林穎康

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

資源緊缺是全人類面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)，污水資源化利用和可持續(xù)發(fā)展一直以來都是人們關(guān)注的重要議題。20世紀(jì)末以來，各國對(duì)于污水處理進(jìn)行了廣泛研究，相關(guān)技術(shù)得到了大規(guī)模推廣。污水的處理也向著智能化，綠色化逐步推進(jìn)，新的技術(shù)和方法不斷涌現(xiàn)。馬鳳杰[1]等提出了一種適合天津高速公路服務(wù)區(qū)的污水處理技術(shù)—MBR)法，并在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用，結(jié)果表明經(jīng)MBR處理后的污水回用率可達(dá)70%。侯艷鋒[2]等，針對(duì)農(nóng)村地區(qū)，研發(fā)了一種的重力流及負(fù)壓管道相結(jié)合的生活污水收集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生活污水源分離，進(jìn)一步優(yōu)化了農(nóng)村生活。龔麗影[3]等根據(jù)國內(nèi)外剩余污泥處理處置現(xiàn)狀，提出將剩余污泥、粉煤灰等固體廢物為原料來制備新型活性污泥填料的方法，將剩余污泥資源化利用，并處理城市生活污水。

本文以高新沙泵站雨水污水資源化項(xiàng)目為研究背景，針對(duì)該項(xiàng)目污水水量變化大，出水標(biāo)準(zhǔn)要求高，生態(tài)景觀表現(xiàn)美等項(xiàng)目特點(diǎn)，對(duì)該項(xiàng)目的雨水污水資源化全自動(dòng)系統(tǒng)的搭建和配置進(jìn)行研究分析，重點(diǎn)采用了MBBR工藝的污水凈化工藝[4]。以期對(duì)類似工程提供一定的參考。

1 工程概況及問題現(xiàn)狀

1.1 項(xiàng)目概況

廣州南沙高新沙泵站項(xiàng)目屬于珠江三角洲水資源配置工程的重要組成部分，是整個(gè)工程項(xiàng)目的重要的調(diào)蓄、中轉(zhuǎn)站，以及全流程智慧調(diào)度中心及公共展示平臺(tái)。

1.2 問題現(xiàn)狀

項(xiàng)目區(qū)范圍內(nèi)的污水來源為泵站廠房、辦公樓、職工宿舍等高新沙泵站內(nèi)部設(shè)施以及展館公園等公共設(shè)施，上述場(chǎng)所產(chǎn)生的生產(chǎn)廢水很少，以生活污水為主。雨水收集系統(tǒng)落后，亟需通過建設(shè)智能化雨污處理系統(tǒng)來收集處理高新沙泵站內(nèi)職工及訪客產(chǎn)生的生活污水，處理后回用于綠化、沖洗和水景觀，實(shí)現(xiàn)污水零排放。新建雨水回收利用系統(tǒng)，處理后用于沖廁。

1.2.1污水水量變化大

泵站內(nèi)部設(shè)施常駐工作人員約200人，人數(shù)相對(duì)固定，用水時(shí)間相對(duì)集中；公共設(shè)施人數(shù)不固定，用水時(shí)間分散。項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理規(guī)模120m3/d，水量總變化系數(shù)Kz(最大日最大時(shí)水量/平均日平均時(shí)水量)>2.3，水量變化很大。

1.2.2雨污處理能力差

區(qū)域內(nèi)存在進(jìn)水水量和污染物濃度劇增等極少數(shù)情況。且目前無水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，雨水回收系統(tǒng)落后。結(jié)合本設(shè)施出水景觀、綠化回用功能要求以及最終受納水體環(huán)境要求，本設(shè)施主要出水污染物含量指標(biāo)需滿足地表Ⅳ類(CODcr<30mg/L、NH3-N<1.5mg/L)，具體進(jìn)出水指標(biāo)見表1。目前均不滿足要求。

