摘 要：文章概述了廣州建設地下式污水處理廠(chǎng)的背景，論述了地下式污水廠(chǎng)數字化建設的幾個(gè)重要元素：信息系統聯(lián)動(dòng)協(xié)同、資產(chǎn)數據可視化、運營(yíng)管理數字化與各工藝環(huán)節控制邏輯優(yōu)化升級的智能管理應用，介紹了旋流沉砂池、生化池、污泥回流、二沉池、設備與管線(xiàn)智能控制措施，總結了地下式污水處理廠(chǎng)污泥處理處置、臭氣處理與再生水利用的運營(yíng)實(shí)踐，探討了地下式污水處理廠(chǎng)的綜合開(kāi)發(fā)，并提出低碳源消耗生物除磷新技術(shù)、污泥固碳技術(shù)、組合工藝除臭技術(shù)、污泥調理藥劑配方及地下式污水處理廠(chǎng)數字孿生是未來(lái)重點(diǎn)研發(fā)方向。

2010年全國第一座全地下式污水處理廠(chǎng)在廣州市白云區京溪建成并通水運行，占地僅27畝(1畝≈666.67 m²)，處理污水達15萬(wàn)m³/d，實(shí)際出水優(yōu)于《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。近幾年來(lái)，廣州所建8座污水處理廠(chǎng)都是地下式污水處理廠(chǎng)，國內的其他城市也陸續建成一批地下式污水處理廠(chǎng)[1-2]。廣州污水處理廠(chǎng)建設從地面轉到地下的主要原因有：①由于城市的快速發(fā)展，用于城市市政設施的用地越來(lái)越少；②已建成的傳統污水處理廠(chǎng)占地大，地面不可能進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)；③變“鄰避效應”為“鄰利效應”，地下式污水處理廠(chǎng)的上蓋地面除少量管理用房外，其他大部分面積是綠色公園；④建設地下式污水處理廠(chǎng)可盤(pán)活土地增長(cháng)收益，為城市污水處理可持續發(fā)展籌集資金[3]。地下式污水處理廠(chǎng)巧妙布局地下空間[4-5]，地面形成園林景觀(guān)，化解了“鄰避效應”。圖1為廣州地下式污水處理廠(chǎng)分布，表1為廣州城區地下式污水處理廠(chǎng)綜合開(kāi)發(fā)面積統計。

圖1 廣州地下式污水處理廠(chǎng)分布

Fig.1 Distribution of Underground WWTPs in Guangzhou

由表1可知，已建地下式污水處理廠(chǎng)地面可供開(kāi)發(fā)面積可達10.71萬(wàn)m²，合計將約有410億元綜合收益，廣州城區土地價(jià)值仍在上升，地下式污水處理廠(chǎng)的地面開(kāi)發(fā)為實(shí)現污水處理企業(yè)可持續發(fā)展提供了強大資金支持，為廣州水務(wù)環(huán)保產(chǎn)業(yè)園的建設提供場(chǎng)地支持。

注：噸水處理成本包含人工、藥耗、電耗、材耗費用等，不包含折舊與大中修費用

1 廣州地下式污水處理廠(chǎng)設計規劃亮點(diǎn)

廣州地下式污水處理廠(chǎng)規劃設計運用地下建廠(chǎng)、地上建園的理念。已建9座地下式污水處理廠(chǎng)地下空間深度約為17 m，進(jìn)水污水總管、粗格柵與提升泵房在負二層，細格柵、生化池、濾池、鼓風(fēng)機與配電房等設施設計在負一層，地下式污水處理廠(chǎng)地面設計成綠化公園。以廣州石井凈水廠(chǎng)的設計圖為例，圖2為石井凈水廠(chǎng)地面平面圖，地面上只有少量管理用房，綠地與濕地覆蓋率超過(guò)了占地的65%，圖3為石井凈水廠(chǎng)地面濕地公園。龍歸廠(chǎng)三期、江高廠(chǎng)、健康城廠(chǎng)、西朗廠(chǎng)二期、大沙地廠(chǎng)二期5個(gè)污水廠(chǎng)采用AAO+MBR膜工藝；大觀(guān)廠(chǎng)、瀝滘廠(chǎng)三期、石井廠(chǎng)3個(gè)污水廠(chǎng)采用了AAO+二沉池+V型濾池工藝。圖4為石井凈水廠(chǎng)地下空間布置示意圖。

