摘要：

在“雙碳”目標(biāo)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)提升的雙重驅(qū)動背景下，傳統(tǒng)污水處理廠提標(biāo)改造中面臨工期冗長、用地緊張以及建設(shè)碳排放居高不下等諸多挑戰(zhàn)。本文著重提出承插裝配式污水處理廠建設(shè)技術(shù)，通過工廠預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件與現(xiàn)場承插式快速組裝的創(chuàng)新模式，實(shí)現(xiàn)建設(shè)流程的全面重構(gòu)。結(jié)合工程實(shí)踐，系統(tǒng)深入地剖析其核心原理、技術(shù)優(yōu)勢、關(guān)鍵工藝及典型應(yīng)用場景，充分論證該技術(shù)在城鎮(zhèn)污水提標(biāo)改造中的適用性，為行業(yè)提供具有價(jià)值的技術(shù)參考和切實(shí)可行的實(shí)施路徑。

關(guān)鍵詞：污水提標(biāo)改造；承插裝配式；模塊化設(shè)計(jì)；快速組裝；低碳建造；全生命周期管理

1.  背景

近年來，隨著《水污染防治行動計(jì)劃》（“水十條”）的深入實(shí)施，以及地方排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)苛化，全國范圍內(nèi)污水處理廠提標(biāo)改造工作全面展開。國內(nèi)眾多地區(qū)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)已從一級B提升至一級A，部分敏感區(qū)域更是要求達(dá)到地表水Ⅳ類或Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，尤其在脫氮除磷效率方面提出更高要求，如 總氮（TN）≤10mg/L，總磷（TP）≤0.3mg/L。

這一形勢對現(xiàn)有污水處理設(shè)施構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，特別是那些建設(shè)年代較為久遠(yuǎn)、處理工藝相對落后的城鎮(zhèn)污水處理廠，普遍面臨處理能力不足、出水水質(zhì)無法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的問題，迫切需要新增或強(qiáng)化生物反應(yīng)、深度處理等工藝環(huán)節(jié)。

更為棘手的是，多數(shù)污水廠地處于城市建成區(qū)，擴(kuò)建空間極為有限，必須在原址實(shí)現(xiàn)“提標(biāo)不降處理規(guī)模”的目標(biāo)。施工期間產(chǎn)生的噪聲、揚(yáng)塵以及污水排放等問題，影響周邊居民的正常生活和環(huán)境質(zhì)量。此外，長時(shí)間的施工改造還會對污水處理廠的正常運(yùn)行造成干擾，導(dǎo)致運(yùn)行中斷或處理能力大幅下降，給城鎮(zhèn)水環(huán)境質(zhì)量帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。在此情形下，裝配式污水處理廠憑借工業(yè)化思維重構(gòu)建設(shè)流程，實(shí)現(xiàn)“標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)”—“工廠預(yù)制加工”—“項(xiàng)目現(xiàn)場拼裝”一體化快速交付，為提標(biāo)改造提供了高效解決方案。

2.  承插裝配式污水處理廠技術(shù)體系

2.1.  定義和技術(shù)原理

裝配式污水處理廠（Assembled Sewage Treatment Plant）是指將傳統(tǒng)污水處理廠的各類構(gòu)筑物，如事故調(diào)節(jié)池、水解酸化池、生化池、二沉池、濾池等，分解為標(biāo)準(zhǔn)化的功能模塊，這些模塊在工廠進(jìn)行加工制作，完成預(yù)制后運(yùn)輸至現(xiàn)場進(jìn)行組裝，并連接設(shè)備、管線等污水處理配套及附屬系統(tǒng)，最終建成完整的污水處理廠。

承插裝配式技術(shù)創(chuàng)新性地采用“榫卯+高強(qiáng)螺栓”節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。在預(yù)制構(gòu)件邊緣設(shè)置凸榫/凹槽，通過承插子母連接后灌注微膨脹灌漿料，形成剛?cè)峤Y(jié)合的防水抗震連接結(jié)構(gòu)。污水處理構(gòu)筑物的主體結(jié)構(gòu)、設(shè)備基礎(chǔ)及管道系統(tǒng)在工廠預(yù)制為標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，運(yùn)至現(xiàn)場后進(jìn)行快速拼接，從而形成完整的處理系統(tǒng)。

2.2.  核心原理

預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化：運(yùn)用模數(shù)化設(shè)計(jì)理念，將池體墻板、底板、頂板及設(shè)備預(yù)埋件預(yù)制為帶承插口的模塊。如空心預(yù)制柱預(yù)留插槽，墻板邊緣設(shè)凸榫或凹槽，為現(xiàn)場組裝奠定基礎(chǔ)。

現(xiàn)場快速組裝：通過機(jī)械吊裝的方式將構(gòu)件插入預(yù)設(shè)接口，再輔以灌漿、螺栓或預(yù)應(yīng)力張拉固定，形成牢固的剛性連接。這種方式徹底摒棄了傳統(tǒng)現(xiàn)澆工藝中模板支護(hù)與混凝土養(yǎng)護(hù)等繁瑣工序，大大提供了建設(shè)施工效率。

