近年來，我國污水處理廠的建設取得了舉世矚目的成績。但行業依舊存在諸多難題，嚴重影響著污水處理行業的可持續發展。由此，地下式污水處理廠建設迅速發展起來，而且規模越來越大。相應的，地下污水處理廠建設是大勢所趨嗎？在技術上又帶來了哪些挑戰？等話題也成為行業討論的熱點。
清華大學環境學院教授、博士生導師王凱軍的課題組很早就針對地下污水處理廠做了相關的調研，他提出，要將污水廠的“負資產”變為生態的“正資產”的理念，將被動建設轉化為主動追求，從生態友好、環境友好、社區友好幾個方面來實現轉變（詳情請點擊：王凱軍：地下污水處理廠的價值分析）。
2016年上海水業熱點論壇上，王凱軍老師進一步提出了，應該站在更宏觀的角度審視地下污水處理廠的現象，發揮和利用其優勢，順勢而為。王凱軍以猿變成人從樹上走到樹下為例，他說，上和下從某種程度上提出了不同技術的要求，可能帶來時代的發展，技術的發展，應該有一個更積極的態度。恩格斯曾指出，直立行走是從猿到人轉變過程中“具有決定意義的一步” 。彼得·德魯克則說“要進行系統化的創新，企業需要在每隔6~12月就打開企業的天窗，看一看外面的世界。”從這個角度來講，地下污水處理廠也許是一個創新的開始。（詳情請點擊：王凱軍：生態文明帶來水處理技術的大繁榮）。
在“2020年排水大會”上，王凱軍老師系統回顧了地下式污水廠的發展現狀，以及團隊近些年在該領域的思考和實踐總結。同時也從生態文明建設的角度重新審視地下式污水廠的發展，思考未來的地下式污水處理廠應當是什么樣的？我們又該如何應對？本文整理了王凱軍老師在該會議上的發言內容，以期給行業發展帶來一定的啟發。
來源： JIEI創新實驗室 作者：房闊
清華大學環境學院教授、國家環境保護技術管理與評估工程技術中心主任
王凱軍教授
地下污水處理廠發展背景分析
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的可持續發展。由此，引發了專家學者們的思考，西方大規模、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展中國家的唯一選擇？
傳統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的土地價值。我們課題組采用網絡爬蟲工具，從鏈家網站（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，分析其對周邊經濟社會影響。結果表明，處理規模為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%）。可見，傳統地上式污水處理廠會嚴重影響周邊地區的土地價值。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模管網建設費用，在處理規模不變的情況下，投資金額降低。這一模式的開發為污水處理行業的發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，數據統計顯示其所占比重較低（＜2%），因此，把此階段稱為“發展初期”。在此時期，關于地下式污水廠發展的爭論不斷，引發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象，發揮和利用其優勢，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”變為生態的“正資產”的理念，將被動建設轉化為主動追求，從生態友好、環境友好、社區友好幾個方面來實現轉變。
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：
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，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，最優先考慮的應為主體生化處理工藝的優選。
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，節省占地，能夠避免二沉池的建設，現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，中國水環境集團開發固定床節地型生化處理（HBR）工藝，大幅節省占地75%以上，實現污水生物處理的高效節地目標。
HBR工藝節省占地示意圖
此外，好氧顆粒污泥技術沉降速度快（30-70 m/h），節省占地，省區二沉池，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，可節約75%以上的占地面積和30%的能耗。該技術基于傳統生物處理工藝，但可實現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的工藝之一。
2.采用新型二沉池優化設計
二沉池也是地下廠建設的主要難點，需要改進現有沉淀池形式。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選池型，目前，周進周出矩形沉淀池成功推廣運用于國內多個下沉式污水處理廠，水力負荷可達1.5 m³/(m2·h)，出水SS穩定達標。
矩形周進周出沉淀池應用案例
3.廠區結構布置豎向形式
現階段，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，在北京東壩生態再生水廠創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研發中心。
北京東壩生態再生水廠設計圖
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
廠區結構布置豎向形式
生態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，提出將城鄉生態綜合體建設與地下污水廠相結合，進一步推動“負資產”向“正資產”的轉變，并且明確提出，把地下污水廠作為抓手，推動生態文明建設。
污水處理廠生態綜合體，根據所在地區，分為城區型和郊野型，具備公共服務、教育、生態、科研等多方面功能。秉承生態文明理念，將污水處理與提供生態景觀、休閑娛樂、科普教育、科技研發、濕地綠化等公共服務有機融合，地上地下統籌規劃，改善周邊環境質量。
城市生態綜合體的研究與實踐
生態綜合體概念的提出，可以說是污水處理的行業踐行生態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。
生態文明建設是中國在社會發展方面的一次創舉。所謂“生態文明”，是以人與自然、人與人、人與社會和諧共生、良性循環、全面發展、持續繁榮為基本宗旨的社會形態。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“直接進入生態文明的發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文明這一千載難逢的偉大歷史機遇。”
在生態文明的大背景下，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成為非常明顯的發展趨勢。值得注意的是，在此快速發展的階段，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，由中國水環境集團建設，是華東地區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，占地面積約4.8萬㎡，較同規模水廠節地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
創新引領與發展趨勢
為明確未來的發展趨勢，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，姑蘇區城東污水廠毗鄰古護城河和蘇州大學，周邊居民區環繞，距古城相門700（直線）；高新區新區污水廠，毗鄰京杭運河，距離蘇州市政府1.3公里（直線），目前為重點發展區；高新區鎮湖污水廠規模4萬噸，距離虎丘區政府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，分析為什么會出現被城市包圍的污水廠這一現象呢？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%同樣的城鎮化率水平，污水處理廠大規模建設也同期建設完成。因此，污水處理廠的建設跟城市發展同步進行，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。聯合國最佳標準是人均60㎡綠地面積，而我國在2019年人均綠地面積僅為14.40㎡，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，快速城鎮化也導致了城市公共服務體系的缺失。從數據調研可以看到，我國現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景觀、休閑娛樂、科普教育、科技研發、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桃花島片區的新晉網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；大理洱海環湖水環境治理項目建設了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、生態農業、生態停車場等，與社會的經濟發展充分融合。
大理洱海環湖水環境治理項目
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，普拉克與光大環保（中國）有限公司簽訂雄安新區垃圾綜合處理設施一期工程有機垃圾聯合厭氧項目合同。該工程采用半地下隱藏式“去工業化”設計，地上部分主要為管理宣教區、休閑娛樂區、景觀區，地下部分主要為生產區。這為地下污水廠的發展奠定了良好的基礎。
地下污水處理廠及生態綜合體的建設，有利于把污水廠的“負資產”做成城市的“正資產”，應該以城市地下污水廠作為抓手踐行生態文明的理念，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未來的發展鋪好路！
