BBR工藝耦合BIM技術在污水廠改造工程中的應用

摘" 要：城市已建成的污水處理廠普遍存在提高排放標準要求迫切、無法重新征地擴建及提標改造時不能停產等現實狀況。以滄州市運東污水處理廠為例，采用BBR工藝提高污泥負荷及容積負荷，高效利用原有生化池池容，同時利用BIM技術實現BBR設備模塊化設計及安裝，探索二者耦合應用的工作流程，較好解決提標改造項目的共性問題，以供同行業參考。

關鍵詞：BBR工藝；BIM技術；提標改造；AutoCAD Plant 3D；Revit

中圖分類號：X703" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0190-07

Abstract： There are many existing problems in urban sewage treatment plants， such as the urgent need to improve the discharge standard， the inability to re-acquire and expand， and the inability to stop production when upgrading the standard. Taking Cangzhou Yundong Sewage Treatment Plant as an example， the BBR process has been used to increase the sludge load and volume load， and the original biochemical tank capacity has been efficiently utilized， at the same time， the modular design and installation of BBR equipment are realized by using BIM technology， the work flow of the coupling application of the two has been explored， and the common problems of the upgrading and upgrading projects have been well solved for the reference of the same industry.

Keywords： BBR process; BIM technology; Upgrading and reconstruction; AutoCAD Plant 3D; Revit

中共中央、國務院發布《關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》（以下簡稱《意見》）中提出“到2025年，縣級城市建成區基本消除黑臭水體……省控及以上河流入海斷面基本消除劣Ⅴ類，濱海濕地和岸線得到有效保護”。《意見》要求系統推進城市黑臭水體治理……有效控制入河污染物排放。強化溯源整治。因此對有效控制污染物入河入海的污水廠提出了更加嚴格的排放要求。城市已建成的污水處理廠普遍存在提高排放標準要求迫切、占地面積緊張、重新征地拆遷難，以及提標改造時不能停產等現實狀況。BBR工藝耦合BIM技術可以很好地解決上述問題，在污水處理廠原位提標改造中的應用值得參考。

1" 項目概況

滄州市運東污水處理廠始建于2004年，設計規模為10萬m3/d，位于滄州市新華區鞠官屯村東，配套排水管網約200 km，服務區域約35 km2，原建廠設計出水水質達GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A標準。為加快推進滄州市渤海入海河流消除劣V類，污水廠需盡快完成提標改造，主要污染物指標需達到河北省地標DB 13" 2797—2018《黑龍港及運東流域水污染物排放標準》的相關要求。

在不額外增加占地面積、不停產運行的情況下，應充分利用現有生化池池容，提高污泥負荷及生化反應速率，BBR工藝系統所特有的BBR（生物質轉盤）立體網狀轉盤設備可以無須新建、構筑物，直接多臺并聯架設于原生化池池面上，整個轉盤表面能大量繁殖、富集芽孢桿菌菌群，相對傳統活性污泥可以提高容積負荷，高效去除有機物并達到脫氮除磷的目的，從而無須額外增加池容及停產。而當進行原址改造時，需克服現有安裝空間不足、安裝精度要求高，以及建、構筑物與管線交叉密集及項目建設周期緊迫等諸多問題，BIM技術較好地滿足了提標改造工程對設計質量、安裝精度、施工周期及虛擬體驗等要求，避免二維設計存在的通病，極大地降低了建設單位資金與時間成本。因此本項目改造中，BBR工藝可以協同BIM技術實現標準化設計、精細化控制和模塊化安裝，形成互相支撐、降本增效的良好耦合效應。

2" 工程應用的技術路線

本次改造工程中，需要結合BBR工藝的優勢特點對原廠生化池停留時間、曝氣風量、產泥量及BBR設備安裝空間等進行設計復核，而BIM設計主要開展原廠建、構筑物翻模，建立管道、管件及設備族庫，新增BBR設備建模，BBR工藝與BIM設計相互交叉迭代，形成改造后的項目模型，從而導出建設施工所需的各項文件。具體應用的技術路線如圖1所示。

