廣州地下式污水處理廠數字化建設與運營實踐探討
摘 要：文章概述了廣州建設地下式污水處理廠的背景，論述了地下式污水廠數字化建設的幾個重要元素：信息系統聯動協同、資產數據可視化、運營管理數字化與各工藝環節控制邏輯優化升級的智能管理應用，介紹了旋流沉砂池、生化池、污泥回流、二沉池、設備與管線智能控制措施，總結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，并提出低碳源消耗生物除磷新技術、污泥固碳技術、組合工藝除臭技術、污泥調理藥劑配方及地下式污水處理廠數字孿生是未來重點研發方向。
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，實際出水優于《城鎮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，國內的其他城市也陸續建成一批地下式污水處理廠[1-2]。廣州污水處理廠建設從地面轉到地下的主要原因有：①由于城市的快速發展，用于城市市政設施的用地越來越少；②已建成的傳統污水處理廠占地大，地面不可能進行綜合開發；③變“鄰避效應”為“鄰利效應”，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發展籌集資金[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”。圖1為廣州地下式污水處理廠分布，表1為廣州城區地下式污水處理廠綜合開發面積統計。
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面積可達10.71萬m2，合計將約有410億元綜合收益，廣州城區土地價值仍在上升，地下式污水處理廠的地面開發為實現污水處理企業可持續發展提供了強大資金支持，為廣州水務環保產業園的建設提供場地支持。
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計規劃亮點
廣州地下式污水處理廠規劃設計運用地下建廠、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、鼓風機與配電房等設施設計在負一層，地下式污水處理廠地面設計成綠化公園。以廣州石井凈水廠的設計圖為例，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劃設計與建設施工呈現如下特點。
(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施工方與設計方在技術上實現無縫對接，土建結構設計施工合理銜接機電設備的供貨安裝與調試。
(2)重點優化完善水泵、鼓風機、曝氣系統、濾池、消毒系統與MBR膜組件等重要設備的工藝參數，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，污水不外溢，地下式污水處理廠生產線之間通過閥門與管道相連接，各條生產線既能獨立運行，又方便某一條生產線檢修時總體流量的調度分配。
(4)地下式污水處理廠地下式空間結構工程負荷設計與地面綜合開發項目相銜接。
(5)配電房有具體的防水措施設計。
(6)施工作業高峰期間，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字化建設
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，具有營運調度、應急指揮、經營數據分析、綜合展示功能，集中運行維護，節約了系統的建設與運維成本。廣州地下式污水處理廠營運基本實現了智能管理。
2.1 已建系統的聯動和協同
將已建地下式污水處理廠的精確曝氣控制系統、智能加藥控制系統、智能回流控制系統、智能地磅稱重系統、員工生命安全監測系統、智能安防系統等進行聯動和協同，對具有多變量、非線性、大滯后等特點的污水處理系統進行穩定控制，圖5為智慧污水處理運營管理平臺示意圖。為實現對碳源、除磷劑、消毒劑加藥量更精確的智能控制，在出水水質達標的基礎上節省藥劑費用。系統的聯動和協同解決了廠內信息數據無法交流互通、人員重復數據填報、設備缺少管理臺賬、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 資產數據可視化
污水處理廠智能管理實現了污水處理廠結構、管道、控制、電氣等專業圖紙數字化與三維化，提高了廠區的結構、管道、配電自控等維護排障效率，完成了數據資產的傳承、管理和分析。圖6為地下空間管道優化前的布局，圖7為地下空間管道優化后的布局，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 地下空間管道優化前的布局
Fig.6 Initial Layout of Underground Space Pipelines
圖7 地下空間管道優化后的布局
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 運營管理數字化
建立污水處理廠運行關鍵績效指標評估機制，從管理質量、能耗分析、設備運行效率、運行工藝參數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，實現數據的高效流轉和業務的充分融合，為廠區無紙化辦公提供支持。建立完善的設備運維管理體系，利用人機協同解決設備運行、維護、維修規范化、標準化問題，可實現各類型業務的線上化執行及管理。
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優化
(1)將旋流沉砂池的控制與周期運行裝置聯鎖鼓風機、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，發現異常時及時調控相關設備運行參數，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，優化控制程序，實現排泥閥周期順序排泥，防止二沉池污泥濃度過高，保證二沉池水質穩定。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，設定報警限制，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與好氧區交界段安裝氨態氮、硝態氮與磷酸鹽在線檢測儀，分析厭氧前段硝態氮、厭氧末端的氨態氮和硝態氮、缺氧區末端磷酸鹽濃度，全面監控生化池內的脫氮除磷效果，并形成污水生化處理過程段5～6 h的預警與診斷機制。生化池在線儀表檢測值指引智能系統調節內外回流比、溶解氧、曝氣量、碳源投加量與化學除磷藥劑投加量，保障出水水質穩定達標。
