王凯军:我国地下式污水处理厂的发展与生态文明建设

2021-05-28 17:47发布

清华大学环境学院的王凯军教授,当年曾引用恩格斯的名言“猿从树上到地下,是完成了猿变成人的关键性一步”,来比喻污水处理厂从地上到地下变化的意义。现在看来,第一步已经迈出,未来还会有第二步,第三步,第N步,这是一个基础设施迭代演进的过程,也是一个新物种生长发展的路程。牛年第一篇,我们特别整理推送王凯军教授在“2020年排水大会”上的发言,这篇文章系统回顾了地下式污水厂在近几年数量,技术和功能方面的发展情况,也是王老师团队近些年在此领域思考和实践的总结。更有价值的是,这篇文章为我们带来一个新的视角,那就是从生态文明建设的角度重新审视污水厂,他的未来应当是什么样的?我们需要做哪些事情来应对未来?这篇文章,相信会给你启发。


污水厂稳定运行时的出水水质分布规律



清华大学环境学院教授、国家环境保护技术管理与评估工程技术中心主任

王凯军教授


地下污水处理厂发展背景分析

近年来,我国污水处理厂的建设取得了举世瞩目的成绩。目前,我国已建成5000多个大型污水处理厂,日处理能力将近2亿m3/d。尽管如此,污水处理行业依旧存在诸多难题,例如污水厂占地面积大、邻避效应严重、出水标准和水资源利用率低、能耗药耗高、资源回收率低等,上述问题严重影响了污水处理行业的可持续发展。由此,引发了专家学者们的思考,西方大规模、大集中、地上式的污水处理厂模式是否是以我国为代表的广大发展中国家的唯一选择?


传统地上式的污水处理厂,占用大量城市用地,限制周边近土地的开发和利用。举下图的例子说明,污水处理厂严重影响了周边地区的土地价值。我们课题组采用网络爬虫工具,从链家网站(bj.lianjia.com/)抓取了北京市2017年某日和2016年某日的所有房价信息,构建双重差分模型,分析其对周边经济社会影响。结果表明,处理规模为4万m³/d的某污水厂,直接投资2亿元(5%),直接占地73亩,价值7.5亿(15%),对周边3.2 km2房价抑制金额为45.8亿元(80%)。可见,传统地上式污水处理厂会严重影响周边地区的土地价值。与此形成鲜明对比的则是城市公园的存在,例如陶然亭公园对周边房价有大幅度的正面提升功能。这一问题发人深思。



地下污水处理厂的早期建设,主要是考虑到异地搬迁所引起的投资问题。比如,贵阳青山下沉式再生水厂,下沉式水厂出水要求达到地表水IV类、水资源100%回用的成功案例。该厂建成地下形式后,避免异地搬迁与大规模管网建设费用,在处理规模不变的情况下,投资金额降低。这一模式的开发为污水处理行业的发展提供了一条可行的思路。


在这样的大背景下,“十二五”期间有一系列的地下式污水处理厂在不断的摸索中得以建成,数据统计显示其所占比重较低(<2%),因此,把此阶段称为“发展初期”。在此时期,关于地下式污水厂发展的争论不断,引发了媒体及国际专家的广泛关注。

“十二五”期间地上/地下污水处理厂总量与增量对比


在此争论之际,清华大学于2015年适时组织了“聚焦地下污水处理厂”的高峰论坛,听取多方意见。经过会议的讨论提出,应当站在时代的角度、宏观审视地下污水厂的现象,发挥和利用其优势,顺势而为。也正是在此次论坛中,首次提出将污水处理厂的“负资产”变为生态的“正资产”的理念,将被动建设转化为主动追求,从生态友好、环境友好、社区友好几个方面来实现转变。


地下污水厂的问题分析和解决

关于地下污水厂,之所以负面声音不断,是因为其确实面临着一定的问题和挑战:

  • 单位建设投资高(地下污水处理厂投资高于地上厂1.5-2倍);

  • 通风、除臭能耗高(地下封闭空间);

  • 占地靠池深建设困难(生化池和二沉池占地比例超过70%);

  • 提标升级改造难等。


针对上述问题,我们课题组提出正是由于地下污水处理厂的出现,导致大家重新审视有别于地上污水处理厂建设,研究了适合地下污水处理厂建设一系列减少占地、降低投资、提高效率的新技术、新途径,具体介绍如下如下:


1.节地型生化处理工艺


生化处理工艺是污水处理厂主要占地的单元,最优先考虑的应为主体生化处理工艺的优选。

目前常用的MBR工艺强化生物处理,出水水质良好,可直接回用,污泥浓度高(8~10 g/L),反应高效,节省占地,能够避免二沉池的建设,现阶段工艺成熟可直接应用,是地下式污水处理厂可选的主体工艺之一。