3" BBR工藝與BIM設計的耦合應用

3.1" BBR工藝的應用

3.1.1" 改造工程難點

污水處理廠原工藝采用“預處理+A2O+高密度沉淀池+濾池+消毒”工藝，提標后主要指標，見表1。

提標工程具體實施中，存在以下幾個難點：①與一級A標準相比，CODcr由50 mg/L降低到40 mg/L；NH3-N由5（8） mg/L降低到2.0（3.5） mg/L；TP由0.5 mg/L降低到0.4 mg/L，出水水質要求相對提高。②本廠區占地面積有限，周邊緊鄰工廠、居民區，無法征地進行臨近擴建。③運東污水廠為市轄區主要污水處理廠，每天處理水量大，沒有可以暫時應急處理的排放去向，因此不允許停產改造。

由于實際進水NH3-N已超出了原設計的水平，如果想要利用現有的池體（A2O工藝）達到改造后出水NH3-N的要求，經核算好氧池內硝化速率需高達0.069 kgNH3-N/（kgMLVSS·d），大大超出合理范圍，因此對氨氮（NH3-N）的去除是本次改造工程的重點和難點。

因此確定改造思路如下：①重點強化生物脫氮效果，保證出水的氮，尤其是氨氮、總氮（TN）達標。②由生化處理系統發揮除磷（P）的主要功能，針對污水中的溶解性無機磷，采取必要的改造措施，提高其去除率。

3.1.2" BBR工藝的選擇

通過與A2O工藝、移動床生物膜反應器（Moving- Bed Biofilm Reactor，MBBR）工藝綜合比選，承建方采用BBR工藝：Bacillus as dominant bacteria in Bioreactor for Wastewater treatment process（以芽孢桿菌為優勢菌的生物反應器污水處理工藝），進行強化脫氮，提出對現有生化系統進行升級改造，同時能兼顧除磷效果。

BBR工藝是以芽孢桿菌為優勢菌的生物反應器污水處理工藝，系統核心由立體網狀生物接觸設備、土壤菌（Bacillus菌）和營養液組成。既結合了附著型生物處理和懸浮型生物處理技術，兼具缺氧、兼氧和好氧生化處理段，又引入了優選的強勢復合菌種，對于難降解高濃度有機廢水及低濃度廢水都有較好的處理效果。

無論是在以添加芽孢桿菌污泥反硝化特性及菌群結構分析的實驗室研究中[1]，還是在大型城鎮污水處理廠改造擴容工程中的實踐應用[2]，均表明芽孢桿菌的存在會促進其他異養菌的生長，在細菌門、綱、目、科和屬等層面，芽孢桿菌活性污泥菌群多樣性均優于普通活性污泥，碳源充足條件下各細菌的協同作用，使芽孢桿菌活性污泥具有高效反硝化特性。

BBR工藝在進水TN小于等于15 mg/L的情況下，碳氮比只需2.0～2.5，污水停留時間短、占地面積小，限氧曝氣池容僅為A2O工藝生化池的1/2～1/3。另外，可以直接將設備通過鋼結構的方式架設在池體構筑物之上，能實現真正的不停產改造。通過采取上述的改造措施，生化池原有池容可完全滿足BBR工藝改造要求，無須新增構建筑物；BBR工藝改造后出水可穩定達到排放要求，冬季運行時能保證氨氮及總氮穩定達標。

3.1.3" 改造工藝流程

經預處理后的污水自流入前端BBR池（原厭氧池），在BBR池內與回流污泥混合后進入后端BBR池（原缺氧池），在BBR池內與回流混合液充分混合，實現芽孢桿菌的生長繁殖，并且通過芽孢桿菌的吸附及分解去除污水中部分有機物、氨氮、總氮和硝酸鹽。污水經BBR池后自流進入后端BBR限氧曝氣池（原部分缺氧池及好氧池），通過對溶解氧、污泥濃度等條件的控制，使芽孢桿菌優勢化培養，發揮其高效去除有機物、氮和磷的能力，整體工藝流程如圖2所示。

