城市污水處理廠群聯(lián)合調(diào)度模式的探討

王寒濤，韋德權(quán)

（中電建水環(huán)境治理技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518100）

污水管網(wǎng)和污水處理廠共同組成了一座城市龐大的污水處理系統(tǒng)，需要二者實現(xiàn)統(tǒng)籌建設(shè)和協(xié)調(diào)運(yùn)行，才能充分有效發(fā)揮其對城市水環(huán)境污染的管控功能?，F(xiàn)有城市處理系統(tǒng)在運(yùn)行管理過程中存在諸多問題，如部分地區(qū)管網(wǎng)管線破裂、阻塞，排水管網(wǎng)存在雨污混接、亂接等現(xiàn)象導(dǎo)致雨污分流不徹底，使得污水廠進(jìn)水污染物濃度較低；污水廠與排水管網(wǎng)建設(shè)之間不協(xié)調(diào)，排水管網(wǎng)的污水收集能力和污水處理廠的污水處理能力不匹配；現(xiàn)有城市排水系統(tǒng)在運(yùn)行管理過程中出現(xiàn)區(qū)域負(fù)荷分配不夠均衡，“部分吃不飽，部分吃不了”是國內(nèi)污水處理廠普遍存在的問題，排水系統(tǒng)的輸配調(diào)度能力不強(qiáng)，致使不同的污水廠運(yùn)行負(fù)荷差異較大。污水處理系統(tǒng)管控概念的缺失，造成了污水收集管網(wǎng)與廠區(qū)建設(shè)、監(jiān)督、管理不同步，污水處理廠的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)可行性降低，增加了對水環(huán)境的風(fēng)險[1]。

本文針對城市污水系統(tǒng)存在的問題，提出應(yīng)完善雨污分流管網(wǎng)系統(tǒng)，進(jìn)行廠網(wǎng)一體化管理運(yùn)營，從而實現(xiàn)流域污水廠群聯(lián)合調(diào)度運(yùn)營的污水處理系統(tǒng)運(yùn)營新模式，合理分配污水處理任務(wù)，提升流域污水廠群的調(diào)控能力。本文建立一個廠群聯(lián)合調(diào)度模式，這對于實現(xiàn)全流域的污水廠群互聯(lián)互通，合理分配污水處理任務(wù)，以及改善流域水質(zhì)、緩解水污染問題都具有重要的指導(dǎo)意義。

1 完善雨污分流管網(wǎng)系統(tǒng)

污水管網(wǎng)系統(tǒng)是污水收集和集中處理的基礎(chǔ)。由于受城市建設(shè)、經(jīng)濟(jì)條件和管理方式的制約，城市污水管網(wǎng)的建設(shè)和管理一般相對滯后，集中表現(xiàn)在污水管網(wǎng)、雨污分流不徹底，管網(wǎng)建設(shè)嚴(yán)重滯后，部分管線存在串管、漏排，管網(wǎng)資料缺乏、管理力度不夠[2]等問題。

要實現(xiàn)污水的源頭治理，關(guān)鍵是要建立完善的雨污分流管網(wǎng)系統(tǒng)，如圖1所示。針對污水管網(wǎng)建設(shè)嚴(yán)重滯后、歷史欠賬多的突出問題，首先應(yīng)當(dāng)補(bǔ)齊當(dāng)前缺口，然后按照“用戶與支管相連、支管與干管相通、干管與污水處理廠相配套”的原則，圍繞片區(qū)或污水廠服務(wù)范圍，對管網(wǎng)進(jìn)行全面細(xì)致的摸排，查清仍存在問題的管網(wǎng)，然后對這些問題管網(wǎng)要追根溯源，查明原因，精準(zhǔn)修復(fù)。對因各種原因不能實施雨污分流的老舊小區(qū)、城中村、工業(yè)園區(qū)等區(qū)域，可按照“能分則分、不能分則截”的原則實施外圍截污，收集的污水就地分散處理回補(bǔ)。通過以上污水管網(wǎng)的全面梳理和修復(fù)，最終建成“用戶—支管—干管—污水處理廠”的路徑完整、接駁順暢、運(yùn)轉(zhuǎn)高效的污水收集系統(tǒng)，實現(xiàn)污水處理廠進(jìn)水水量和濃度的雙提升。

圖1 雨污分流管網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of separated pipe network of rain and sewage

