城市污水处理厂群联合调度模式的探讨

2018-11-12王寒涛韦德权

石河子大学学报（自然科学版） 2018年4期

王寒涛，韦德权

（中电建水环境治理技术有限公司，广东深圳 518100）

污水管网和污水处理厂共同组成了一座城市庞大的污水处理系统，需要二者实现统筹建设和协调运行，才能充分有效发挥其对城市水环境污染的管控功能。现有城市处理系统在运行管理过程中存在诸多问题，如部分地区管网管线破裂、阻塞，排水管网存在雨污混接、乱接等现象导致雨污分流不彻底，使得污水厂进水污染物浓度较低；污水厂与排水管网建设之间不协调，排水管网的污水收集能力和污水处理厂的污水处理能力不匹配；现有城市排水系统在运行管理过程中出现区域负荷分配不够均衡，“部分吃不饱，部分吃不了”是国内污水处理厂普遍存在的问题，排水系统的输配调度能力不强，致使不同的污水厂运行负荷差异较大。污水处理系统管控概念的缺失，造成了污水收集管网与厂区建设、监督、管理不同步，污水处理厂的稳定达标可行性降低，增加了对水环境的风险[1]。

本文针对城市污水系统存在的问题，提出应完善雨污分流管网系统，进行厂网一体化管理运营，从而实现流域污水厂群联合调度运营的污水处理系统运营新模式，合理分配污水处理任务，提升流域污水厂群的调控能力。本文建立一个厂群联合调度模式，这对于实现全流域的污水厂群互联互通，合理分配污水处理任务，以及改善流域水质、缓解水污染问题都具有重要的指导意义。

1 完善雨污分流管网系统

污水管网系统是污水收集和集中处理的基础。由于受城市建设、经济条件和管理方式的制约，城市污水管网的建设和管理一般相对滞后，集中表现在污水管网、雨污分流不彻底，管网建设严重滞后，部分管线存在串管、漏排，管网资料缺乏、管理力度不够[2]等问题。

要实现污水的源头治理，关键是要建立完善的雨污分流管网系统，如图1所示。针对污水管网建设严重滞后、历史欠账多的突出问题，首先应当补齐当前缺口，然后按照“用户与支管相连、支管与干管相通、干管与污水处理厂相配套”的原则，围绕片区或污水厂服务范围，对管网进行全面细致的摸排，查清仍存在问题的管网，然后对这些问题管网要追根溯源，查明原因，精准修复。对因各种原因不能实施雨污分流的老旧小区、城中村、工业园区等区域，可按照“能分则分、不能分则截”的原则实施外围截污，收集的污水就地分散处理回补。通过以上污水管网的全面梳理和修复，最终建成“用户—支管—干管—污水处理厂”的路径完整、接驳顺畅、运转高效的污水收集系统，实现污水处理厂进水水量和浓度的双提升。

图1 雨污分流管网示意图Fig.1 Schematic diagram of separated pipe network of rain and sewage

2 厂网一体化管理运营

目前，我国大多数城市的污水处理厂与排水管网系统仍由不同单位在负责运营管理，由于二者的运营目标和管理考核机制不同，使得厂网统筹建设和协调运行方面存在诸多问题。统筹建设方面，排水管网的污水收集运输能力和污水处理厂的处理受纳能力不匹配，一方面是排水管网的建设随着城市的发展同步进行，但污水处理厂并未同步（改）扩建，使得污水处理厂存在大量未能处理的污水直接排入水体；另一方面是污水处理厂按照规划建成，但是城市排水管网尚未完全接通，使得未收集进入处理厂的污水直接排入水体。协调运行方面，主要矛盾是污水处理厂只能被动接受管网输送来的污水，并且排水管网没有向污水处理厂发出污水水量和水质的预报、预警，造成污水处理厂的应对较为滞后，这可能造成高峰流量时厂前污水直接溢流排放，或者部分出色水质不达标[3]。因此，实现污水厂和排水管网系统的一体化运营更符合城镇排水系统的内在要求，更有利于充分发挥其城市水环境保障功能。

污水厂网一体化运营，是指对城镇排水系统中的污水处理厂和排水管网进行统筹建设和协调运行，保证整个排水系统的安全和高效运行。厂网一体化运营中，统筹建设是前提和基础，协调运行是核心。污水厂进水的水质、水量和水位是影响其运行工艺以及污水厂和管网运行安全的重要因素，厂网一体化运营可考核污水进水水质、水量和水位的预报预警和调度控制指标。厂网一体化运营能够充分发挥排水管网“排入水质源头监控、水质水量预报预警、超标排水追溯管控、无机杂质厂前去除”的水质保障作用，保证进厂污水符合污水处理厂的设计要求，保障其运行安全。同时，厂网一体化运营可充分利用排水管网的内部空间，充分发挥其“均衡进厂污水流量、调整各厂运行负荷”的水量均衡作用，保障污水处理厂的高效、稳定运行[3]，如图2所示。

图2 城市不同片区污水厂网一体化运营示意图Fig.2 Schematic diagram of integrated operation mode of plants and networks in different urban areas

