廣州經(jīng)驗：地下污水處理廠的營運管理
介紹了廣州地下污水處理廠的營運規(guī)模、工藝流程與進(jìn)出水水質(zhì)，總結(jié)了廣州地下污水處理廠營運管控措施。為有效控制生化池中氮磷指標(biāo)、曝氣量、內(nèi)外回流比與除磷藥劑投加量，在部分地下污水處理廠的缺氧區(qū)與好氧區(qū)交界段安裝了NH3-N、NO-3與PO3-4在線檢測儀，運行效果較好；污泥處理處置采用了污泥調(diào)理-廠內(nèi)干化-廠外協(xié)同焚燒工藝流程；臭氣處理采用了水洗法、化學(xué)法、生物法、等離子法等多級串聯(lián)工藝流程。同時也分析了污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)異常的應(yīng)對措施。
廣州第一座污水處理廠建成于1989年，當(dāng)前廣州中心城區(qū)營運的污水處理廠有13座，污水處理規(guī)模496萬m3/d，污水處理工藝以AAO、AO、AB等活性污泥法為主。隨著城市發(fā)展迅猛，新建污水處理系統(tǒng)征地與用地越來越難，社會各屆對污水處理廠廠區(qū)及其周邊環(huán)境提出了更高更嚴(yán)的要求。2010年全國首座地下污水處理廠，京溪地下污水處理廠建成。2016至2021年期間廣州又建成瀝滘三期、大沙地二期、龍歸三期、西朗二期、石井、江高、大觀與健康城等8座地下污水處理廠。城市地下污水處理廠的規(guī)劃設(shè)計應(yīng)結(jié)合城市總體規(guī)劃與城市設(shè)計要求，美化細(xì)化地面園林景觀，精巧布局地下污水處理廠地下空間，構(gòu)建智慧運維平臺，實現(xiàn)地下污水處理廠的營運智能管理。
01 廣州市地下污水處理廠概況
廣州市地下污水處理廠概況見表1。廣州城區(qū)地下污水處理廠消毒工藝采用以紫外消毒為主，次氯酸鈉消毒為輔的組合工藝。
02 營運生產(chǎn)智能控制
2.1 營運生產(chǎn)管控措施
歷經(jīng)十余年的信息化建設(shè)，廣州城區(qū)污水處理廠由傳統(tǒng)的營運管理轉(zhuǎn)向了智能控制管理，完成了數(shù)據(jù)資產(chǎn)的傳承、管理和分析，具體管控措施如下：
智慧凈水營運管理平臺實現(xiàn)了污水處理全流程水質(zhì)、水量、水位、設(shè)備運行信號等實時數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控，管理人員在公司內(nèi)網(wǎng)可通過手機端與瀏覽器查看設(shè)備在線數(shù)據(jù)，見圖1。
營運報表管理系統(tǒng)實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的在線填報、統(tǒng)計分析、可視化展示、移動應(yīng)用等多種功能。智能控制管理規(guī)范了數(shù)據(jù)報送標(biāo)準(zhǔn)，保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量，提升了經(jīng)營管理效能。
業(yè)財一體化管理平臺實現(xiàn)了生產(chǎn)業(yè)務(wù)與財務(wù)管理的融合，具有全面預(yù)算、合同管理、檔案管理、項目管理、資產(chǎn)管理、報賬管理等多個綜合業(yè)務(wù)功能模塊。
BIM建筑信息模型實現(xiàn)了污水處理廠結(jié)構(gòu)工程、管道工程、自動控制、電氣儀表等專業(yè)的圖紙數(shù)字化與三維化。
基于智控中心的扁平化高效管理，實現(xiàn)了污水處理廠運營管理數(shù)字化與數(shù)字孿生。營運生產(chǎn)工單涵蓋日常巡檢、化驗、工藝調(diào)整、安全管控等。
藥劑精細(xì)化管理系統(tǒng)實現(xiàn)了計劃管理、流程管理、臺賬管理等全周期管理，加強了各個環(huán)節(jié)的有效監(jiān)管。
2.2 全流程水質(zhì)在線控制
2019至2021年期間，廣州城區(qū)污水處理廠進(jìn)水COD、SS、氨氮、總氮、總磷濃度為120~270、110~240、10~30、10~35、2~10mg/L，出水COD、SS、氨氮、總氮、總磷濃度為8~20、1~4、0.10~0.50、6~12、0.1~0.5mg/L。廣州城區(qū)污水處理廠的生化池安裝有ORP氧化還原電位儀、DO溶解氧儀、MLSS污泥濃度計。ORP氧化還原電位儀與DO溶解氧儀的數(shù)值用來控制鼓風(fēng)機風(fēng)量，MLSS污泥濃度計的數(shù)值反映生化池活性污泥濃度，控制沉淀池的排泥工況。如果僅憑ORP、DO與MLSS污泥濃度值，當(dāng)出水水質(zhì)出現(xiàn)波動或異常時，容易造成營運管理調(diào)控措施的滯后與誤判。