2.3.  技術(shù)特點(diǎn)

2.3.1. 建設(shè)效率

工廠預(yù)制與現(xiàn)場組裝同步進(jìn)行的模式，使得典型項(xiàng)目工期從傳統(tǒng)現(xiàn)澆工藝的12~18個(gè)月大幅壓縮至3-5個(gè)月，工期縮短幅度達(dá)到70%~80%。現(xiàn)場作業(yè)得到極大簡化，濕作業(yè)量減少80%以上，無需大型混凝土澆筑設(shè)備，施工人員需求降低50%，這一系列優(yōu)勢不僅顯著減少噪音、粉塵等污染，更契合城市建成區(qū)環(huán)境保護(hù)要求。

2.3.2.  低碳建造

在建設(shè)階段，碳排放降低40%-50%。由于減少現(xiàn)場混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)，而這一環(huán)節(jié)在傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土施工工藝中占建設(shè)階段碳排放的60%，因此實(shí)現(xiàn)大幅的碳減排。構(gòu)件工廠化生產(chǎn)損耗率＜3%，相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆工藝10%—15%的損耗率，鋼材/混凝土利用率提升15%以上。同時(shí)，資產(chǎn)回收價(jià)值極高，不銹鋼裝配式水池回收比例可到95%以上，充分體現(xiàn)了低碳環(huán)保和資源高效利用的理念。

2.3.3.  結(jié)構(gòu)性能與靈活性

承插節(jié)點(diǎn)通過高強(qiáng)灌漿料增強(qiáng)連接強(qiáng)度，能滿足抗震設(shè)防8度（GB 50011標(biāo)準(zhǔn)）的要求，力學(xué)性能可靠，完全符合污水處理廠水池構(gòu)筑物的特征環(huán)境使用需求。預(yù)留承插接口為后期擴(kuò)建提供了便利，在提標(biāo)（擴(kuò)容）改造時(shí)，可在原有承插式池體旁快速拼接新增處理模塊，無需中斷污水處理廠的正常運(yùn)行，保證了污水處理的連續(xù)性。

2.3.4. 技術(shù)要點(diǎn)

（1）標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)：

秉持“功能單元模塊化”理念，將事故調(diào)節(jié)池、水解酸化池、生化池、二沉池、濾池等處理單元分解為標(biāo)準(zhǔn)模塊。例如，墻板標(biāo)準(zhǔn)模塊為B×H=3m×6m，通過靈活組合設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)不規(guī)則地塊的建設(shè)需求。在模塊設(shè)計(jì)過程中，充分考慮道路限制、運(yùn)輸工具及模塊結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等因素，確保模塊的可運(yùn)輸型和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（2）工廠預(yù)制和現(xiàn)場組裝：

裝備池體和構(gòu)件在工廠完成結(jié)構(gòu)焊接、模塊預(yù)制、設(shè)備集成工作，如曝氣系統(tǒng)、水槽、填料支架等。運(yùn)至現(xiàn)場后，僅需螺栓連接、拼接、灌漿，施工周期較傳統(tǒng)模式縮短70%-80%。以承插裝配式污水處理水池為例，采用“榫卯+高強(qiáng)螺栓”連接方式，節(jié)點(diǎn)承載力達(dá)到母材的90%以上，主體裝備施工安裝現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)不動焊作業(yè)。預(yù)制墻板預(yù)留設(shè)備接口，如水、氣管口和儀表安裝支架，實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)—設(shè)備—管線”一體化預(yù)制和螺栓連接安裝，基本無需動火焊接作業(yè)。

（3）質(zhì)量可控：

在工廠內(nèi)，構(gòu)件精度誤差可嚴(yán)格控制在2mm以內(nèi)，防腐涂層厚度均勻性提升50%。節(jié)點(diǎn)采用灌漿料+密封膠防水設(shè)計(jì)，確保裝備主體不滲漏，有限保證了污水處理廠的建設(shè)質(zhì)量和可靠性。

2.3.5.  典型生化池工藝

承插裝配式可實(shí)現(xiàn)圓形和方形池體，其中在污水處理廠核心生化系統(tǒng)中，通過裝配式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全段可調(diào)污水處理工藝。

該工藝生化系統(tǒng)主體采用雙層同心圓結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為二沉池，外環(huán)劃分為8~12個(gè)分區(qū)，可實(shí)現(xiàn)A²/O、多級AO、A²/O+AO、AOA等不同工藝靈活切換，能夠有效應(yīng)對季節(jié)性和城市發(fā)展帶來的原水水量水質(zhì)波動沖擊。與傳統(tǒng)活性污泥法相比，該工藝系統(tǒng)內(nèi)碳源利用率提高20%—30%，總氮去除率提升15~20%。同時(shí)，內(nèi)、外回流采用短流程、少管路設(shè)計(jì)，借助穿墻泵或氣提方式回流，大大減少內(nèi)外回流能耗和建設(shè)成本。

