城市每天产生大量污水,它们是如何被处理掉的?

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最新回复:2019年8月8日 7点55分 PT
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了不起的中国制造

作者 | 杨不平,一线建设者

城市每天会产生大量的污水,这些污水需要通过庞杂的管道系统输送到污水处理厂进行处理。但是,大多数人可能并没有见过污水处理厂,更难以想象未来会有这样的景象:在城市里根本看不到污水处理厂,但它却一如既往为你服务。

中国许多城市正在兴建的污水深隧项目正是这样的工程,今天我们以目前规模最大的武汉深隧工程为例带大家了解下城市的污水深隧工程。

(一)中国的污水处理起步晚任务重,问题多多

中国污水处理产业发展起步较晚,改革开放前,污水处理的需求主要以工业和国防尖端使用为主,二十世纪九十年代后才进入快速发展期,处理需求的增速也远高于全球水平。

截至2014年,中国城镇污水处理厂共3900余座,但治污任务仍相当繁重。而且随着时间的推移,不少问题开始暴露出来。

问题一:污水处理厂用地与城市格局之间的矛盾

一般污水处理厂在建厂之初,选址用地均位于城市建设边缘区,与当时的城市布局没有矛盾,但随着城市的快速发展,污水处理厂往往会被新建的建筑物所包围。

如武汉的沙湖污水处理厂,现已成为武汉市内环内唯一一座污水处理厂,与周边地区的功能格格不入,影响地区发展,同时使得厂区周边地区土地资源的潜在价值得不到释放。随着各大城市的不断发展,未来还会有更多的污水处理厂将面临这样的问题。

(沙湖污水处理厂位置及周围环境)

问题二:与环境保护要求的矛盾

2006年,国家环境保护总局发布的《城市排水工程规划规范》(GB 50318-2017)中明确要求,污水处理厂应设置卫生防护用地,对于新建厂区,防护距离最少应为150米。

但实际上,许多已完工的污水处理厂并没有足够的安全防护距离,有的污水处理厂甚至没有除臭设施,周边居民饱受臭气和噪音干扰。即使采取了完善的措施,人们也可能因为心理因素等原因而对污水处理厂产生厌恶情绪。

随着国家对环境保护的重视力度不断加大,相信未来的污水排放标准将进一步完善和提高,也将有更多的污水处理厂需要进行提标改造。

问题三:厂区升级、扩建需求与用地限制

随着城市人口的不断增长,部分污水处理厂的处理能力已经达到甚至超过设计之初确定的容许值,如对其进行扩建进而提升处理能力,往往难以取得富余用地,即使解决了用地问题,也难以从根本上解决污水处理厂与地区发展、土地利用之间的矛盾。

(湖南一污水处理厂因处理能力不足,不得已将未处理污水排入湘江)

诸般问题下,城市污水深隧系统或许是不错的选择。

(二)整体搬迁后的“巨无霸”,日处理污水80万吨

武汉的深隧工程是将现有的三个污水处理厂和一个规划中的污水处理厂整体搬迁,新址选在城市下游的化工区备用地内,体量将特别庞大,仅一期污水处理规模就达到80万吨/日。

建成后,这一工程将为武汉市130平方公里范围内近200万人提供服务。远期还将考虑其他地区污水及雨水处理需求,规模达到150万吨/日,位居全国前列。

(三)如何驯服地下跨越17公里的水龙?让污水有专门通道

污水处理厂的问题解决了,但另一个问题随之而来,那就是如何将以前污水处理厂的水从城区输送到新建厂区。建设者们选择了地下深层隧道传输的方式。

相信你对地下隧道并不陌生,我们每天乘坐的地铁隧道就是地下隧道的一种。对地铁来说,一般考虑修建难度、效率、经济性等因素,地下20米左右是一个比较合理的深度。但深层隧道埋深更深,武汉污水深隧工程中隧道埋深达到30-50米。

这样的埋深有几方面的优势,一是对地面及地下管线影响小;二是能预留地下空间资源;三是长期使用安全性更高,不会受到地面及浅层施工的影响。

(地下空间规划示意图)

但这样的深度也意味着隧道将从下方穿过许多重要的建筑物,比如地铁隧道、高铁线路等。不仅如此,隧道还将穿越一个湖泊,湖下还有许多的溶洞。虽然问题很多,但建设者们的办法更多。

针对下穿铁路的问题,工程师首先对隧道下穿铁路区域采用MJS深层旋喷桩进行加固,即通过注浆管,将水泥浆液注入地下,对地下土体进行加固。

在盾构掘进通过时,在洞内进行二次注浆加固,双重保障将隧道穿越对铁路的影响降到最低。同时在地表沿隧道路由设置沉降观测点,在施工全过程进行监控,做到信息化动态施工管理。

(MJS工法示意图)

针对湖底隧道穿越区域溶洞的问题,建设者们在湖上沿着隧道修建了一道钢栈桥,在桥上采用钻孔加CT扫描的方式探明需处理溶洞的范围和大小,再对溶洞采取投石或灌浆的方式进行处理,消除溶洞对隧道挖掘的影响。