為科學(xué)有效控制污水處理過程中的氮磷指標(biāo)、生化池曝氣量、內(nèi)外回流量與化學(xué)除磷藥劑投加量，在京溪地下污水處理廠與大坦沙污水處理廠的缺氧區(qū)與好氧區(qū)交界段安裝了NH3-N、NO-3與PO3-4在線檢測儀。結(jié)合污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)，建立了生產(chǎn)線水質(zhì)變化數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了專家系統(tǒng)，形成了污水生化處理過程段約5~6 h的預(yù)警與診斷機制，保障了出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。生化池厭氧末端的氨氮和硝氮值控制得越低越好，沿程的硝氮最低點應(yīng)控制在厭氧前段。充足的進(jìn)水碳源保障了生化池的反硝化脫氮進(jìn)程，同時也保障了除磷過程中微生物的碳源需求。由于總氮的去除主要依靠缺氧區(qū)內(nèi)反硝化反應(yīng)，硝化反應(yīng)過程中氨氮轉(zhuǎn)化為硝氮，但總氮物質(zhì)守恒不變，好氧池前后端的總氮基本相等，進(jìn)入好氧池之前的氨氮和硝氮之和可作為水質(zhì)管理過程控制線。缺氧區(qū)末端的PO3-4在線檢測儀可以監(jiān)控生化池內(nèi)的磷去除效果。
大坦沙污水處理廠生化池的NH3-N、NO-3與PO3-4在線檢測儀投入使用后，鼓風(fēng)機能耗下降了10%~20%，出水水質(zhì)也有進(jìn)一步的提升，2021年與2022年大坦沙污水處理廠出水基本達(dá)到地表水準(zhǔn)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，COD、氨氮、SS等各項出水指標(biāo)達(dá)到優(yōu)質(zhì)水平，出水TN控制在10mg/L以下，見表2與表3。根據(jù)生產(chǎn)實際全流程精細(xì)化控制生產(chǎn)記錄，在2022年1至4月，同比處理量升幅1.65%，同比碳氮比下降3.46%的情況下，2022年1至4月平均出水總氮值為7.77mg/L，較2021年下降14.33%。按照出水總氮削減1.30mg/L，節(jié)省碳源量（按乙酸鈉計）約2 359 t，節(jié)省碳源藥劑成本約235.9萬元，經(jīng)濟效益較顯著。
2.3 除磷藥劑自動投加
龍歸污水處理廠一期污水處理規(guī)模5萬m3/d，2019年12月，安裝了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理的智能投藥除磷系統(tǒng)，智能投藥裝置投資49.27萬元。2020年正式運行后，污水除磷劑單耗從原來的0.35t/萬m3下降到0.11t/萬m3，減幅達(dá)67.50%，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。除磷劑年度費用從2019年的22.95萬元降到2020年的7.46萬元，除磷劑價格按399元/t計。投藥系統(tǒng)自動運行，無需人工干預(yù)操作，降低了現(xiàn)場人員的日常工作量，保障出水質(zhì)量穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。表4為2019年、2020年龍歸污水處理廠一期污水處理水量與藥耗運行數(shù)據(jù)。
2.4 設(shè)備設(shè)施優(yōu)化運行措施
為加強污水處理廠營運設(shè)施優(yōu)化運行，采取了如下措施：
（1）旋流沉砂池氣提閥、氣沖閥與砂水分離器等設(shè)備工況參數(shù)聯(lián)鎖鼓風(fēng)機。如果沉砂池氣提閥管路氣體流量計值低于設(shè)定值，即時報警提示值班人員調(diào)控排砂工況。
（2）為預(yù)防二沉池翻泥，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)。若絮凝狀態(tài)異常，則及時調(diào)整相關(guān)設(shè)備工況，盡量減少浮泥進(jìn)入清水槽，減輕后續(xù)濾池處理壓力。同時在二沉池末端清水池增加SS濃度在線檢測儀表，接入自控系統(tǒng)，設(shè)定報警值。若SS濃度高時產(chǎn)生報警，及時提醒中控操作人員調(diào)整二沉池進(jìn)水量，或打開配水槽連通閥調(diào)整二次提升至濾池流量，保障濾池正常運行。
