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外水+内水 全地下式污水厂防淹这样做!

   日期:2022-05-27     来源:《给水排水 》    

防淹设计是全地下式污水处理厂安全设计的重中之重,水淹风险主要来自外水和内水两个方面。来自外水的风险点包括雨水入侵、地下水入渗、管网超量来水和尾水排放河道的河水倒灌等。来自内水的风险点则主要是由于各种原因引起的二、三级泵房前池、细格栅前端、滤池进水渠及其废水池以及厂区污水及放空泵房前池的满溢。结合上海40万m³/d规模的泰和全地下式污水处理厂的设计,对全地下式污水处理厂防淹设计的要点进行了有针对性的论述。

地下式污水处理厂由于其环境友好、节约用地、实现土地的综合开发利用以及能较好地解决污水处理厂的邻避效应等显著优点在国内得到了逐步的推广和应用。国内第一批地下式污水处理厂于2010年前后建成投产,包括了广州京溪污水处理厂、深圳布吉污水处理厂、深圳西丽污水处理厂、郑州南三环污水处理厂等。随着大量项目落地,地下式污水处理厂固有的一些风险在设计和运行过程中逐渐显现,其中水淹事故是地下污水处理厂面临的重大风险之一,这样的事故已有发生,会给污水处理厂带来较大的经济损失和安全风险,因此在项目建设尤其是设计过程中要充分考虑可能存在的风险点并事先采用相应的防范措施。

1 全地下污水处理厂水淹的风险点

1.1 水淹风险的来源

地下式污水处理厂有全地下和半地下两种形式。按照国内约定俗成的定义,全地下式污水处理厂是指整个厂房埋于地下,厂房顶低于周边地面,污水处理厂的生产管理在地下一层的操作空间内进行。半地下式污水处理厂是指仅水池等处理构筑物埋于地下,厂房高出周边地面,污水处理厂生产管理层的标高与周边地面标高基本一致。

由于全地下污水处理厂地下操作层的标高一般比周边地面要低7~8m,低于地下水位和地面水体的水位,同时对进水水位的控制有很高要求,相对于地下而言,更容易发生水淹风险。由于全地下式污水处理厂的巡视人员和主要设备基本都集中在地下一层和二层,因此水淹风险造成的危害也大大增加。带来水淹风险的水可大致分为外水和内水两个部分。

1.2 来自“外水”的水淹风险点分析

这里所说的“外水”是指来自于污水处理厂地下箱体以外的水。通常包括雨水、地下水、管网的超量进水以及污水处理厂尾水排放河道的河水等。

来自雨水的风险点:雨水可能侵入污水处理厂地下箱体的地方主要是地下箱体的出入口、地下箱体顶部开设的各种吊装孔、采光孔和通风孔等

来自地下水的风险点:地下水对于污水处理厂地下箱体的风险主要来自于箱体本身结构和箱体进出管道洞口的渗漏,地下水的渗入量可能不大,但具有持续性,如果没有及时发现也会给地下箱体内的设备尤其是供配电设备带来较大的危害。

来自管网超量进水的风险点:地下厂对进水水位的控制有严格的要求,不能高于要求的安全水位。但管网来水量的波动不可避免,尤其在管网存在合流制系统或雨污分流不彻底的情况时,雨天往往会带来超过旱天正常水量的冲击负荷,处理不当就可能会导致进水泵房的水外溢至地下箱体内。

来自尾水排放河道河水的风险点:地下污水处理厂处理后的尾水通常通过出水泵提升外排河道,在河道水位处于高水位、同时发生出水泵停泵故障且止回装置出现问题时,河水可能会通过出水管倒灌回地下箱体。

1.3 来自“内水”的水淹风险点分析

这里所说的“内水”是指已经正常进入污水处理厂地下箱体、在各个构筑物池体内处理的水。内水外溢淹没地下箱体的事在地下污水处理厂中也时有发生,引发的原因各种各样。

二、三级泵房的风险点:地下污水处理厂一般有进水泵房、中间提升泵房和出水泵房共三级泵房。当污水厂进水量波动,加减泵时如各级泵房之间响应不及时,或者某些故障情况下出现某一级泵房掉电停泵,就很容易发生泵房前池满溢的危险。

