某泵站雨水污水資源化自動化處理系統研究

林穎康

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

資源緊缺是全人類面臨的一項重要挑戰，污水資源化利用和可持續發展一直以來都是人們關注的重要議題。20世紀末以來，各國對于污水處理進行了廣泛研究，相關技術得到了大規模推廣。污水的處理也向著智能化，綠色化逐步推進，新的技術和方法不斷涌現。馬鳳杰[1]等提出了一種適合天津高速公路服務區的污水處理技術—MBR)法，并在實際工程中進行應用，結果表明經MBR處理后的污水回用率可達70%。侯艷鋒[2]等，針對農村地區，研發了一種的重力流及負壓管道相結合的生活污水收集系統，實現了生活污水源分離，進一步優化了農村生活。龔麗影[3]等根據國內外剩余污泥處理處置現狀，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，生態景觀表現美等項目特點，對該項目的雨水污水資源化全自動系統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蓄、中轉站，以及全流程智慧調度中心及公共展示平臺。

1.2 問題現狀

項目區范圍內的污水來源為泵站廠房、辦公樓、職工宿舍等高新沙泵站內部設施以及展館公園等公共設施，上述場所產生的生產廢水很少，以生活污水為主。雨水收集系統落后，亟需通過建設智能化雨污處理系統來收集處理高新沙泵站內職工及訪客產生的生活污水，處理后回用于綠化、沖洗和水景觀，實現污水零排放。新建雨水回收利用系統，處理后用于沖廁。

1.2.1污水水量變化大

泵站內部設施常駐工作人員約200人，人數相對固定，用水時間相對集中；公共設施人數不固定，用水時間分散。項目設計處理規模120m3/d，水量總變化系數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

區域內存在進水水量和污染物濃度劇增等極少數情況。且目前無水質監測系統，雨水回收系統落后。結合本設施出水景觀、綠化回用功能要求以及最終受納水體環境要求，本設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)設置調節池。在生化池之前設置調節池，調節池有效容積110m3，空間足夠容納20h產生的污水，生化池通過調節池內的變頻潛污泵配水，可靈活調整進水量，確保后續處理設施連續穩定進水。

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

(3)水量統計與系統的匹配。通過對設施進水量進行長期監測統計，計算出每天平均水量，作為系統設備運行控制的依據。

2.2 提升出水水質標準

針對出水水質差的問題，主要通過建設合理監測系統、處理系統和選用穩定的生化處理工藝[5]。

(1)設置先進的水質在線監測系統。污水處理運行控制系統可根據在線監測系統反饋的進出水水質指標變化趨勢，提前做出運行調整，使出水污染物指標穩定在出水標準規定的安全范圍內。

(2)提升進、出水超標應急處理系統。對于進水水量、污染物濃度劇增等極少數情況，可采用調節池進行緩沖、均質。一旦在線監測系統檢測到清水池水質超標，系統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，進入設施再處理[5]。

(3)選用穩定高效的生化處理工藝。本系統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，微生物群落更穩定，無需通過污泥回流維持反應器內的生物量，反應器出水污濃度較低，生化池及二沉池均處于低負荷運行狀態，不存在污泥回流量控制不當導致系統生化反應器微生物大量流失的情況。

2.3 提升系統生態功能

設施位于高新沙水庫堤岸景觀綠化帶上，應充分發揮設施的臭氣控制、噪音控制、以及與景觀的融合度。

臭氣產生區域全地埋、全密閉、全收集、全處理。可能產生臭氧的區域如提升泵房、細格柵、調節池、生化池、儲泥池等，上述區域或設備均為密閉結構，檢修洞口全部集中在地下夾層中，并采用收集管道與風機統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、除臭風機、風管等設備均置于地下室內，環境相對封閉，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，與周邊環境高度融合。

3 自動化系統設計及主要自控單元

3.1 自動化控制系統搭建

本項目設備應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，體現在感知、分析、決策、執行等各環節[6]。

首先，要求設施具有極高的自動化運行程控率和可靠運轉率；其次，采用智能模型算法為主的大閉環控制，將自動化控制和智能化控制相結合，實現運行管理精細化[7]；最后，建立智慧控制系統，實現對所有設備設施及工藝運行流程的實時掌控、預警報警、報表自動生成、設備全生命周期管理、巡檢維護及移動端應用等智慧化功能。

3.2 污水提升泵房自動控制

污水提升泵房設備由進水閘門、粉碎格柵、提升泵、液位計組成，執行的主要任務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動，進水量遠超設施處理能力時，泵坑液位持續上漲，水位漲至設定的高高液位時自動關閉進水閘門，防止污水漫出泵坑。