表1 進(jìn)出水指標(biāo)表

2 雨污系統(tǒng)擬解決問題

2.1 提升污水處理能力

針對(duì)污水水量變化大的問題。

(1)設(shè)置調(diào)節(jié)池。在生化池之前設(shè)置調(diào)節(jié)池，調(diào)節(jié)池有效容積110m3，空間足夠容納20h產(chǎn)生的污水，生化池通過調(diào)節(jié)池內(nèi)的變頻潛污泵配水，可靈活調(diào)整進(jìn)水量，確保后續(xù)處理設(shè)施連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)水。

(2)各處理單元聯(lián)動(dòng)控制，與進(jìn)水量匹配。通過自控程序根據(jù)生化池進(jìn)水量同步調(diào)整曝氣及攪拌強(qiáng)度，維持微生物良好生長狀態(tài)。

(3)水量統(tǒng)計(jì)與系統(tǒng)的匹配。通過對(duì)設(shè)施進(jìn)水量進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出每天平均水量，作為系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行控制的依據(jù)。

2.2 提升出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)出水水質(zhì)差的問題，主要通過建設(shè)合理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、處理系統(tǒng)和選用穩(wěn)定的生化處理工藝[5]。

(1)設(shè)置先進(jìn)的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。污水處理運(yùn)行控制系統(tǒng)可根據(jù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反饋的進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)變化趨勢(shì)，提前做出運(yùn)行調(diào)整，使出水污染物指標(biāo)穩(wěn)定在出水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全范圍內(nèi)。

(2)提升進(jìn)、出水超標(biāo)應(yīng)急處理系統(tǒng)。對(duì)于進(jìn)水水量、污染物濃度劇增等極少數(shù)情況，可采用調(diào)節(jié)池進(jìn)行緩沖、均質(zhì)。一旦在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到清水池水質(zhì)超標(biāo)，系統(tǒng)將自動(dòng)停止該部分水回用，并利用恒壓供水泵將超標(biāo)水抽排到污水管網(wǎng)，進(jìn)入設(shè)施再處理[5]。

(3)選用穩(wěn)定高效的生化處理工藝。本系統(tǒng)選用的核心生化處理工藝為純膜MBBR工藝，后接潛流人工濕地作為強(qiáng)化處理。純膜MBBR工藝相較活性污泥法工藝來說，微生物群落更穩(wěn)定，無需通過污泥回流維持反應(yīng)器內(nèi)的生物量，反應(yīng)器出水污濃度較低，生化池及二沉池均處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，不存在污泥回流量控制不當(dāng)導(dǎo)致系統(tǒng)生化反應(yīng)器微生物大量流失的情況。

2.3 提升系統(tǒng)生態(tài)功能

設(shè)施位于高新沙水庫堤岸景觀綠化帶上，應(yīng)充分發(fā)揮設(shè)施的臭氣控制、噪音控制、以及與景觀的融合度。

臭氣產(chǎn)生區(qū)域全地埋、全密閉、全收集、全處理。可能產(chǎn)生臭氧的區(qū)域如提升泵房、細(xì)格柵、調(diào)節(jié)池、生化池、儲(chǔ)泥池等，上述區(qū)域或設(shè)備均為密閉結(jié)構(gòu)，檢修洞口全部集中在地下夾層中，并采用收集管道與風(fēng)機(jī)統(tǒng)一收集滲漏的零星臭氣，輸送到生化池頂生物除臭模塊中處理，生物除臭模塊將生物除臭濾塔及植物除臭植物有機(jī)結(jié)合起來，除臭效果好[6]。

(1)噪音控制。池體加蓋密封后噪聲更低；格柵、除臭風(fēng)機(jī)、風(fēng)管等設(shè)備均置于地下室內(nèi)，環(huán)境相對(duì)封閉，周邊土層和地下室頂板均有較好隔音效果，相比地上半開放式車間噪聲更低；鼓風(fēng)機(jī)采用進(jìn)口知名品牌，配置減震墊及隔音罩，空氣管道包封降噪，有效控制系統(tǒng)噪音。