圖2 石井凈水廠(chǎng)地面景觀(guān)

Fig.2 Landscape Map of Shijing Underground WWTP

圖3 石井凈水廠(chǎng)的濕地公園

Fig.3 Wetland Park of Shijing Underground WWTP

圖4 石井凈水廠(chǎng)地下式空間布置示意圖

Fig.4 Underground Space Layout of Shijing

廣州地下式污水處理廠(chǎng)的規劃設計與建設施工呈現如下特點(diǎn)。

(1)每座地下式污水處理廠(chǎng)選用EPC總承包模式，地下式污水處理廠(chǎng)建設施工方與設計方在技術(shù)上實(shí)現無(wú)縫對接，土建結構設計施工合理銜接機電設備的供貨安裝與調試。

(2)重點(diǎn)優(yōu)化完善水泵、鼓風(fēng)機、曝氣系統、濾池、消毒系統與MBR膜組件等重要設備的工藝參數，如MBR膜的膜通量精選為18～25 L/(m²·s)等。

(3)為確保地下式污水處理廠(chǎng)檢修間不停產(chǎn)，污水不外溢，地下式污水處理廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)之間通過(guò)閥門(mén)與管道相連接，各條生產(chǎn)線(xiàn)既能獨立運行，又方便某一條生產(chǎn)線(xiàn)檢修時(shí)總體流量的調度分配。

(4)地下式污水處理廠(chǎng)地下式空間結構工程負荷設計與地面綜合開(kāi)發(fā)項目相銜接。

(5)配電房有具體的防水措施設計。

(6)施工作業(yè)高峰期間，采用全員進(jìn)出場(chǎng)刷臉、全員安全帽芯片行程跟蹤等安全管理措施。

2 地下式污水處理廠(chǎng)的數字化建設

地下式污水處理廠(chǎng)綜合管理平臺集中部署在公司總部云端，具有營(yíng)運調度、應急指揮、經(jīng)營(yíng)數據分析、綜合展示功能，集中運行維護，節約了系統的建設與運維成本。廣州地下式污水處理廠(chǎng)營(yíng)運基本實(shí)現了智能管理。

2.1 已建系統的聯(lián)動(dòng)和協(xié)同

將已建地下式污水處理廠(chǎng)的精確曝氣控制系統、智能加藥控制系統、智能回流控制系統、智能地磅稱(chēng)重系統、員工生命安全監測系統、智能安防系統等進(jìn)行聯(lián)動(dòng)和協(xié)同，對具有多變量、非線(xiàn)性、大滯后等特點(diǎn)的污水處理系統進(jìn)行穩定控制，圖5為智慧污水處理運營(yíng)管理平臺示意圖。為實(shí)現對碳源、除磷劑、消毒劑加藥量更精確的智能控制，在出水水質(zhì)達標的基礎上節省藥劑費用。系統的聯(lián)動(dòng)和協(xié)同解決了廠(chǎng)內信息數據無(wú)法交流互通、人員重復數據填報、設備缺少管理臺賬、人員缺乏績(jì)效管理等問(wèn)題。

圖5 地下式污水處理廠(chǎng)管理平臺示意圖

Fig.5 Management Platform of Underground WWTPs

2.2 資產(chǎn)數據可視化

污水處理廠(chǎng)智能管理實(shí)現了污水處理廠(chǎng)結構、管道、控制、電氣等專(zhuān)業(yè)圖紙數字化與三維化，提高了廠(chǎng)區的結構、管道、配電自控等維護排障效率，完成了數據資產(chǎn)的傳承、管理和分析。圖6為地下空間管道優(yōu)化前的布局，圖7為地下空間管道優(yōu)化后的布局，圖8為地下空間智能維護管理，圖9為地下空間泵房的BIM模型。

