jié)省占地的優(yōu)點，但是在國內(nèi)的應(yīng)用非常少，其主要問題在于國內(nèi)進水的復(fù)雜性和運行中顆粒的穩(wěn)定性。清華大學(xué)針對這些問題，開發(fā)了納米絮凝劑復(fù)配sbr工藝，可以替代現(xiàn)有的好氧顆粒污泥技術(shù)。
納米絮凝劑復(fù)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?；谶@項工藝，清華大學(xué)開展了單體的好氧顆粒污泥反應(yīng)器及水解酸化耦合好氧顆粒污泥反應(yīng)器的研究。目前清華大學(xué)結(jié)合前期的研究成果，將繼續(xù)開展百噸級的中試研究及兩級工藝的中試研究。
生態(tài)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(tài)綜合體創(chuàng)新模式。生態(tài)綜合體秉承著綠色低碳的生態(tài)文明建設(shè)理念，從根本上改變了傳統(tǒng)地上污水廠的規(guī)劃思路和建設(shè)模式，把污水處理和資源利用，以及生態(tài)景觀、休閑娛樂、科普教育和科技研發(fā)等公共服務(wù)功能有機融合在一起，做到地上和地下的統(tǒng)籌規(guī)劃，節(jié)省土地資源，改善周邊環(huán)境質(zhì)量，徹底解決污水廠的鄰避難題，實現(xiàn)負資產(chǎn)向正資產(chǎn)轉(zhuǎn)變。
依托碧水地下污水廠，課題組進行了生態(tài)綜合體實踐。該項目包含四個關(guān)鍵要素：地下污水廠、科技研發(fā)平臺、科普教育基地、生態(tài)景觀建設(shè)。目前，前三個要素已基本建設(shè)完成，景觀部分還在建設(shè)過程中。
從周圍環(huán)境的變化中可以看到生態(tài)綜合體的初步效應(yīng)：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(shè)運行后，高品質(zhì)的再生水流向河道，玉帶河迅速返清，河道的生態(tài)得到了恢復(fù)，水草和魚蝦清晰可見。未來，地面將建設(shè)成開放性的生態(tài)活水公園，與周邊綠地統(tǒng)籌規(guī)劃，打造為世界級的中央水生態(tài)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(tài)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(guī)劃中，僅是建設(shè)一座，在看到地下水廠的多項優(yōu)勢及與當?shù)靥厣糜螛I(yè)的結(jié)合點后，規(guī)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?shù)馗鞣N廢水，還與當?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)合，起到了協(xié)同發(fā)展的作用。
這些項目得到了黨和國家、地方領(lǐng)導(dǎo)的高度關(guān)注，在過去幾年中，全國人大常委會委員長栗戰(zhàn)書考察了成都的天府新區(qū)再生水廠，國務(wù)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(guān)領(lǐng)導(dǎo)也多次到項目中調(diào)研考察，給予高度認可。
在地下廠的生態(tài)綜合體研究與創(chuàng)新模式應(yīng)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(tài)綜合體建設(shè)模式，逐步融合發(fā)展，提升到了流域水環(huán)境綜合治理、區(qū)域產(chǎn)業(yè)協(xié)同開發(fā)的層面上，以期進一步提升污水廠的綜合價值，支撐行業(yè)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。
未來，希望在立法、規(guī)劃等政策保障的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)提升、模式創(chuàng)新，突破傳統(tǒng)的建設(shè)模式，讓污水廠不僅是污染物處理的終端基礎(chǔ)設(shè)施，還能夠物盡其用，提供公共服務(wù)、創(chuàng)造多元價值、產(chǎn)生積極的區(qū)域影響、實現(xiàn)生態(tài)綠色發(fā)展。
來源：北極星水處理網(wǎng)