国际领先的MBBR工艺也是可选工艺之一,它无需二沉池,处理负荷高,采用填料污泥量大,可有效节省生化池占地30~50%,国外工艺成熟,可借鉴应用。同时,中国水环境集团开发固定床节地型生化处理(HBR)工艺,大幅节省占地75%以上,实现污水生物处理的高效节地目标。


HBR工艺节省占地示意图

 

此外,好氧颗粒污泥技术沉降速度快(30-70 m/h),节省占地,省区二沉池,出水水质良好,其出水TN可低于4 mg/L,TP仅为0.3 mg/L。若成功推广应用至地下式污水处理厂,可节约75%以上的占地面积和30%的能耗。该技术基于传统生物处理工艺,但可实现快速沉降及良好的泥水分离效果,是未来地下污水厂可重点开发的工艺之一。


2.采用新型二沉池优化设计


二沉池也是地下厂建设的主要难点,需要改进现有沉淀池形式。平流式沉淀池结构复杂,并且采用双层形式,运行难度大,且占地面积大,不宜在地下式污水厂中应用,圆形辐流式沉淀池的结构也无法在地下箱体中采用。


矩形周进周出沉淀池则成为下沉式污水处理厂的优选池型,目前,周进周出矩形沉淀池成功推广运用于国内多个下沉式污水处理厂,水力负荷可达1.5 m3/(m2·h),出水SS稳定达标。


矩形周进周出沉淀池应用案例

 

3.厂区结构布置竖向形式


现阶段,一般地下污水处理厂结构设计采用三层或三层以上结构:

  • 地上层(-2.0 m):绿化景观、主题公园;

  • 地下负一层设备层(-7.8 m):预处理设备、鼓风机、变电间、除臭、加药设备、污泥处理设备;

  • 地下负二层(-15 m):预处理池、生物池、污泥浓缩池池体。


一般地下污水处理厂结构设计


在此种构型下,地下设置三层,建设挖深大,土建造价高;设备操作层属于地下空间,消防要求高;同时,地下空间的通风除臭换气量大,能耗高。


针对此问题,在北京东坝生态再生水厂创新性的采用半地下式建设模式,可采用建筑物或覆土营造景观两种形式,充分利用建筑物空间建立企业研发中心。


北京东坝生态再生水厂设计图


另一种可行的思路是地上构筑物覆土营造景观,充分利用厂区的竖向空间:地上覆土,营造景观;地上一层设置操作间,避免地下空间的封闭问题;地下一层设置主体构筑物,减少挖深,有效降低工程造价。


北控水务在宁东污水处理厂厂区结构布置竖向形式


生态综合体的研究与实践

2016年10月,清华大学再一次召开关于污水处理厂建设高峰论坛,提出将城乡生态综合体建设与地下污水厂相结合,进一步推动“负资产”向“正资产”的转变,并且明确提出,把地下污水厂作为抓手,推动生态文明建设。


污水处理厂生态综合体,根据所在地区,分为城区型和郊野型,具备公共服务、教育、生态、科研等多方面功能。秉承生态文明理念,将污水处理与提供生态景观、休闲娱乐、科普教育、科技研发、湿地绿化等公共服务有机融合,地上地下统筹规划,改善周边环境质量。


城市生态综合体的研究与实践

 

生态综合体概念的提出,可以说是污水处理的行业践行生态文明理念的一次社会实践。在几年前我去参加欧洲水科技周交流会议上,做了相关报告,国外学者马上表示,公共基础设施就应该这样建设,欧洲说的多,没有机会实践。所以说,污水处理厂可成为良好的载体,与周边社区融合,为居民提供各类服务,是未来引领世界技术进步的方向之一。


生态文明建设是中国在社会发展方面的一次创举。所谓“生态文明”,是以人与自然、人与人、人与社会和谐共生、良性循环、全面发展、持续繁荣为基本宗旨的社会形态。美国国家人文科学院院士小约翰·柯布(John B. Cobb, Jr.)曾撰文指出“直接进入生态文明的发展抉择带给中国一个千载难逢的伟大机会,这个机会是中国独有的领导世界的机会……中国应该抓住直接进入生态文明这一千载难逢的伟大历史机遇。”


在生态文明的大背景下,特别是进入“十三五”时期以来,地下式污水处理厂的总处理规模和总投资增量明显,分别占同期污水处理厂处理水量和总投资的18%和30%左右。众所周知,发展趋势要看增量,而不是看存量,因此地下污水处理厂的建设已经成为非常明显的发展趋势。值得注意的是,在此快速发展的阶段,地下式污水处理厂的建设方式不约而同了走向了生态综合体的形式。


“十三五”期间地上/地下污水处理厂总量与增量情况对比


接下来,列举几个地下污水处理厂及生态综合体建设的实例。


1.案例分析(1):南翔再生水厂


南翔再生水厂为全国首批PPP示范项目,由中国水环境集团建设,是华东地区首座地下式再生水厂。出水标准达地表IV类。该项目主要分为三大板块,地面景观公园、水环境科普馆(华东首座)、地下污水处理层。总占地11.32公顷,约170亩地。该厂污水处理本身的工艺改进不大,但是建筑的艺术、科技馆、景观等已经初具雏形。