圖6 地下空間管道優(yōu)化前的布局

Fig.6 Initial Layout of Underground Space Pipelines

圖7 地下空間管道優(yōu)化后的布局

Fig.7 Optimized Layout of Underground

Space Pipelines

圖8 地下空間智能維護管理

Fig.8 Intelligent Maintenance of Underground Space

圖9 地下式空間泵房的BIM模型

Fig.9 BIM Model of Underground Management of Pump Station

2.3 運營(yíng)管理數字化

建立污水處理廠(chǎng)運行關(guān)鍵績(jì)效指標評估機制，從管理質(zhì)量、能耗分析、設備運行效率、運行工藝參數等多個(gè)方面定期對污水處理廠(chǎng)的運行工況進(jìn)行綜合性評定，實(shí)現基于智控中心的扁平化、高效化管理。工單覆蓋日常巡檢、化驗、工藝調整、安全管控，圖10為地下式污水處理廠(chǎng)日常巡檢示意圖。自動(dòng)化智能報表只填一次，杜絕二次錄入，實(shí)現數據的高效流轉和業(yè)務(wù)的充分融合，為廠(chǎng)區無(wú)紙化辦公提供支持。建立完善的設備運維管理體系，利用人機協(xié)同解決設備運行、維護、維修規范化、標準化問(wèn)題，可實(shí)現各類(lèi)型業(yè)務(wù)的線(xiàn)上化執行及管理。

圖10 地下式污水處理廠(chǎng)日常巡檢示意圖

Fig.10 Schematic Diagram of Daily Inspection of Underground WWTP

2.4 廣州地下式污水廠(chǎng)控制系統優(yōu)化

(1)將旋流沉砂池的控制與周期運行裝置聯(lián)鎖鼓風(fēng)機、氣提閥、氣沖閥、砂水分離器，增加了智能控制功能。

(2)為提高二沉池沉淀效果，在二沉池配水槽前端安裝高清攝像頭，值班人員通過(guò)實(shí)時(shí)圖像觀(guān)察配水槽污泥絮凝狀態(tài)，發(fā)現異常時(shí)及時(shí)調控相關(guān)設備運行參數，減少浮泥進(jìn)入清水槽，減輕濾池壓力，將手動(dòng)閥門(mén)改造成電動(dòng)閥門(mén)，優(yōu)化控制程序，實(shí)現排泥閥周期順序排泥，防止二沉池污泥濃度過(guò)高，保證二沉池水質(zhì)穩定。同時(shí)在二沉池末端清水池增加SS濃度檢測儀表，接入自控系統，設定報警限制，濃度過(guò)高時(shí)報警，保障濾池正常運行。

(3)生化池在線(xiàn)控制

在地下式污水處理廠(chǎng)生化池的缺氧區與好氧區交界段安裝氨態(tài)氮、硝態(tài)氮與磷酸鹽在線(xiàn)檢測儀，分析厭氧前段硝態(tài)氮、厭氧末端的氨態(tài)氮和硝態(tài)氮、缺氧區末端磷酸鹽濃度，全面監控生化池內的脫氮除磷效果，并形成污水生化處理過(guò)程段5～6 h的預警與診斷機制。生化池在線(xiàn)儀表檢測值指引智能系統調節內外回流比、溶解氧、曝氣量、碳源投加量與化學(xué)除磷藥劑投加量，保障出水水質(zhì)穩定達標。

(4)構建全方位的報警體系

一旦監測到儀表或設備的報警信號，報警消息可通知到中控室、值班室人員及與報警信息相關(guān)的人員。與人員安全相關(guān)的點(diǎn)位有聲光報警提醒，如存在H2S、NH3泄露隱患的車(chē)間。PC端和移動(dòng)端對報警消息進(jìn)行同步記錄和展示，使用者點(diǎn)擊任意一條報警信息，系統畫(huà)面將自動(dòng)定位到對應問(wèn)題所在污水處理廠(chǎng)的實(shí)際位置。

(5)設備管理

實(shí)現設備快速查找和定位，實(shí)時(shí)監測設備的溫度、頻率、電流、電壓等，并生成曲線(xiàn)。當監測數據越限報警時(shí)，系統結合經(jīng)驗模型自動(dòng)判斷產(chǎn)生報警的故障部件，在零件級設備模型的基礎上，對可能發(fā)生故障的部位進(jìn)行關(guān)聯(lián)和突出顯示，針對性地提供維修建議。

