上海安亭污水处理厂三期扩建工程采用全地下一体化箱体建设形式，土建规模10万m³/d，设备按5万m³/d配置。污水处理采用AAO-MBR工艺，出水执行《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准，其中NH3-N和TP执行地表Ⅳ类水标准。通过系统回顾污水处理厂的建设历程，分析总结了污水处理厂在处理工艺及排放标准方面的创新和发展，同时对全地下建设形式的选择进行分析论证，并就污水处理厂的全工况安稳设计、近远期结合平衡设计等进行探讨。
01 安亭污水处理厂的发展历程回顾
安亭厂始建于2003年，运行至今，已有近20年历史，为地区污水处理和环境保护作出了重要的贡献。2003年底，污水处理厂一期工程建成运行，规模为5万m³/d，污水处理采用生物接触氧化法工艺，处理工艺采用出水水质满足《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）中的二级排放标准；2009年底污水处理厂二期工程建成运行，规模5万m³/d，污水处理采用AAO法工艺，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）二级标准；2017年底一、二期提标改造工程完成通水，规模10万m³/d，出水水质执行GB 18918-2002一级A标准，提标改造主要新建深度处理“高效沉淀池+过滤”设施，同时对污水处理厂除臭进行全面升级改造。
2017年，伴随提标改造的顺利完成，安亭污水处理厂三期扩建工程启动，新建增量污水处理设施，同时新建全厂污泥集中处理设施。采用全地下污水处理箱体布置形式，土建规模10万m³/d，设备按5万m³/d配置，污水处理采用AAO-MBR工艺，出水要求高于一级A标准；污泥处理采用脱水干化工艺，目标含水率30%～40%，处理后污泥外运焚烧。
02 全地下建设形式的选择
地下污水处理厂代表了一种技术的选择，也提出了一系列的挑战，包括预处理、生物处理、深度处理及污泥处理等诸多问题均应进行深入研究和探讨。地下式污水处理厂建设符合城市的绿色发展方向，是生态文明建设的重大抓手。同时，也应认识到其运营难度大，运行成本高，选择时应综合比较、综合评估，争取一次投入多重产出，多重效益。安亭污水处理厂三期扩建工程全地下污水处理建设形式的选择综合考虑了周边环境要求、占地因素等，因地制宜，经过充分的技术经济综合比选而定。
（1）周边高标准环境要求。污水处理厂用地周边居住区逐渐增多，最近约500 m；规划赛车城配套商务区与污水处理厂仅一河之隔；距离高尔夫球场约700 m；距离国际赛车城约1 km。为尽量减少污水处理厂设施运行对周边的影响，环境友好是本工程整体布置及空间利用的首要考虑因素。
全地下式污水处理厂在环境友好方面有着十分独特的优势，其封闭性强、无二次污染，对周边居住区影响减到最小；地面空间可塑性大，可进行绿化景观、水景、公园、运动场以及办公综合楼等设置，不仅不会给周边环境带来不良影响，反而会提升周边的环境质量，对地区经济发展起到助推作用。
（2）有限的占地空间。安亭厂用地范围有两条规划市政道路、一条规划河道和一处高压走廊穿越，厂区原先规整用地被分解，可供利用的整块区域较少。如现状二期被规划支路分解，剩下二期西北角三角形用地可用；一期和二期用地中间被规划河道分割；规划高架和规划高压走廊覆盖了现状厂前区、一期及提标改造的的构筑物单体。可供三期利用的面积约5.02 hm²。
按照《城市污水处理工程项目建设标准》，安亭三期扩建工程按规模划分为Ⅳ类污水处理厂，“二级+深度”处理工艺用地指标0.95～1.2 m²/(m³·d)，按远期10万m³/d规模考虑，用地约9.5～12 hm²。本次三期扩建用地面积仅5.02 hm²，显然不能满足常规地上式污水处理厂的用地需求，必须采取集约化的地下式污水处理厂布置形式。
