广州经验：地下污水处理厂的营运管理
导 读：介绍了广州地下污水处理厂的营运规模、工艺流程与进出水水质，总结了广州地下污水处理厂营运管控措施。为有效控制生化池中氮磷指标、曝气量、内外回流比与除磷药剂投加量，在部分地下污水处理厂的缺氧区与好氧区交界段安装了NH3-N、NO-3与PO3-4在线检测仪，运行效果较好；污泥处理处置采用了污泥调理-厂内干化-厂外协同焚烧工艺流程；臭气处理采用了水洗法、化学法、生物法、等离子法等多级串联工艺流程。同时也分析了污水处理厂进水水质异常的应对措施。
广州第一座污水处理厂建成于1989年，当前广州中心城区营运的污水处理厂有13座，污水处理规模496万m³/d，污水处理工艺以AAO、AO、AB等活性污泥法为主。随着城市发展迅猛，新建污水处理系统征地与用地越来越难，社会各届对污水处理厂厂区及其周边环境提出了更高更严的要求。2010年全国首座地下污水处理厂，京溪地下污水处理厂建成。2016至2021年期间广州又建成沥滘三期、大沙地二期、龙归三期、西朗二期、石井、江高、大观与健康城等8座地下污水处理厂。城市地下污水处理厂的规划设计应结合城市总体规划与城市设计要求，美化细化地面园林景观，精巧布局地下污水处理厂地下空间，构建智慧运维平台，实现地下污水处理厂的营运智能管理。
01、广州市地下污水处理厂概况
广州市地下污水处理厂概况见表1。广州城区地下污水处理厂消毒工艺采用以紫外消毒为主，次氯酸钠消毒为辅的组合工艺。
表1 广州地下污水处理厂概况
02、营运生产智能控制
2.1 营运生产管控措施
历经十余年的信息化建设，广州城区污水处理厂由传统的营运管理转向了智能控制管理，完成了数据资产的传承、管理和分析，具体管控措施如下：
智慧净水营运管理平台实现了污水处理全流程水质、水量、水位、设备运行信号等实时数据的集中监控，管理人员在公司内网可通过手机端与浏览器查看设备在线数据，见图1。
营运报表管理系统实现了生产数据的在线填报、统计分析、可视化展示、移动应用等多种功能。智能控制管理规范了数据报送标准，保证了数据质量，提升了经营管理效能。
业财一体化管理平台实现了生产业务与财务管理的融合，具有全面预算、合同管理、档案管理、项目管理、资产管理、报账管理等多个综合业务功能模块。
BIM建筑信息模型实现了污水处理厂结构工程、管道工程、自动控制、电气仪表等专业的图纸数字化与三维化。
基于智控中心的扁平化高效管理，实现了污水处理厂运营管理数字化与数字孪生。营运生产工单涵盖日常巡检、化验、工艺调整、安全管控等。
药剂精细化管理系统实现了计划管理、流程管理、台账管理等全周期管理，加强了各个环节的有效监管。
图1 智慧营运管理平台
2.2 全流程水质在线控制
2019至2021年期间，广州城区污水处理厂进水COD、SS、氨氮、总氮、总磷浓度为120~270、110~240、10~30、10~35、2~10mg/L，出水COD、SS、氨氮、总氮、总磷浓度为8~20、1~4、0.10~0.50、6~12、0.1~0.5mg/L。广州城区污水处理厂的生化池安装有ORP氧化还原电位仪、DO溶解氧仪、MLSS污泥浓度计。ORP氧化还原电位仪与DO溶解氧仪的数值用来控制鼓风机风量，MLSS污泥浓度计的数值反映生化池活性污泥浓度，控制沉淀池的排泥工况。如果仅凭ORP、DO与MLSS污泥浓度值，当出水水质出现波动或异常时，容易造成营运管理调控措施的滞后与误判。
为科学有效控制污水处理过程中的氮磷指标、生化池曝气量、内外回流量与化学除磷药剂投加量，在京溪地下污水处理厂与大坦沙污水处理厂的缺氧区与好氧区交界段安装了NH3-N、NO-3与PO3-4在线检测仪。结合污水处理厂进出水水质，建立了生产线水质变化数学模型，开发了专家系统，形成了污水生化处理过程段约5~6 h的预警与诊断机制，保障了出水水质稳定达标。生化池厌氧末端的氨氮和硝氮值控制得越低越好，沿程的硝氮最低点应控制在厌氧前段。充足的进水碳源保障了生化池的反硝化脱氮进程，同时也保障了除磷过程中微生物的碳源需求。由于总氮的去除主要依靠缺氧区内反硝化反应，硝化反应过程中氨氮转化为硝氮，但总氮物质守恒不变，好氧池前后端的总氮基本相等，进入好氧池之前的氨氮和硝氮之和可作为水质管理过程控制线。缺氧区末端的PO3-4在线检测仪可以监控生化池内的磷去除效果。
