城市污水處理系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)提升思考與實(shí)踐

陳 廣

(上海城投污水處理有限公司,上海 201203)

近年來(lái),污水處理提質(zhì)增效逐漸成為污水處理行業(yè)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)話(huà)題,同時(shí)也成為國(guó)家對(duì)污水處理行業(yè)發(fā)展的階段性目標(biāo)。根據(jù)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒[1],截至2021年,我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠共有4 594座,我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理能力達(dá)2.47億m3/d。

針對(duì)新時(shí)期城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的客觀需求和水生態(tài)環(huán)境改善的立足點(diǎn),為提升城鎮(zhèn)生活污水收集處理能力,加大生活污水收集管網(wǎng)配套建設(shè)和改造力度,2020年8月國(guó)家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合印發(fā)《城鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施補(bǔ)短板強(qiáng)弱項(xiàng)實(shí)施方案》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《方案》)。該《方案》中明確提出強(qiáng)化城鎮(zhèn)污水處理廠弱項(xiàng)、補(bǔ)齊城鎮(zhèn)污水收集管網(wǎng)短板、加快推進(jìn)污泥無(wú)害化資源化、推動(dòng)信息系統(tǒng)建設(shè)四大任務(wù)目標(biāo),進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了污水處理系統(tǒng)提質(zhì)增效的重要性。本文從政策、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、執(zhí)行4個(gè)方面進(jìn)行分析,提出污水處理運(yùn)行品質(zhì)提升的內(nèi)涵。同時(shí),分析了為滿(mǎn)足污水處理運(yùn)行品質(zhì)提升的內(nèi)涵要求,需從哪些方向開(kāi)展具體工作。

1 污水處理運(yùn)行品質(zhì)提升的內(nèi)涵

要清楚污水處理運(yùn)行品質(zhì)提升的方向,首先要明確其內(nèi)涵,可從政策、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、執(zhí)行4個(gè)方面理解污水處理運(yùn)行品質(zhì)提升內(nèi)涵。

1.1 政策層面

目前,我國(guó)包括上海在內(nèi)的很多城市污水處理能力還不足,其次是部分城市的污水處理效率和質(zhì)量還有待提升。針對(duì)這些問(wèn)題,《方案》中也做了具體的要求,如強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)三角地區(qū)和粵港澳大灣區(qū)城市、京津冀地區(qū)和長(zhǎng)江干流沿線(xiàn)地級(jí)及以上城市、黃河流域省會(huì)城市、計(jì)劃單列市生活污水處理設(shè)施全部達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

2020年8月,國(guó)家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步規(guī)范城鎮(zhèn)(園區(qū))污水處理環(huán)境管理的通知(征求意見(jiàn)稿)》。在文件中,不僅針對(duì)進(jìn)水超標(biāo)導(dǎo)致出水超標(biāo)等行業(yè)熱點(diǎn)話(huà)題進(jìn)行討論,明確了包括地方人民政府、排污單位、污水廠運(yùn)營(yíng)單位在內(nèi)的各方主體的責(zé)任,也強(qiáng)調(diào)要督促運(yùn)營(yíng)單位切實(shí)履行對(duì)污水廠出水水質(zhì)負(fù)責(zé)的法定責(zé)任,以及明確污染物排放管控要求、合理認(rèn)定處理超標(biāo)責(zé)任。這一征求意見(jiàn)稿,對(duì)行業(yè)來(lái)講是一個(gè)利好,但是在污水處理過(guò)程當(dāng)中需要極其關(guān)注水質(zhì),對(duì)污水處理提出了更高的要求。

與此同時(shí),行業(yè)也應(yīng)該看到水質(zhì)不達(dá)標(biāo)可能帶來(lái)的更多負(fù)面影響。比如《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)稅法》《資源綜合利用產(chǎn)品和勞務(wù)增值稅優(yōu)惠目錄》等文件中,不僅明確了城鄉(xiāng)污水集中處理場(chǎng)所超標(biāo)向環(huán)境排放應(yīng)稅污染物的,應(yīng)當(dāng)繳納環(huán)境保護(hù)稅,也強(qiáng)調(diào)了因環(huán)境違法受到處罰,自處罰決定下達(dá)的次月起36個(gè)月內(nèi),不得享受規(guī)定的增值稅即征即退。

從政策層面來(lái)看,污水處理運(yùn)行品質(zhì)提升的內(nèi)涵是“穩(wěn)定高標(biāo)”。一系列政策的推動(dòng),都要求污水處理廠,必須提高抗風(fēng)險(xiǎn)能力,實(shí)現(xiàn)全天候穩(wěn)定高標(biāo)運(yùn)行。

