城市污水處理系統(tǒng)運行品質(zhì)提升思考與實踐

針對新時期城鎮(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,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)配套建設和改造力度,2020年8月國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設部聯(lián)合印發(fā)《城鎮(zhèn)生活污水處理設施補短板強弱項實施方案》(以下簡稱《方案》)。該《方案》中明確提出強化城鎮(zhèn)污水處理廠弱項、補齊城鎮(zhèn)污水收集管網(wǎng)短板、加快推進污泥無害化資源化、推動信息系統(tǒng)建設四大任務目標,進一步強調(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、社會、執(zhí)行4個方面進行分析,提出污水處理運行品質(zhì)提升的內(nèi)涵。同時,分析了為滿足污水處理運行品質(zhì)提升的內(nèi)涵要求,需從哪些方向開展具體工作。

一、污水處理運行品質(zhì)提升的內(nèi)涵

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

1.1 政策層面

目前,我國包括上海在內(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。針對這些問題,《方案》中也做了具體的要求,如強調(diào)長三角地區(qū)和粵港澳大灣區(qū)城市、京津冀地區(qū)和長江干流沿線地級及以上城市、黃河流域省會城市、計劃單列市生活污水處理設施全部達到一級A排放標準。

2020年8月,國家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《關(guān)于進一步規(guī)范城鎮(zhèn)(園區(qū))污水處理環(huán)境管理的通知(征求意見稿)》。在文件中,不僅針對進水超標導致出水超標等行業(yè)熱點話題進行討論,明確了包括地方人民政府、排污單位、污水廠運營單位在內(nèi)的各方主體的責任,也強調(diào)要督促運營單位切實履行對污水廠出水水質(zhì)負責的法定責任,以及明確污染物排放管控要求、合理認定處理超標責任。這一征求意見稿,對行業(yè)來講是一個利好,但是在污水處理過程當中需要極其關(guān)注水質(zhì),對污水處理提出了更高的要求。

與此同時,行業(yè)也應該看到水質(zhì)不達標可能帶來的更多負面影響。比如《中華人民共和國環(huán)境保護稅法》《資源綜合利用產(chǎn)品和勞務增值稅優(yōu)惠目錄》等文件中,不僅明確了城鄉(xiāng)污水集中處理場所超標向環(huán)境排放應稅污染物的,應當繳納環(huán)境保護稅,也強調(diào)了因環(huán)境違法受到處罰,自處罰決定下達的次月起36個月內(nèi),不得享受規(guī)定的增值稅即征即退。

從政策層面來看,污水處理運行品質(zhì)提升的內(nèi)涵是“穩(wěn)定高標”。一系列政策的推動,都要求污水處理廠,必須提高抗風險能力,實現(xiàn)全天候穩(wěn)定高標運行。

1.2 經(jīng)濟層面

受新冠肺炎疫情影響,全球經(jīng)濟都遭受巨大的沖擊。眾所周知,環(huán)境治理的各類支出主要由各級政府財政承擔,在財政收入收縮的情況下,還要堅決打好打贏污染防治攻堅戰(zhàn)的任務,并完成與全面建成小康社會相匹配的生態(tài)環(huán)境保護目標,環(huán)境治理經(jīng)費壓力可想而知。所以市場也要求高性價比的污水處理服務,這也是一個污水處理企業(yè)的核心競爭力。通過一系列提質(zhì)增效措施,實現(xiàn)高性價比的污水處理服務。因此,經(jīng)濟層面來看,污水處理運行品質(zhì)提升的內(nèi)涵是“提質(zhì)增效”。