地下式污水处理厂采用功能化组团布局，池体共壁，能最大程度的减小占地，节约土地。本工程三期扩建10万m³/d全地下箱尺寸约180 m×140 m，占地仅2.52 hm²，为国家标准用地的四分之一，实现了高度集约化布置，极大的节约了土地资源。
03 全标准升级、全工况安稳设计
3.1 全标准升级
总结我国污水处理行业的发展，主要经历了几大阶段。“九五”期间，各地为落实水污染物减排责任目标和任务，污水处理设施的建设和运行成为主要途径；“十五”和“十一五”期间，在国家政策和财政资金的大力支持下，城镇污水处理设施建设规模快速增长；而后在“十二五”和“十三五”期间，城镇污水处理厂的发展模式由量的增加逐步发展为质的提升，污水处理厂的出水排放标准大幅度提升，一级A标准提标改造、污泥处理处置、水资源能源循环利用和环境友好成为工程建设项目的重要内容，同时也涌现了一大批污水处理新工艺、新技术，如各种高标准出水水质的深度处理综合工艺、地埋式污水处理厂大规模新建、集中式污泥干化焚烧项目的建设等。安亭污水处理厂四个发展阶段与上述中国污水处理行业的发展脉络基本吻合，是上海市乃至中国污水处理行业发展的历史缩影。
3.1.1 污水排放标准和污水处理工艺的升级
安亭厂一期和二期的污水排放执行二级标准，有机污染物（COD、BOD）和SS的去处是工艺设计的核心内容，一期工程采用一段式曝气池工艺，停留时间也较短（约6 h），二期工程从设计水质上而言，脱氮除磷的要求很低，但在设计时已经考虑脱氮除磷的需求，采用了具有脱氮除磷功能的AAO工艺，但因出水标准偏低，池体设计停留时间较短。一、二期提标改造工程，出水执行一级A标准，氮、磷的去处与碳源物质的去除同样重要，提标改造通过投加生物填料的方案对一、二期生物处系统进行了改造，同时应对高标准的氮、磷排放要求，在生物处理段后面增设了“高效沉淀池+滤布滤池”组合工艺。
本次三期扩建工程污染物排放执行国家一级A标准，其中氨氮和总磷执行地表水Ⅳ类水标准，即氨氮1.5 mg/L（水温＞12 ℃），3.0 mg/L（水温≤12 ℃），总磷0.3 mg/L。为了在有限的用地范围内实现高标准出水，工程选用AAO-MBR工艺，MBR工艺可高效地进行固液分离、生物相丰富、膜的高效截留作用形成较为完成的微生物链，具有占地节省、运行稳定可靠、抗冲击负荷能力强等优点。在目前国内已建和在建的全地下污水处理厂中，多数均采用 MBR工艺。本工程还针对性设计，使其更加灵活高效。采用多级渐减回流方式，以应对大比例的回流对生化系统各段的DO值和MLSS浓度的影响；增加预缺氧段，对传统AAO工艺进行改良，充分应对MBR膜池可能出现的溶解氧含量高等情况，确保缺氧段的反硝化环境；设置初沉池超越以保障进水BOD5、SS较低时生反池碳源的充足等。
3.1.2 污泥处理工艺和处理标准的升级
污泥处理工艺的选择应污泥出路的需求而定，处置决定处理。安亭厂一期、二期工程污泥处理采用“脱水+好氧发酵”组合式工艺，其中，脱水过程实现污泥的减量化，两段式好氧发酵实现了污泥的无害化，污泥出路按土地利用考虑。一二期提标改造期间，根据《上海市城镇排水污泥处理处置规划，2009年》（上海市水务局）的要求，嘉定安亭、嘉定新城、大众污水处理厂污水水质以生活污水为主，污泥泥质较好，污泥出路仍以土地利用和填埋为主。提标高改造工程维持一二期污泥脱水+好氧发酵工艺，对厂区增量污泥采用“化学调理+板框压滤”的应急预处理措施，污泥深度脱水至含水率60%，外运至填埋场填埋处置。