格栅的风险点:污水处理厂进水细格栅处是一个容易被忽视的风险点。现在污水处理厂设计中,进水细格栅的栅隙通常选用3~6mm,当采用膜处理工艺时,栅隙会选用1mm。当进水栅渣量较大时,容易引起细格栅的堵塞;或者来水中有较大的垃圾时,会引起格栅的卡阻进而引起停机保护导致进一步加剧格栅的堵塞,这时格栅之前的渠道就容易发生溢出的风险。

滤池的风险点:污水处理厂深度处理段的滤池也是容易发生溢出事故的地方。在滤池发生堵塞没有及时反冲洗,或者是滤池自控系统出现故障影响到正常出水时,滤池的进水渠道处也会发生溢出的风险。

厂区污水及放空泵房的风险点:地下污水处理厂通常要设置厂区污水及放空泵房,将污水和污泥处理过程中排放的废水以及池体检修放空的水提升到污水处理厂最前端。厂区污水及放空泵房通常设置在地下箱体的最低处,当各种原因出现进、出水量不匹配时,该泵房前池也极易发生满溢的危险。

其他风险点:一般来讲污水处理厂各工艺环节之间的水流靠重力流动的,则总体来讲相对安全。如果要靠泵或其他设备来控制的,则风险度相对较高。如采用MBR工艺时,该工艺段的出水需要依靠产水泵,在产水泵出现故障或产水能力出现下降而前端工艺未及时减量时,膜池就有满溢的风险。

2 全地下污水处理厂防淹设计要点及实例

以下结合上海40万m³/d规模的泰和全地下式污水处理厂设计对全地下箱体的防淹设计要点进行阐述。上海泰和污水处理厂地下一体化箱体平面尺寸约350m×350m,采用全地下布置形式,污水处理厂地下一体化箱体的竖向布置如图1所示,地下一层操作层的设计绝对标高-1.0m,低于周边地面标高5.5m。

 

2.1 针对外水的防淹设计要点

2.1.1 雨水侵入的防范措施

在泰和污水处理厂的设计中,厂区设计地坪标高比周边市政道路路面高出约1250px,以避免市政道路雨水排放不畅出现积水时倒灌进污水处理厂。地下箱体的进出道路在出入口处进一步设置了一段375px高的逆坡避免道路雨水进入地下箱体。地下箱体进出坡道全线设置了轻质遮雨棚,并在坡道的入口和坡脚处各设置了一道400mm×400mm断面的横截沟拦截可能进入的雨水,其中入口处的横截沟通过雨水管接入厂区雨水井,坡脚处的横截沟就近接入污水处理池,进出坡道设计如图2所示。地下箱体出露地面的设施中,风井的进出风口均设置防雨百叶,人员疏散楼梯间出口的标高均高出周边地坪750px,设备起吊孔都加设了轻质防雨罩等。

 

2.1.2 地下水入渗的防范措施

泰和污水处理厂地下箱体按防水等级一级的要求设计,采取多道防水措施,具体做法包括:箱体侧墙为叠合式双层墙,围护结构作为主体结构的一部分,围护结构采用地下连续墙,墙厚1 000mm,抗渗等级P10,内衬墙体厚度600~800mm,抗渗等级P8。地下连续墙与内衬墙之间采用水泥基渗透结晶型防水涂料,在干作业区内衬墙内侧另外设置一道水泥基渗透结晶型防水涂料层。箱体底板厚度1 400~1 600mm,抗渗等级P8,底板下层设置高分子自粘胶膜防水卷材。干作业区底板上层设水泥基渗透结晶型防水涂料层。箱体顶板厚度250mm,抗渗等级P8,顶板下层设置水性渗透结晶型涂料防水层,上层设置聚脲弹性防水防腐涂料以及SBS改性沥青耐根穿刺防水卷材。