大坦沙污水处理厂生化池的NH3-N、NO-3与PO3-4在线检测仪投入使用后，鼓风机能耗下降了10%~20%，出水水质也有进一步的提升，2021年与2022年大坦沙污水处理厂出水基本达到地表水准Ⅳ类水标准，COD、氨氮、SS等各项出水指标达到优质水平，出水TN控制在10mg/L以下，见表2与表3。根据生产实际全流程精细化控制生产记录，在2022年1至4月，同比处理量升幅1.65%，同比碳氮比下降3.46%的情况下，2022年1至4月平均出水总氮值为7.77mg/L，较2021年下降14.33%。按照出水总氮削减1.30mg/L，节省碳源量（按乙酸钠计）约2 359 t，节省碳源药剂成本约235.9万元，经济效益较显著。
表2 大坦沙污水处理厂2021年与2022年鼓风机电耗
表3 大坦沙污水处理厂2021年与2022年TN去除率
2.3 除磷药剂自动投加
龙归污水处理厂一期污水处理规模5万m³/d，2019年12月，安装了基于人工神经网络原理的智能投药除磷系统，智能投药装置投资49.27万元。2020年正式运行后，污水除磷剂单耗从原来的0.35t/万m³下降到0.11t/万m³，减幅达67.50%，出水水质稳定达标。除磷剂年度费用从2019年的22.95万元降到2020年的7.46万元，除磷剂价格按399元/t计。投药系统自动运行，无需人工干预操作，降低了现场人员的日常工作量，保障出水质量稳定达标。表4为2019年、2020年龙归污水处理厂一期污水处理水量与药耗运行数据。
表4 龙归污水处理厂一期2019年与2020年除磷药耗
2.4 设备设施优化运行措施
为加强污水处理厂营运设施优化运行，采取了如下措施：
（1）旋流沉砂池气提阀、气冲阀与砂水分离器等设备工况参数联锁鼓风机。如果沉砂池气提阀管路气体流量计值低于设定值，即时报警提示值班人员调控排砂工况。
（2）为预防二沉池翻泥，在二沉池配水槽前端安装高清摄像头，值班人员通过实时图像观察配水槽污泥絮凝状态。若絮凝状态异常，则及时调整相关设备工况，尽量减少浮泥进入清水槽，减轻后续滤池处理压力。同时在二沉池末端清水池增加SS浓度在线检测仪表，接入自控系统，设定报警值。若SS浓度高时产生报警，及时提醒中控操作人员调整二沉池进水量，或打开配水槽连通阀调整二次提升至滤池流量，保障滤池正常运行。
（3）为方便检修，地下污水处理厂各生产线的沉砂池、生化池、沉淀池与滤池的进水与出水通过管线与阀门互连互通，且大部分污水处理厂设置多个进水口、内回流口和外回流口，大大提高了污水处理厂内部工艺调控的潜力，生产运行效果良好，提高了污水处理能力。
2.5 进水水质异常时的应对措施
2021年8月16日7：00~21：00, 含有苯氨（最高浓度达到1.6mg/L）、汞（最高浓度达到0.015mg/L）、镉（最高浓度达0.015mg/L）的工业污水沿污水管网偷排进入广州市白云区的健康城污水处理厂与竹料污水处理厂，两厂污水处理规模分别为16万m³/d与6万m³/d。竹料污水处理厂进水异常累计时间85 h，健康城污水处理厂进水异常累计时间52 h。进水水质异常期间，两厂生化系统基本瘫痪，进水与出水氨氮值基本相同，为15mg/L，两厂应急工作程序随即启动。应急管理期间主要采取如下措施：
适当加大生化池曝气量及污泥回流量，适当减少污水处理量，增加水力停留时间，加大排泥量，有效避免了菌种大规模死亡；
追溯并切断异常来水源头；
对进水和刺激性气体采样分析，确定污染物成分，并预留水样原样；
为避免发生次生灾害，污水处理厂厂区禁止明火；
出现进水水质异常时段，健康城污水处理厂和竹料污水处理厂各关闭了该厂其中一条生产线的进水，各厂确保了一条生产线生化池微生物群落的正常活性；
车运邻近运行正常的污水处理厂的活性污泥至受影响的厂区，置换生化池污泥。应急期间向竹料厂运送活性污泥1 497t，向健康城厂运送活性污泥2 337t；
市公安与市环保部门立即对工业污水偷排事件立案侦查。
为期10 d的应急抢险期间，共投入400人次，每厂每天对进水、过程水与出水指标每0.5h检验一次，每天水质与泥质样合计共检2 880个。竹料污水处理厂于2021年8月19日恢复正常运行，健康城污水处理厂于2021年8月26日恢复正常运行。
03、广州市污泥与臭气处理
当前广州城区地上与地下污水处理厂含水率35%的污泥量为900t/d。广州污泥处理处置主要有3条技术路线：
污水处理厂内干化-厂外水泥窑或电厂协同焚烧；
离心脱水-厂外制砖；
离心脱水-厂外制有机园林绿化肥。
