進入”十二五“以來,地下式污水廠成為行業(yè)的熱點領域。一方面,他顛覆性的改變了原有污水廠的功能形態(tài),因為更好兼顧了社區(qū),環(huán)境和土地等要素而獲得城市青睞;另一方面,因建設方式而來的,則是行業(yè)針對投資,安全和運行問題的爭議和討論。而在我們看來,這種”一邊爭議,一邊落地“的場景更有意義,更加值得我們?nèi)ド钊胨伎肌?/p>
清華大學環(huán)境學院的王凱軍教授,當年曾引用恩格斯的名言“猿從樹上到地下,是完成了猿變成人的關鍵性一步”,來比喻污水處理廠從地上到地下變化的意義,F(xiàn)在看來,第一步已經(jīng)邁出,未來還會有第二步,第三步,第N步,這是一個基礎設施迭代演進的過程,也是一個新物種生長發(fā)展的路程。
牛年第一篇,我們特別整理推送王凱軍教授在“2020年排水大會”上的發(fā)言,這篇文章系統(tǒng)回顧了地下式污水廠在近幾年數(shù)量,技術和功能方面的發(fā)展情況,也是王老師團隊近些年在此領域思考和實踐的總結。更有價值的是,這篇文章為我們帶來一個新的視角,那就是從生態(tài)文明建設的角度重新審視污水廠,他的未來應當是什么樣的?我們需要做哪些事情來應對未來?這篇文章,相信會給你啟發(fā)。
地下污水處理廠發(fā)展背景分析
近年來,我國污水處理廠的建設取得了舉世矚目的成績。目前,我國已建成5000多個大型污水處理廠,日處理能力將近2億m3/d。盡管如此,污水處理行業(yè)依舊存在諸多難題,例如污水廠占地面積大、鄰避效應嚴重、出水標準和水資源利用率低、能耗藥耗高、資源回收率低等,上述問題嚴重影響了污水處理行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。由此,引發(fā)了專家學者們的思考,西方大規(guī)模、大集中、地上式的污水處理廠模式是否是以我國為代表的廣大發(fā)展中國家的唯一選擇?
傳統(tǒng)地上式的污水處理廠,占用大量城市用地,限制周邊近土地的開發(fā)和利用。舉下圖的例子說明,污水處理廠嚴重影響了周邊地區(qū)的土地價值。我們課題組采用網(wǎng)絡爬蟲工具,從鏈家網(wǎng)站(bj.lianjia.com/)抓取了北京市2017年某日和2016年某日的所有房價信息,構建雙重差分模型,分析其對周邊經(jīng)濟社會影響。結果表明,處理規(guī)模為4萬m3/d的某污水廠,直接投資2億元(5%),直接占地73畝,價值7.5億(15%),對周邊3.2 km2房價抑制金額為45.8億元(80%)?梢,傳統(tǒng)地上式污水處理廠會嚴重影響周邊地區(qū)的土地價值。與此形成鮮明對比的則是城市公園的存在,例如陶然亭公園對周邊房價有大幅度的正面提升功能。這一問題發(fā)人深思。
地下污水處理廠的早期建設,主要是考慮到異地搬遷所引起的投資問題。比如,貴陽青山下沉式再生水廠,下沉式水廠出水要求達到地表水IV類、水資源100%回用的成功案例。該廠建成地下形式后,避免異地搬遷與大規(guī)模管網(wǎng)建設費用,在處理規(guī)模不變的情況下,投資金額降低。這一模式的開發(fā)為污水處理行業(yè)的發(fā)展提供了一條可行的思路。
在這樣的大背景下,“十二五”期間有一系列的地下式污水處理廠在不斷的摸索中得以建成,數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示其所占比重較低(<2%),因此,把此階段稱為“發(fā)展初期”。在此時期,關于地下式污水廠發(fā)展的爭論不斷,引發(fā)了媒體及國際專家的廣泛關注。
“十二五”期間地上/地下污水處理廠總量與增量對比