3. 典型應(yīng)用場景

四川某食品園區(qū)工業(yè)污水處理廠，原設(shè)計(jì)規(guī)模1萬m³/d，執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)，提標(biāo)改造后，處理規(guī)模擴(kuò)大至2萬m³/d，執(zhí)行《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》工業(yè)園區(qū)集中式污水處理廠標(biāo)準(zhǔn)，具體設(shè)計(jì)水質(zhì)指標(biāo)，進(jìn)水：COD≤550mg/L，總氮≤60mg/L，氨氮≤35mg/L；出水：COD≤40mg/L，總氮≤15mg/L，氨氮≤3mg/L。

污水處理工藝：預(yù)處理（利舊）→初沉池（原調(diào)節(jié)池改造）→水解酸化池（新建）→生化池（原位擴(kuò)容）→二沉池（新建）→磁混凝沉淀池（新建）→硫自養(yǎng)反硝化濾池（新建）→接觸消毒池（新建）→達(dá)標(biāo)排放。

其中，新建處理單元采用不銹鋼承插裝配式水池設(shè)計(jì)，以下為兩種典型圓形、方形水池結(jié)構(gòu)形式參數(shù)：

表1    圓形和方形不銹鋼承插裝配式水池參數(shù)

以濾池為例，其主體38個(gè)模塊的安裝僅需1臺吊車和4個(gè)人工，無需專業(yè)工具，主體現(xiàn)場組裝僅需3天，從工廠生產(chǎn)至主體完成安裝的整個(gè)周期為18天，具體施工工序如下：

基礎(chǔ)混凝土施工（預(yù)埋螺栓調(diào)節(jié)板）、裝備模塊生產(chǎn)（工廠預(yù)制）→現(xiàn)場吊裝、模塊安裝→模塊調(diào)整、高強(qiáng)螺栓緊固→子母承插口灌漿密封、底板密封防水施工→養(yǎng)護(hù)→閉水試驗(yàn)。

4. 技術(shù)對比

在污水處理廠建設(shè)領(lǐng)域，承插裝配式、焊接裝備式和傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土技術(shù)各具特點(diǎn)，存在多方面差異，具體如下：

表2    承插裝配式與其他形式對比

承插裝配式在工期、碳排放、回收率上優(yōu)勢顯著，最適合“雙碳”目標(biāo)下的提標(biāo)改造。承插式節(jié)點(diǎn)密封性和抗震性優(yōu)于焊接，且工廠預(yù)制精度更高；傳統(tǒng)現(xiàn)澆初期成本低，但長期維護(hù)費(fèi)用高。

城鎮(zhèn)建成區(qū)提標(biāo)改造、敏感區(qū)域（需快速施工+低干擾），優(yōu)先選擇承插裝配式。謹(jǐn)慎選擇焊接裝配式，其適于臨時(shí)性項(xiàng)目或預(yù)算有限且腐蝕風(fēng)險(xiǎn)低的場景。傳統(tǒng)現(xiàn)澆形式，適于地質(zhì)復(fù)雜或超大規(guī)模型新建污水廠。

5. 結(jié)論與建議

5.1. 結(jié)論

（1）承插裝配式污水處理廠通過標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)、工廠預(yù)制生產(chǎn)和現(xiàn)場拼接組裝的創(chuàng)新模式，在建設(shè)效率、低碳建排、空間利用率等方面超越傳統(tǒng)現(xiàn)澆工藝，尤其適合城鎮(zhèn)建成區(qū)的提標(biāo)改造需求。

（2）該技術(shù)支持原位擴(kuò)容和工藝靈活切換，可無縫集成深度處理單元，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)從一級A提標(biāo)至地表準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，且通過分階段施工實(shí)現(xiàn)不停產(chǎn)改造。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、耐久性提升與智能化融合，推動其從“高效建設(shè)”向“全周期低碳”升級，為“雙碳”目標(biāo)下的水環(huán)境治理提供可持續(xù)解決方案。

5.2. 建議

（1）建立通用模塊庫，減少異形池體定制成本，推動參數(shù)化設(shè)計(jì)工具，實(shí)現(xiàn)“水質(zhì)參數(shù)—模塊組合”自動生成，縮短設(shè)計(jì)周期。

（2）研發(fā)耐腐蝕密封材料，適配于不同形式污水的腐蝕性，延長節(jié)點(diǎn)壽命，跟蹤探傷檢測。

（3）部署數(shù)字化，跟蹤裝備節(jié)點(diǎn)溫濕度、腐蝕性，實(shí)時(shí)監(jiān)測應(yīng)力、滲漏等數(shù)據(jù)，提升預(yù)警準(zhǔn)確性。

（4）結(jié)合光伏發(fā)電、污泥沼氣利用，打造“零碳裝配式水廠”。