某泵站雨水污水资源化自动化处理系统研究

林颖康

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

资源紧缺是全人类面临的一项重要挑战，污水资源化利用和可持续发展一直以来都是人们关注的重要议题。20世纪末以来，各国对于污水处理进行了广泛研究，相关技术得到了大规模推广。污水的处理也向着智能化，绿色化逐步推进，新的技术和方法不断涌现。马凤杰[1]等提出了一种适合天津高速公路服务区的污水处理技术—MBR)法，并在实际工程中进行应用，结果表明经MBR处理后的污水回用率可达70%。侯艳锋[2]等，针对农村地区，研发了一种的重力流及负压管道相结合的生活污水收集系统，实现了生活污水源分离，进一步优化了农村生活。龚丽影[3]等根据国内外剩余污泥处理处置现状，提出将剩余污泥、粉煤灰等固体废物为原料来制备新型活性污泥填料的方法，将剩余污泥资源化利用，并处理城市生活污水。

本文以高新沙泵站雨水污水资源化项目为研究背景，针对该项目污水水量变化大，出水标准要求高，生态景观表现美等项目特点，对该项目的雨水污水资源化全自动系统的搭建和配置进行研究分析，重点采用了MBBR工艺的污水净化工艺[4]。以期对类似工程提供一定的参考。

1 工程概况及问题现状

1.1 项目概况

广州南沙高新沙泵站项目属于珠江三角洲水资源配置工程的重要组成部分，是整个工程项目的重要的调蓄、中转站，以及全流程智慧调度中心及公共展示平台。

1.2 问题现状

项目区范围内的污水来源为泵站厂房、办公楼、职工宿舍等高新沙泵站内部设施以及展馆公园等公共设施，上述场所产生的生产废水很少，以生活污水为主。雨水收集系统落后，亟需通过建设智能化雨污处理系统来收集处理高新沙泵站内职工及访客产生的生活污水，处理后回用于绿化、冲洗和水景观，实现污水零排放。新建雨水回收利用系统，处理后用于冲厕。

1.2.1污水水量变化大

泵站内部设施常驻工作人员约200人，人数相对固定，用水时间相对集中；公共设施人数不固定，用水时间分散。项目设计处理规模120m3/d，水量总变化系数Kz(最大日最大时水量/平均日平均时水量)>2.3，水量变化很大。

1.2.2雨污处理能力差

区域内存在进水水量和污染物浓度剧增等极少数情况。且目前无水质监测系统，雨水回收系统落后。结合本设施出水景观、绿化回用功能要求以及最终受纳水体环境要求，本设施主要出水污染物含量指标需满足地表Ⅳ类(CODcr<30mg/L、NH3-N<1.5mg/L)，具体进出水指标见表1。目前均不满足要求。

表1 进出水指标表

2 雨污系统拟解决问题

2.1 提升污水处理能力

针对污水水量变化大的问题。

(1)设置调节池。在生化池之前设置调节池，调节池有效容积110m3，空间足够容纳20h产生的污水，生化池通过调节池内的变频潜污泵配水，可灵活调整进水量，确保后续处理设施连续稳定进水。

(2)各处理单元联动控制，与进水量匹配。通过自控程序根据生化池进水量同步调整曝气及搅拌强度，维持微生物良好生长状态。

(3)水量统计与系统的匹配。通过对设施进水量进行长期监测统计，计算出每天平均水量，作为系统设备运行控制的依据。

2.2 提升出水水质标准

针对出水水质差的问题，主要通过建设合理监测系统、处理系统和选用稳定的生化处理工艺[5]。

(1)设置先进的水质在线监测系统。污水处理运行控制系统可根据在线监测系统反馈的进出水水质指标变化趋势，提前做出运行调整，使出水污染物指标稳定在出水标准规定的安全范围内。

(2)提升进、出水超标应急处理系统。对于进水水量、污染物浓度剧增等极少数情况，可采用调节池进行缓冲、均质。一旦在线监测系统检测到清水池水质超标，系统将自动停止该部分水回用，并利用恒压供水泵将超标水抽排到污水管网，进入设施再处理[5]。