在此爭論之際,清華大學于2015年適時組織了“聚焦地下污水處理廠”的高峰論壇,聽取多方意見。經(jīng)過會議的討論提出,應當站在時代的角度、宏觀審視地下污水廠的現(xiàn)象,發(fā)揮和利用其優(yōu)勢,順勢而為。也正是在此次論壇中,首次提出將污水處理廠的“負資產(chǎn)”變?yōu)樯鷳B(tài)的“正資產(chǎn)”的理念,將被動建設轉化為主動追求,從生態(tài)友好、環(huán)境友好、社區(qū)友好幾個方面來實現(xiàn)轉變。
地下污水廠的問題分析和解決
關于地下污水廠,之所以負面聲音不斷,是因為其確實面臨著一定的問題和挑戰(zhàn):
單位建設投資高(地下污水處理廠投資高于地上廠1.5-2倍);
通風、除臭能耗高(地下封閉空間);
占地靠池深建設困難(生化池和二沉池占地比例超過70%);
提標升級改造難等。
針對上述問題,我們課題組提出正是由于地下污水處理廠的出現(xiàn),導致大家重新審視有別于地上污水處理廠建設,研究了適合地下污水處理廠建設一系列減少占地、降低投資、提高效率的新技術、新途徑,具體介紹如下如下:
1.節(jié)地型生化處理工藝
生化處理工藝是污水處理廠主要占地的單元,最優(yōu)先考慮的應為主體生化處理工藝的優(yōu)選。
目前常用的MBR工藝強化生物處理,出水水質良好,可直接回用,污泥濃度高(8~10 g/L),反應高效,節(jié)省占地,能夠避免二沉池的建設,現(xiàn)階段工藝成熟可直接應用,是地下式污水處理廠可選的主體工藝之一。
國際領先的MBBR工藝也是可選工藝之一,它無需二沉池,處理負荷高,采用填料污泥量大,可有效節(jié)省生化池占地30~50%,國外工藝成熟,可借鑒應用。同時,中國水環(huán)境集團開發(fā)固定床節(jié)地型生化處理(HBR)工藝,大幅節(jié)省占地75%以上,實現(xiàn)污水生物處理的高效節(jié)地目標。
HBR工藝節(jié)省占地示意圖
此外,好氧顆粒污泥技術沉降速度快(30-70 m/h),節(jié)省占地,省區(qū)二沉池,出水水質良好,其出水TN可低于4 mg/L,TP僅為0.3 mg/L。若成功推廣應用至地下式污水處理廠,可節(jié)約75%以上的占地面積和30%的能耗。該技術基于傳統(tǒng)生物處理工藝,但可實現(xiàn)快速沉降及良好的泥水分離效果,是未來地下污水廠可重點開發(fā)的工藝之一。
2.采用新型二沉池優(yōu)化設計
二沉池也是地下廠建設的主要難點,需要改進現(xiàn)有沉淀池形式。平流式沉淀池結構復雜,并且采用雙層形式,運行難度大,且占地面積大,不宜在地下式污水廠中應用,圓形輻流式沉淀池的結構也無法在地下箱體中采用。
矩形周進周出沉淀池則成為下沉式污水處理廠的優(yōu)選池型,目前,周進周出矩形沉淀池成功推廣運用于國內(nèi)多個下沉式污水處理廠,水力負荷可達1.5 m3/(m2·h),出水SS穩(wěn)定達標。
矩形周進周出沉淀池應用案例
3.廠區(qū)結構布置豎向形式
現(xiàn)階段,一般地下污水處理廠結構設計采用三層或三層以上結構:
地上層(-2.0 m):綠化景觀、主題公園;
地下負一層設備層(-7.8 m):預處理設備、鼓風機、變電間、除臭、加藥設備、污泥處理設備;
地下負二層(-15 m):預處理池、生物池、污泥濃縮池池體。
一般地下污水處理廠結構設計
在此種構型下,地下設置三層,建設挖深大,土建造價高;設備操作層屬于地下空間,消防要求高;同時,地下空間的通風除臭換氣量大,能耗高。
針對此問題,在北京東壩生態(tài)再生水廠創(chuàng)新性的采用半地下式建設模式,可采用建筑物或覆土營造景觀兩種形式,充分利用建筑物空間建立企業(yè)研發(fā)中心。
北京東壩生態(tài)再生水廠設計圖
