邵军峰：郑州市污水厂群应急联合调度的优化布局与实现
导读：为提升污水系统弹性和韧性，文章分析了郑州市污水系统存在的问题，提出了郑州市污水厂群应急联合调度布局。这种布局能有效应对污水厂应急污水出路问题，提升运行安全保障，同时最重要的是通过跨区域调配实现了未饱和污水厂和超负荷污水之间的有效调度，使郑州市各污水厂高效节能运行。联合调度是未来城市污水系统运营模式的发展趋势，有利于城市的可持续发展，通过实施了郑州市污水厂群应急联合调度，为平原地区污水互联互通建设提供了切合可行的实例。
1 郑州市污水系统的概况及联合调度的思考
1.1郑州市污水系统的概况
根据《郑州市国土空间总体规划(2021—2035年)》，郑州定位为国家中心城市、国际创新智造基地，国际综合枢纽城市和内陆地区对外开放门户，建立一流宜居品质的国际大都市。郑州市主城区污水系统按照地形和污水最终流向，以污水处理厂为基础，共分为五龙口污水处理系统、王新庄与新区污水处理系统、马头岗污水处理系统、陈三桥污水处理系统、马寨污水处理系统、南三环污水处理系统、双桥污水处理系统、南曹污水处理系统8个污水系统(图1)，覆盖范围约为1400km2。
图1 污水系统分布
郑州市主城区实际产生污水量为207.5万m3/d，现状总设计规模为205万m3/d(由于王新庄污水厂近期搬迁，目前实际处理水量为5万m3/d，按王新庄废除考虑)，实际水量与设计规模相当，但夏季峰值流量为248.5万m3/d，远超设计规模。各污水处理厂处理水量如表1 所示。
表1 污水厂现状处理水量
注:“-”代表调出,“+”代表调入,下同。
1.2污水系统主要问题及产生的原因
由表1 可知，郑州市污水负荷不均衡，存在的主要问题如下：①出现“部分污水厂吃不饱，部分水厂吃不了”的现象；②部分污水厂超负荷，造成污水管网高位运行，不仅影响污水管网正常的安全运行，还对污水处理厂的安全稳定性构成威胁；③造成资源利用缺乏合理性，部分污水厂存在设施浪费或过度消耗的情况。
出现以上情况的原因归结如下。
(1)郑州市功能区性质的调整导致污水量发生变化。随着郑州部分功能区性质改变和产业结构调整，原有工业区改造为商业住宅区，造成生活污水排放量发生巨大变化；或由于拆迁，污水厂服务范围内人口锐减，造成污水量的减少。
(2)雨污分流的改造，污水管网的完善。雨污彻底分流,造成合流管网水量减少，污水量相应变化；同时郑州污水管网系统日益完善，有效控制了管道偷排漏排以及漏损等问题，从而提升了污水厂服务范围内的污水收集率，增加污水处理的负荷。
(3)部分区域的迅速发展导致污水量增加。虽然城市地块性质没有明显变化，但服务区域内人口数量增长情况较为突出，其污水厂进水量可能超过污水厂的设计处理量，使得污水厂超负荷运行。
(4)污水厂服务内支干管的改变。污水厂服务范围内新建污水管网，由于下游污水系统没修建，为解决道路周边污水出路，污水管网临时接入相邻污水系统，造成污水厂服务范围发生小部分变化，使得污水量相应改变。
从污水厂实际处理水量可以看出，郑州市污水厂运行负荷不均衡的情况较为严重。因此，郑州市中心城区亟需对区域内的污水厂群进行联合调度，从而近期解决各污水厂运行负荷不均衡的问题。各污水管网系统间的转输调度不仅是补充和完善现状污水管网的有效措施，还是均衡各污水厂的进水量、提升污水的处理效率,增强出水水量和水质稳定性的重要举措。远期污水厂群联合调度可解决污水处理厂运行故障和厂内关键设备的计划性维护的事故风险。
1.3联合调度的设想
在郑州市污水系统规划的基础上，按远期规划规模分析各污水厂的应急外调需求，评估各污水厂的应急服务能力；近期解决各污水厂水量不均衡问题，促进污水厂安全、高效运行。结合工程措施的经济性和可实施性，充分利用规划和现状污水泵站、污水干管系统，打通污水系统厂群间的调水通道，确定合理的调度路径，形成科学的厂群调度系统。同时，完善污水厂间的调水机制，形成厂群联合调度模式，实现事故应急状态下和现状水量平衡下的厂群联合调度，避免因故障导致污水厂污水外溢，造成水环境污染，最大限度削减入河污染负荷，降低并控制事故风险。