(6)管線(xiàn)管理

以三維形式完整直觀(guān)展現隱蔽工程中各類(lèi)工藝管線(xiàn)布局布，提高管路巡檢維修的效率。系統將管網(wǎng)按類(lèi)型分圖層顯示，可控制顯隱，詳細展示出管線(xiàn)屬性、關(guān)聯(lián)性、檢修井分布位置，以及各維度的統計信息和物聯(lián)網(wǎng)監測數據。

3 地下式污水處理廠(chǎng)的運營(yíng)實(shí)踐

3.1 高效能污泥處理處置技術(shù)

污水處理廠(chǎng)的污泥處理處置一直都是社會(huì )各界關(guān)注的環(huán)保難題。廣州地下式污水處理廠(chǎng)污泥處理處置工藝由污水進(jìn)出水水質(zhì)、地下式空間尺寸、處理時(shí)間、處理溫度、處理壓力與臭氣收集去除等因素綜合確定，表2為廣州所有地下式污水處理廠(chǎng)的污泥處理運行成本比較。

污泥在廠(chǎng)內干化后，主要指標應達到如下標準[6]：①5

3.2 地下式污水廠(chǎng)除臭技術(shù)

廣州地下式污水處理廠(chǎng)周邊幾乎都是大型居民區或商業(yè)區，地下式污水處理廠(chǎng)的臭氣處理效果直接關(guān)系到項目建設與運營(yíng)的成敗。地下式污水處理廠(chǎng)臭氣主要來(lái)源于進(jìn)水粗格柵、沉砂池、細格柵、生化池、二沉池與污泥處理車(chē)間等工藝環(huán)節，臭氣的主要成分有H2S、NH3及CH4等。地下式污水處理廠(chǎng)的臭氣處理設計時(shí)有如下幾點(diǎn)考慮。

①在地下式空間的負一層與負二層開(kāi)展氣流分布與擴散模擬，繪制氣流云圖，以空氣流體動(dòng)力學(xué)模型的計算結果，科學(xué)合理布置臭氣收集口、臭氣管道收集系統與離子送風(fēng)系統。

②多組合工藝串聯(lián)，以提高臭氣處理效果。

③粗格柵、沉砂池、細格柵、生化池、污泥脫水干化區、污泥料倉區與污泥卸泥區加密封罩與負壓運行。

④污泥調質(zhì)區、污泥輸送區、密封罩周邊、污泥料倉區、污泥卸泥區與離子送風(fēng)設備區等換氣次數應嚴格按照設計標準或優(yōu)于設計標準執行。

⑤處理后的尾氣排放塔高度為15 m。

廣州市9座地下式污水處理廠(chǎng)除臭采用了生物法+化學(xué)法+催化氧化法+活性炭吸附法等不同工藝的串聯(lián)組合，使廠(chǎng)區排放臭氣均達到且遠優(yōu)于《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—1993)標準及廣東省地方排放標準《城鎮地下污水處理設施通風(fēng)與臭氣處理技術(shù)標準》(DBJ/T 15-202—2020)，有效地解決了污水處理廠(chǎng)“鄰避效應”難題。

以京溪凈水廠(chǎng)為例，京溪凈水廠(chǎng)的提升泵房臭氣處理采用了等離子技術(shù)+氣動(dòng)乳化技術(shù)+生物除臭技術(shù)三級串聯(lián)工藝，表3為京溪凈水廠(chǎng)提升泵房臭氣處理效果。低溫等離子體主要是由氣體放電產(chǎn)生，利用高頻流光放電等離子體的特性，在廢氣中產(chǎn)生等離子體電離電場(chǎng)，電離使有害氣體氧化和裂解，達到分解廢氣中有害物質(zhì)的目的。經(jīng)等離子體裝置處理后的廢氣進(jìn)入氣動(dòng)乳化塔，經(jīng)過(guò)乳化塔內的乳化劑進(jìn)行氣液交換凈化，經(jīng)凈化后的氣體再進(jìn)入生物塔。根據生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的有機廢氣量、溫度、濃度、廢氣成分、負荷變化和環(huán)保排放指標設計各工藝環(huán)節的參數。