另一種可行的思路是地上構筑物覆土營造景觀,充分利用廠區(qū)的豎向空間:地上覆土,營造景觀;地上一層設置操作間,避免地下空間的封閉問題;地下一層設置主體構筑物,減少挖深,有效降低工程造價。
北控水務在寧東污水處理廠廠區(qū)結構布置豎向形式
生態(tài)綜合體的研究與實踐
2016年10月,清華大學再一次召開關于污水處理廠建設高峰論壇,提出將城鄉(xiāng)生態(tài)綜合體建設與地下污水廠相結合,進一步推動“負資產(chǎn)”向“正資產(chǎn)”的轉變,并且明確提出,把地下污水廠作為抓手,推動生態(tài)文明建設。
污水處理廠生態(tài)綜合體,根據(jù)所在地區(qū),分為城區(qū)型和郊野型,具備公共服務、教育、生態(tài)、科研等多方面功能。秉承生態(tài)文明理念,將污水處理與提供生態(tài)景觀、休閑娛樂、科普教育、科技研發(fā)、濕地綠化等公共服務有機融合,地上地下統(tǒng)籌規(guī)劃,改善周邊環(huán)境質量。
城市生態(tài)綜合體的研究與實踐
生態(tài)綜合體概念的提出,可以說是污水處理的行業(yè)踐行生態(tài)文明理念的一次社會實踐。在幾年前我去參加歐洲水科技周交流會議上,做了相關報告,國外學者馬上表示,公共基礎設施就應該這樣建設,歐洲說的多,沒有機會實踐。所以說,污水處理廠可成為良好的載體,與周邊社區(qū)融合,為居民提供各類服務,是未來引領世界技術進步的方向之一。
生態(tài)文明建設是中國在社會發(fā)展方面的一次創(chuàng)舉。所謂“生態(tài)文明”,是以人與自然、人與人、人與社會和諧共生、良性循環(huán)、全面發(fā)展、持續(xù)繁榮為基本宗旨的社會形態(tài)。美國國家人文科學院院士小約翰·柯布(John B. Cobb, Jr.)曾撰文指出“直接進入生態(tài)文明的發(fā)展抉擇帶給中國一個千載難逢的偉大機會,這個機會是中國獨有的領導世界的機會……中國應該抓住直接進入生態(tài)文明這一千載難逢的偉大歷史機遇。”
在生態(tài)文明的大背景下,特別是進入“十三五”時期以來,地下式污水處理廠的總處理規(guī)模和總投資增量明顯,分別占同期污水處理廠處理水量和總投資的18%和30%左右。眾所周知,發(fā)展趨勢要看增量,而不是看存量,因此地下污水處理廠的建設已經(jīng)成為非常明顯的發(fā)展趨勢。值得注意的是,在此快速發(fā)展的階段,地下式污水處理廠的建設方式不約而同了走向了生態(tài)綜合體的形式。
“十三五”期間地上/地下污水處理廠總量與增量情況對比
接下來,列舉幾個地下污水處理廠及生態(tài)綜合體建設的實例。
1.案例分析(1):南翔再生水廠
南翔再生水廠為全國首批PPP示范項目,由中國水環(huán)境集團建設,是華東地區(qū)首座地下式再生水廠。出水標準達地表IV類。該項目主要分為三大板塊,地面景觀公園、水環(huán)境科普館(華東首座)、地下污水處理層?傉嫉11.32公頃,約170畝地。該廠污水處理本身的工藝改進不大,但是建筑的藝術、科技館、景觀等已經(jīng)初具雛形。
上海南翔下沉式再生水廠
2.案例分析(2):清溪凈水廠
合肥市清溪凈水廠位于合肥市蜀山區(qū),占地面積約4.8萬m2,較同規(guī)模水廠節(jié)地2/3,是由安徽國禎在安徽省建設的最大的地下水廠PPP項目,出水水質COD、總磷、氨氮達到地表水IV類標準,總氮小于5 mg/L。清溪凈水廠地上部分建成市政休閑公園,與城市居民日常生活融為一體。
清溪凈水廠
創(chuàng)新引領與發(fā)展趨勢
為明確未來的發(fā)展趨勢,首先要明確的一個基礎問題就是,地下污水處理廠為什么在中國蓬勃發(fā)展?