以上解决了隧道建设的问题,确保了污水有行走的通道,但污水怎么从地表来到地下几十米深的隧道呢?污水可不是做自由落体运动飞流直下的,那样形成的小瀑布足以将隧道底板击溃,进而危及整个工程的安全。

设计师采用板折消能的方式,水流通过折板通道进入深层排水隧道的过程中,在每层折板间发生一次跌水消能。如果你觉得专业术语难以理解,那只要想象成跳楼和下楼梯的区别就行了,水流通过一道道混凝土板做成的“楼梯”来到隧道底,在过程中消耗掉水流的动能和重力势能,使它能“安静”的流走。

(水流下落过程中的流速变化示意图)

到了隧道末端,隧道内的水需要提升到位于地面的污水处理厂进行处理,污水提升的成本也是必须考虑的。与地表排水类似,深隧输送方式也分为压力流和重力流。

重力流流态相对稳定,对各入流点流量变化适应性较强,但重力流隧道埋深末端泵站扬程相对较高,对通风除臭要求也高。

压力流与重力流相反,其末端泵站扬程相对较低,通风除臭相对简单,但对各入流点流量变化适应性相对较弱,系统流态变化相对较大。通俗一点可以直接理解为压力流下最终水流需要提升的距离缩短,所需的成本也相对较低。

另外,重力流要求的埋深比压力流深10米左右,考虑到建设投资、运营成本等因素,工程最终选择了压力流的方式。

(压力流与重力流对比示意图,其中左为压力流,右为重力流)

(四)百年工程如何做到“免维护”?清淤除臭防水一个也不能少

攻克重重困难,建设者终于把污水从四面八方收集起来并成功输送到了污水处理厂进行处理,但工作尚未结束,整个工程要在一百年的运营期内做到少维护甚至免维护,还需要考虑更多。

最主要的,是确保深隧在运营时自身达到不堵塞,尽量不需要人工下井维护和设备清淤。为此,建设者们在原污水处理厂位置设置了污水预处理站,对进入深隧系统大于0.2毫米的无机颗粒进行拦截。

污水预处理站主要包括过滤装置和除臭设施,且均位于地下,地表以上仅为管理人员办公区域,因此所需用地比以前少得多。预处理站除了占地少这个优势外,最大的优势还是隐蔽,即使你从它的门口经过,也绝不会发现它到底是干嘛的。

(预处理站效果图,从外观上根本看不到传统污水处理厂所需要的设施)

除了对污水进行过滤外,设计人员前期通过实际采样分析进水水质特点和粒径分布,结合理论计算和水力模型确定了深隧最小运行流速要求,最后通过物理实验验证流速效果。保证深隧系统内仅靠水流流速就可以将未能及时过滤的颗粒物带走。

不过,即使颗粒物淤积导致堵塞也不必担心,隧道内和预处理站均设有智能感知系统,对整个系统内的水位、流量、流速、水质进行检测。

当实际水力曲线与模拟的三维水力模型曲线差异较大时,即可视为隧道内发生了堵塞。此时通过设置在深隧起点的联通管,应急将附近的港渠水补充进入深隧,保证隧道内流速大于计算得出的冲刷流速,不多时隧道内的堵塞就会被水流带走,隧道内水位曲线恢复正常。

预处理站将无机颗粒物过滤掉了,但剔除水中携带的气体和有机物可不是它擅长的,这些得等到污水到达终点的“巨无霸”处才能完成净化。因此,如何防止隧道内的气体超标也是个大问题。

为此,工程师们在隧道沿线设置了数个竖井用于通风,并在井底设置了气体分析仪用于检测管段中有毒/可燃气体浓度值,在浓度值达到报警线后,系统加大排风量,把隧道内危险气体浓度控制在允许范围内。

最后一个重要的风险就是防水了,在运行期间,隧道不仅要承受地下水的压力,还要承受内部传输污水的压力,因此该工程隧道选择了双层衬砌结构。

施工期间由管片承受外部围岩压力、地下水压力,而运营期间则由管片结构和二衬结构共同承担外部围岩压力、地下水压力以及内水压力。管片接缝处设置弹性密封垫和嵌缝两道防水措施,二衬内侧通过表面涂层的方式实现防腐蚀,确保隧道内外的水互不干扰。

结语

目前,武汉污水深隧工程已经如火如荼地建设起来,除了武汉,目前北京、广州、深圳、成都等地的深隧系统或已完成规划,或已建成了部分试验段,各地均在朝着改善城市环境,降低城市内涝风险的方向努力,未来我们将难以在城区内再见到污水处理厂了。

心太软
1 楼
这个工程看不到政绩,就像城市下水道,没有一任市长愿意干这种默默无闻的工作,政府在这些工程上,也没有很大的投入,做它也拿不到回扣,还不如就这么凑合着能用就行,这些年大小城市逢雨必涝,倒逼着政府要加大力度整治城市下水道,污水管道,只要有大投入,很快就会见成效,毕竟这里是中国,奇迹发生的地方。
笔名a
2 楼
这是良心工程,目前还是直接排掉的多。我去
p
partyover
3 楼
不错,希望国家加大力度投入环保基建。
n
neophoenix
4 楼
看到最后两段,感觉意思是说如果出事的话,直接就污染了深层地下水