(2)景觀融合度。本項(xiàng)目人工濕地、生化池頂除臭植物耦合裝置本身具備很好的景觀效果，與周邊堤岸綠化景觀相得益彰，其余污水處理設(shè)施均隱蔽于地下，檢修洞口采用隱蔽型蓋板，與周邊地坪保持同一平面，同一樣式，與周邊環(huán)境高度融合。

3 自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及主要自控單元

3.1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)搭建

本項(xiàng)目設(shè)備應(yīng)能夠做到全自動(dòng)運(yùn)行，并備有半自動(dòng)控制功能，降低運(yùn)營難度，提高運(yùn)營效率，打造安全實(shí)用、無人值守智慧化。雨水污水資源化項(xiàng)目智慧化，體現(xiàn)在感知、分析、決策、執(zhí)行等各環(huán)節(jié)[6]。

首先，要求設(shè)施具有極高的自動(dòng)化運(yùn)行程控率和可靠運(yùn)轉(zhuǎn)率；其次，采用智能模型算法為主的大閉環(huán)控制，將自動(dòng)化控制和智能化控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理精細(xì)化[7]；最后，建立智慧控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備設(shè)施及工藝運(yùn)行流程的實(shí)時(shí)掌控、預(yù)警報(bào)警、報(bào)表自動(dòng)生成、設(shè)備全生命周期管理、巡檢維護(hù)及移動(dòng)端應(yīng)用等智慧化功能。

3.2 污水提升泵房自動(dòng)控制

污水提升泵房設(shè)備由進(jìn)水閘門、粉碎格柵、提升泵、液位計(jì)組成，執(zhí)行的主要任務(wù)是自動(dòng)將流入泵坑的污水提升到細(xì)格柵前端，參與控制的主要變量為提升泵坑液位。

(1)進(jìn)水閘門控制。進(jìn)水閘門與泵坑液位聯(lián)動(dòng)，進(jìn)水量遠(yuǎn)超設(shè)施處理能力時(shí)，泵坑液位持續(xù)上漲，水位漲至設(shè)定的高高液位時(shí)自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)水閘門，防止污水漫出泵坑。

(2)粉碎格柵控制。格柵與泵坑液位聯(lián)動(dòng)，低水位自動(dòng)停機(jī)保護(hù)；可選連續(xù)運(yùn)行模式和間歇運(yùn)行模式，時(shí)間間隔可調(diào)；電機(jī)過載時(shí)自動(dòng)反轉(zhuǎn)，防止格柵刀盤卡死，自動(dòng)排除故障后重新啟動(dòng)。

3.3 污水系統(tǒng)清水池自動(dòng)控制

人工濕地出水通過清水池暫存，然后經(jīng)過恒壓供水系統(tǒng)和紫外消毒器進(jìn)入回用水管道。主要設(shè)備有：恒壓供水泵組、液位計(jì)、管道紫外消毒器、電動(dòng)閥門等。

(1)清水池液位控制。清水池設(shè)置低低液位、低液位、高液位，當(dāng)人工濕地產(chǎn)水量足夠時(shí)，清水池水位維持在低水位以上；當(dāng)人工濕地產(chǎn)水量不足，清水池液位將至低液位以下時(shí)，自動(dòng)開啟旁路進(jìn)水閥，從雨水回收系統(tǒng)補(bǔ)充清水，水位上升至高液位時(shí)停止補(bǔ)水；人工濕地產(chǎn)水量超過活用量，清水池滿后通過溢流管道排放至高沙河。

(2)清水池水質(zhì)控制。清水池設(shè)水質(zhì)采樣點(diǎn)，一旦在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到清水池水質(zhì)超標(biāo)，系統(tǒng)將自動(dòng)停止此部分水回用，并利用恒壓供水泵將超標(biāo)出水抽回至附近污水管道，回流至污水處理系統(tǒng)重新處理，在系統(tǒng)出水恢復(fù)正常之前，清水池將從雨水回收池取干凈水，保證后續(xù)回用設(shè)施供水正常。