(2)粉碎格柵控制。格柵與泵坑液位聯動，低水位自動停機保護；可選連續運行模式和間歇運行模式，時間間隔可調；電機過載時自動反轉，防止格柵刀盤卡死，自動排除故障后重新啟動。

3.3 污水系統清水池自動控制

人工濕地出水通過清水池暫存，然后經過恒壓供水系統和紫外消毒器進入回用水管道。主要設備有：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。清水池設置低低液位、低液位、高液位，當人工濕地產水量足夠時，清水池水位維持在低水位以上；當人工濕地產水量不足，清水池液位將至低液位以下時，自動開啟旁路進水閥，從雨水回收系統補充清水，水位上升至高液位時停止補水；人工濕地產水量超過活用量，清水池滿后通過溢流管道排放至高沙河。

(2)清水池水質控制。清水池設水質采樣點，一旦在線監測系統檢測到清水池水質超標，系統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重新處理，在系統出水恢復正常之前，清水池將從雨水回收池取干凈水，保證后續回用設施供水正常。

3.4 水質在線監測站自動控制

本項目配置2套水質在線監測儀，檢測指標為：COD、NH3-N和SS，水樣采集和監測儀表通過管理用房中控PLC控制，實現系統自動采樣，自動檢測。其中SS指標數據實時更新，COD、NH3-N檢測數據2h更新1次。

3.5 雨水回收系統自動控制

雨水收集池進水，降雨時，片區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，水收集池內設耦合提升泵，1用1備，與雨水池、清水儲池液位計聯動，雨水池設低液位、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。

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

4 主體MBBR施工工藝

4.1 MBBR工藝原理及創新

本系統選用的核心生化處理工藝立體生態MBBR工藝，是將流化床生物膜法與水處理植物相結合的立體生物鏈工藝[7]，由連續多級串聯的污水生物處理反應器組成。該技術通過反應器內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[8]。具有如下的創新點。

(1)MBBR較傳統的全固定生物膜反應器(接觸氧化、生物轉盤)的不同點在于，改變填料結構、優化水流流態，運行狀態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接觸更充分。

(2)在反應系統嵌入挺水植物，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群落，進一步提高污染物質去除效率。

(3)立體生態MBBR工藝會出現復雜多等級的食物鏈，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化。因此，剩余污泥的產生量較低，是常規項目的50%，實現污泥源頭減量。

(4)多級串聯，出水穩定性強。處理系統由多級串連的生物反應器組成，每個反應器中的進水濃度不同，可最大限度地培育優化生物相。不同反應器生態處理系統適應不同區域內污染物濃度的變化，實現優勢微生物菌群聚集，利于系統的穩定。

(5)內置生態除臭裝置。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進行吸附、吸收和降解，達到良好的生物除臭效果。

(6)設施生態美觀。該技術在污水處理反應器內培育了大量挺水植物和景觀植物，使得整個污水處理設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施的傳統形象，實現人、自然和污水處理的和諧。

4.2 工藝流程及生化池設計

將污水重力自流經粉碎性格柵去除垃圾后進入提升泵站，污水提升進入2mm階梯網板格柵和平流廊道式初沉調節池，去除細小垃圾和沙礫[9]。在初沉調節池末端設提升泵將污水提升至三級立體生態MBBR池，生化池出水進入斜管沉淀池，沉淀池出水經加壓輸送至潛流式人工濕地，濕地出水儲存在清水池，通過恒壓供水系統回用到廠區各用水點。

進水中的垃圾、沙粒以及剩余微生物經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，實現了固體污染物減量化和穩定化，保障系統長期穩定運行，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MBBR生化池，內填充專用填料，填料通過池底穿孔曝氣系統曝氣攪拌，中部已設計出水填料攔截和穿孔流化系統，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散發的H2S、NH3-N等惡臭氣體，達到控制臭味，美化景觀的雙重作用，結構平面圖和剖面圖如圖1—2所示。

圖1 立體生態MBBR生化池結構平面圖

圖2 立體生態MBBR生化池結構剖面圖

結構型式：混凝土結構，內襯玻璃鋼，分為3級，全地下，池體頂部種植挺水植物。

5 結論

自動化是雨污資源化處理的趨勢，人工智能在該領域還有極大的發展空間，該項目的全自動化控制系統打造了生態智慧樣板工程。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、污水系統清水池、水質在線監測站自動控制和雨水回收系統的自動化控制系統，建立了智慧控制系統，實現對所有設備設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，要發揮自動化信息化的優勢，促進自動化系統的全面發展，降低雨水污水危害。物聯網技術的發展對智慧水利創建有著重要促進作用，研究物聯網技術和生態智慧水利是今后發展的重要方向。