广州地下式污水处理厂数字化建设与运营实践探讨

摘 文章总结了广州地下污水处理厂建设的背景，讨论了地下污水处理厂数字化建设的几个重要要素：信息系统联动协作、资产数据可视化、运营管理数字化和各过程控制逻辑优化升级智能管理应用，介绍了旋转沉砂池、生化池、污泥回流、二沉池、设备和管道智能控制措施，总结了地下污水处理厂污泥处理、气味处理和再生水利用的运行实践，探讨了地下污水处理厂的综合发展，提出了低碳源消耗生物除磷技术、污泥固碳技术、组合工艺除臭技术、污泥处理剂配方和地下污水处理厂数字双胞胎是未来的关键研发方向。

2010年，全国全地下污水处理厂在广州市白云区京溪建成并通水，占地仅27亩(1亩)≈666.67 m2)，处理污水达15万m3/d，实际出水量优于《城市污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。近年来，广州8家污水处理厂都是地下污水处理厂，国内其他城市也建成了一批地下污水处理厂[1-2]。广州污水处理厂广州污水处理厂建设的主要原因是：①随着城市的快速发展，城市市政设施用地越来越少；②已建成的传统污水处理厂占地面积大，地面不能综合开发；③变“邻避效应”为“邻利效应”，地下式污水处理厂的上盖地面除少量管理用房外，其他大部分面积是绿色公园；④地下污水处理厂的建设可以振兴土地增长收入，为城市污水处理可持续发展筹集资金[3]。地下污水处理厂巧妙布局地下空间[4-5]，地面形成景观，化解邻避效应。地下污水处理厂巧妙布局地下空间[4-5]，地面形成景观，解决了邻居避免效应。图1为广州地下污水处理厂分布，表1为广州市地下污水处理厂综合开发面积统计。

图1 广州地下式污水处理厂分布

Fig.1 Distribution of Underground WWTPs in Guangzhou

从表1可以看出，已建地下污水处理厂的开发面积可达10个.71万m2.总收入约410亿元，广州市土地价值仍在上升。地下污水处理厂的地面开发为实现污水处理企业的可持续发展提供了强有力的财政支持，为广州水环保产业园的建设提供了现场支持。

注：吨水处理成本包括人工、药品消耗、电耗、材料消耗等，不包括折旧和大中型维修费用

1 广州地下污水处理厂设计规划亮点

广州地下污水处理厂规划设计运用地下建厂、地上建园的理念。9个地下污水处理厂的地下空间深度约为17个 m，进水污水总管、粗格栅、提升泵房在负二层，细格栅、生化池、滤池、鼓风机、配电室设计在负一层，地下污水处理厂地面设计为绿化公园。以广州石井净水厂设计图为例。图2为石井净水厂地面平面图。地面上只有少量管理室，绿地和湿地覆盖率超过65%。图3为石井净水厂地面湿地公园。龙归厂三期、江高厂、健康城厂、西朗厂二期、大沙地厂二期五家污水厂AAO MBR膜工艺；采用大观厂、沥郊厂三期、石井厂三家污水厂AAO 二沉池 V型滤池工艺。图4为石井净水厂地下空间布置示意图。

图2 石井净水厂地面景观

Fig.2 Landscape Map of Shijing Underground WWTP

图3 石井净水厂湿地公园

Fig.3 Wetland Park of Shijing Underground WWTP

图4 石井净水厂地下空间布局示意图

Fig.4 Underground Space Layout of Shijing

广州地下污水处理厂的规划、设计、施工具有以下特点。

(1)选择每个地下污水处理厂EPC在总承包模式下，地下污水处理厂施工方与设计方实现技术无缝对接，机电设备的供应、安装和调试与土建结构设计和施工合理衔接。

(2)重点优化完善水泵、鼓风机、曝气系统、滤池、消毒系统MBR膜组件等重要设备的工艺参数，如MBR膜通量为18~25 L/(m2·s)等。

（3）为确保地下污水处理厂维修室不停止生产，污水不溢出，地下污水处理厂生产线通过阀门与管道连接，各生产线可独立运行，便于生产线维修时整体流量的调度和分配。

(4)地下式污水处理厂地下式空间结构工程负荷设计与地面综合开发项目相衔接。

(5)配电室设计具体防水措施。

(6)施工作业高峰期间，采取全员刷脸、全员安全帽芯片行程跟踪等安全管理措施。

2 地下污水处理厂数字化建设

地下污水处理厂综合管理平台集中部署在公司总部云中，具有运行调度、应急指挥、运行数据分析、综合显示功能，集中运行维护，节省系统建设和运行维护成本。广州地下污水处理厂的运营基本实现了智能管理。