提标改造解决了增量污泥的处理，但这种处理仅仅是应对暂时性的污泥出路而选择的。安亭厂乃至嘉定区目前几座污水处理厂的污泥出路问题仍然没有解决，填埋方案也逐渐不可行，垃圾填埋场已满负荷甚至超负荷运行，污泥的出路将十分棘手，另一方面，安亭厂目前收集范围内的工业废水有所增加，污泥土地利用方案并非最优化方案，工业废水的纳入可能会是的污泥中有毒有害物质增加。
与中心城区相同，污泥独立焚烧方案已成为上海市郊区污泥处理处置的最优化方案。嘉定区目前已经开始规划建设集中式污泥独立焚烧厂站，为响应嘉定区污泥处理规划要求，本次三期扩建工程以“独立焚烧+建材利用”为污泥的最终出路，选取污泥处理工艺，污泥处理至含水率30%～40%。三期工程对全厂污泥处理系统进行集中迁建，新建全厂污泥脱水干化设施。污泥处理工艺采用目前嘉定区几座污水处理厂在用的脱水干化一体工艺，该工艺集脱水和干化于一体，具有比常规两段式工艺占地少、投资省、运行成本低等优点，可在较大范围内应对进泥量和进泥含水率的变化，是较为适合本厂污泥的处理工艺。污泥处理系统设计，对过程中的机械浓缩、隔膜压滤、干化蒸发等各阶段均进行了细化设计，充分考虑了各种不利工况，确保污泥处理出泥含水率达标。
3.1.3 臭气处理系统的的优化设计
安亭厂一二期建设时期，对于污水处理厂臭气并未有明确的标准，因而工程也未设置臭气收集处理系统。后期随着国家除臭标准的出台，对一二期预处理区域的粗格栅进水泵房、细格栅曝气沉砂池及污泥处理区进行了厂除臭设计，按国家二级标准进行建设。一二期提标改造期间，根据上海地方标准的要求，对全厂除臭系统进行了升级改造，其中对原除臭设施增设活性炭吸附段，对一、二期初沉池及生反池进行加盖或加罩，选用“生物除臭+活性炭除臭”组合技术。
本次三期扩建工程，除臭标准执行上海市地标《城镇污水处理厂污染物排放标准》（DB 31/982-2016）中恶臭污染物排气筒排放标准值和厂界标准值。除臭设计选择生物法为主，结合化学洗涤及活性炭吸附（或干化学）的三段组合式工艺。在臭气收集方面进行了精细化的设计，如污水处理操作层参观通道、污泥干化车间大空间设置离子送风装置，确保操作及参观空间舒适性；除常规设计外，本工程根据需除臭构（建）筑物位置、臭源特性，对各需除臭区域进行系统分区控制，对其中环境相对较差的预处理区和初级处理集中布置，二次封闭，对不同区域采用区别化的换气风量参数及换气次数，分量收集，针对性的设计在高效环保的前提下最大化的保障处理效果。
3.2 全工况安稳设计
地下式污水处理厂整体位于地下，其应对突发事件的能力相对地上式污水处理厂需要大大加强。在设计阶段应充分考虑，通过设置相应的技术措施，以应对正常工况、检修维护工况、事故工况、应急工况等各种工况的发生，最大程度的确保运行安全。
3.2.1 应对进水水量变化的设计考量
本次安亭厂三期扩建土建按远期10万m³/d建设，设备按近期5万m³/d配置，根据目前厂区运行水量进行预估，待三期建成后，水量估计难以立即达到5万m³/d的规模，旱季小水量的工况需予以考虑；另一方面，根据厂区运行数据，雨季来水量增加较明显，雨季大水量的工况也必须予以考虑。在设计时应从土建和设备两方面综合考虑了来水量的波动，主要有以下几方面：
总变化系数Kz取值：总变化系数方面，根据《上海市污水处理系统及污泥处理处置专业规划（2017-2035）》，要求污水处理厂规模应满足15倍日均污水量稳定达标，结合本厂实际运行下水量的波动情况，本此三期扩建总变化系数Kz取值1.5。
进水泵房大小泵搭配：近期配置4台进水台升泵，两台大泵579 L/s，两台小泵289 L/s。如此，旱季小流量时可开启289 L/s小泵1台，另1台备用；5万m³/d平均规模下，可开启 1台579 L/s提升泵，另1台备用；短时高峰进水，即KZ=1.5时，同时开启1台大泵和1台小泵，另2台泵在线备用。