3.4 水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)站自動(dòng)控制

本項(xiàng)目配置2套水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)儀，檢測(cè)指標(biāo)為：COD、NH3-N和SS，水樣采集和監(jiān)測(cè)儀表通過管理用房中控PLC控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)采樣，自動(dòng)檢測(cè)。其中SS指標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，COD、NH3-N檢測(cè)數(shù)據(jù)2h更新1次。

3.5 雨水回收系統(tǒng)自動(dòng)控制

雨水收集池進(jìn)水，降雨時(shí)，片區(qū)雨水通過雨水管道進(jìn)入初雨攔渣棄流等裝置處理后，自流進(jìn)入雨水收集池中。

雨水濕地進(jìn)水，水收集池內(nèi)設(shè)耦合提升泵，1用1備，與雨水池、清水儲(chǔ)池液位計(jì)聯(lián)動(dòng)，雨水池設(shè)低液位、高液位，高液位時(shí)開啟提升泵，將雨水提升到雨水濕地處理，再重力自流進(jìn)入清水儲(chǔ)池。

雨水系統(tǒng)清水池補(bǔ)水，水庫水補(bǔ)充：雨水系統(tǒng)清水池設(shè)低低液位、低液位、高液位，當(dāng)池內(nèi)水位降至低液位以下時(shí)，自動(dòng)開啟水庫補(bǔ)水泵，池內(nèi)水位升至高液位時(shí)停泵。

4 主體MBBR施工工藝

4.1 MBBR工藝原理及創(chuàng)新

本系統(tǒng)選用的核心生化處理工藝立體生態(tài)MBBR工藝，是將流化床生物膜法與水處理植物相結(jié)合的立體生物鏈工藝[7]，由連續(xù)多級(jí)串聯(lián)的污水生物處理反應(yīng)器組成。該技術(shù)通過反應(yīng)器內(nèi)固定生長在人工填料和植物根系上的生物膜及植物的吸收降解，在好氧曝氣條件下，氧化分解污水中的有機(jī)物，凈化水質(zhì)[8]。具有如下的創(chuàng)新點(diǎn)。

(1)MBBR較傳統(tǒng)的全固定生物膜反應(yīng)器(接觸氧化、生物轉(zhuǎn)盤)的不同點(diǎn)在于，改變填料結(jié)構(gòu)、優(yōu)化水流流態(tài)，運(yùn)行狀態(tài)填料在曝氣攪拌作用下隨混合液流動(dòng)，使生物膜與污染物質(zhì)接觸更充分。

(2)在反應(yīng)系統(tǒng)嵌入挺水植物，即可利用植物生長吸收去除部分有機(jī)物，又可利用植物根系構(gòu)建輔助生物載體，形成由細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物等組成的立體生態(tài)群落，進(jìn)一步提高污染物質(zhì)去除效率。

(3)立體生態(tài)MBBR工藝會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜多等級(jí)的食物鏈，處理污水的細(xì)菌被其他生物體捕食，其他生物體又被更高的捕食者捕食，污染物通過植物吸收轉(zhuǎn)化。因此，剩余污泥的產(chǎn)生量較低，是常規(guī)項(xiàng)目的50%，實(shí)現(xiàn)污泥源頭減量。

(4)多級(jí)串聯(lián)，出水穩(wěn)定性強(qiáng)。處理系統(tǒng)由多級(jí)串連的生物反應(yīng)器組成，每個(gè)反應(yīng)器中的進(jìn)水濃度不同，可最大限度地培育優(yōu)化生物相。不同反應(yīng)器生態(tài)處理系統(tǒng)適應(yīng)不同區(qū)域內(nèi)污染物濃度的變化，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)微生物菌群聚集，利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