3.3 再生水利用

2021年廣州9座地下式污水處理廠(chǎng)經(jīng)過(guò)了AAO+MBR膜或AAO+砂濾的主流程后，其出水CODCr質(zhì)量濃度為7～20 mg/L，SS質(zhì)量濃度為1～5 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度為0.10～0.50 mg/L，總氮質(zhì)量濃度為5～12 mg/L，總磷質(zhì)量濃度為0.1～0.5 mg/L。地下式污水處理廠(chǎng)出水形成了廣州沙河涌、石井河、海珠湖等城市河湖的穩定補水水源，城市水環(huán)境質(zhì)量全面提升。廣州城區再生水也廣泛地應用在城市道路衛生與園林綠地用水、地下式污水處理廠(chǎng)各車(chē)間用水、施工工地用水與洗車(chē)用水等。

2021年廣州市再生水使用量達5.9×108m3，城市用水既減少了向自然水體的取水量，同時(shí)也減少了向珠江排放污染物的量。與此同時(shí)，廣州再生水的利用仍亟需解決幾項問(wèn)題：①制定出臺工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)與城市生活再生水利用價(jià)格體系；②城市專(zhuān)項規劃既要有完善的自來(lái)水系統規劃、污水系統規劃與雨水系統規劃，也要有完善再生水系統規劃，城市道路上應預留再生水管道的空間位置；③污水處理廠(chǎng)區應預留再生水設施的發(fā)展空間；④政府各部門(mén)與社會(huì )各界廣泛參與支持。

4 建議

廣州地下式污水處理廠(chǎng)的建設與營(yíng)運已有十余年的歷程，地下式污水處理廠(chǎng)的建成破解了城市污水處理廠(chǎng)建設和運維之難。廣州地下式污水處理廠(chǎng)每天處理污水總量為181萬(wàn)m³，為廣州取得打贏(yíng)黑臭水體攻堅戰歷史性成果，提供了補齊污水處理能力短板的基礎支撐。但在以下幾方面仍需要開(kāi)展研發(fā)工作。

(1)研究低碳源消耗的生物除磷新技術(shù)，精準控制碳源供給，篩選優(yōu)勢聚磷菌群，實(shí)現生物除磷與脫氮系統減碳。探討微生物群落的低細胞生產(chǎn)率、高碳源利用率與硝酸鹽呼吸能力，形成在線(xiàn)控制的脫氮除磷關(guān)鍵技術(shù)體系。

(2)開(kāi)展污水處理廠(chǎng)污泥固碳技術(shù)研究，由污水處理廠(chǎng)污泥生成生物質(zhì)碳、園林綠化有機肥、土壤改良劑、海綿土、吸附劑與燃料等。

(3)研發(fā)高效的除臭微生菌群，確保地下式污水處理廠(chǎng)組合工藝整體除臭效果。

(4)研發(fā)污泥調理藥劑配方，為污泥脫水干化與資源化創(chuàng )造良好條件。

(5)優(yōu)先選用優(yōu)良的國產(chǎn)設備，如水泵、鼓風(fēng)機、MBR膜組件與消毒設備等，使國內環(huán)保產(chǎn)業(yè)裝備成為中國水務(wù)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的主力軍。

(6)地下式污水處理廠(chǎng)通過(guò)數字信息仿真模擬廠(chǎng)區運營(yíng)管理所有真實(shí)信息，構建一個(gè)基于三維呈現的線(xiàn)上虛擬污水處理廠(chǎng)。數字孿生污水處理廠(chǎng)將集合污水處理廠(chǎng)區人、事、物全方位的動(dòng)靜態(tài)信息，能夠回溯過(guò)去、展示現在和預測未來(lái)的地下式污水處理廠(chǎng)運行工況，形成實(shí)體與虛擬的聯(lián)動(dòng)協(xié)同，實(shí)現實(shí)體污水處理廠(chǎng)智能管理與運行。