某泵站雨水污水資源化自動化處理系統(tǒng)研究

林穎康

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，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世紀末以來，各國對于污水處理進行了廣泛研究，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，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，并在實際工程中進行應(yīng)用，結(jié)果表明經(jīng)MBR處理后的污水回用率可達70%。侯艷鋒[2]等，針對農(nóng)村地區(qū)，研發(fā)了一種的重力流及負壓管道相結(jié)合的生活污水收集系統(tǒng)，實現(xiàn)了生活污水源分離，進一步優(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目為研究背景，針對該項目污水水量變化大，出水標準要求高，生態(tài)景觀表現(xiàn)美等項目特點，對該項目的雨水污水資源化全自動系統(tǒng)的搭建和配置進行研究分析，重點采用了MBBR工藝的污水凈化工藝[4]。以期對類似工程提供一定的參考。

1 工程概況及問題現(xiàn)狀

1.1 項目概況

廣州南沙高新沙泵站項目屬于珠江三角洲水資源配置工程的重要組成部分，是整個工程項目的重要的調(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。

1.2 問題現(xiàn)狀

項目區(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)相對固定，用水時間相對集中；公共設(shè)施人數(shù)不固定，用水時間分散。項目設(shè)計處理規(guī)模120m3/d，水量總變化系數(shù)Kz(最大日最大時水量/平均日平均時水量)>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需滿足地表Ⅳ類(CODcr<30mg/L、NH3-N<1.5mg/L)，具體進出水指標見表1。目前均不滿足要求。

表1 進出水指標表

2 雨污系統(tǒng)擬解決問題

2.1 提升污水處理能力

針對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)整進水量，確保后續(xù)處理設(shè)施連續(xù)穩(wěn)定進水。

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

(3)水量統(tǒng)計與系統(tǒng)的匹配。通過對設(shè)施進水量進行長期監(jiān)測統(tǒng)計，計算出每天平均水量，作為系統(tǒng)設(shè)備運行控制的依據(jù)。

2.2 提升出水水質(zhì)標準

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

(1)設(shè)置先進的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)。污水處理運行控制系統(tǒng)可根據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)反饋的進出水水質(zhì)指標變化趨勢，提前做出運行調(diào)整，使出水污染物指標穩(wěn)定在出水標準規(guī)定的安全范圍內(nèi)。

(2)提升進、出水超標應(yīng)急處理系統(tǒng)。對于進水水量、污染物濃度劇增等極少數(shù)情況，可采用調(diào)節(jié)池進行緩沖、均質(zhì)。一旦在線監(jiān)測系統(tǒng)檢測到清水池水質(zhì)超標，系統(tǒng)將自動停止該部分水回用，并利用恒壓供水泵將超標水抽排到污水管網(wǎng)，進入設(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荷運行狀態(tài)，不存在污泥回流量控制不當導(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、細格柵、調(diào)節(jié)池、生化池、儲泥池等，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、風(fēng)管等設(shè)備均置于地下室內(nèi)，環(huán)境相對封閉，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)機采用進口知名品牌，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 自動化系統(tǒng)設(shè)計及主要自控單元

3.1 自動化控制系統(tǒng)搭建

本項目設(shè)備應(yīng)能夠做到全自動運行，并備有半自動控制功能，降低運營難度，提高運營效率，打造安全實用、無人值守智慧化。雨水污水資源化項目智慧化，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)施具有極高的自動化運行程控率和可靠運轉(zhuǎn)率；其次，采用智能模型算法為主的大閉環(huán)控制，將自動化控制和智能化控制相結(jié)合，實現(xiàn)運行管理精細化[7]；最后，建立智慧控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對所有設(shè)備設(shè)施及工藝運行流程的實時掌控、預(yù)警報警、報表自動生成、設(shè)備全生命周期管理、巡檢維護及移動端應(yīng)用等智慧化功能。

3.2 污水提升泵房自動控制

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

(1)進水閘門控制。進水閘門與泵坑液位聯(lián)動，進水量遠超設(shè)施處理能力時，泵坑液位持續(xù)上漲，水位漲至設(shè)定的高高液位時自動關(guān)閉進水閘門，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，低水位自動停機保護；可選連續(xù)運行模式和間歇運行模式，時間間隔可調(diào)；電機過載時自動反轉(zhuǎn)，防止格柵刀盤卡死，自動排除故障后重新啟動。

