廣州地下式污水處理廠數(shù)字化建設(shè)與運營實踐探討
摘 要：文章概述了廣州建設(shè)地下式污水處理廠的背景，論述了地下式污水廠數(shù)字化建設(shè)的幾個重要元素：信息系統(tǒng)聯(lián)動協(xié)同、資產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化、運營管理數(shù)字化與各工藝環(huán)節(jié)控制邏輯優(yōu)化升級的智能管理應(yīng)用，介紹了旋流沉砂池、生化池、污泥回流、二沉池、設(shè)備與管線智能控制措施，總結(jié)了地下式污水處理廠污泥處理處置、臭氣處理與再生水利用的運營實踐，探討了地下式污水處理廠的綜合開發(fā)，并提出低碳源消耗生物除磷新技術(shù)、污泥固碳技術(shù)、組合工藝除臭技術(shù)、污泥調(diào)理藥劑配方及地下式污水處理廠數(shù)字孿生是未來重點研發(fā)方向。
2010年全國第一座全地下式污水處理廠在廣州市白云區(qū)京溪建成并通水運行，占地僅27畝(1畝≈666.67 m2)，處理污水達15萬m3/d，實際出水優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。近幾年來，廣州所建8座污水處理廠都是地下式污水處理廠，國內(nèi)的其他城市也陸續(xù)建成一批地下式污水處理廠[1-2]。廣州污水處理廠建設(shè)從地面轉(zhuǎn)到地下的主要原因有：①由于城市的快速發(fā)展，用于城市市政設(shè)施的用地越來越少；②已建成的傳統(tǒng)污水處理廠占地大，地面不可能進行綜合開發(fā)；③變“鄰避效應(yīng)”為“鄰利效應(yīng)”，地下式污水處理廠的上蓋地面除少量管理用房外，其他大部分面積是綠色公園；④建設(shè)地下式污水處理廠可盤活土地增長收益，為城市污水處理可持續(xù)發(fā)展籌集資金[3]。地下式污水處理廠巧妙布局地下空間[4-5]，地面形成園林景觀，化解了“鄰避效應(yīng)”。圖1為廣州地下式污水處理廠分布，表1為廣州城區(qū)地下式污水處理廠綜合開發(fā)面積統(tǒng)計。
圖1 廣州地下式污水處理廠分布
Fig.1 Distribution of Underground WWTPs in Guangzhou
由表1可知，已建地下式污水處理廠地面可供開發(fā)面積可達10.71萬m2，合計將約有410億元綜合收益，廣州城區(qū)土地價值仍在上升，地下式污水處理廠的地面開發(fā)為實現(xiàn)污水處理企業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了強大資金支持，為廣州水務(wù)環(huán)保產(chǎn)業(yè)園的建設(shè)提供場地支持。
注：噸水處理成本包含人工、藥耗、電耗、材耗費用等，不包含折舊與大中修費用
1 廣州地下式污水處理廠設(shè)計規(guī)劃亮點
廣州地下式污水處理廠規(guī)劃設(shè)計運用地下建廠、地上建園的理念。已建9座地下式污水處理廠地下空間深度約為17 m，進水污水總管、粗格柵與提升泵房在負二層，細格柵、生化池、濾池、鼓風(fēng)機與配電房等設(shè)施設(shè)計在負一層，地下式污水處理廠地面設(shè)計成綠化公園。以廣州石井凈水廠的設(shè)計圖為例，圖2為石井凈水廠地面平面圖，地面上只有少量管理用房，綠地與濕地覆蓋率超過了占地的65%，圖3為石井凈水廠地面濕地公園。龍歸廠三期、江高廠、健康城廠、西朗廠二期、大沙地廠二期5個污水廠采用AAO+MBR膜工藝；大觀廠、瀝滘廠三期、石井廠3個污水廠采用了AAO+二沉池+V型濾池工藝。圖4為石井凈水廠地下空間布置示意圖。
圖2 石井凈水廠地面景觀