2.1.3 来自管网超量进水的防范措施

泰和污水处理厂设计中对于管网可能出现的超量来水采取了被动防范和主动防范两种措施。被动防范措施是在来水超量、污水处理厂进水泵房前池液位超过最高报警液位有溢出风险时,进水速闭闸门迅速关断,污水处理厂停止进水以确保安全。污水处理厂进水井的设计如图3所示,为确保安全,进水井顶板做到箱体的顶板高度,即使进水水位超出地下操作层标高也不会溢出。另外,在速闭闸门之后还设置了一道电动闸门,即使在速闭闸门故障的情下,还能通过电动闸门关断进水。主动防范措施则是通过工程手段和管理手段,对污水处理厂的进水流量进行调控,最大程度地避免污水处理厂进水泵房前池液位的剧烈波动。工程手段是在污水处理厂的进水端设置了一个系统调蓄池,调蓄池容积15万m³。调蓄池进水渠道内设置有水平格栅及液动闸门,液动闸门的开启高度可调。当污水处理厂进水量超过设计规模,进水水位超过溢流液位时,超量的水会首先溢流进入调蓄池,从而保证进水水位的稳定和地下箱体的安全。系统调蓄的设计如图4所示。管理手段则是通过系统的联动调度,调节系统内各污水处理厂之间的流量分配来达到水量调控的目的。泰和污水处理厂属于上海石洞口污水系统,与石洞污水处理厂共用新西干线一根系统总管(见图5)。当泰和污水处理厂进水出现高水位风险时,可通过系统调度,加大月罗泵站向石洞口污水处理厂的输送水量。极端情况下还可以减小上游新薀藻浜泵站的输送水量,通过系统调度向其他污水片区进行分流。

 

3 进水井设计

 

 

5 片区污水系统

2.1.4 河水倒灌的防范措施

主要有两个措施,一是在出水泵后的管路上设置可靠的止回装置,即使在出水泵事故停泵、河道水位高企的情况下也能阻止河水倒灌回地下箱体内。二是在出水高位井内再设置一道闸门,在全厂停运、事故检修或其他特殊工况下,可关断该闸门切断与河道的联系从而确保污水处理厂地下箱体的安全。

2.2 针对内水的防淹设计要点

2.2.1 二、三级泵房满溢的防范措施

泰和污水厂设计中,首先,为防止各级泵房之间水泵流量的不匹配导致加减泵时出现水位的大幅波动,进水泵房(一级泵房)、中间提升泵房(二级泵房)和出水泵房(三级泵房)的水泵都按照8用2备的相同数量进行配置,单泵流量也相同。运行时各级泵房依次同步开停,从而保持前后流量的匹配和稳定。其次,各级泵房前池均设置了液位计和浮球开关,水泵也配置了变频装置,运行时根据泵房前池液位的变化可增减水泵或变频运行。第三,在二、三级泵房前池设置了溢流管,管径DN500,管口标高高出前池最高设计液位1250px,这样在前池水位非正常波动的情况下,超量来水可以通过溢流管溢流进入厂区污水系统而不至于发生池体满溢。第四,建立各级泵站之间的联动控制机制,在后一级泵站出现掉电或故障停泵时,前端泵站自动关停。另外,有条件的情况下宜适当加大二、三级泵房前池的设计池容,通过增加调节容积来尽量减小池内的水位波动。

2.2.2 格栅前满溢的防范措施

针对污水处理厂细格栅拦截压力大,容易堵塞的问题,泰和污水厂设计中在常规配置粗、细两道格栅的基础上,增设了一道中格栅。其中粗格栅采用回转式格栅,栅条间隙20mm,中格栅采用回转式固液分离机,栅条间隙10mm,细格栅采用内进流网板式格栅,栅条间隙3mm。三道格栅的设置可减轻细格栅的截污压力,缓解因细格栅堵塞而造成格栅前端污水冒溢的风险。其次,建立格栅前液位和进水水泵联动调控的机制,设置中、细格栅前报警水位。其中中格栅前池顶板标高0.80m,设计水位-0.20m,设定报警水位0.30m;细格栅前池顶板标高0.30m,设计水位-0.50m,设定报警水位0.00m。当格栅前水位超过报警水位则依次关停进水泵,避免造成格栅前污水冒溢。另外,在中、细格栅前也可以设置溢流管或超越渠道,事故情况下可通过溢流管让污水回流到进水泵房前池或通过超越渠道实现事故超越。