成都市三瓦窯污水處理廠由于鄰避效應,于2013年被炸掉,隨后跨江新建,7年后,該廠再次被城市包圍,再次面臨重建的問題。
再以蘇州為例進行分析,我們調研了蘇州市現(xiàn)有城市污水廠與城市公園的分布情況,如下圖所示。其中,姑蘇區(qū)城東污水廠毗鄰古護城河和蘇州大學,周邊居民區(qū)環(huán)繞,距古城相門700(直線);高新區(qū)新區(qū)污水廠,毗鄰京杭運河,距離蘇州市政府1.3公里(直線),目前為重點發(fā)展區(qū);高新區(qū)鎮(zhèn)湖污水廠規(guī)模4萬噸,距離虎丘區(qū)政府2 km(直線),面臨居民投訴問題。
被城市包圍的污水廠——以蘇州為例
(紅色:城市污水處理廠;綠色:城市公園)
那么,分析為什么會出現(xiàn)被城市包圍的污水廠這一現(xiàn)象呢?這與我國的城市化率有關系。美國及歐洲從十九世紀末到上世紀中期,用了近70年的時間從30%的城市化率發(fā)展到60%,而污水處理廠是在城市化后期開始建設,而我國從本世紀初到目前,只用了20年的時間達到60%同樣的城鎮(zhèn)化率水平,污水處理廠大規(guī)模建設也同期建設完成。因此,污水處理廠的建設跟城市發(fā)展同步進行,所以,大部分的早期的污水處理廠被城市建設包圍的。
我國與美國城鎮(zhèn)化率的變化趨勢
另外,值得注意的是,在這樣快速的城市建設的過程中,其實忽略了很多問題,城市綠地公園就是其中之一。聯(lián)合國最佳標準是人均60 m2綠地面積,而我國在2019年人均綠地面積僅為14.40 m2,依舊具有較大差距。再以北京方莊污水處理廠為例,占地4.9公頃,遠大于或接近于北京許多重要的街心公園,如會城門公園(2.5公頃)、南館公園(2.62公頃)、團結湖公園(4.6公頃)。由此可見,污水廠若將地面部分建成公園,對城市綠地的增加是至關重要的。
除城市綠地外,快速城鎮(zhèn)化也導致了城市公共服務體系的缺失。從數(shù)據(jù)調研可以看到,我國現(xiàn)階段人均體育場面積是日本1/13;美國博物館超過35000家,平均8500人擁有一座博物館,而在我國,平均250000人擁有一座博物館,美國是我國人均占有量的30倍。“十九大”對國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化提出要求,新時代大國治理需要轉向公共服務。在城市更新進程中,在補齊城市基礎設施和公共服務設施的短板方面,地下污水處理廠應該起到主導作用。這些都為地下污水處理廠的建設提供了良好的契機。
部分城市公共服務設施的需求和差距
地下式污水處理廠可以與生態(tài)景觀、休閑娛樂、科普教育、科技研發(fā)、濕地綠化等眾多元素有機結合起來。城市污水處理廠的地上空間還可以具有更多其他豐富的功能。溫州中心濱江商務區(qū)桃花島片區(qū)的新晉網(wǎng)紅打卡點冰雪運動中心,是溫州體育休閑公園的一部分,坐落在杭鋼集團旗下的溫州市中心片污水處理廠屋頂東側;大理洱海環(huán)湖水環(huán)境治理項目建設了6座高品質下沉式再生水廠,地面有機結合了特色酒店、充電樁、生態(tài)農(nóng)業(yè)、生態(tài)停車場等,與社會的經(jīng)濟發(fā)展充分融合。
大理洱海環(huán)湖水環(huán)境治理項目
將污水處理廠建成地下的形式,最大的障礙是厭氧消化裝置難以建在地下。2020年8月,普拉克與光大環(huán)保(中國)有限公司簽訂雄安新區(qū)垃圾綜合處理設施一期工程有機垃圾聯(lián)合厭氧項目合同。該工程采用半地下隱藏式“去工業(yè)化”設計,地上部分主要為管理宣教區(qū)、休閑娛樂區(qū)、景觀區(qū),地下部分主要為生產(chǎn)區(qū)。這為地下污水廠的發(fā)展奠定了良好的基礎。
結語
地下污水處理廠及生態(tài)綜合體的建設,有利于把污水廠的“負資產(chǎn)”做成城市的“正資產(chǎn)”,應該以城市地下污水廠作為抓手踐行生態(tài)文明的理念,把地下污水廠作為城市基礎設施的重要抓手來推動促進城市更新,為我國污水處理行業(yè)未來的發(fā)展鋪好路!
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