Fig.2 Landscape Map of Shijing Underground WWTP
圖3 石井凈水廠的濕地公園
Fig.3 Wetland Park of Shijing Underground WWTP
圖4 石井凈水廠地下式空間布置示意圖
Fig.4 Underground Space Layout of Shijing
廣州地下式污水處理廠的規(guī)劃設(shè)計與建設(shè)施工呈現(xiàn)如下特點。
(1)每座地下式污水處理廠選用EPC總承包模式，地下式污水處理廠建設(shè)施工方與設(shè)計方在技術(shù)上實現(xiàn)無縫對接，土建結(jié)構(gòu)設(shè)計施工合理銜接機電設(shè)備的供貨安裝與調(diào)試。
(2)重點優(yōu)化完善水泵、鼓風(fēng)機、曝氣系統(tǒng)、濾池、消毒系統(tǒng)與MBR膜組件等重要設(shè)備的工藝參數(shù)，如MBR膜的膜通量精選為18～25 L/(m2·s)等。
(3)為確保地下式污水處理廠檢修間不停產(chǎn)，污水不外溢，地下式污水處理廠生產(chǎn)線之間通過閥門與管道相連接，各條生產(chǎn)線既能獨立運行，又方便某一條生產(chǎn)線檢修時總體流量的調(diào)度分配。
(4)地下式污水處理廠地下式空間結(jié)構(gòu)工程負荷設(shè)計與地面綜合開發(fā)項目相銜接。
(5)配電房有具體的防水措施設(shè)計。
(6)施工作業(yè)高峰期間，采用全員進出場刷臉、全員安全帽芯片行程跟蹤等安全管理措施。
2 地下式污水處理廠的數(shù)字化建設(shè)
地下式污水處理廠綜合管理平臺集中部署在公司總部云端，具有營運調(diào)度、應(yīng)急指揮、經(jīng)營數(shù)據(jù)分析、綜合展示功能，集中運行維護，節(jié)約了系統(tǒng)的建設(shè)與運維成本。廣州地下式污水處理廠營運基本實現(xiàn)了智能管理。
2.1 已建系統(tǒng)的聯(lián)動和協(xié)同
將已建地下式污水處理廠的精確曝氣控制系統(tǒng)、智能加藥控制系統(tǒng)、智能回流控制系統(tǒng)、智能地磅稱重系統(tǒng)、員工生命安全監(jiān)測系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)等進行聯(lián)動和協(xié)同，對具有多變量、非線性、大滯后等特點的污水處理系統(tǒng)進行穩(wěn)定控制，圖5為智慧污水處理運營管理平臺示意圖。為實現(xiàn)對碳源、除磷劑、消毒劑加藥量更精確的智能控制，在出水水質(zhì)達標的基礎(chǔ)上節(jié)省藥劑費用。系統(tǒng)的聯(lián)動和協(xié)同解決了廠內(nèi)信息數(shù)據(jù)無法交流互通、人員重復(fù)數(shù)據(jù)填報、設(shè)備缺少管理臺賬、人員缺乏績效管理等問題。
圖5 地下式污水處理廠管理平臺示意圖
Fig.5 Management Platform of Underground WWTPs
2.2 資產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化
污水處理廠智能管理實現(xiàn)了污水處理廠結(jié)構(gòu)、管道、控制、電氣等專業(yè)圖紙數(shù)字化與三維化，提高了廠區(qū)的結(jié)構(gòu)、管道、配電自控等維護排障效率，完成了數(shù)據(jù)資產(chǎn)的傳承、管理和分析。圖6為地下空間管道優(yōu)化前的布局，圖7為地下空間管道優(yōu)化后的布局，圖8為地下空間智能維護管理，圖9為地下空間泵房的BIM模型。
圖6 地下空間管道優(yōu)化前的布局