1.3 社會層面

污水處理的本質(zhì)應該是讓水環(huán)境變得更好,但在某些特殊情況下,可能會有偏離這一本質(zhì)的做法出現(xiàn),如過度追求水質(zhì),做了不切實際的要求和標準,導致污水處理越來越依賴能源、資源(如各類水處理藥劑)。此外,很多地方污水處理好了,但末端的污泥、臭氣又出了問題,帶來很多負面社會影響。在這種情況下,應該回歸污水處理的初心,即真正把環(huán)境治理好,應該變能源依賴為節(jié)能低碳、變資源依賴為資源再生、變負面影響為環(huán)境友好,實現(xiàn)綠色生態(tài)的目標。所以,從社會層面來看,污水處理運行品質(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,又要求提質(zhì)增效,綠色生態(tài)。如何兼顧多目標,實現(xiàn)污水處理品質(zhì)升級?在傳統(tǒng)的制造行業(yè),產(chǎn)品的品質(zhì)升級就是智慧賦能帶來的效果。傳統(tǒng)污水處理類似于傳統(tǒng)加工制造業(yè),存在工控系統(tǒng)自動化程度不高、IT系統(tǒng)功能簡單、決策極度依賴人為經(jīng)驗等問題。通過智慧化賦能,傳統(tǒng)污水處理轉(zhuǎn)型為智慧污水處理,操作自動化、決策智慧化、充分發(fā)揮現(xiàn)有設施設備的潛力,為污水處理品質(zhì)提升提供有力支撐。因此,從執(zhí)行層面來講,運行品質(zhì)提升的內(nèi)涵應該是“智慧賦能”。

二、污水處理運行品質(zhì)的提升方向

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

2.1全流程的優(yōu)化提標

在全流程的優(yōu)化提標中,可重點從廠網(wǎng)協(xié)同運行、運行優(yōu)化調(diào)控、大水量抗沖擊3個方面著手。

(1)廠網(wǎng)協(xié)同運行

調(diào)蓄池是應對大水量沖擊的重要緩沖設施。上海的污水廠原先都沒有末端調(diào)蓄池,使得污水處理廠對來水瞬時流量波動缺乏調(diào)節(jié)手段,在新一輪污水提標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%。從目前的運行數(shù)據(jù)來看,調(diào)蓄池對整個污水處理廠來水瞬時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,可積極應對降雨初期的高濃度合流污水沖擊,對進廠水質(zhì)、水量進行緩沖調(diào)節(jié),有效地保護現(xiàn)有污水處理廠的運行安全。

(2)優(yōu)化運行調(diào)控

對經(jīng)典的活性污泥數(shù)學模型進行校正,輔以基于大數(shù)據(jù)分析的黑箱模型,更符合污水廠的實際運行情況,基于修正好的離線模型進行仿真計算,驗證工藝參數(shù)進而大幅細化、優(yōu)化應急工況工藝調(diào)度應對預案。在實踐中把模型應用在應對突發(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,可以指導更精細地調(diào)整過程參數(shù)。

(3)大水量抗沖擊運行模式

在污水處理廠運行過程中,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),都會遇到這樣的問題。應建立一套抗大水量沖擊分級響應機制,不同響應等級采取一系列有針對性的工藝調(diào)整與設備管理措施。通過抗沖擊分級響應系列調(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。

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。在這個過程中,要重點做好系統(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,但常常難于做出準確的實施效果評價,其主要原因是能耗基數(shù)不清,過程統(tǒng)計不夠精確等原因。因此,建議污水處理廠搭建全廠能源管理平臺,通過安裝一定數(shù)量的電表,對污水廠全廠能耗精確計量統(tǒng)計,并對全廠各工藝段、關(guān)鍵設備電耗等數(shù)據(jù)進行深度分析、評價,摸索建立工藝段標準電耗,通過對標分析其相關(guān)設備能效,以確保設備經(jīng)濟穩(wěn)定運行,提高投入產(chǎn)出比。

(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,可以考慮開展系統(tǒng)能量平衡校核計算,并在此基礎上提出一套切實可行、不影響干化焚燒系統(tǒng)正常運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%。