1.2 經(jīng)濟(jì)層面

受新冠肺炎疫情影響,全球經(jīng)濟(jì)都遭受巨大的沖擊。眾所周知,環(huán)境治理的各類(lèi)支出主要由各級(jí)政府財(cái)政承擔(dān),在財(cái)政收入收縮的情況下,還要堅(jiān)決打好打贏污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的任務(wù),并完成與全面建成小康社會(huì)相匹配的生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo),環(huán)境治理經(jīng)費(fèi)壓力可想而知。所以市場(chǎng)也要求高性?xún)r(jià)比的污水處理服務(wù),這也是一個(gè)污水處理企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)一系列提質(zhì)增效措施,實(shí)現(xiàn)高性?xún)r(jià)比的污水處理服務(wù)。因此,經(jīng)濟(jì)層面來(lái)看,污水處理運(yùn)行品質(zhì)提升的內(nèi)涵是“提質(zhì)增效”。

1.3 社會(huì)層面

污水處理的本質(zhì)應(yīng)該是讓水環(huán)境變得更好,但在某些特殊情況下,可能會(huì)有偏離這一本質(zhì)的做法出現(xiàn),如過(guò)度追求水質(zhì),做了不切實(shí)際的要求和標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致污水處理越來(lái)越依賴(lài)能源、資源(如各類(lèi)水處理藥劑)。此外,很多地方污水處理好了,但末端的污泥、臭氣又出了問(wèn)題,帶來(lái)很多負(fù)面社會(huì)影響。在這種情況下,應(yīng)該回歸污水處理的初心,即真正把環(huán)境治理好,應(yīng)該變能源依賴(lài)為節(jié)能低碳、變資源依賴(lài)為資源再生、變負(fù)面影響為環(huán)境友好,實(shí)現(xiàn)綠色生態(tài)的目標(biāo)。所以,從社會(huì)層面來(lái)看,污水處理運(yùn)行品質(zhì)提升的內(nèi)涵是“綠色生態(tài)”。

1.4 執(zhí)行層面

從前面的分析可知,污水處理既要穩(wěn)定高標(biāo),又要求提質(zhì)增效,綠色生態(tài)。如何兼顧多目標(biāo),實(shí)現(xiàn)污水處理品質(zhì)升級(jí)?在傳統(tǒng)的制造行業(yè),產(chǎn)品的品質(zhì)升級(jí)就是智慧賦能帶來(lái)的效果。傳統(tǒng)污水處理類(lèi)似于傳統(tǒng)加工制造業(yè),存在工控系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高、IT系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單、決策極度依賴(lài)人為經(jīng)驗(yàn)等問(wèn)題。通過(guò)智慧化賦能,傳統(tǒng)污水處理轉(zhuǎn)型為智慧污水處理,操作自動(dòng)化、決策智慧化、充分發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)施設(shè)備的潛力,為污水處理品質(zhì)提升提供有力支撐。因此,從執(zhí)行層面來(lái)講,運(yùn)行品質(zhì)提升的內(nèi)涵應(yīng)該是“智慧賦能”。

2 污水處理運(yùn)行品質(zhì)的提升方向

污水處理要滿(mǎn)足穩(wěn)定高標(biāo)、提質(zhì)增效、綠色生態(tài)以及智慧賦能的要求。如何實(shí)現(xiàn)?可從政策、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、執(zhí)行4個(gè)層面出發(fā),提出四大方向:全流程優(yōu)化提標(biāo)、全方位節(jié)能降耗、全鏈條綜合利用、全環(huán)節(jié)智慧運(yùn)維。

2.1 全流程的優(yōu)化提標(biāo)

在全流程的優(yōu)化提標(biāo)中,可重點(diǎn)從廠網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行、運(yùn)行優(yōu)化調(diào)控、大水量抗沖擊3個(gè)方面著手。

(1)廠網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行

調(diào)蓄池是應(yīng)對(duì)大水量沖擊的重要緩沖設(shè)施[2]。上海的污水廠原先都沒(méi)有末端調(diào)蓄池,使得污水處理廠對(duì)來(lái)水瞬時(shí)流量波動(dòng)缺乏調(diào)節(jié)手段,在新一輪污水提標(biāo)改造工程中不少污水廠配備了末端調(diào)蓄池,調(diào)蓄容量占處理規(guī)模的15%～25%。從目前的運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看,調(diào)蓄池對(duì)整個(gè)污水處理廠來(lái)水瞬時(shí)沖擊的減緩作用非常明顯。排水管道、調(diào)蓄池與污水廠聯(lián)合調(diào)度,可積極應(yīng)對(duì)降雨初期的高濃度合流污水沖擊,對(duì)進(jìn)廠水質(zhì)、水量進(jìn)行緩沖調(diào)節(jié),有效地保護(hù)現(xiàn)有污水處理廠的運(yùn)行安全。