2 廠網(wǎng)一體化管理運(yùn)營

目前，我國大多數(shù)城市的污水處理廠與排水管網(wǎng)系統(tǒng)仍由不同單位在負(fù)責(zé)運(yùn)營管理，由于二者的運(yùn)營目標(biāo)和管理考核機(jī)制不同，使得廠網(wǎng)統(tǒng)籌建設(shè)和協(xié)調(diào)運(yùn)行方面存在諸多問題。統(tǒng)籌建設(shè)方面，排水管網(wǎng)的污水收集運(yùn)輸能力和污水處理廠的處理受納能力不匹配，一方面是排水管網(wǎng)的建設(shè)隨著城市的發(fā)展同步進(jìn)行，但污水處理廠并未同步（改）擴(kuò)建，使得污水處理廠存在大量未能處理的污水直接排入水體；另一方面是污水處理廠按照規(guī)劃建成，但是城市排水管網(wǎng)尚未完全接通，使得未收集進(jìn)入處理廠的污水直接排入水體。協(xié)調(diào)運(yùn)行方面，主要矛盾是污水處理廠只能被動接受管網(wǎng)輸送來的污水，并且排水管網(wǎng)沒有向污水處理廠發(fā)出污水水量和水質(zhì)的預(yù)報、預(yù)警，造成污水處理廠的應(yīng)對較為滯后，這可能造成高峰流量時廠前污水直接溢流排放，或者部分出色水質(zhì)不達(dá)標(biāo)[3]。因此，實現(xiàn)污水廠和排水管網(wǎng)系統(tǒng)的一體化運(yùn)營更符合城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的內(nèi)在要求，更有利于充分發(fā)揮其城市水環(huán)境保障功能。

污水廠網(wǎng)一體化運(yùn)營，是指對城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)中的污水處理廠和排水管網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)籌建設(shè)和協(xié)調(diào)運(yùn)行，保證整個排水系統(tǒng)的安全和高效運(yùn)行。廠網(wǎng)一體化運(yùn)營中，統(tǒng)籌建設(shè)是前提和基礎(chǔ)，協(xié)調(diào)運(yùn)行是核心。污水廠進(jìn)水的水質(zhì)、水量和水位是影響其運(yùn)行工藝以及污水廠和管網(wǎng)運(yùn)行安全的重要因素，廠網(wǎng)一體化運(yùn)營可考核污水進(jìn)水水質(zhì)、水量和水位的預(yù)報預(yù)警和調(diào)度控制指標(biāo)。廠網(wǎng)一體化運(yùn)營能夠充分發(fā)揮排水管網(wǎng)“排入水質(zhì)源頭監(jiān)控、水質(zhì)水量預(yù)報預(yù)警、超標(biāo)排水追溯管控、無機(jī)雜質(zhì)廠前去除”的水質(zhì)保障作用，保證進(jìn)廠污水符合污水處理廠的設(shè)計要求，保障其運(yùn)行安全。同時，廠網(wǎng)一體化運(yùn)營可充分利用排水管網(wǎng)的內(nèi)部空間，充分發(fā)揮其“均衡進(jìn)廠污水流量、調(diào)整各廠運(yùn)行負(fù)荷”的水量均衡作用，保障污水處理廠的高效、穩(wěn)定運(yùn)行[3]，如圖2所示。

圖2 城市不同片區(qū)污水廠網(wǎng)一體化運(yùn)營示意圖Fig.2 Schematic diagram of integrated operation mode of plants and networks in different urban areas

從政府監(jiān)督角度的出發(fā)，廠網(wǎng)合一運(yùn)營后，政府只需監(jiān)督污水收集率、污水處理達(dá)標(biāo)率，無須協(xié)調(diào)解決管網(wǎng)運(yùn)營單位和污水廠運(yùn)營單位之間的矛盾，降低了政府的監(jiān)督成本[4]。