Fig.6 Initial Layout of Underground Space Pipelines
圖7 地下空間管道優(yōu)化后的布局
Fig.7 Optimized Layout of Underground
Space Pipelines
圖8 地下空間智能維護管理
Fig.8 Intelligent Maintenance of Underground Space
圖9 地下式空間泵房的BIM模型
Fig.9 BIM Model of Underground Management of Pump Station
2.3 運營管理數(shù)字化
建立污水處理廠運行關(guān)鍵績效指標評估機制，從管理質(zhì)量、能耗分析、設(shè)備運行效率、運行工藝參數(shù)等多個方面定期對污水處理廠的運行工況進行綜合性評定，實現(xiàn)基于智控中心的扁平化、高效化管理。工單覆蓋日常巡檢、化驗、工藝調(diào)整、安全管控，圖10為地下式污水處理廠日常巡檢示意圖。自動化智能報表只填一次，杜絕二次錄入，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效流轉(zhuǎn)和業(yè)務(wù)的充分融合，為廠區(qū)無紙化辦公提供支持。建立完善的設(shè)備運維管理體系，利用人機協(xié)同解決設(shè)備運行、維護、維修規(guī)范化、標準化問題，可實現(xiàn)各類型業(yè)務(wù)的線上化執(zhí)行及管理。
圖10 地下式污水處理廠日常巡檢示意圖
Fig.10 Schematic Diagram of Daily Inspection of Underground WWTP
2.4 廣州地下式污水廠控制系統(tǒng)優(yōu)化
(1)將旋流沉砂池的控制與周期運行裝置聯(lián)鎖鼓風(fēng)機、氣提閥、氣沖閥、砂水分離器，增加了智能控制功能。
(2)為提高二沉池沉淀效果，在二沉池配水槽前端安裝高清攝像頭，值班人員通過實時圖像觀察配水槽污泥絮凝狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常時及時調(diào)控相關(guān)設(shè)備運行參數(shù)，減少浮泥進入清水槽，減輕濾池壓力，將手動閥門改造成電動閥門，優(yōu)化控制程序，實現(xiàn)排泥閥周期順序排泥，防止二沉池污泥濃度過高，保證二沉池水質(zhì)穩(wěn)定。同時在二沉池末端清水池增加SS濃度檢測儀表，接入自控系統(tǒng)，設(shè)定報警限制，濃度過高時報警，保障濾池正常運行。
(3)生化池在線控制
在地下式污水處理廠生化池的缺氧區(qū)與好氧區(qū)交界段安裝氨態(tài)氮、硝態(tài)氮與磷酸鹽在線檢測儀，分析厭氧前段硝態(tài)氮、厭氧末端的氨態(tài)氮和硝態(tài)氮、缺氧區(qū)末端磷酸鹽濃度，全面監(jiān)控生化池內(nèi)的脫氮除磷效果，并形成污水生化處理過程段5～6 h的預(yù)警與診斷機制。生化池在線儀表檢測值指引智能系統(tǒng)調(diào)節(jié)內(nèi)外回流比、溶解氧、曝氣量、碳源投加量與化學(xué)除磷藥劑投加量，保障出水水質(zhì)穩(wěn)定達標。
(4)構(gòu)建全方位的報警體系
一旦監(jiān)測到儀表或設(shè)備的報警信號，報警消息可通知到中控室、值班室人員及與報警信息相關(guān)的人員。與人員安全相關(guān)的點位有聲光報警提醒，如存在H2S、NH3泄露隱患的車間。PC端和移動端對報警消息進行同步記錄和展示，使用者點擊任意一條報警信息，系統(tǒng)畫面將自動定位到對應(yīng)問題所在污水處理廠的實際位置。
(5)設(shè)備管理