1.4城市污水处理联合调度重要性
韧性污水系统主要是指建立高质量、高标准的污水收集及处理系统，使其超前于城市规划建设，为城市及污水管网系统发展预留弹性空间，同时确定合理的转输调度机制与方案，提高现状污水系统的综合服务及应急能力。污水处理厂群的联合调度能大大提升污水处理系统的韧性，降低污水系统应急溢流和超负荷运行风险，降低低负荷水厂的能耗，提高水环境质量。
随着城市的不断发展以及人民对美好生活的向往更加强烈，保障污水处理安全高效、防范水体污染是排水相关单位的重要责任和奋斗目标。因此，构建完善的污水转输调度系统和合理科学的调度方案，确保污水管网和污水厂安全稳定运行，进而降低环境污染风险，具有重要的现实意义。
2 污水厂群联通调度布局的提出
结合郑州市城市地形特点和实际情况，以郑州市厂网一体化、污水收集及处理实时监控、科学调度、智能运行为目标，针对近期水量不均衡，远期提高污水系统运行安全韧性，郑州市就如何布局厂网间调度措施进行了多次论证，提出了多种方案：方案一为敷设专用泵站或污水传输管道，污水系统建立互联互通方案；方案二为扩建超负荷的污水厂，污水管网保持不变，负荷低的污水厂分系列运行；方案三调整污水收集流域。3种方案如表2所示。
表2 联合调度方案对比
通过对比，方案二、三仅解决当前污水厂的超负荷问题，降低运行风险，为“脚疼医脚，头疼医头”形式，不能从根本上解决问题，无法应对后期区域内污水量的再次变化，远期不能解决水厂周期性检修和设备故障时污水的出路，出现问题时只能溢流，污染环境。方案三：调配工程简单，造价相对较低，但调配灵活性较差，会增加相邻下游污水管的负荷，出现高水位运行现象。方案一建立污水厂群联合调度措施，即互联互通方案，可保障污水厂检修和故障时污水的出路，提高污水系统的安全韧性，近期解决各个污水厂水量不均问题，郑州市污水厂群应急联合调度采用方案一。
3 郑州市污水厂群联合调度的建立
3.1污水处理厂应急状态下的调度需求分析
(1)工况确定
郑州市污水厂群联合调度，一是解决规划期末污水厂满负荷运行状态下检修和事故时应急调配需求，按每座污水厂最大一期运行故障时需调出水量，当水厂不分期建设，按一半系列调配水量，二是兼顾近期水量不均衡调配需求，使现状污水厂高效安全节能运行。
(2)联合调度规模分析
借鉴罗亭等的研究成果，规划期末应急状态下，污水厂最大一期外调污水量一部分通过非满管流污水管道进行短时调蓄，管网调蓄量为30%事故污水负荷，污水厂最大一期剩余70%需调配到水厂相邻一期和厂外调度进行平衡；近期按平衡水量进行外调。
超产能力(超过污水厂设计规模处理水量)，综合考量污水处理厂设计时综合变化系数一般不小于1.3，同时根据苏平在北京地区大型污水干管抢修等应急状态下，目标污水厂实际处理水量可达到设计处理能力的1.36 倍，本研究考虑污水厂运行安全性留有富裕，应急状态下超产能力为设计规模的25%。
在确定关键参数的基础上，以郑州新区污水厂为例测算事故外调水量，郑州新区污水处理厂远期规划规模为100 万m3/d，分两期建成，最大一期规模为65 万m3/d，则最不利工况下应急处理规模为45.5 万m3/d。一期故障时，剩余二期的超产能力为8.75 万m3/d，事故外调规模为36.75 万m3/d。现状规模65 万m3/d，实际处理水量88 万t/d，近期需外调水量为23 万m3/d(88 万~65 万m3/d)，各污水厂需外调的应急调度规模推测计算结果如表3所示。
表3 污水厂调水规模测算结果
3.2污水厂应急调度服务能力评估