（3）為方便檢修，地下污水處理廠各生產(chǎn)線的沉砂池、生化池、沉淀池與濾池的進(jìn)水與出水通過管線與閥門互連互通，且大部分污水處理廠設(shè)置多個進(jìn)水口、內(nèi)回流口和外回流口，大大提高了污水處理廠內(nèi)部工藝調(diào)控的潛力，生產(chǎn)運行效果良好，提高了污水處理能力。
2.5 進(jìn)水水質(zhì)異常時的應(yīng)對措施
2021年8月16日7：00~21：00, 含有苯氨（最高濃度達(dá)到1.6mg/L）、汞（最高濃度達(dá)到0.015mg/L）、鎘（最高濃度達(dá)0.015mg/L）的工業(yè)污水沿污水管網(wǎng)偷排進(jìn)入廣州市白云區(qū)的健康城污水處理廠與竹料污水處理廠，兩廠污水處理規(guī)模分別為16萬m3/d與6萬m3/d。竹料污水處理廠進(jìn)水異常累計時間85 h，健康城污水處理廠進(jìn)水異常累計時間52 h。進(jìn)水水質(zhì)異常期間，兩廠生化系統(tǒng)基本癱瘓，進(jìn)水與出水氨氮值基本相同，為15mg/L，兩廠應(yīng)急工作程序隨即啟動。應(yīng)急管理期間主要采取如下措施：
適當(dāng)加大生化池曝氣量及污泥回流量，適當(dāng)減少污水處理量，增加水力停留時間，加大排泥量，有效避免了菌種大規(guī)模死亡；
追溯并切斷異常來水源頭；
對進(jìn)水和刺激性氣體采樣分析，確定污染物成分，并預(yù)留水樣原樣；
為避免發(fā)生次生災(zāi)害，污水處理廠廠區(qū)禁止明火；
出現(xiàn)進(jìn)水水質(zhì)異常時段，健康城污水處理廠和竹料污水處理廠各關(guān)閉了該廠其中一條生產(chǎn)線的進(jìn)水，各廠確保了一條生產(chǎn)線生化池微生物群落的正?；钚?；
車運鄰近運行正常的污水處理廠的活性污泥至受影響的廠區(qū)，置換生化池污泥。應(yīng)急期間向竹料廠運送活性污泥1 497t，向健康城廠運送活性污泥2 337t；
市公安與市環(huán)保部門立即對工業(yè)污水偷排事件立案偵查。
為期10 d的應(yīng)急搶險期間，共投入400人次，每廠每天對進(jìn)水、過程水與出水指標(biāo)每0.5h檢驗一次，每天水質(zhì)與泥質(zhì)樣合計共檢2 880個。竹料污水處理廠于2021年8月19日恢復(fù)正常運行，健康城污水處理廠于2021年8月26日恢復(fù)正常運行。
03 廣州市污泥與臭氣處理
當(dāng)前廣州城區(qū)地上與地下污水處理廠含水率35%的污泥量為900t/d。廣州污泥處理處置主要有3條技術(shù)路線：
污水處理廠內(nèi)干化-廠外水泥窯或電廠協(xié)同焚燒；
離心脫水-廠外制磚；
離心脫水-廠外制有機園林綠化肥。
大沙地二期與大觀污水處理廠污泥處理處置營運模式為BOT模式，向社會購買污泥處理處置營運服務(wù)。水泥窯與熱電廠每年的檢修給城市污泥處理處置帶來很大營運壓力。為徹底解決廣州城區(qū)污泥處理處置難題，未來應(yīng)采用多種工藝與多種出路，同時盡量使污泥處理處置資源化。廣州污泥處理處置未來研發(fā)的技術(shù)有以下三個方面：污泥厭氧消化技術(shù)；利用35%含水率污泥生產(chǎn)生物炭技術(shù)；污泥制建材與陶瓷品技術(shù)；污泥濃縮脫水干化的綠色絮凝劑產(chǎn)品研發(fā)。
廣州地下污水處理廠臭氣處理采用了水洗法、化學(xué)法、生物法及等離子法等多級串聯(lián)工藝，地下空間各項環(huán)保指標(biāo)設(shè)計值宜為：
有組織排放的臭氣濃度（無量綱）≤100，氨速率≤0.2kg/h，三甲胺速率≤0.05kg/h，二硫化碳速率≤0. 05kg/h，硫化氫速率≤0.02kg/h，甲硫醇速率≤0.002kg/h，甲硫醚速率≤0.05kg/h，二甲二硫速率≤0.05kg/h，苯乙烯速率≤0.12kg/h；
無組織排放臭氣濃度（無量綱）≤10，氨濃度≤0.2mg/m3，三甲胺濃度≤0.05mg/m3，二硫化碳濃度≤0.04mg/m3，硫化氫濃度≤0.01mg/m3，甲硫醇濃度≤0.002mg/m3，甲硫醚濃度≤0.02mg/m3，二甲二硫濃度≤0.04mg/m3，甲烷≤1%；
地下空間的噪音＜80 dB，溫度＜30℃。以上各設(shè)計值選取嚴(yán)于《城鎮(zhèn)地下污水廠設(shè)施通風(fēng)與臭氣處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)地方標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ/T 15-202-2020）。
