廣州經驗：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模、工藝流程與進出水水質，總結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、曝氣量、內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與好氧區交界段安裝了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理-廠內干化-廠外協同焚燒工藝流程；臭氣處理采用了水洗法、化學法、生物法、等離子法等多級串聯工藝流程。同時也分析了污水處理廠進水水質異常的應對措施。
廣州第一座污水處理廠建成于1989年，當前廣州中心城區營運的污水處理廠有13座，污水處理規模496萬m3/d，污水處理工藝以AAO、AO、AB等活性污泥法為主。隨著城市發展迅猛，新建污水處理系統征地與用地越來越難，社會各屆對污水處理廠廠區及其周邊環境提出了更高更嚴的要求。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劃設計應結合城市總體規劃與城市設計要求，美化細化地面園林景觀，精巧布局地下污水處理廠地下空間，構建智慧運維平臺，實現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 營運生產智能控制
2.1 營運生產管控措施
歷經十余年的信息化建設，廣州城區污水處理廠由傳統的營運管理轉向了智能控制管理，完成了數據資產的傳承、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了污水處理全流程水質、水量、水位、設備運行信號等實時數據的集中監控，管理人員在公司內網可通過手機端與瀏覽器查看設備在線數據，見圖1。
營運報表管理系統實現了生產數據的在線填報、統計分析、可視化展示、移動應用等多種功能。智能控制管理規范了數據報送標準，保證了數據質量，提升了經營管理效能。
業財一體化管理平臺實現了生產業務與財務管理的融合，具有全面預算、合同管理、檔案管理、項目管理、資產管理、報賬管理等多個綜合業務功能模塊。
BIM建筑信息模型實現了污水處理廠結構工程、管道工程、自動控制、電氣儀表等專業的圖紙數字化與三維化。
基于智控中心的扁平化高效管理，實現了污水處理廠運營管理數字化與數字孿生。營運生產工單涵蓋日常巡檢、化驗、工藝調整、安全管控等。
藥劑精細化管理系統實現了計劃管理、流程管理、臺賬管理等全周期管理，加強了各個環節的有效監管。
2.2 全流程水質在線控制
2019至2021年期間，廣州城區污水處理廠進水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溶解氧儀的數值用來控制鼓風機風量，MLSS污泥濃度計的數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，當出水水質出現波動或異常時，容易造成營運管理調控措施的滯后與誤判。
為科學有效控制污水處理過程中的氮磷指標、生化池曝氣量、內外回流量與化學除磷藥劑投加量，在京溪地下污水處理廠與大坦沙污水處理廠的缺氧區與好氧區交界段安裝了NH3-N、NO-3與PO3-4在線檢測儀。結合污水處理廠進出水水質，建立了生產線水質變化數學模型，開發了專家系統，形成了污水生化處理過程段約5~6 h的預警與診斷機制，保障了出水水質穩定達標。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控制在厭氧前段。充足的進水碳源保障了生化池的反硝化脫氮進程，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內反硝化反應，硝化反應過程中氨氮轉化為硝氮，但總氮物質守恒不變，好氧池前后端的總氮基本相等，進入好氧池之前的氨氮和硝氮之和可作為水質管理過程控制線。缺氧區末端的PO3-4在線檢測儀可以監控生化池內的磷去除效果。
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，鼓風機能耗下降了10%~20%，出水水質也有進一步的提升，2021年與2022年大坦沙污水處理廠出水基本達到地表水準Ⅳ類水標準，COD、氨氮、SS等各項出水指標達到優質水平，出水TN控制在10mg/L以下，見表2與表3。根據生產實際全流程精細化控制生產記錄，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，節省碳源量（按乙酸鈉計）約2 359 t，節省碳源藥劑成本約235.9萬元，經濟效益較顯著。
2.3 除磷藥劑自動投加
龍歸污水處理廠一期污水處理規模5萬m3/d，2019年12月，安裝了基于人工神經網絡原理的智能投藥除磷系統，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67.50%，出水水質穩定達標。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。投藥系統自動運行，無需人工干預操作，降低了現場人員的日常工作量，保障出水質量穩定達標。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據。
2.4 設備設施優化運行措施
為加強污水處理廠營運設施優化運行，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備工況參數聯鎖鼓風機。如果沉砂池氣提閥管路氣體流量計值低于設定值，即時報警提示值班人員調控排砂工況。
（2）為預防二沉池翻泥，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。若絮凝狀態異常，則及時調整相關設備工況，盡量減少浮泥進入清水槽，減輕后續濾池處理壓力。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，設定報警值。若SS濃度高時產生報警，及時提醒中控操作人員調整二沉池進水量，或打開配水槽連通閥調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線的沉砂池、生化池、沉淀池與濾池的進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置多個進水口、內回流口和外回流口，大大提高了污水處理廠內部工藝調控的潛力，生產運行效果良好，提高了污水處理能力。