(3)选用稳定高效的生化处理工艺。本系统选用的核心生化处理工艺为纯膜MBBR工艺，后接潜流人工湿地作为强化处理。纯膜MBBR工艺相较活性污泥法工艺来说，微生物群落更稳定，无需通过污泥回流维持反应器内的生物量，反应器出水污浓度较低，生化池及二沉池均处于低负荷运行状态，不存在污泥回流量控制不当导致系统生化反应器微生物大量流失的情况。

2.3 提升系统生态功能

设施位于高新沙水库堤岸景观绿化带上，应充分发挥设施的臭气控制、噪音控制、以及与景观的融合度。

臭气产生区域全地埋、全密闭、全收集、全处理。可能产生臭氧的区域如提升泵房、细格栅、调节池、生化池、储泥池等，上述区域或设备均为密闭结构，检修洞口全部集中在地下夹层中，并采用收集管道与风机统一收集渗漏的零星臭气，输送到生化池顶生物除臭模块中处理，生物除臭模块将生物除臭滤塔及植物除臭植物有机结合起来，除臭效果好[6]。

(1)噪音控制。池体加盖密封后噪声更低；格栅、除臭风机、风管等设备均置于地下室内，环境相对封闭，周边土层和地下室顶板均有较好隔音效果，相比地上半开放式车间噪声更低；鼓风机采用进口知名品牌，配置减震垫及隔音罩，空气管道包封降噪，有效控制系统噪音。

(2)景观融合度。本项目人工湿地、生化池顶除臭植物耦合装置本身具备很好的景观效果，与周边堤岸绿化景观相得益彰，其余污水处理设施均隐蔽于地下，检修洞口采用隐蔽型盖板，与周边地坪保持同一平面，同一样式，与周边环境高度融合。

3 自动化系统设计及主要自控单元

3.1 自动化控制系统搭建

本项目设备应能够做到全自动运行，并备有半自动控制功能，降低运营难度，提高运营效率，打造安全实用、无人值守智慧化。雨水污水资源化项目智慧化，体现在感知、分析、决策、执行等各环节[6]。

首先，要求设施具有极高的自动化运行程控率和可靠运转率；其次，采用智能模型算法为主的大闭环控制，将自动化控制和智能化控制相结合，实现运行管理精细化[7]；最后，建立智慧控制系统，实现对所有设备设施及工艺运行流程的实时掌控、预警报警、报表自动生成、设备全生命周期管理、巡检维护及移动端应用等智慧化功能。

3.2 污水提升泵房自动控制

污水提升泵房设备由进水闸门、粉碎格栅、提升泵、液位计组成，执行的主要任务是自动将流入泵坑的污水提升到细格栅前端，参与控制的主要变量为提升泵坑液位。

(1)进水闸门控制。进水闸门与泵坑液位联动，进水量远超设施处理能力时，泵坑液位持续上涨，水位涨至设定的高高液位时自动关闭进水闸门，防止污水漫出泵坑。

(2)粉碎格栅控制。格栅与泵坑液位联动，低水位自动停机保护；可选连续运行模式和间歇运行模式，时间间隔可调；电机过载时自动反转，防止格栅刀盘卡死，自动排除故障后重新启动。

3.3 污水系统清水池自动控制

人工湿地出水通过清水池暂存，然后经过恒压供水系统和紫外消毒器进入回用水管道。主要设备有：恒压供水泵组、液位计、管道紫外消毒器、电动阀门等。

(1)清水池液位控制。清水池设置低低液位、低液位、高液位，当人工湿地产水量足够时，清水池水位维持在低水位以上；当人工湿地产水量不足，清水池液位将至低液位以下时，自动开启旁路进水阀，从雨水回收系统补充清水，水位上升至高液位时停止补水；人工湿地产水量超过活用量，清水池满后通过溢流管道排放至高沙河。

(2)清水池水质控制。清水池设水质采样点，一旦在线监测系统检测到清水池水质超标，系统将自动停止此部分水回用，并利用恒压供水泵将超标出水抽回至附近污水管道，回流至污水处理系统重新处理，在系统出水恢复正常之前，清水池将从雨水回收池取干净水，保证后续回用设施供水正常。