3 城市污水處理廠群聯(lián)合調(diào)度

3.1 城市污水處理的重要性

我國污水廠負(fù)荷率超過75%和不足50%的設(shè)施數(shù)量最大[5]，同一區(qū)域污水廠負(fù)荷嚴(yán)重不均衡。污水廠負(fù)荷較高的原因主要有：建成區(qū)人口密度大，生活污水排放量大，污水量超過了污水廠設(shè)計處理量使得負(fù)荷率偏高；另外，隨著城市管網(wǎng)系統(tǒng)的完善，偷排漏排、管網(wǎng)漏損等將得到有效控制，提高了污水廠服務(wù)范圍內(nèi)的污水收集率，加大了污水廠的負(fù)荷。污水廠負(fù)荷較低的原因主要有：部分新開發(fā)區(qū)域根據(jù)城市規(guī)劃要求建設(shè)了配套的污水處理設(shè)施，但是管網(wǎng)建設(shè)等配套設(shè)施不完善、相關(guān)人口并未實際遷移進(jìn)服務(wù)區(qū)域?qū)е挛鬯幚碓O(shè)施負(fù)荷率偏低；另外，隨著城市雨污分流改造的逐步完成，會使得區(qū)域內(nèi)污水的總量降低。因此，迫切需要對區(qū)域內(nèi)的污水廠群統(tǒng)一管理、聯(lián)合調(diào)度以解決區(qū)域內(nèi)污水廠群負(fù)荷嚴(yán)重不均衡的問題。

3.1 城市污水處理的實施及管理

（1）城市污水廠群聯(lián)合調(diào)度是在整合城市范圍內(nèi)管網(wǎng)信息、污水廠群信息數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，對區(qū)域內(nèi)污水處理廠進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控管理，集群調(diào)控區(qū)域內(nèi)污水量和污染物，短時間內(nèi)有效提升區(qū)域污水廠群的調(diào)控能力，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)污水廠群之間互聯(lián)互通，從而合理分配污水處理任務(wù)。為了實現(xiàn)污水廠群聯(lián)合調(diào)度，需要在模擬計算的基礎(chǔ)上，在排水管網(wǎng)的適當(dāng)關(guān)鍵位置新建污水跨廠調(diào)配設(shè)施（如樞紐泵站和聯(lián)通管線），還需要建立污水廠群調(diào)度系統(tǒng)。

例如，北京市編制了《北京城市污水調(diào)配設(shè)計研究》，實施了小紅門—盧溝橋—吳家村三座污水廠之間污水量調(diào)配工程。小紅門污水廠超負(fù)荷運(yùn)行；盧溝橋污水廠和吳家村污水廠進(jìn)廠水量僅為設(shè)計規(guī)模的30%，通過上游的污水提升泵站和設(shè)置聯(lián)通管等設(shè)施分流小紅門污水進(jìn)入盧溝橋—吳家村污水系統(tǒng)，局部優(yōu)化調(diào)整污水處理廠的服務(wù)范圍，解決了城市發(fā)展面臨的污水增量問題，提高了設(shè)施利用效率，如圖3所示。

（2）污水廠群聯(lián)合調(diào)度除了可解決污水廠負(fù)荷不均衡的問題，還可以解決城市發(fā)展過程中由于“鄰避效應(yīng)”造成的污水廠選址困難的問題。通過聯(lián)合調(diào)度，將新增的污水量引入現(xiàn)有負(fù)荷不飽和的污水廠，合理分配新增的污水，從而有效解決城市發(fā)展過程中污水動態(tài)變化的難題。另外，當(dāng)某一污水處理廠的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行計劃性維護(hù)或故障搶修難以正常處理污水時，可通過聯(lián)合調(diào)度將部分污水跨廠調(diào)配，調(diào)整各廠的運(yùn)行負(fù)荷[6]。

（3）由于城市污水廠一般都有不同的運(yùn)營主體，需要建立合理的機(jī)制來確保聯(lián)合調(diào)度的順利實施，如污水廠優(yōu)先處理本片區(qū)收集的污水、建立根據(jù)污水處理量收費(fèi)的原則等措施。

圖3 北京市豐臺區(qū)污水處理廠聯(lián)合調(diào)度示意圖Fig.3 Schematic diagram of combined dispatching mode of municipal sewage treatment plant in Fengtai district

4 案例分析

以深圳市茅洲河流域污水廠群為例進(jìn)行分析。深圳市茅洲河流域共有4座污水處理廠，處理量為55萬m3/d，其中寶安片區(qū)2座分別是：沙井污水處理廠（15萬m3/d）和松崗水質(zhì)凈化廠（原燕川污水處理廠，15萬m3/d）；光明新區(qū) 2座：光明水質(zhì)凈化廠（15萬m3/d）和公明污水處理廠（10萬m3/d）。現(xiàn)狀處理能力遠(yuǎn)低于污水量的需求和規(guī)劃規(guī)模，同時與污水廠配套的污水干管一期、二期工程也已基本建成投入使用，片區(qū)污水系統(tǒng)主干架已形成，隨著茅洲河流域綜合整治工程的實施，污水支管網(wǎng)工程也已基本建成，污水廠的處理規(guī)模已嚴(yán)重滯后。