(4)構建全方位的報警體系
一旦監測到儀表或設備的報警信號，報警消息可通知到中控室、值班室人員及與報警信息相關的人員。與人員安全相關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，系統畫面將自動定位到對應問題所在污水處理廠的實際位置。
(5)設備管理
實現設備快速查找和定位，實時監測設備的溫度、頻率、電流、電壓等，并生成曲線。當監測數據越限報警時，系統結合經驗模型自動判斷產生報警的故障部件，在零件級設備模型的基礎上，對可能發生故障的部位進行關聯和突出顯示，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。系統將管網按類型分圖層顯示，可控制顯隱，詳細展示出管線屬性、關聯性、檢修井分布位置，以及各維度的統計信息和物聯網監測數據。
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
污水處理廠的污泥處理處置一直都是社會各界關注的環保難題。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、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。
污泥在廠內干化后，主要指標應達到如下標準[6]：①5 3.2 地下式污水廠除臭技術 廣州地下式污水處理廠周邊幾乎都是大型居民區或商業區，地下式污水處理廠的臭氣處理效果直接關系到項目建設與運營的成敗。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節，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，以空氣流體動力學模型的計算結果，科學合理布置臭氣收集口、臭氣管道收集系統與離子送風系統。 ②多組合工藝串聯，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、污泥料倉區與污泥卸泥區加密封罩與負壓運行。 ④污泥調質區、污泥輸送區、密封罩周邊、污泥料倉區、污泥卸泥區與離子送風設備區等換氣次數應嚴格按照設計標準或優于設計標準執行。 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+化學法+催化氧化法+活性炭吸附法等不同工藝的串聯組合，使廠區排放臭氣均達到且遠優于《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—1993)標準及廣東省地方排放標準《城鎮地下污水處理設施通風與臭氣處理技術標準》(DBJ/T 15-202—2020)，有效地解決了污水處理廠“鄰避效應”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+氣動乳化技術+生物除臭技術三級串聯工藝，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生，利用高頻流光放電等離子體的特性，在廢氣中產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的目的。經等離子體裝置處理后的廢氣進入氣動乳化塔，經過乳化塔內的乳化劑進行氣液交換凈化，經凈化后的氣體再進入生物塔。根據生產過程中所產生的有機廢氣量、溫度、濃度、廢氣成分、負荷變化和環保排放指標設計各工藝環節的參數。 3.3 再生水利用 2021年廣州9座地下式污水處理廠經過了AAO+MBR膜或AAO+砂濾的主流程后，其出水CODCr質量濃度為7～20 mg/L，SS質量濃度為1～5 mg/L，氨氮質量濃度為0.10～0.50 mg/L，總氮質量濃度為5～12 mg/L，總磷質量濃度為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定補水水源，城市水環境質量全面提升。廣州城區再生水也廣泛地應用在城市道路衛生與園林綠地用水、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、農業、商業與城市生活再生水利用價格體系；②城市專項規劃既要有完善的自來水系統規劃、污水系統規劃與雨水系統規劃，也要有完善再生水系統規劃，城市道路上應預留再生水管道的空間位置；③污水處理廠區應預留再生水設施的發展空間；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歷史性成果，提供了補齊污水處理能力短板的基礎支撐。但在以下幾方面仍需要開展研發工作。 (1)研究低碳源消耗的生物除磷新技術，精準控制碳源供給，篩選優勢聚磷菌群，實現生物除磷與脫氮系統減碳。探討微生物群落的低細胞生產率、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鍵技術體系。 (2)開展污水處理廠污泥固碳技術研究，由污水處理廠污泥生成生物質碳、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)研發污泥調理藥劑配方，為污泥脫水干化與資源化創造良好條件。 (5)優先選用優良的國產設備，如水泵、鼓風機、MBR膜組件與消毒設備等，使國內環保產業裝備成為中國水務環保產業的主力軍。 (6)地下式污水處理廠通過數字信息仿真模擬廠區運營管理所有真實信息，構建一個基于三維呈現的線上虛擬污水處理廠。數字孿生污水處理廠將集合污水處理廠區人、事、物全方位的動靜態信息，能夠回溯過去、展示現在和預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動協同，實現實體污水處理廠智能管理與運行。
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