从政府监督角度的出发，厂网合一运营后，政府只需监督污水收集率、污水处理达标率，无须协调解决管网运营单位和污水厂运营单位之间的矛盾，降低了政府的监督成本[4]。

3 城市污水处理厂群联合调度

3.1 城市污水处理的重要性

我国污水厂负荷率超过75%和不足50%的设施数量最大[5]，同一区域污水厂负荷严重不均衡。污水厂负荷较高的原因主要有：建成区人口密度大，生活污水排放量大，污水量超过了污水厂设计处理量使得负荷率偏高；另外，随着城市管网系统的完善，偷排漏排、管网漏损等将得到有效控制，提高了污水厂服务范围内的污水收集率，加大了污水厂的负荷。污水厂负荷较低的原因主要有：部分新开发区域根据城市规划要求建设了配套的污水处理设施，但是管网建设等配套设施不完善、相关人口并未实际迁移进服务区域导致污水处理设施负荷率偏低；另外，随着城市雨污分流改造的逐步完成，会使得区域内污水的总量降低。因此，迫切需要对区域内的污水厂群统一管理、联合调度以解决区域内污水厂群负荷严重不均衡的问题。

3.1 城市污水处理的实施及管理

（1）城市污水厂群联合调度是在整合城市范围内管网信息、污水厂群信息数据库的基础上，对区域内污水处理厂进行统一调控管理，集群调控区域内污水量和污染物，短时间内有效提升区域污水厂群的调控能力，实现区域内污水厂群之间互联互通，从而合理分配污水处理任务。为了实现污水厂群联合调度，需要在模拟计算的基础上，在排水管网的适当关键位置新建污水跨厂调配设施（如枢纽泵站和联通管线），还需要建立污水厂群调度系统。

例如，北京市编制了《北京城市污水调配设计研究》，实施了小红门—卢沟桥—吴家村三座污水厂之间污水量调配工程。小红门污水厂超负荷运行；卢沟桥污水厂和吴家村污水厂进厂水量仅为设计规模的30%，通过上游的污水提升泵站和设置联通管等设施分流小红门污水进入卢沟桥—吴家村污水系统，局部优化调整污水处理厂的服务范围，解决了城市发展面临的污水增量问题，提高了设施利用效率，如图3所示。

（2）污水厂群联合调度除了可解决污水厂负荷不均衡的问题，还可以解决城市发展过程中由于“邻避效应”造成的污水厂选址困难的问题。通过联合调度，将新增的污水量引入现有负荷不饱和的污水厂，合理分配新增的污水，从而有效解决城市发展过程中污水动态变化的难题。另外，当某一污水处理厂的关键设备进行计划性维护或故障抢修难以正常处理污水时，可通过联合调度将部分污水跨厂调配，调整各厂的运行负荷[6]。

（3）由于城市污水厂一般都有不同的运营主体，需要建立合理的机制来确保联合调度的顺利实施，如污水厂优先处理本片区收集的污水、建立根据污水处理量收费的原则等措施。

图3 北京市丰台区污水处理厂联合调度示意图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厂群为例进行分析。深圳市茅洲河流域共有4座污水处理厂，处理量为55万m3/d，其中宝安片区2座分别是：沙井污水处理厂（15万m3/d）和松岗水质净化厂（原燕川污水处理厂，15万m3/d）；光明新区 2座：光明水质净化厂（15万m3/d）和公明污水处理厂（10万m3/d）。现状处理能力远低于污水量的需求和规划规模，同时与污水厂配套的污水干管一期、二期工程也已基本建成投入使用，片区污水系统主干架已形成，随着茅洲河流域综合整治工程的实施，污水支管网工程也已基本建成，污水厂的处理规模已严重滞后。

目前，深圳市正在实施沙井污水处理厂二期工程（35万 m3/d）、松岗污水厂二期工程（15万m3/d）、光明污水厂改扩建工程（总30万m3/d）来提高茅洲河流域污水处理能力，其中光明污水厂改扩建工程采取了厂网一体化的模式，建成30万m3/d处理能力水质净化厂和总长度约994 km污水管网的厂网一体化项目包，主要包括以下项目：对光明污水厂一期工程实施提标改造并新扩建二期工程，污水厂配套污水干管、污水支管网工程，已建污水管网接驳完善项目。

从《深圳市污水系统布局规划修编》（2011-2020）中茅洲河流域内旱季和雨季污水处理厂污水量缺口的预测结果（2030年）来看，污水增量在各污水处理厂服务范围内的分布不同，部分污水处理系统存在较大缺口，而部分污水处理厂则存在一定的剩余处理能力，如公明污水处理厂片区2030年旱季污水量为14.9万m3/d，雨季进厂污水量为17.1万m3/d，规划规模为20万m3/d，旱季剩余处理能力为5.1万 m3/d，雨季剩余处理能力为2.9万 m3/d，而松岗污水厂片区旱季有约1万m3/d、雨季有5.6万m3/d污水无法处理[7]。可见，“部分吃不饱，部分吃不了”的情况在深圳市其他流域也存在，因此需要建立污水厂群调配机制以解决超量污水处理问题。

未来随着茅洲河流域污水厂群二期工程逐步投入使用，可通过收集该流域内水环境基础数据及各污水厂的工艺调控方案，将其录入至调度系统数据库，根据监测断面创建厂群联动的知识规则，建立基于GIS的城市污水处理厂群模拟调度系统[7]，尝试在该区域内开展污水厂群联合调度运营，联动调控水污染，实现污水厂之间污水调配，如图4所示。通过厂群协同合作处理污水来提升流域污水处理能力，进一步改善流域污水处理能力，提升茅洲河流域水质。