實現(xiàn)設(shè)備快速查找和定位，實時監(jiān)測設(shè)備的溫度、頻率、電流、電壓等，并生成曲線。當監(jiān)測數(shù)據(jù)越限報警時，系統(tǒng)結(jié)合經(jīng)驗?zāi)Ｐ妥詣优袛喈a(chǎn)生報警的故障部件，在零件級設(shè)備模型的基礎(chǔ)上，對可能發(fā)生故障的部位進行關(guān)聯(lián)和突出顯示，針對性地提供維修建議。
(6)管線管理
以三維形式完整直觀展現(xiàn)隱蔽工程中各類工藝管線布局布，提高管路巡檢維修的效率。系統(tǒng)將管網(wǎng)按類型分圖層顯示，可控制顯隱，詳細展示出管線屬性、關(guān)聯(lián)性、檢修井分布位置，以及各維度的統(tǒng)計信息和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)。
3 地下式污水處理廠的運營實踐
3.1 高效能污泥處理處置技術(shù)
污水處理廠的污泥處理處置一直都是社會各界關(guān)注的環(huán)保難題。廣州地下式污水處理廠污泥處理處置工藝由污水進出水水質(zhì)、地下式空間尺寸、處理時間、處理溫度、處理壓力與臭氣收集去除等因素綜合確定，表2為廣州所有地下式污水處理廠的污泥處理運行成本比較。
污泥在廠內(nèi)干化后，主要指標應(yīng)達到如下標準[6]：①5
3.2 地下式污水廠除臭技術(shù)
廣州地下式污水處理廠周邊幾乎都是大型居民區(qū)或商業(yè)區(qū)，地下式污水處理廠的臭氣處理效果直接關(guān)系到項目建設(shè)與運營的成敗。地下式污水處理廠臭氣主要來源于進水粗格柵、沉砂池、細格柵、生化池、二沉池與污泥處理車間等工藝環(huán)節(jié)，臭氣的主要成分有H2S、NH3及CH4等。地下式污水處理廠的臭氣處理設(shè)計時有如下幾點考慮。
①在地下式空間的負一層與負二層開展氣流分布與擴散模擬，繪制氣流云圖，以空氣流體動力學(xué)模型的計算結(jié)果，科學(xué)合理布置臭氣收集口、臭氣管道收集系統(tǒng)與離子送風(fēng)系統(tǒng)。
②多組合工藝串聯(lián)，以提高臭氣處理效果。
③粗格柵、沉砂池、細格柵、生化池、污泥脫水干化區(qū)、污泥料倉區(qū)與污泥卸泥區(qū)加密封罩與負壓運行。
④污泥調(diào)質(zhì)區(qū)、污泥輸送區(qū)、密封罩周邊、污泥料倉區(qū)、污泥卸泥區(qū)與離子送風(fēng)設(shè)備區(qū)等換氣次數(shù)應(yīng)嚴格按照設(shè)計標準或優(yōu)于設(shè)計標準執(zhí)行。
⑤處理后的尾氣排放塔高度為15 m。
廣州市9座地下式污水處理廠除臭采用了生物法+化學(xué)法+催化氧化法+活性炭吸附法等不同工藝的串聯(lián)組合，使廠區(qū)排放臭氣均達到且遠優(yōu)于《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—1993)標準及廣東省地方排放標準《城鎮(zhèn)地下污水處理設(shè)施通風(fēng)與臭氣處理技術(shù)標準》(DBJ/T 15-202—2020)，有效地解決了污水處理廠“鄰避效應(yīng)”難題。
以京溪凈水廠為例，京溪凈水廠的提升泵房臭氣處理采用了等離子技術(shù)+氣動乳化技術(shù)+生物除臭技術(shù)三級串聯(lián)工藝，表3為京溪凈水廠提升泵房臭氣處理效果。低溫等離子體主要是由氣體放電產(chǎn)生，利用高頻流光放電等離子體的特性，在廢氣中產(chǎn)生等離子體電離電場，電離使有害氣體氧化和裂解，達到分解廢氣中有害物質(zhì)的目的。經(jīng)等離子體裝置處理后的廢氣進入氣動乳化塔，經(jīng)過乳化塔內(nèi)的乳化劑進行氣液交換凈化，經(jīng)凈化后的氣體再進入生物塔。根據(jù)生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的有機廢氣量、溫度、濃度、廢氣成分、負荷變化和環(huán)保排放指標設(shè)計各工藝環(huán)節(jié)的參數(shù)。