3.1.4" 改造設計內容及參數

結合BBR工藝對污水廠現狀進行復核，完成提標改造只需對生化池及風機房進行利舊+改造，實現了不擴建、不停產改造。建、構筑物主要改造及利舊清單見表2。

其中，以生化段A2O池（厭氧池、缺氧池和好氧池）的改造為重點，將BBR設備直接架設在厭氧池及部分缺氧池池面作為BBR池，剩余缺氧池增加提拉式曝氣裝置作為1#BBR限氧曝氣池，好氧池作為2#、3#和4# BBR限氧曝氣池，新增BBR設備共計64臺，改造前后設計參數見表3。

改造后限氧曝氣池生化設計參數見表4。

3.1.5" BBR設備模塊化布置

本項目共新增64臺BBR設備，利用BIM技術對原污水處理廠生化池及BBR單臺設備進行建模，原生化池可利用隔墻間距為12 m，而單臺本體設備長度為4.2 m，考慮設備的檢修距離，隔墻間可以架設2臺BBR設備。將2臺設備成組進行模塊化組裝，每個模組間共用支撐梁，利用原有池體的隔墻作為結構支撐墻，單臺BBR設備模型及模塊化布置模型分別如圖3、圖4所示。

3.2" BIM技術的應用

BIM（Building Information Model）是指在建設工程及設施全生命周期內，對其物理和功能特性進行數字化表達，并依次設計、施工和運營的過程與結果的總稱，簡稱模型[3]。BIM技術則是利用多軟件平臺，對模型及模型信息進行融通整合，將其貫穿于建筑工程項目的整個生命周期，實現可視化效果設計、精確化材料統計和虛擬化安裝及漫游，最終達到模型數據的動態變化和建設施工狀態的同步，使建設過程和運維階段變得更加精細、高效及統一。

3.2.1" BIM軟件的選擇

在使用BIM技術的過程中需要用到很多BIM軟件，不同的BIM軟件適用于不同的項目實施階段，同一項目實施階段使用的軟件，又有各自的特點和優勢[4]，因此選擇合適的BIM軟件非常重要，通常國內使用較多的軟件見表5。

本次提標改造過程涉及工藝設計、構筑物設計、設備制造、設備安裝、調試運營和虛擬漫游等方面，因此需要選擇與二維CAD設計兼容的軟件。通過綜合比選，各階段BIM軟件選擇如下。

1）工藝及管道設計選擇AutoCAD Plant 3D。Auto CAD Plant 3D具有非常完善的設計功能，可以基于等級庫進行國標、化工標等級庫的編輯，可以自動生成具有施工圖深度的ISO圖，自動統計材料明細表，與二維CAD具有良好的互通性[5]，能夠較好地滿足污水處理廠的工藝設計及管道設計。

2）建、構筑物設計選擇Revit。Revit模型中，所有的圖紙、平面視圖、三維視圖和明細表都是建立在同一個建筑信息模型的數據庫中，可以收集到建立在建筑信息模型中的所有數據，并在項目的其他表現形式中可以協調信息，以便于實現模型中的參數化，能夠較好地滿足污水處理廠建、構筑物設計。

3）施工碰撞檢查選擇Navisworks。Navisworks可以兼容Revit的設計模型，其自身的核心功能便是模擬和完善工程進度、辨別與解決矛盾和確保工程參與對象及時通信交流，提前處理各種預見性問題，可以在施工前把各專業設計整合后的項目模型進行碰撞檢查并導出報告，指導設計工作的改進。

4）虛擬漫游選擇Lumion。Lumion軟件自帶豐富的材質庫，包括金屬、玻璃、地磚和大理石等材質，能滿足建、構筑物內外貼圖的需求，以及兼容Revit建模模型。

3.2.2" BIM軟件的二次開發

在BIM軟件使用過程中，發現AutoCAD Plant 3D中建立的設備、管道和鋼結構等三維模型所附帶的屬性信息無法完整地兼容進入Navisworks及Lumion軟件，由此給模型信息的流通使用帶來了障礙，同時降低了模型信息積累的無形價值，而Revit軟件對于后端軟件的兼容較強，具備良好的通用性，因此有必要建立AutoCAD Plant 3D換化Revit的插件軟件，以實現BIM信息的全流程打通，如圖5所示。通常先在Plant 3D軟件中進行工藝管道和設備的三維建模和信息賦予，然后將其整體轉換到Revit軟件中，實現污水處理廠項目模型的整合，如圖6所示。