3.3 污水系統(tǒng)清水池自動控制

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)和紫外消毒器進入回用水管道。主要設(shè)備有：恒壓供水泵組、液位計、管道紫外消毒器、電動閥門等。

(1)清水池液位控制。清水池設(shè)置低低液位、低液位、高液位，當人工濕地產(chǎn)水量足夠時，清水池水位維持在低水位以上；當人工濕地產(chǎn)水量不足，清水池液位將至低液位以下時，自動開啟旁路進水閥，從雨水回收系統(tǒng)補充清水，水位上升至高液位時停止補水；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，一旦在線監(jiān)測系統(tǒng)檢測到清水池水質(zhì)超標，系統(tǒng)將自動停止此部分水回用，并利用恒壓供水泵將超標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)測站自動控制

本項目配置2套水質(zhì)在線監(jiān)測儀，檢測指標為：COD、NH3-N和SS，水樣采集和監(jiān)測儀表通過管理用房中控PLC控制，實現(xiàn)系統(tǒng)自動采樣，自動檢測。其中SS指標數(shù)據(jù)實時更新，COD、NH3-N檢測數(shù)據(jù)2h更新1次。

3.5 雨水回收系統(tǒng)自動控制

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

雨水濕地進水，水收集池內(nèi)設(shè)耦合提升泵，1用1備，與雨水池、清水儲池液位計聯(lián)動，雨水池設(shè)低液位、高液位，高液位時開啟提升泵，將雨水提升到雨水濕地處理，再重力自流進入清水儲池。

雨水系統(tǒng)清水池補水，水庫水補充：雨水系統(tǒng)清水池設(shè)低低液位、低液位、高液位，當池內(nèi)水位降至低液位以下時，自動開啟水庫補水泵，池內(nèi)水位升至高液位時停泵。

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物，凈化水質(zhì)[8]。具有如下的創(chuàng)新點。

(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)的不同點在于，改變填料結(jié)構(gòu)、優(yōu)化水流流態(tài)，運行狀態(tài)填料在曝氣攪拌作用下隨混合液流動，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物，又可利用植物根系構(gòu)建輔助生物載體，形成由細菌、真菌、原生動物、后生動物等組成的立體生態(tài)群落，進一步提高污染物質(zhì)去除效率。

(3)立體生態(tài)MBBR工藝會出現(xiàn)復(fù)雜多等級的食物鏈，處理污水的細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)項目的50%，實現(xiàn)污泥源頭減量。

(4)多級串聯(lián)，出水穩(wěn)定性強。處理系統(tǒng)由多級串連的生物反應(yīng)器組成，每個反應(yīng)器中的進水濃度不同，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，實現(xiàn)優(yōu)勢微生物菌群聚集，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，在向上流動過程中，植物根系上的生物膜和除臭填料上的微生物對惡臭物質(zhì)進行吸附、吸收和降解，達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，使得整個污水處理設(shè)施就像一個充滿生機的小花園，徹底改變大眾對污水處理設(shè)施的傳統(tǒng)形象，實現(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

將污水重力自流經(jīng)粉碎性格柵去除垃圾后進入提升泵站，污水提升進入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立體生態(tài)MBBR池，生化池出水進入斜管沉淀池，沉淀池出水經(jīng)加壓輸送至潛流式人工濕地，濕地出水儲存在清水池，通過恒壓供水系統(tǒng)回用到廠區(qū)各用水點。

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

本項目的重點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)計出水填料攔截和穿孔流化系統(tǒng)，進一步強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、原生動物、后生動物提供了載體，進一步降解污染物。同時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，全地下，池體頂部種植挺水植物。

5 結(jié)論

自動化是雨污資源化處理的趨勢，人工智能在該領(lǐng)域還有極大的發(fā)展空間，該項目的全自動化控制系統(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)測站自動控制和雨水回收系統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)，建立了智慧控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對所有設(shè)備設(shè)施及工藝運行流程的智慧化運營和巡視檢修。

在今后的水資源處理過程中，要發(fā)揮自動化信息化的優(yōu)勢，促進自動化系統(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)展對智慧水利創(chuàng)建有著重要促進作用，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。