3.3 再生水利用
2021年廣州9座地下式污水處理廠經(jīng)過了AAO+MBR膜或AAO+砂濾的主流程后，其出水CODCr質(zhì)量濃度為7～20 mg/L，SS質(zhì)量濃度為1～5 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度為0.10～0.50 mg/L，總氮質(zhì)量濃度為5～12 mg/L，總磷質(zhì)量濃度為0.1～0.5 mg/L。地下式污水處理廠出水形成了廣州沙河涌、石井河、海珠湖等城市河湖的穩(wěn)定補水水源，城市水環(huán)境質(zhì)量全面提升。廣州城區(qū)再生水也廣泛地應(yīng)用在城市道路衛(wèi)生與園林綠地用水、地下式污水處理廠各車間用水、施工工地用水與洗車用水等。
2021年廣州市再生水使用量達5.9×108m3，城市用水既減少了向自然水體的取水量，同時也減少了向珠江排放污染物的量。與此同時，廣州再生水的利用仍亟需解決幾項問題：①制定出臺工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)與城市生活再生水利用價格體系；②城市專項規(guī)劃既要有完善的自來水系統(tǒng)規(guī)劃、污水系統(tǒng)規(guī)劃與雨水系統(tǒng)規(guī)劃，也要有完善再生水系統(tǒng)規(guī)劃，城市道路上應(yīng)預(yù)留再生水管道的空間位置；③污水處理廠區(qū)應(yīng)預(yù)留再生水設(shè)施的發(fā)展空間；④政府各部門與社會各界廣泛參與支持。
4 建議
廣州地下式污水處理廠的建設(shè)與營運已有十余年的歷程，地下式污水處理廠的建成破解了城市污水處理廠建設(shè)和運維之難。廣州地下式污水處理廠每天處理污水總量為181萬m3，為廣州取得打贏黑臭水體攻堅戰(zhàn)歷史性成果，提供了補齊污水處理能力短板的基礎(chǔ)支撐。但在以下幾方面仍需要開展研發(fā)工作。
(1)研究低碳源消耗的生物除磷新技術(shù)，精準控制碳源供給，篩選優(yōu)勢聚磷菌群，實現(xiàn)生物除磷與脫氮系統(tǒng)減碳。探討微生物群落的低細胞生產(chǎn)率、高碳源利用率與硝酸鹽呼吸能力，形成在線控制的脫氮除磷關(guān)鍵技術(shù)體系。
(2)開展污水處理廠污泥固碳技術(shù)研究，由污水處理廠污泥生成生物質(zhì)碳、園林綠化有機肥、土壤改良劑、海綿土、吸附劑與燃料等。
(3)研發(fā)高效的除臭微生菌群，確保地下式污水處理廠組合工藝整體除臭效果。
(4)研發(fā)污泥調(diào)理藥劑配方，為污泥脫水干化與資源化創(chuàng)造良好條件。
(5)優(yōu)先選用優(yōu)良的國產(chǎn)設(shè)備，如水泵、鼓風(fēng)機、MBR膜組件與消毒設(shè)備等，使國內(nèi)環(huán)保產(chǎn)業(yè)裝備成為中國水務(wù)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的主力軍。
(6)地下式污水處理廠通過數(shù)字信息仿真模擬廠區(qū)運營管理所有真實信息，構(gòu)建一個基于三維呈現(xiàn)的線上虛擬污水處理廠。數(shù)字孿生污水處理廠將集合污水處理廠區(qū)人、事、物全方位的動靜態(tài)信息，能夠回溯過去、展示現(xiàn)在和預(yù)測未來的地下式污水處理廠運行工況，形成實體與虛擬的聯(lián)動協(xié)同，實現(xiàn)實體污水處理廠智能管理與運行。