上海南翔下沉式再生水厂

 

2.案例分析(2):清溪净水厂


合肥市清溪净水厂位于合肥市蜀山区,占地面积约4.8万m2,较同规模水厂节地2/3,是由安徽国祯在安徽省建设的最大的地下水厂PPP项目,出水水质COD、总磷、氨氮达到地表水IV类标准,总氮小于5 mg/L。清溪净水厂地上部分建成市政休闲公园,与城市居民日常生活融为一体。


清溪净水厂

 

创新引领与发展趋势

为明确未来的发展趋势,首先要明确的一个基础问题就是,地下污水处理厂为什么在中国蓬勃发展?


成都市三瓦窑污水处理厂由于邻避效应,于2013年被炸掉,随后跨江新建,7年后,该厂再次被城市包围,再次面临重建的问题。


再以苏州为例进行分析,我们调研了苏州市现有城市污水厂与城市公园的分布情况,如下图所示。其中,姑苏区城东污水厂毗邻古护城河和苏州大学,周边居民区环绕,距古城相门700(直线);高新区新区污水厂,毗邻京杭运河,距离苏州市政府1.3公里(直线),目前为重点发展区;高新区镇湖污水厂规模4万吨,距离虎丘区政府2 km(直线),面临居民投诉问题。


     被城市包围的污水厂——以苏州为例

(红色:城市污水处理厂;绿色:城市公园)


那么,分析为什么会出现被城市包围的污水厂这一现象呢?这与我国的城市化率有关系。美国及欧洲从十九世纪末到上世纪中期,用了近70年的时间从30%的城市化率发展到60%,而污水处理厂是在城市化后期开始建设,而我国从本世纪初到目前,只用了20年的时间达到60%同样的城镇化率水平,污水处理厂大规模建设也同期建设完成。因此,污水处理厂的建设跟城市发展同步进行,所以,大部分的早期的污水处理厂被城市建设包围的。


我国与美国城镇化率的变化趋势


另外,值得注意的是,在这样快速的城市建设的过程中,其实忽略了很多问题,城市绿地公园就是其中之一。联合国最佳标准是人均60 m2绿地面积,而我国在2019年人均绿地面积仅为14.40 m2,依旧具有较大差距。再以北京方庄污水处理厂为例,占地4.9公顷,远大于或接近于北京许多重要的街心公园,如会城门公园(2.5公顷)、南馆公园(2.62公顷)、团结湖公园(4.6公顷)。由此可见,污水厂若将地面部分建成公园,对城市绿地的增加是至关重要的。



除城市绿地外,快速城镇化也导致了城市公共服务体系的缺失。从数据调研可以看到,我国现阶段人均体育场面积是日本1/13;美国博物馆超过35000家,平均8500人拥有一座博物馆,而在我国,平均250000人拥有一座博物馆,美国是我国人均占有量的30倍。“十九大”对国家治理体系和治理能力现代化提出要求,新时代大国治理需要转向公共服务。在城市更新进程中,在补齐城市基础设施和公共服务设施的短板方面,地下污水处理厂应该起到主导作用。这些都为地下污水处理厂的建设提供了良好的契机。


部分城市公共服务设施的需求和差距


地下式污水处理厂可以与生态景观、休闲娱乐、科普教育、科技研发、湿地绿化等众多元素有机结合起来。城市污水处理厂的地上空间还可以具有更多其他丰富的功能。温州中心滨江商务区桃花岛片区的新晋网红打卡点冰雪运动中心,是温州体育休闲公园的一部分,坐落在杭钢集团旗下的温州市中心片污水处理厂屋顶东侧;大理洱海环湖水环境治理项目建设了6座高品质下沉式再生水厂,地面有机结合了特色酒店、充电桩、生态农业、生态停车场等,与社会的经济发展充分融合。


大理洱海环湖水环境治理项目


将污水处理厂建成地下的形式,最大的障碍是厌氧消化装置难以建在地下。2020年8月,普拉克与光大环保(中国)有限公司签订雄安新区垃圾综合处理设施一期工程有机垃圾联合厌氧项目合同。该工程采用半地下隐藏式“去工业化”设计,地上部分主要为管理宣教区、休闲娱乐区、景观区,地下部分主要为生产区。这为地下污水厂的发展奠定了良好的基础。


结语

地下污水处理厂及生态综合体的建设,有利于把污水厂的“负资产”做成城市的“正资产”,应该以城市地下污水厂作为抓手践行生态文明的理念,把地下污水厂作为城市基础设施的重要抓手来推动促进城市更新,为我国污水处理行业未来的发展铺好路!


 文章来源:房阔 JIEI创新实验室  2月18日


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