污水处理厂对外服务能力规划期末为污水处理厂设计超产规模(25%)，近期为满负荷运行不足水量。以陈三桥污水处理厂为例，测算设计应急调度服务能力，陈三桥污水厂规模为25 万m3/d，远期超产规模为6.25 万m3/d，现状处理水量为13.2 万m3/d，近期能接受的外来污水量为11.8 万m3/d。各污水厂的应急调度服务能力测算结果如表4 所示。
表4 污水厂应急调度服务能力
3.3污水厂应急调度方案及模式
3.3.1 污水厂应急调度方案
根据各污水厂及污水干管的规划布局，按经济合理、线路可行，在平衡各污水厂运行负荷及提高污水厂对外应急调度服务能力的基础上，制定各污水处理厂最大调配水量方案(表5)。
表5 各污水处理厂群间最大调度能力
3.3.2 应急调度模式
郑州市要打造厂网一体化运行，使污水厂和污水管网相互协调，以确保污水系统安全及高效运行，其中统筹建设为厂网一体化运行的前提，协调运营为其核心。郑州市污水厂群联合调度主要措施是通过调整流域内现有干管系统和泵站的布局，将部分现状泵站改造为双向泵站，并在两座污水厂流域内的干管之间增加连通管道，将事故或超负荷污水厂局部服务流域内的污水，通过提升或重力自流转输到相邻污水厂的管网系统，形成网-网调度模式，充分发挥其均衡进厂水量、调整污水厂运行负荷的作用，保证污水厂和污水管网的高效、稳定运行。郑州市共建立了郑州新区与陈三桥、郑州新区与南三环、马头岗与郑州新区、五龙口与郑州新区、双桥与马寨、马头岗与陈三桥、双桥与五龙口、双桥与马头岗、南曹与郑州新区九大调度系统，主要采用网-网调度模式，其中郑州新区与南三环、双桥与马寨、双桥与五龙口可实现双向调水。
3.3.3 应急调度方案
各调水通道涉及污水泵站的改造、扩容，并同步完善下游连通枢纽干管。根据各污水系统的污水干管布局、污水厂规划布局，在调度方向和调度水量的基础上制定了郑州市应急调度方案，其调度系统布局如图2 所示。
图2 污水厂应急联合调度干管布局
①五龙口污水厂调水方案。五龙口污水厂目前低负荷运行，一期、二期检修或故障可自行消纳；远期满负荷运行时,可外调水量5万m3/d，通过南阳寨泵站实现外调入双桥污水处理厂，改造南阳寨泵站为双向泵站可实现其功能。近期水量不足可通过郑州新区干管调入配水量5万m3/d。
②马头岗污水厂调水方案。马头岗污水厂应急工况下设计厂外调水规模为13.5万m3/d，马头岗污水厂应急状态下外调目标水厂为陈三桥污水厂。在马头岗污水厂中州大道污水干管魏河处设置泵站一座，规模为10万m3/d，出水沿魏河北岸敷设d1500 污水管，重力流进入陈三桥污水厂。
③陈三桥污水厂调水方案。陈三桥污水厂目前二期进厂干管未实施完成,未通水，近期应急工况下不需要外调。远期满负荷运行时,需外调水量为9万m3/d。陈三桥污水处理厂相对独立，很难实现跨区域外调，可通过陈三桥二期服务郑州新区范围内9万m3/d 不进水，水量自行进入郑州新区污水厂。近期二期水量不足,可通过新区污水厂调配进入陈三桥污水厂，最大调配水量为17.5万m3/d，此工程正在实施。
④南三环污水厂调水方案。远期满负荷运行时应急工况下外调水规模为2.5万m3/d，通过其进厂d1200 干管末端闸门井排入郑州新区污水厂中州大道干管系统。
⑤马寨污水厂调水方案。马寨污水厂满负荷应急工况下设计厂外调水规模为2.25万m3/d，应急状态下厂外调水目标为双桥污水厂，通过现状西四环泵站来实现。
⑥郑州新区污水厂调水方案。郑州新区污水厂远期应急工况下设计厂外调水规模为36.75万m3/d，近期需外水水量为23万m3/d，郑州新区污水厂外调水目标为五龙口污水处理厂5万m3/d、南三环污水处理厂5万m3/d、马头岗污水处理厂15万m3/d，陈三桥污水处理厂9万m3/d,总的最大外调能力为34万m3/d,能满足近期超负荷和远期应急工况下的调度。往五龙口污水厂调水，通过郑州新区贾鲁河d1100截污管干管截留，设置泵站5万m3/d，出水压力管沿纱厂明沟、嵩山北路敷设DN800钢管进入五龙口污水厂二期。