(5)內(nèi)置生態(tài)除臭裝置。污水處理過程中的臭味在微正壓的條件下隨曝氣空氣向上溢出，在向上流動(dòng)過程中，植物根系上的生物膜和除臭填料上的微生物對(duì)惡臭物質(zhì)進(jìn)行吸附、吸收和降解，達(dá)到良好的生物除臭效果。

(6)設(shè)施生態(tài)美觀。該技術(shù)在污水處理反應(yīng)器內(nèi)培育了大量挺水植物和景觀植物，使得整個(gè)污水處理設(shè)施就像一個(gè)充滿生機(jī)的小花園，徹底改變大眾對(duì)污水處理設(shè)施的傳統(tǒng)形象，實(shí)現(xiàn)人、自然和污水處理的和諧。

4.2 工藝流程及生化池設(shè)計(jì)

將污水重力自流經(jīng)粉碎性格柵去除垃圾后進(jìn)入提升泵站，污水提升進(jìn)入2mm階梯網(wǎng)板格柵和平流廊道式初沉調(diào)節(jié)池，去除細(xì)小垃圾和沙礫[9]。在初沉調(diào)節(jié)池末端設(shè)提升泵將污水提升至三級(jí)立體生態(tài)MBBR池，生化池出水進(jìn)入斜管沉淀池，沉淀池出水經(jīng)加壓輸送至潛流式人工濕地，濕地出水儲(chǔ)存在清水池，通過恒壓供水系統(tǒng)回用到廠區(qū)各用水點(diǎn)。

進(jìn)水中的垃圾、沙粒以及剩余微生物經(jīng)2mm階梯孔板格柵截留，通過高排水壓榨機(jī)處理至含水率55%以下定期清理，實(shí)現(xiàn)了固體污染物減量化和穩(wěn)定化，保障系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行，做到無需人工清淤。

本項(xiàng)目的重點(diǎn)單體污水處置單體立體生態(tài)MBBR生化池，內(nèi)填充專用填料，填料通過池底穿孔曝氣系統(tǒng)曝氣攪拌，中部已設(shè)計(jì)出水填料攔截和穿孔流化系統(tǒng)，進(jìn)一步強(qiáng)化填料流化效果與污水充分混合。填料空隙中附著的生物膜對(duì)水中的污染物質(zhì)吸收降解。MBBR池頂通過固定填料種植挺水植物，植物根系穿過填料與混合液接觸，通過根系吸收污水中的碳、氮、磷等污染物，根系的酥松環(huán)境為大量微生物、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物提供了載體，進(jìn)一步降解污染物。同時(shí)植物根系可吸收降解曝氣池內(nèi)散發(fā)的H2S、NH3-N等惡臭氣體，達(dá)到控制臭味，美化景觀的雙重作用，結(jié)構(gòu)平面圖和剖面圖如圖1—2所示。

圖1 立體生態(tài)MBBR生化池結(jié)構(gòu)平面圖

圖2 立體生態(tài)MBBR生化池結(jié)構(gòu)剖面圖

結(jié)構(gòu)型式：混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯玻璃鋼，分為3級(jí)，全地下，池體頂部種植挺水植物。

5 結(jié)論

自動(dòng)化是雨污資源化處理的趨勢(shì)，人工智能在該領(lǐng)域還有極大的發(fā)展空間，該項(xiàng)目的全自動(dòng)化控制系統(tǒng)打造了生態(tài)智慧樣板工程。本文通過核心MBBR工藝污水處理方法。打造了基于污水提升泵房、污水提升泵房、污水系統(tǒng)清水池、水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)站自動(dòng)控制和雨水回收系統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，建立了智慧控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備設(shè)施及工藝運(yùn)行流程的智慧化運(yùn)營和巡視檢修。

在今后的水資源處理過程中，要發(fā)揮自動(dòng)化信息化的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)自動(dòng)化系統(tǒng)的全面發(fā)展，降低雨水污水危害。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展對(duì)智慧水利創(chuàng)建有著重要促進(jìn)作用，研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和生態(tài)智慧水利是今后發(fā)展的重要方向。