2.1 已建系统的联动与协作

精确曝气控制系统、智能加药控制系统、智能回流控制系统、智能地磅称重系统、员工生命安全监控系统、智能安全系统联动协作，具有多变量、非线性、滞后等特点的污水处理系统稳定控制，图5为智能污水处理运行管理平台示意图。为了更准确地控制碳源、除磷剂和消毒剂的用量，在出水水质达标的基础上节约用药成本。系统的联动与协调解决了工厂信息数据无法交换和交换、人员重复数据填写、设备缺乏管理账户、人员缺乏绩效管理等问题。

图5 地下污水处理厂管理平台示意图

Fig.5 Management Platform of Underground WWTPs

2.2 资产数据可视化

污水处理厂智能管理实现了污水处理厂结构、管道、控制、电气等专业图纸数字化与三维化，提高了厂区的结构、管道、配电自控等维护排障效率，完成了数据资产的传承、管理和分析。图6为地下空间管道优化前的布局，图7为地下空间管道优化后的布局，图8为地下空间智能维护管理，图9为地下空间泵房的BIM模型。

图6 地下空间管道优化前的布局

Fig.6 Initial Layout of Underground Space Pipelines

图7 地下空间管道优化后的布局

Fig.7 Optimized Layout of Underground

Space Pipelines

图8 智能维护管理地下空间

Fig.8 Intelligent Maintenance of Underground Space

图9 地下空间泵房BIM模型

Fig.9 BIM Model of Underground Management of Pump Station

2.3 数字化运营管理

建立污水处理厂运行关键绩效指标评价机制，从管理质量、能耗分析、设备运行效率、运行工艺参数等方面定期对污水处理厂运行情况进行综合评价，实现基于智能控制中心的平面管理。工单涵盖日常检查、检查、工艺调整和安全控制。图10为地下污水处理厂日常检查示意图。只填写智能报表只填写一次，杜绝二次输入，实现数据的流通和业务的充分整合，为工厂无纸化办公提供支持。建立完善的设备运行维护管理体系，解决设备运行、维护、维护标准化、标准化的问题，实现各类业务的在线实施和管理。

图10 地下式污水处理厂日常巡检示意图

Fig.10 Schematic Diagram of Daily Inspection of Underground WWTP

2.4 优化广州地下污水厂控制系统

(1)将旋流沉砂池的控制与周期运行装置联锁鼓风机、气提阀、气冲阀、砂水分离器，增加智能控制功能。

（2）为提高二沉池沉淀效果，在二沉池前端安装高清摄像头，值班人员通过实时图像观察污泥絮凝状态，及时控制相关设备运行参数，减少浮泥进入水槽，降低过滤压力，手动阀进入电动阀，优化控制程序，实现排泥阀循环排泥，防止二沉池污泥浓度过高，确保二沉池水质稳定。同时，在二沉池末端增加清水池SS浓度检测仪表，接入自动控制系统，设置报警限制，浓度过高时报警，确保滤池正常运行。

(3)生化池在线控制

氨氮、硝氮、磷酸盐在线探测器安装在地下污水处理厂生化池的缺氧区与好氧区的交界处，分析厌氧前硝氮、厌氧后氨氮、硝氮、缺氧区末磷酸盐浓度，全面监测生化池的脱氮除磷效果，形成污水生化处理过程5~6 h预警诊断机制。生化池在线仪表检测值指导智能系统调整内外回流比、溶解氧、曝气、碳源和化学除磷剂，确保出水水质稳定达标。

(4)建立全方位的报警系统

一旦仪器或设备的报警信号被监控，报警信息可以通知中央控制室、值班室和与报警信息相关的人员。如果存在与人员安全相关的声光报警提醒H2S、NH车间泄漏隐患。PC终端和移动终端同步记录和显示报警信息。用户点击任何报警信息，系统图片将自动定位到相应问题的污水处理厂的实际位置。

(5)设备管理

实现设备的快速搜索和定位，实时监控设备的温度、频率、电流和电压，并产生曲线。当监控数据报警时，系统自动判断报警的故障部件，并在零件级设备模型的基础上关联和突出可能的故障部件，并提供有针对性的维护建议。

(6)管道管理

隐蔽工程中各种工艺管道布局以三维形式完整直观地展示，提高了管道检查和维护的效率。系统根据类型分层显示管网，可控制隐藏，详细显示管道属性、相关性、维护井分布位置、各维度的统计信息和物联网监控数据。

3 地下污水处理厂的运营实践

3.1 污泥处理处置技术

污水处理厂的污泥处理和处理一直是社会各界关注的环境问题。广州地下污水处理厂的污泥处理和处理过程由污水进出水质、地下空间尺寸、处理时间、处理温度、处理压力、气味收集和去除等因素综合确定。表2为广州所有地下污水处理厂污泥处理和运行成本的比较。

污泥在厂内干燥后，主要指标应达到以下标准[6]：①5
来源：净水技术

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