(2)優(yōu)化運(yùn)行調(diào)控

對(duì)經(jīng)典的活性污泥數(shù)學(xué)模型進(jìn)行校正,輔以基于大數(shù)據(jù)分析的黑箱模型,更符合污水廠的實(shí)際運(yùn)行情況,基于修正好的離線(xiàn)模型進(jìn)行仿真計(jì)算,驗(yàn)證工藝參數(shù)進(jìn)而大幅細(xì)化、優(yōu)化應(yīng)急工況工藝調(diào)度應(yīng)對(duì)預(yù)案。在實(shí)踐中把模型應(yīng)用在應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況的情況下,比如高濃度的沖擊、大水量的沖擊,在這種情況下,可以指導(dǎo)更精細(xì)地調(diào)整過(guò)程參數(shù)。

(3)大水量抗沖擊運(yùn)行模式

在污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中,大水量沖擊很明顯,這是很多南方城市都有的現(xiàn)象,合流制排水系統(tǒng)或者不徹底的分流制系統(tǒng),都會(huì)遇到這樣的問(wèn)題。應(yīng)建立一套抗大水量沖擊分級(jí)響應(yīng)機(jī)制,不同響應(yīng)等級(jí)采取一系列有針對(duì)性的工藝調(diào)整與設(shè)備管理措施。通過(guò)抗沖擊分級(jí)響應(yīng)系列調(diào)控措施,可以使得出水水質(zhì)在大水量沖擊下仍能持續(xù)穩(wěn)定高標(biāo)。

2.2 全方位節(jié)能降耗

要做好污水處理的提質(zhì)增效,全方位的節(jié)能降耗很關(guān)鍵。在這個(gè)過(guò)程中,要重點(diǎn)做好系統(tǒng)性的節(jié)能降耗以及提高能源利用率兩方面的工作。

(1)系統(tǒng)性的節(jié)能降耗

污水廠降耗增效往往都聚焦于具體降耗措施,但常常難于做出準(zhǔn)確的實(shí)施效果評(píng)價(jià),其主要原因是能耗基數(shù)不清,過(guò)程統(tǒng)計(jì)不夠精確等原因。因此,建議污水處理廠搭建全廠能源管理平臺(tái),通過(guò)安裝一定數(shù)量的電表,對(duì)污水廠全廠能耗精確計(jì)量統(tǒng)計(jì),并對(duì)全廠各工藝段、關(guān)鍵設(shè)備電耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析、評(píng)價(jià),摸索建立工藝段標(biāo)準(zhǔn)電耗,通過(guò)對(duì)標(biāo)分析其相關(guān)設(shè)備能效,以確保設(shè)備經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行,提高投入產(chǎn)出比[3]。

(2)提高能源利用率

在提高能源利用率方面,建議有污泥干化焚燒工藝的廠,可以考慮開(kāi)展系統(tǒng)能量平衡校核計(jì)算,并在此基礎(chǔ)上提出了一套切實(shí)可行、不影響干化焚燒系統(tǒng)正常運(yùn)行的干化尾氣余熱深度利用方案,以上海某污泥廠為例,在干化機(jī)載氣余熱利用改造后,邊界條件不變的情況下,系統(tǒng)總體能源自給率可提高8%～10%[4]。

2.3 全鏈條綜合利用

全鏈條綜合利用將有效滿(mǎn)足綠色生態(tài)的要求。

(1)污泥殘?jiān)Y源化

資源循環(huán)利用主要指的是焚燒灰、渣的資源化利用,也是行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的話(huà)題。污泥焚燒殘?jiān)械腟iO2含量較高,可被建材利用,并作為水泥生料添加劑、路基材料等。污泥焚燒殘?jiān)辛缀恳草^高,可提取磷元素進(jìn)行利用。以上海城投水務(wù)污水公司為例,聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)、上海大學(xué)、上海市政院等研究機(jī)構(gòu),系統(tǒng)開(kāi)展了污泥焚燒殘?jiān)Y源化研究工作,目前該項(xiàng)研究成果已在上海各污泥干化焚燒項(xiàng)目中產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[5]。城投水務(wù)污水公司將產(chǎn)生的污泥進(jìn)行焚燒殘?jiān)?jīng)預(yù)處理后與其他原輔材料按配方進(jìn)行混合復(fù)配,加工成的產(chǎn)品為鐵質(zhì)校正料和復(fù)合粉煤灰,產(chǎn)品作為水泥生料添加劑、熟料混合材和摻合料,應(yīng)用于水泥廠、粉磨站及攪拌站,相關(guān)產(chǎn)品符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)、《粉煤灰在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DB 31/T 932—2015)、《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)打通了焚燒殘?jiān)嘟ú睦玫漠a(chǎn)業(yè)化鏈路,100%實(shí)現(xiàn)資源化利用,結(jié)束了污泥焚燒殘?jiān)盥竦臍v史,具有較大的推廣意義。