通過AutoCAD Plant 3D和Revit軟件的融合，管道、設備及鋼結構的幾何屬性及信息屬性實現了保留及流通，使工藝、管道及設備的BIM設計兼容到整體項目模型中，并為后期運維及虛擬漫游需求保證了信息等級深度。

3.2.3" 自建常用族庫

針對污水處理廠的BIM設計，有部分市政設計院在給排水構筑物及設備等建模方面進行了多項二次開發嘗試，形成了水工藝參數化圖庫及構筑物參數化建模插件，能夠提高水廠類項目建模效率，從而提高整體設計效率[6]。本次工程充分結合項目實際需求，利用Revit建族功能，自建閥門常用族庫（圖7）及相關設備常用族庫（圖8），提高模型的重復利用率。

3.2.4" 設備及管道布置設計

改造工程利用AutoCAD Plant 3D中三維建模空間功能模塊進行三維建模，并賦予設備及管道信息，實現設備布置的精準化、管道布置的精確化，是體現三維設計和BIM正向設計的關鍵步驟，改造后新增設備及管道布置設計如圖9所示。

3.2.5" 施工材料清單導出

改造工程利用AutoCAD Plant 3D中Report空間功能模塊進行管閥等材料的導出，材料清單上可以完整精確地體現管道、閥門、管件和螺栓等材料的數量、材質、執行標準等采購信息，極大簡化了施工單位的工作流程，避免了人工統計材料常見的錯誤疏漏問題，清單如圖10所示。

3.2.6" 碰撞檢查設計

改造工程利用Navisworks中檢查碰撞功能，將設備、管道與建、構筑物的梁、墻、頂板及地面等構件進行自動檢查，對發現的碰撞自動識別，并導出檢查報告，設計人員依據報告進行施工前修改，大幅提高了設計質量，縮短了施工周期，節約了施工成本，模型碰撞檢查報告如圖11所示。

3.2.7" 渲染及虛擬漫游

改造工程利用Lumion虛擬渲染功能，將建、構筑物與設備、管道等構件賦予貼近實物的材質，與改造后實物工程現狀高度吻合，如圖12所示。在對項目模型完善渲染后，利用虛擬技術實現漫游體驗，極大地提升了施工交底便利性，以及虛擬體驗的真實性（圖13），也為模型后期應用于智慧運維系統提供了良好的基礎。

4" 結論

1）面對污水處理廠提標改造工程不能停產、不能擴建的制約因素，BBR工藝可以顯著提高污泥負荷及容積負荷，高效利用原有生化池池容，利用BIM技術進行設備模塊設計及安裝，直接實現原位改造，大幅降低了改建投資成本。

2）針對改造過程中存在的安裝空間有限、新舊設備及管路交叉碰撞，利用BIM技術進行原廠翻模及新增工程建模，明顯縮短了建設安裝周期。同時因采用BBR工藝時所涉及的新增輔助設備少，改動工程少，所以BIM建模的工作量也相應減少。

3）當污水處理廠提標改建工程采用BBR工藝及BIM技術時，二者相互支撐，實現了良好的耦合效應，取得了1+1＞2的效果，為建設單位節約了土地、資金及時間成本，值得建設同類型項目時參考。

參考文獻：

[1] 王思宇，李軍，王秀杰，等.添加芽孢桿菌污泥反硝化特性及菌群結構分析[J].中國環境科學，2017，37（12）：4649-4656.

[2] 呂汶霖，孫德壽，王偉偉，等.生物轉盤在某城鎮污水處理廠改造擴容工程中的應用[J].中國給水排水，2021，37（4）：82-86.

[3] 建筑信息模型應用統一標準：GB/T 51212—2016[S].

[4] 王美華，高路，侯羽中，等.國內主流BIM軟件特性的應用與比較分析[J].土木建筑工程信息技術，2017，9（1）：69-75.

[5] 李進華，覃鍵錦.國內新建糖廠三維設計的應用[J].廣西糖業，2019，107（4）：23-26.

[6] 姜天凌，徐亞男，沈辰楠，等.BIM參數化技術在污水處理廠三維設計中的應用[J].給水排水，2020，56（S1）：235-237.