目前，深圳市正在實施沙井污水處理廠二期工程（35萬 m3/d）、松崗污水廠二期工程（15萬m3/d）、光明污水廠改擴(kuò)建工程（總30萬m3/d）來提高茅洲河流域污水處理能力，其中光明污水廠改擴(kuò)建工程采取了廠網(wǎng)一體化的模式，建成30萬m3/d處理能力水質(zhì)凈化廠和總長度約994 km污水管網(wǎng)的廠網(wǎng)一體化項目包，主要包括以下項目：對光明污水廠一期工程實施提標(biāo)改造并新擴(kuò)建二期工程，污水廠配套污水干管、污水支管網(wǎng)工程，已建污水管網(wǎng)接駁完善項目。

從《深圳市污水系統(tǒng)布局規(guī)劃修編》（2011-2020）中茅洲河流域內(nèi)旱季和雨季污水處理廠污水量缺口的預(yù)測結(jié)果（2030年）來看，污水增量在各污水處理廠服務(wù)范圍內(nèi)的分布不同，部分污水處理系統(tǒng)存在較大缺口，而部分污水處理廠則存在一定的剩余處理能力，如公明污水處理廠片區(qū)2030年旱季污水量為14.9萬m3/d，雨季進(jìn)廠污水量為17.1萬m3/d，規(guī)劃規(guī)模為20萬m3/d，旱季剩余處理能力為5.1萬 m3/d，雨季剩余處理能力為2.9萬 m3/d，而松崗污水廠片區(qū)旱季有約1萬m3/d、雨季有5.6萬m3/d污水無法處理[7]。可見，“部分吃不飽，部分吃不了”的情況在深圳市其他流域也存在，因此需要建立污水廠群調(diào)配機(jī)制以解決超量污水處理問題。

未來隨著茅洲河流域污水廠群二期工程逐步投入使用，可通過收集該流域內(nèi)水環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及各污水廠的工藝調(diào)控方案，將其錄入至調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)監(jiān)測斷面創(chuàng)建廠群聯(lián)動的知識規(guī)則，建立基于GIS的城市污水處理廠群模擬調(diào)度系統(tǒng)[7]，嘗試在該區(qū)域內(nèi)開展污水廠群聯(lián)合調(diào)度運(yùn)營，聯(lián)動調(diào)控水污染，實現(xiàn)污水廠之間污水調(diào)配，如圖4所示。通過廠群協(xié)同合作處理污水來提升流域污水處理能力，進(jìn)一步改善流域污水處理能力，提升茅洲河流域水質(zhì)。

圖4 茅洲河流域污水廠群聯(lián)合調(diào)度示意圖Fig.4 Schematic diagram of combined dispatching mode of municipal sewage treatment plant in Maozhou river basin

5 結(jié)語

（1）本文分析了城市污水處理系統(tǒng)在管網(wǎng)、廠網(wǎng)運(yùn)營及區(qū)域內(nèi)污水廠群運(yùn)營方面存在的問題，提出應(yīng)完善雨污分流管網(wǎng)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上實行廠網(wǎng)一體化管理運(yùn)營模式，最終實現(xiàn)流域污水廠群聯(lián)合調(diào)度運(yùn)營的污水處理系統(tǒng)運(yùn)營新模式，并結(jié)合深圳市茅洲河流域內(nèi)污水廠群情況對污水廠群聯(lián)合調(diào)度進(jìn)行了探討。

（2）完善雨污分流管網(wǎng)系統(tǒng)是確保城市排水系統(tǒng)發(fā)揮水質(zhì)保障功能的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)廠網(wǎng)一體化運(yùn)營的前提，廠網(wǎng)一體化運(yùn)營模式的實現(xiàn)可進(jìn)一步促成城市污水廠群聯(lián)合調(diào)度模式的實現(xiàn)。

（3）聯(lián)合調(diào)度模式能夠合理分配污水處理任務(wù)，提升流域污水廠群的調(diào)控能力，是未來城市污水處理系統(tǒng)運(yùn)營模式發(fā)展的方向。