李碧清：廣州地下式污水處理廠數(shù)字化建設(shè)與運(yùn)營實(shí)踐探討

李碧清，男，博士，廣州市凈水有限公司正高級(jí)工程師、總工程師。從事給水排水專業(yè)設(shè)計(jì)工作12年，完成各類市政工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)100余項(xiàng)；參與廣州市污水處理系統(tǒng)建設(shè)與營運(yùn)管理18年，項(xiàng)目投資100余億元；主持及參加完成省、部及市級(jí)科研項(xiàng)目10項(xiàng)；公開發(fā)表40余篇論文；授權(quán)發(fā)明專利8項(xiàng)；獲2019年廣州市“嶺南英杰工程”人才稱號(hào)；獲廣東省、廣州市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)3項(xiàng)；獲住建部華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)2項(xiàng)。

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(yùn)行，占地僅27畝(1畝≈666.67 m2)，處理污水達(dá)15萬m3/d，實(shí)際出水優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。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。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(jìn)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。地下式污水處理廠巧妙布局地下空間，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(jì)。

圖1 廣州地下式污水處理廠分布

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(dá)10.71萬m2，合計(jì)將約有410億元綜合收益，廣州城區(qū)土地價(jià)值仍在上升，地下式污水處理廠的地面開發(fā)為實(shí)現(xiàn)污水處理企業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)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(chǎng)地支持。

表1 廣州地下式污水處理廠綜合開發(fā)面積統(tǒng)計(jì)

注：噸水處理成本包含人工、藥耗、電耗、材耗費(fèi)用等，不包含折舊與大中修費(fèi)用

1、廣州地下式污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)劃亮點(diǎn)

廣州地下式污水處理廠規(guī)劃設(shè)計(jì)運(yùn)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(jìn)水污水總管、粗格柵與提升泵房在負(fù)二層，細(xì)格柵、生化池、濾池、鼓風(fēng)機(jī)與配電房等設(shè)施設(shè)計(jì)在負(fù)一層，地下式污水處理廠地面設(shè)計(jì)成綠化公園。以廣州石井凈水廠的設(shè)計(jì)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(gè)污水廠采用AAO+MBR膜工藝；大觀廠、瀝滘廠三期、石井廠3個(gè)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

圖3 石井凈水廠的濕地公園

圖4 石井凈水廠地下式空間布置示意圖

廣州地下式污水處理廠的規(guī)劃設(shè)計(jì)與建設(shè)施工呈現(xiàn)如下特點(diǎn)。

(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(jì)方在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工合理銜接機(jī)電設(shè)備的供貨安裝與調(diào)試。

(2)重點(diǎn)優(yōu)化完善水泵、鼓風(fēng)機(jī)、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(dú)立運(yùn)行，又方便某一條生產(chǎn)線檢修時(shí)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(fù)荷設(shè)計(jì)與地面綜合開發(fā)項(xiàng)目相銜接。

(5)配電房有具體的防水措施設(shè)計(jì)。

(6)施工作業(yè)高峰期間，采用全員進(jìn)出場(chǎng)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(tái)集中部署在公司總部云端，具有營運(yùn)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(yùn)行維護(hù)，節(jié)約了系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)維成本。廣州地下式污水處理廠營運(yùn)基本實(shí)現(xiàn)了智能管理。

2.1 已建系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)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(cè)系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)等進(jìn)行聯(lián)動(dòng)和協(xié)同，對(duì)具有多變量、非線性、大滯后等特點(diǎn)的污水處理系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定控制，圖5為智慧污水處理運(yùn)營管理平臺(tái)示意圖。為實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上節(jié)省藥劑費(fèi)用。系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)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(bào)、設(shè)備缺少管理臺(tái)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(tái)示意圖

2.2 資產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化

污水處理廠智能管理實(shí)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(hù)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(hù)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

圖7 地下空間管道優(yōu)化后的布局

圖8 地下空間智能維護(hù)管理

圖9 地下式空間泵房的BIM模型

2.3 運(yùn)營管理數(shù)字化

建立污水處理廠運(yùn)行關(guān)鍵績效指標(biāo)評(píng)估機(jī)制，從管理質(zhì)量、能耗分析、設(shè)備運(yùn)行效率、運(yùn)行工藝參數(shù)等多個(gè)方面定期對(duì)污水處理廠的運(yùn)行工況進(jìn)行綜合性評(píng)定，實(shí)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(yàn)、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(dòng)化智能報(bào)表只填一次，杜絕二次錄入，實(shí)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(yùn)維管理體系，利用人機(jī)協(xié)同解決設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)、維修規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化問題，可實(shí)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

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(yùn)行裝置聯(lián)鎖鼓風(fēng)機(jī)、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(shí)時(shí)圖像觀察配水槽污泥絮凝狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)調(diào)控相關(guān)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，減少浮泥進(jìn)入清水槽，減輕濾池壓力，將手動(dòng)閥門改造成電動(dòng)閥門，優(yōu)化控制程序，實(shí)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(shí)在二沉池末端清水池增加SS濃度檢測(cè)儀表，接入自控系統(tǒng)，設(shè)定報(bào)警限制，濃度過高時(shí)報(bào)警，保障濾池正常運(yùn)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(cè)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(jī)制。生化池在線儀表檢測(cè)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(dá)標(biāo)。