2.3 全鏈條綜合利用

全鏈條綜合利用將有效滿足綠色生態(tài)的要求。

(1)污泥殘渣資源化

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)重點關(guān)注的話題。污泥焚燒殘渣中的SiO2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。污泥焚燒殘渣中磷含量也較高,可提取磷元素進行利用。以上海城投水務污水公司為例,聯(lián)合同濟大學、上海大學、上海市政院等研究機構(gòu),系統(tǒng)開展了污泥焚燒殘渣資源化研究工作,目前該項研究成果已在上海各污泥干化焚燒項目中產(chǎn)業(yè)化應用。城投水務污水公司將產(chǎn)生的污泥進行焚燒殘渣經(jīng)預處理后與其他原輔材料按配方進行混合復配,加工成的產(chǎn)品為鐵質(zhì)校正料和復合粉煤灰,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)標準。該技術(shù)打通了焚燒殘渣水泥建材利用的產(chǎn)業(yè)化鏈路,100%實現(xiàn)資源化利用,結(jié)束了污泥焚燒殘渣填埋的歷史,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強調(diào)廠內(nèi)外大氣環(huán)境友好,重點應關(guān)注臭氣治理。眾所周知,老百姓對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化對臭氣的處理。以上海城投水務污水公司為例,已實現(xiàn)了對污水廠產(chǎn)生臭氣的污染源進行全覆蓋、臭氣全收集、全處理,處理后臭氣排放廠界滿足目前全國最嚴標準——《城鎮(zhèn)污水處理廠大氣污染物排放標準》(DB 31/982-2016)和《惡臭(異味)污染物排放標準》(DB 31/1025-2016)。環(huán)境友好還包括廠內(nèi)環(huán)境友好,城投水務污水公司重視廠區(qū)內(nèi)部無組織臭氣治理,打造員工滿意的生態(tài)廠區(qū),主持編制的上海地方標準《城鎮(zhèn)污水處理廠惡臭氣體治理技術(shù)標準》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)智慧運維

全環(huán)節(jié)智慧運維應從“點、塊、片”3個角度,重點提升智慧化管控的水平。

“點”是指某一個具體的設備和工藝段:實現(xiàn)精準操作的工藝段智慧化控制。以上海城投水務污水公司為例,致力于提升智能感知能力,例如研發(fā)了活性污泥指數(shù)在線自動監(jiān)測設備,可實現(xiàn)24 h在線監(jiān)測污泥指數(shù),污泥指數(shù)的連續(xù)監(jiān)測對于工藝判斷幫助很大。再如,在預處理區(qū)域進水泵房、調(diào)蓄池、粗細格柵、沉砂池等設施聯(lián)動控制中,實現(xiàn)生物池進水負荷平穩(wěn),且針對不同工況設定多種控制模式,避免人工頻繁操作的可能失誤,提升了應急準確響應率。

“塊”是指污水廠要兼顧高效和綠色的工廠級智慧化運行,實現(xiàn)工廠級的智慧化運行。以上海城投水務污水公司為例,試點開展了基于BIM建設“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)的實時數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)的業(yè)務數(shù)據(jù),實現(xiàn)對設施設備的數(shù)字化,生產(chǎn)過程的數(shù)字化,同時結(jié)合經(jīng)典的工藝機理模型,機器學習形成的黑箱模型,仿真技術(shù)組成多維數(shù)字化模型,為科學化、智慧化的管理提供可分析、可仿真、可預測的“數(shù)字孿生”工廠。

“片”是指主要指整個片區(qū)的管理,提升公司級智慧化決策。以上海城投水務污水公司為例,正在搭建完善的公司級的綜合管控調(diào)度平臺,具備實時監(jiān)控、生產(chǎn)調(diào)度、報表管理、生產(chǎn)優(yōu)化、精確決策等功能,變傳統(tǒng)計劃任務驅(qū)動型為數(shù)據(jù)任務驅(qū)動型,可實現(xiàn)平臺公司以管控為主的管理模式向服務為主管理模式轉(zhuǎn)變,促進污水廠快速完成優(yōu)化運行的技術(shù)迭代,實現(xiàn)跨越式運營優(yōu)化。

三、結(jié)語與展望

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