往南三环污水厂调水，在郑州新区长江路d1200支干管末端截留，沿紫辰路敷设d1200污水管,重力流进入南三环污水厂进厂干管，最大调配能力为5万m3/d，此方案正在实施。新区污水处理厂调配到马头岗污水处理厂，措施一：利用现状张庄泵站,改造为10万m3/d，把新区污水厂郑汴路干管污水截留进入马头岗污水厂，泵站出水DN1000压力管，沿熊耳河东岸敷设，提升后进入马头岗中州大道d1800进厂干管。措施二：利用农业路泵站，规模为5万m3/d，出水压力管沿龙湖外环路绿化带敷设，进入马头岗中州大道d1800进厂干管；新区污水处理厂调配进入陈三桥污水处理厂，在新区污水厂d3000进厂干管截留，沿京港澳高速辅道西侧、京港澳高速东侧敷设d1650钢筋混凝土管，重力流进入陈三桥污水处理厂二期，调配水量为9万t/d。通过以上措施可实现郑州新区污水厂向各个污水厂分阶段联合调度。
⑦双桥污水厂调水方案。污水厂远期应急工况下厂外调水设计规模为23万m3/d，应急状态下设计向马寨污水处理厂调度污水5万m3/d，改造现状西三环泵站为双向泵站，规模为10万m3/d，出水压力管DN800沿西四环绿地敷设进入马寨污水处理厂；双桥污水处理厂往五龙口污水处理厂调水可实现8 万m3/d，通过南阳寨泵站，把高新区郁香路干管的污水调配入五龙口污水厂；利用双桥污水厂服务范围内江山路泵站，出水切改进入马头岗污水系统，实现双桥应急工况下往马头岗调水2.7 万m3/d。但远期3个接纳水厂服务能力为10.2万m3/d，不能完全满足双桥水厂最大一期应急工况，只能加强污水厂管理，允许水厂一个系列检修，采用质量寿命较长的设备来弥补。
⑧南曹污水厂调水方案。南曹污水厂应急工况下设计厂外调水规模为8 万m3/d。应急状态下，厂外调水设计目标为南三环和郑州新区污水厂。通过南曹中州大道泵站，出水切改到南三环中州大道污水干管，进入南三环污水处理厂，超过南三环污水厂服务能力的污水可通过中州大道连通闸门进入郑州新区污水厂中州大道污水干管，实现南曹、南三环、郑州新区污水厂的互联互调。调配组合为：南三环2.5 万m3/d 和新区5.5 万m3/d，或者全部进入新区污水处理厂。
3.4联合调度管理的管理系统
郑州污水厂厂群联合调水方案的实施需要同步构建并完善污水厂与管网系统之间的联合调度机制。建立一个厂群管理系统，由郑州市主管部门搭建厂网一体化运营平台，但联合调度系统所涉及的泵站、管网、污水厂的管理和运营部门往往是不同的，这种管理机制的分散性将对实现污水厂间互联互通产生不利影响。因此，需在联合调度系统上引进更完善的联合调度机制，协调相关的污水管理及运营单位，明确调度规则、调度任务和相应时间。当污水厂和管网发生事故预警时，其运营单位需要及时在平台上发起污水调度申请，在主管部门接到申请后，根据应急预案快速响应调度程序，增强污水系统韧性，降低环境污染风险。
4 结语
城市污水系统联合调度，关系到一个城市污水系统韧性安全和可持续发展战略，是每座城市发展必须慎重考虑的问题。本研究以郑州市污水厂群联合调度为例，结合郑州市平原城市特点，以期科学指导后续污水系统规划和建设。
(1)污水厂群应急联合调度的建立可以有效解决污水厂负荷不均衡现象，提高设施利用率；解决污水系统应急状态溢流污染，提高污水系统韧性。
(2)污水厂应急状态为规划期末最大一期运行状态外调水量，通过管网30%进行短时调蓄，剩余70%调配到相邻污水处理厂；污水厂超产能力(接受外来污水)为设计规模的25%。
(3)在现状污水系统基础上，结合现状地形，采用重力调水和优先利用现状泵站达到线路最优、投资节省、运行费用最低的特点，提出郑州市污水厂群应急调度模式和调度措施。
联合调度工程的实现提高了污水处理厂应对突发事件的韧性，通过厂群联合调度机制，各污水系统协同合作处理污水，实现部分污水跨流域调配，均衡各污水厂的运行负荷，以达到降低污水厂的超负荷运行压力，增强应急服务能力，防范化解城市污水系统运行风险的目的。