(4)構(gòu)建全方位的報(bào)警體系

一旦監(jiān)測(cè)到儀表或設(shè)備的報(bào)警信號(hào)，報(bào)警消息可通知到中控室、值班室人員及與報(bào)警信息相關(guān)的人員。與人員安全相關(guān)的點(diǎn)位有聲光報(bào)警提醒，如存在H2S、NH3泄露隱患的車間。PC端和移動(dòng)端對(duì)報(bào)警消息進(jìn)行同步記錄和展示，使用者點(diǎn)擊任意一條報(bào)警信息，系統(tǒng)畫面將自動(dòng)定位到對(duì)應(yīng)問題所在污水處理廠的實(shí)際位置。

(5)設(shè)備管理

實(shí)現(xiàn)設(shè)備快速查找和定位，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的溫度、頻率、電流、電壓等，并生成曲線。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)越限報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥詣?dòng)判斷產(chǎn)生報(bào)警的故障部件，在零件級(jí)設(shè)備模型的基礎(chǔ)上，對(duì)可能發(fā)生故障的部位進(jìn)行關(guān)聯(lián)和突出顯示，針對(duì)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(xì)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(jì)信息和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3、地下式污水處理廠的運(yùn)營實(shí)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(huì)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(jìn)出水水質(zhì)、地下式空間尺寸、處理時(shí)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(yùn)行成本比較。

表2 廣州地下式污水處理廠污泥處理運(yùn)行成本

表3 京溪凈水廠提升泵房臭氣處理效果

污泥在廠內(nèi)干化后，主要指標(biāo)應(yīng)達(dá)到如下標(biāo)準(zhǔn)：①5

3.2 地下式污水除臭技術(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(xiàng)目建設(shè)與運(yùn)營的成敗。地下式污水處理廠臭氣主要來源于進(jìn)水粗格柵、沉砂池、細(xì)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H 2 S、NH 3 及CH 4 等。地下式污水處理廠的臭氣處理設(shè)計(jì)時(shí)有如下幾點(diǎn)考慮。

①在地下式空間的負(fù)一層與負(fù)二層開展氣流分布與擴(kuò)散模擬，繪制氣流云圖，以空氣流體動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)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(xì)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(fù)壓運(yùn)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(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或優(yōu)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到且遠(yuǎn)優(yōu)于《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—1993)標(biāo)準(zhǔn)及廣東省地方排放標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)地下污水處理設(shè)施通風(fēng)與臭氣處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(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(dòng)乳化技術(shù)+生物除臭技術(shù)三級(jí)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(chǎng)，電離使有害氣體氧化和裂解，達(dá)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(jìn)入氣動(dòng)乳化塔，經(jīng)過乳化塔內(nèi)的乳化劑進(jìn)行氣液交換凈化，經(jīng)凈化后的氣體再進(jìn)入生物塔。根據(jù)生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的有機(jī)廢氣量、溫度、濃度、廢氣成分、負(fù)荷變化和環(huán)保排放指標(biāo)設(shè)計(jì)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(bǔ)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(dá)5.9×108 m 3 ，城市用水既減少了向自然水體的取水量，同時(shí)也減少了向珠江排放污染物的量。與此同時(shí)，廣州再生水的利用仍亟需解決幾項(xiàng)問題：①制定出臺(tái)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)與城市生活再生水利用價(jià)格體系；②城市專項(xiàng)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(huì)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(yùn)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(yùn)維之難。廣州地下式污水處理廠每天處理污水總量為181萬m 3 ，為廣州取得打贏黑臭水體攻堅(jiān)戰(zhàn)歷史性成果，提供了補(bǔ)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(zhǔn)控制碳源供給，篩選優(yōu)勢(shì)聚磷菌群，實(shí)現(xiàn)生物除磷與脫氮系統(tǒng)減碳。探討微生物群落的低細(xì)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(jī)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(jī)、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(yùn)營管理所有真實(shí)信息，構(gòu)建一個(gè)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(dòng)靜態(tài)信息，能夠回溯過去、展示現(xiàn)在和預(yù)測(cè)未來的地下式污水處理廠運(yùn)行工況，形成實(shí)體與虛擬的聯(lián)動(dòng)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)實(shí)體污水處理廠智能管理與運(yùn)行。

推薦參考

本 文發(fā) 表在《凈水技術(shù)》2022年第8 期“大家之言”欄目 ，歡迎水業(yè)學(xué)者、科研與技術(shù)人員參考 引用，文獻(xiàn)引用格式如下：

李碧清, 唐霞, 蔡蕓, 等. 廣州地下式污水處理廠數(shù)字化建設(shè)與運(yùn)營實(shí)踐探討[J]. 凈水技術(shù), 2022, 41(8):1-7.

LI B Q, TANG X, CAI Y, et al. Discussion on digital construction and operation of underground WWTPs in Guangzhou[J]. Water Purification Technology, 2022, 41(8):1-7.

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