2.2.3 滤池满溢的防范措施

滤池是污水处理厂中自控程度和管理要求都相对较高的一个处理构筑物。容易发生满溢的风险点一是滤池的进水渠,可能会因为滤池堵塞或误操作等原因发生满溢;还有就是滤池的反洗废水池,容易因为废水泵故障、控制系统问题或滤池进水漏进废水池等原因发生满溢。而设计的防范措施除可靠的自控报警系统外,设置溢流管是一种最简单有效的措施,在滤池进水渠和废水池内均宜设置溢流管,管口标高位于设计水位和池顶板之间,溢流管道接入厂区污水管。

2.2.4 厂区污水及放空泵房满溢的防范措施

污水处理厂正常运行情况下,撇渣排出的污水、垃圾压榨和砂水分离的污水、污泥脱水的污水、滤池反洗废水以及除臭系统排出的废水等均最终汇集到厂区污水及放空泵房。构筑物检修情况下,检修构筑物的放空水也会汇集到厂区污水及放空泵房,因此该泵房是地下污水处理厂内排水压力很大的一个点。在设计该泵房时,需按照正常运行工况、正常运行叠加一组生反池放空的工况来分别计算和校核。按照正常运行叠加放空的不利工况来确定泵房的规模,水泵配置数量需要满足不同流量情况下灵活调度的需求。另外,由于该泵房的重要性很高,因此泵房前池宜尽量设计大一些以提供足够安全的调节容积。泰和污水处理厂设计中,在一体化箱体的地下二层设置了厂区污水及放空泵房,泵房前池容积约4 500m³,配置了3台潜污泵,2用1库备,单泵参数Q=501 L/s,H=17.3m,P=120 kW。

2.3 其他设计要点

除以上主要节点以外,在全地下污水处理厂的防淹设计中,还有以下注意事项:

双电源供电:污水厂需要有两路独立的供电电源,在一路电源停电的情况下能自动切换到另一路电源,确保供电的安全。

完善的自控系统及报警系统:污水处理厂内有水位控制需求的点都需要设置液位计,重要的地方如厂区污水及放空泵房前池甚至可以设置双液位计以提高安全性。厂内要有完善的自控系统实现各处理环节之间的联动控制,还要有完善的报警系统,在区域停电、设备非正常停机、液位超限以及其他事故情况下能迅速报警,提示管理人员及时处理。

积水排出设施的设置:在地下箱体内如地下管廊等低处,需通长设置集水边沟,并每隔适当距离设集水坑并安装存水泵,以备在有局部管道泄漏时能将积水及时排出。泰和污水处理厂在一体化箱体内沿底板边缘均设置了200mm×200mm的排水沟、汇入800mm×800mm×800mm的集水坑,坑内设置了固定安装的存水泵。整个箱体内共设置了10处集水坑,存水泵单泵参数Q=25 m³/h,H=12m,P=1.5 kW。

设备要有足够的备用率:按设计规范配置备用设备的基础上,关键节点的设备备用率可适当提高。

另外应急设备的库备也要充分考虑,如水淹事故发生后的应急排水水泵、箱体入口的应急防汛挡板以及其他防汛物资等。

3 结 语

安全设计是全地下污水处理厂设计考虑的重中之重。相对于常规的地上式污水处理厂,全地下污水处理厂要复杂得多,对设计和运行管理的精细化都提出了更高的要求。虽然近年来国内的全地下式污水处理厂建设呈爆发式增长,但大部分项目都是2015年后才开始启动立项和建设的。国内全地下污水处理厂的设计和运行经验也就十来年时间,应该说经验还是相对缺乏。这些年来已建成运行的全地下污水处理厂中,大大小小的水淹事故也有发生,有设计考虑不周的原因、有运行管理疏忽的原因、也有设备系统各种故障引发的原因。总之,还需要在今后项目的实际运行中不断发现问题、总结经验,才能有效地化解已知和未知的各种风险,更好地确保全地下式污水处理厂的安全,从而更好地发挥全地下式污水处理厂的综合效益。

 


 
 
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