廣州地下污水處理廠實際運行各項指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)。
04 再生水利用
廣州2021年再生水利用量達(dá)5.94×108 m3，再生水主要來源于表1中的9座地下污水處理廠。約有5.87×108 m3再生水用于瀝滘涌、文涌、白海面涌、花地河、石井河、沙河涌、筷子河、車陂涌、潘龍涌等城市小河流的補水。約有711×104 m3再生水用于市政園林綠化、建筑施工場地降塵與衛(wèi)生、商業(yè)洗車、污水處理廠內(nèi)檢修與清洗。廣州2021年再生水回用率合計達(dá)39.27%。
為使廣州再生水能更廣泛利用，未來應(yīng)做以下三方面突破創(chuàng)新：
新一輪城市規(guī)劃應(yīng)預(yù)留污水處理廠與再生水廠分期發(fā)展的空間，新建城市道路應(yīng)預(yù)敷再生水回用管線；
政府部門應(yīng)積極倡導(dǎo)；
城市居民與工業(yè)企業(yè)的廣泛參與支持。
05 安全管理
地下污水處理廠安全管理嚴(yán)格實行現(xiàn)場巡檢與信息化智能管控相結(jié)合，工程建設(shè)與污水處理廠日常運維管理建立臺賬，見圖2。
地下污水處理廠安全管理要點如下：
地下污水處理廠設(shè)備設(shè)施除了日常巡檢與保養(yǎng)，還要加強預(yù)防檢查，提前預(yù)知設(shè)備設(shè)施的健康狀況，如各類工藝管線、閥門、泵類、儀器儀表、曝氣系統(tǒng)、消防設(shè)備等；
加強電力設(shè)施維保，確保24 h不停電；
健全完善地下污水處理廠應(yīng)急通訊裝備；
建立進(jìn)入地下空間人員的健康手環(huán)定位系統(tǒng)；
加強平時的應(yīng)急演練。
06 綜合開發(fā)
廣州地下污水處理廠采取集約、便捷、綠色與親民的設(shè)計理念，將水污染治理與城市更新改造、生態(tài)景觀營造相結(jié)合，在廠區(qū)將地面綠地與濕地相結(jié)合，廣州地下污水處理廠廠區(qū)綠化率大于50%，構(gòu)建為一個開放給市民的綠色公園。傳統(tǒng)地面污水處理廠日處理2 000 m3污水占地約1畝(1畝≈666 m2)，而地下式污水處理廠每畝土地能夠處理污水5 000 m3，節(jié)約土地資源達(dá)60%。廣州白云區(qū)石井地下污水處理廠服務(wù)人口 111.12 萬人，服務(wù)面積 45.11km2，總處理規(guī)模為30萬m3/d，占地14.20 hm2，建廠總投資23.52億元，單位水量污水處理的基建投資為7 840元/m3，單位水量污水處理的水耗、藥耗、電耗及人力維護(hù)費用合計約1.05元/m3，其他8座地下污水處理廠的投資與營運成本與石井地下污水處理廠相近。石井地下污水處理廠地塊范圍內(nèi)的可供開發(fā)面積4.6萬m2，開發(fā)任務(wù)完成后將有170億元收益。廣州城區(qū)的8座地下污水處理廠可供開發(fā)面積約11 hm2，合計將有410億元收益，在土地價值快速攀升的情況下，將為實現(xiàn)污水處理企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了強大資金支持。
07 結(jié) 語
廣州地下污水處理廠多采用AAO+砂濾或AAO+MBR膜工藝，出水水質(zhì)接近地表水Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，地下污水處理廠出水可以作為城市河流景觀與基流補水。地下污水處理廠的信息智能系統(tǒng)降低了現(xiàn)場管理人員的工作強度，實現(xiàn)了工程、營運、財務(wù)與人事部門無紙化辦公，提高了工作效率與質(zhì)量。污泥廠內(nèi)干化與廠外協(xié)同焚燒有效地解決了廣州污泥處理處置多年來的難題，后續(xù)還應(yīng)研發(fā)多種工藝與方法處理處置城市污泥，盡量使污泥資源化。多級除臭裝置串聯(lián)在地下污水處理廠內(nèi)能有效去除NH3、CH4與H2S 等有毒氣體。為確保城市污水處理廠安全運行與出水合格，工業(yè)污水須達(dá)標(biāo)排放到市政生活污水處理管網(wǎng)。地下污水處理廠綜合開發(fā)所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，將為城市污水處理事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供強大的資金支持。