大沙地二期与大观污水处理厂污泥处理处置营运模式为BOT模式，向社会购买污泥处理处置营运服务。水泥窑与热电厂每年的检修给城市污泥处理处置带来很大营运压力。为彻底解决广州城区污泥处理处置难题，未来应采用多种工艺与多种出路，同时尽量使污泥处理处置资源化。广州污泥处理处置未来研发的技术有以下三个方面：污泥厌氧消化技术；利用35%含水率污泥生产生物炭技术；污泥制建材与陶瓷品技术；污泥浓缩脱水干化的绿色絮凝剂产品研发。
广州地下污水处理厂臭气处理采用了水洗法、化学法、生物法及等离子法等多级串联工艺，地下空间各项环保指标设计值宜为：
有组织排放的臭气浓度（无量纲）≤100，氨速率≤0.2kg/h，三甲胺速率≤0.05kg/h，二硫化碳速率≤0. 05kg/h，硫化氢速率≤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；
无组织排放臭气浓度（无量纲）≤10，氨浓度≤0.2mg/m³，三甲胺浓度≤0.05mg/m³，二硫化碳浓度≤0.04mg/m³，硫化氢浓度≤0.01mg/m³，甲硫醇浓度≤0.002mg/m³，甲硫醚浓度≤0.02mg/m³，二甲二硫浓度≤0.04mg/m³，甲烷≤1%；
地下空间的噪音＜80 dB，温度＜30℃。以上各设计值选取严于《城镇地下污水厂设施通风与臭气处理技术标准地方标准》（DBJ/T 15-202-2020）。
广州地下污水处理厂实际运行各项指标达到或优于设计指标。
04、再生水利用
广州2021年再生水利用量达5.94×108 m³，再生水主要来源于表1中的9座地下污水处理厂。约有5.87×108 m³再生水用于沥滘涌、文涌、白海面涌、花地河、石井河、沙河涌、筷子河、车陂涌、潘龙涌等城市小河流的补水。约有711×104 m³再生水用于市政园林绿化、建筑施工场地降尘与卫生、商业洗车、污水处理厂内检修与清洗。广州2021年再生水回用率合计达39.27%。
为使广州再生水能更广泛利用，未来应做以下三方面突破创新：
新一轮城市规划应预留污水处理厂与再生水厂分期发展的空间，新建城市道路应预敷再生水回用管线；
政府部门应积极倡导；
城市居民与工业企业的广泛参与支持。
05、安全管理
地下污水处理厂安全管理严格实行现场巡检与信息化智能管控相结合，工程建设与污水处理厂日常运维管理建立台账，见图2。
图2 安全管理台账
地下污水处理厂安全管理要点如下：
地下污水处理厂设备设施除了日常巡检与保养，还要加强预防检查，提前预知设备设施的健康状况，如各类工艺管线、阀门、泵类、仪器仪表、曝气系统、消防设备等；
加强电力设施维保，确保24 h不停电；
健全完善地下污水处理厂应急通讯装备；
建立进入地下空间人员的健康手环定位系统；
加强平时的应急演练。
06、综合开发
广州地下污水处理厂采取集约、便捷、绿色与亲民的设计理念，将水污染治理与城市更新改造、生态景观营造相结合，在厂区将地面绿地与湿地相结合，广州地下污水处理厂厂区绿化率大于50%，构建为一个开放给市民的绿色公园。传统地面污水处理厂日处理2 000 m³污水占地约1亩(1亩≈666 m²)，而地下式污水处理厂每亩土地能够处理污水5 000 m³，节约土地资源达60%。广州白云区石井地下污水处理厂服务人口 111.12 万人，服务面积 45.11km²，总处理规模为30万m³/d，占地14.20 hm²，建厂总投资23.52亿元，单位水量污水处理的基建投资为7 840元/m³，单位水量污水处理的水耗、药耗、电耗及人力维护费用合计约1.05元/m³，其他8座地下污水处理厂的投资与营运成本与石井地下污水处理厂相近。石井地下污水处理厂地块范围内的可供开发面积4.6万m²，开发任务完成后将有170亿元收益。广州城区的8座地下污水处理厂可供开发面积约11 hm²，合计将有410亿元收益，在土地价值快速攀升的情况下，将为实现污水处理企业的可持续发展提供了强大资金支持。
07、结 语
广州地下污水处理厂多采用AAO+砂滤或AAO+MBR膜工艺，出水水质接近地表水Ⅴ类水水质标准，地下污水处理厂出水可以作为城市河流景观与基流补水。地下污水处理厂的信息智能系统降低了现场管理人员的工作强度，实现了工程、营运、财务与人事部门无纸化办公，提高了工作效率与质量。污泥厂内干化与厂外协同焚烧有效地解决了广州污泥处理处置多年来的难题，后续还应研发多种工艺与方法处理处置城市污泥，尽量使污泥资源化。多级除臭装置串联在地下污水处理厂内能有效去除NH3、CH4与H2S 等有毒气体。为确保城市污水处理厂安全运行与出水合格，工业污水须达标排放到市政生活污水处理管网。地下污水处理厂综合开发所产生的经济效益，将为城市污水处理事业的可持续发展提供强大的资金支持。