2.5 進水水質異常時的應對措施
2021年8月16日7：00~21：00, 含有苯氨（最高濃度達到1.6mg/L）、汞（最高濃度達到0.015mg/L）、鎘（最高濃度達0.015mg/L）的工業污水沿污水管網偷排進入廣州市白云區的健康城污水處理廠與竹料污水處理廠，兩廠污水處理規模分別為16萬m3/d與6萬m3/d。竹料污水處理廠進水異常累計時間85 h，健康城污水處理廠進水異常累計時間52 h。進水水質異常期間，兩廠生化系統基本癱瘓，進水與出水氨氮值基本相同，為15mg/L，兩廠應急工作程序隨即啟動。應急管理期間主要采取如下措施：
適當加大生化池曝氣量及污泥回流量，適當減少污水處理量，增加水力停留時間，加大排泥量，有效避免了菌種大規模死亡；
追溯并切斷異常來水源頭；
對進水和刺激性氣體采樣分析，確定污染物成分，并預留水樣原樣；
為避免發生次生災害，污水處理廠廠區禁止明火；
出現進水水質異常時段，健康城污水處理廠和竹料污水處理廠各關閉了該廠其中一條生產線的進水，各廠確保了一條生產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，置換生化池污泥。應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；
市公安與市環保部門立即對工業污水偷排事件立案偵查。
為期10 d的應急搶險期間，共投入400人次，每廠每天對進水、過程水與出水指標每0.5h檢驗一次，每天水質與泥質樣合計共檢2 880個。竹料污水處理廠于2021年8月19日恢復正常運行，健康城污水處理廠于2021年8月26日恢復正常運行。
03 廣州市污泥與臭氣處理
當前廣州城區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條技術路線：
污水處理廠內干化-廠外水泥窯或電廠協同焚燒；
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。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污泥處理處置難題，未來應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的技術有以下三個方面：污泥厭氧消化技術；利用35%含水率污泥生產生物炭技術；污泥制建材與陶瓷品技術；污泥濃縮脫水干化的綠色絮凝劑產品研發。
廣州地下污水處理廠臭氣處理采用了水洗法、化學法、生物法及等離子法等多級串聯工藝，地下空間各項環保指標設計值宜為：
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℃。以上各設計值選取嚴于《城鎮地下污水廠設施通風與臭氣處理技術標準地方標準》（DBJ/T 15-202-2020）。
廣州地下污水處理廠實際運行各項指標達到或優于設計指標。
04 再生水利用
廣州2021年再生水利用量達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生、商業洗車、污水處理廠內檢修與清洗。廣州2021年再生水回用率合計達39.27%。
為使廣州再生水能更廣泛利用，未來應做以下三方面突破創新：
新一輪城市規劃應預留污水處理廠與再生水廠分期發展的空間，新建城市道路應預敷再生水回用管線；
政府部門應積極倡導；
城市居民與工業企業的廣泛參與支持。
05 安全管理
地下污水處理廠安全管理嚴格實行現場巡檢與信息化智能管控相結合，工程建設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：
地下污水處理廠設備設施除了日常巡檢與保養，還要加強預防檢查，提前預知設備設施的健康狀況，如各類工藝管線、閥門、泵類、儀器儀表、曝氣系統、消防設備等；
加強電力設施維保，確保24 h不停電；
健全完善地下污水處理廠應急通訊裝備；
建立進入地下空間人員的健康手環定位系統；
加強平時的應急演練。
06 綜合開發
廣州地下污水處理廠采取集約、便捷、綠色與親民的設計理念，將水污染治理與城市更新改造、生態景觀營造相結合，在廠區將地面綠地與濕地相結合，廣州地下污水處理廠廠區綠化率大于50%，構建為一個開放給市民的綠色公園。傳統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，節約土地資源達60%。廣州白云區石井地下污水處理廠服務人口 111.12 萬人，服務面積 45.11km2，總處理規模為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的可供開發面積4.6萬m2，開發任務完成后將有170億元收益。廣州城區的8座地下污水處理廠可供開發面積約11 hm2，合計將有410億元收益，在土地價值快速攀升的情況下，將為實現污水處理企業的可持續發展提供了強大資金支持。
07 結 語
廣州地下污水處理廠多采用AAO+砂濾或AAO+MBR膜工藝，出水水質接近地表水Ⅴ類水水質標準，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降低了現場管理人員的工作強度，實現了工程、營運、財務與人事部門無紙化辦公，提高了工作效率與質量。污泥廠內干化與廠外協同焚燒有效地解決了廣州污泥處理處置多年來的難題，后續還應研發多種工藝與方法處理處置城市污泥，盡量使污泥資源化。多級除臭裝置串聯在地下污水處理廠內能有效去除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，工業污水須達標排放到市政生活污水處理管網。地下污水處理廠綜合開發所產生的經濟效益，將為城市污水處理事業的可持續發展提供強大的資金支持。
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