(2)空間綜合利用

全鏈條綜合利用還包括廠區(qū)空間綜合利用,上海某污水處理廠作為半地下式污水處理廠充分體現(xiàn)了空間綜合利用,不僅實(shí)現(xiàn)了環(huán)境友好,與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一、充分融合,同時(shí)也踐行了海綿城市理念,打造了廠群和諧的空間環(huán)境。

(3)廠內(nèi)外環(huán)境友好

全鏈條綜合利用還應(yīng)強(qiáng)調(diào)廠內(nèi)外大氣環(huán)境友好,重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注臭氣治理。眾所周知,老百姓對(duì)污水處理廠除臭要求非常高,在這種情況下,促使污水公司重視強(qiáng)化對(duì)臭氣的處理。以上海城投水務(wù)污水公司為例,已實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水廠產(chǎn)生臭氣的污染源進(jìn)行全覆蓋、臭氣全收集、全處理,處理后臭氣排放廠界滿(mǎn)足目前全國(guó)最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)——《城鎮(zhèn)污水處理廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/982—2016)和《惡臭(異味)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/1025—2016)。環(huán)境友好還包括廠內(nèi)環(huán)境友好,城投水務(wù)污水公司重視廠區(qū)內(nèi)部無(wú)組織臭氣治理,打造員工滿(mǎn)意的生態(tài)廠區(qū),主持編制的上海地方標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠惡臭氣體治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》已于2021年發(fā)布,為污水處理廠廠內(nèi)臭氣治理提供了技術(shù)支撐。

2.4 全環(huán)節(jié)智慧運(yùn)維

全環(huán)節(jié)智慧運(yùn)維應(yīng)從“點(diǎn)、塊、片”3個(gè)角度,重點(diǎn)提升智慧化管控的水平。

“點(diǎn)”是指某一個(gè)具體的設(shè)備和工藝段:實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作的工藝段智慧化控制。以上海城投水務(wù)污水公司為例,致力于提升智能感知能力,例如研發(fā)了活性污泥指數(shù)在線(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)24 h在線(xiàn)監(jiān)測(cè)污泥指數(shù),污泥指數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)對(duì)于工藝判斷幫助很大。再如,在預(yù)處理區(qū)域進(jìn)水泵房、調(diào)蓄池、粗細(xì)格柵、沉砂池等設(shè)施聯(lián)動(dòng)控制中,實(shí)現(xiàn)生物池進(jìn)水負(fù)荷平穩(wěn),且針對(duì)不同工況設(shè)定多種控制模式,避免人工頻繁操作的可能失誤,提升了應(yīng)急準(zhǔn)確響應(yīng)率。

“塊”是指污水廠要兼顧高效和綠色的工廠級(jí)智慧化運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)工廠級(jí)的智慧化運(yùn)行。以上海城投水務(wù)污水公司為例,試點(diǎn)開(kāi)展了基于BIM建設(shè)“數(shù)字孿生”智慧工廠。廠區(qū)BIM深度融合數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施設(shè)備的數(shù)字化,生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化,同時(shí)結(jié)合經(jīng)典的工藝機(jī)理模型,機(jī)器學(xué)習(xí)形成的黑箱模型,仿真技術(shù)組成多維數(shù)字化模型,為科學(xué)化、智慧化的管理提供可分析、可仿真、可預(yù)測(cè)的“數(shù)字孿生”工廠。

“片”是指主要指整個(gè)片區(qū)的管理,提升公司級(jí)智慧化決策。以上海城投水務(wù)污水公司為例,正在搭建完善的公司級(jí)的綜合管控調(diào)度平臺(tái),具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)調(diào)度、報(bào)表管理、生產(chǎn)優(yōu)化、精確決策等功能,變傳統(tǒng)計(jì)劃任務(wù)驅(qū)動(dòng)型為數(shù)據(jù)任務(wù)驅(qū)動(dòng)型,可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)公司以管控為主的管理模式向服務(wù)為主管理模式轉(zhuǎn)變,促進(jìn)污水廠快速完成優(yōu)化運(yùn)行的技術(shù)迭代,實(shí)現(xiàn)跨越式運(yùn)營(yíng)優(yōu)化。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

污水處理運(yùn)營(yíng)品質(zhì)提升是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程,需要在提升過(guò)程中不斷進(jìn)行實(shí)踐與積累,逐步實(shí)現(xiàn)從量變到質(zhì)變。相信通過(guò)共同努力,一定能夠?qū)崿F(xiàn)污水處理廠運(yùn)營(yíng)品質(zhì)的提升,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高標(biāo)、提質(zhì)增效、綠色生態(tài)、智慧賦能的目標(biāo),更好地發(fā)揮水環(huán)境治理主力軍的作用。