生物处理系统流程分组：10万m³/d土建规模生物反应系统整体分两组进行设置，每组5万m³/d，其中5万m³/d又进行两组分割，可实现完全独立运行，实际AAO-MBR生物反应系统按2.5万m³/d进行流程分组。
3.2.2 防汛防淹设计
全地下厂若临时停电或出现紧急故障后，以及汛期来水量不可控时，容易被来水淹没。秉持安全第一的理念，本工程拟采用多道措施进行防淹设计。
进水端速闭闸门：于进水端设置1道断电速闭式闸门，升高此闸门前的进水井顶部标高，高于河道洪水水位4.0 m。若发生紧急情况，速闭闸门能够及时隔断来水，避免地下箱体被污水淹没。
进水泵房放淹设计：在实际运行汇总，考虑速闭闸门的维护检修及老化的情况，此时，来水进入提升泵房前池，通过提升泵连通至后端处理构筑物，箱体仍然存在一定的淹没风险。在进水端速闭闸门后考虑设置第二道防护措施。即整体抬高进水泵房区域操作层标高，至约4.0 m，高于河道常水位2.5 m；同时在进水提升泵出水管上设置电动闸阀。当速闭闸门未能有效隔断来水时，来水仅储存于进水泵房前池区域，与后续处理构筑物区隔断，确保整个箱体的安全。
应急及防汛设施：在地下箱体内设置应急池，应对短时高峰冲击流量；设置防汛泵房，采用强排模式排除地下可能的积水，确保整个地下空间的排涝安全，防洪防淹。
04 近远期结合，立足全厂平衡设计
4.1 箱体的二次建设方案
本次安亭三期污水处理厂扩建场地位于原垃圾处理厂位置，垃圾厂已拆除，但保留了变电所和污泥脱水系统，其中变电所带有提标改造部分用电，污泥脱水系统为目前厂区现状污泥处理系统，目前均在使用。三期待建场地上的污泥系统设施包括：1座储泥池、1座污泥脱水机房和1处污泥深度处理区。
水处理箱体工程建设前，需要提前迁建配电间和污泥处理设施，以腾出施工场地。配电间位于场地中间，必须在三期开展前提前迁建。而污泥设施相对位于边角，如果在完全建成新的污泥干化脱水系统后，再拆除现状污泥设施，然后再开展三期污水处理箱体的建设，则会大大延长整个项目工期，对整个项目的推进相当不利。为此，本次提出了手枪型箱体建设方案。
箱体需要二次实施，在保留现状污泥设施的前提下，先实施“手枪型”的全地下箱体，包括了预处理、初沉池和生物处理主要构筑物。随后，在新的污泥系统投产后，将现状污泥厂房拆除，再建设箱体的剩余部分，主要是加药间、管理用房和附属用房。如此，在保持现状污泥处理设施正常运行的情况下，同步建设三期全地下箱体和全场污泥处理设施，几乎做到了无缝衔接，保证了污水和污泥处理的按时投产运行。
4.2 污水处理厂远期改造的统筹考虑
根据现状水量的统计分析，同时结合嘉定区污水规划，安亭厂近期2020污水量预测约为13万～14万m³/d，在2025年前后达到约15万m³/d规模；远期2035年污水量约为19万～20万m³/d。同时，根据安亭厂用地布局规划，规划高架路和高压走廊覆盖了现状厂前区综合楼、一期及提标改造的的构筑物单体，因而污水处理厂远期翻建的可能性很大。基于上述两点因素的考量，结合目前的用地条件，本次三期扩建提出了土建按远期10万m³/d一次建成，设备按近期5万m³/d配置，远期扩容仅增加设备。
首先，从客观条件上说，三期扩建厂地面积小，仅5.02 hm²，不能满足两座独立5万m³/d规模箱体的建设需求。若按近远期独立建设两座5万m³/d的地下箱体，远期建设箱体与近期建设箱体保持至少10 m以上的安全施工保护距离，再加上进出口通道及辅助用房等的建设，占地面积将远大于一次建设用地面积。再者，土建10万m³/d一次实施可以大大减小污水处理厂建设总投资，简化建设程序，缩短建设周期。另一个重要方面，三期扩建按土建按远期10万m³/d规模一次实施，留有5万m³/d规模设施余量，为一、二期的翻建提供运行调度空间，可实现不停水改造，极大提高安亭污水处理厂运行的灵活性和稳定性。