3.4 水质在线监测站自动控制

本项目配置2套水质在线监测仪，检测指标为：COD、NH3-N和SS，水样采集和监测仪表通过管理用房中控PLC控制，实现系统自动采样，自动检测。其中SS指标数据实时更新，COD、NH3-N检测数据2h更新1次。

3.5 雨水回收系统自动控制

雨水收集池进水，降雨时，片区雨水通过雨水管道进入初雨拦渣弃流等装置处理后，自流进入雨水收集池中。

雨水湿地进水，水收集池内设耦合提升泵，1用1备，与雨水池、清水储池液位计联动，雨水池设低液位、高液位，高液位时开启提升泵，将雨水提升到雨水湿地处理，再重力自流进入清水储池。

雨水系统清水池补水，水库水补充：雨水系统清水池设低低液位、低液位、高液位，当池内水位降至低液位以下时，自动开启水库补水泵，池内水位升至高液位时停泵。

4 主体MBBR施工工艺

4.1 MBBR工艺原理及创新

本系统选用的核心生化处理工艺立体生态MBBR工艺，是将流化床生物膜法与水处理植物相结合的立体生物链工艺[7]，由连续多级串联的污水生物处理反应器组成。该技术通过反应器内固定生长在人工填料和植物根系上的生物膜及植物的吸收降解，在好氧曝气条件下，氧化分解污水中的有机物，净化水质[8]。具有如下的创新点。

(1)MBBR较传统的全固定生物膜反应器(接触氧化、生物转盘)的不同点在于，改变填料结构、优化水流流态，运行状态填料在曝气搅拌作用下随混合液流动，使生物膜与污染物质接触更充分。

(2)在反应系统嵌入挺水植物，即可利用植物生长吸收去除部分有机物，又可利用植物根系构建辅助生物载体，形成由细菌、真菌、原生动物、后生动物等组成的立体生态群落，进一步提高污染物质去除效率。

(3)立体生态MBBR工艺会出现复杂多等级的食物链，处理污水的细菌被其他生物体捕食，其他生物体又被更高的捕食者捕食，污染物通过植物吸收转化。因此，剩余污泥的产生量较低，是常规项目的50%，实现污泥源头减量。

(4)多级串联，出水稳定性强。处理系统由多级串连的生物反应器组成，每个反应器中的进水浓度不同，可最大限度地培育优化生物相。不同反应器生态处理系统适应不同区域内污染物浓度的变化，实现优势微生物菌群聚集，利于系统的稳定。

(5)内置生态除臭装置。污水处理过程中的臭味在微正压的条件下随曝气空气向上溢出，在向上流动过程中，植物根系上的生物膜和除臭填料上的微生物对恶臭物质进行吸附、吸收和降解，达到良好的生物除臭效果。

(6)设施生态美观。该技术在污水处理反应器内培育了大量挺水植物和景观植物，使得整个污水处理设施就像一个充满生机的小花园，彻底改变大众对污水处理设施的传统形象，实现人、自然和污水处理的和谐。

4.2 工艺流程及生化池设计

将污水重力自流经粉碎性格栅去除垃圾后进入提升泵站，污水提升进入2mm阶梯网板格栅和平流廊道式初沉调节池，去除细小垃圾和沙砾[9]。在初沉调节池末端设提升泵将污水提升至三级立体生态MBBR池，生化池出水进入斜管沉淀池，沉淀池出水经加压输送至潜流式人工湿地，湿地出水储存在清水池，通过恒压供水系统回用到厂区各用水点。

进水中的垃圾、沙粒以及剩余微生物经2mm阶梯孔板格栅截留，通过高排水压榨机处理至含水率55%以下定期清理，实现了固体污染物减量化和稳定化，保障系统长期稳定运行，做到无需人工清淤。

本项目的重点单体污水处置单体立体生态MBBR生化池，内填充专用填料，填料通过池底穿孔曝气系统曝气搅拌，中部已设计出水填料拦截和穿孔流化系统，进一步强化填料流化效果与污水充分混合。填料空隙中附着的生物膜对水中的污染物质吸收降解。MBBR池顶通过固定填料种植挺水植物，植物根系穿过填料与混合液接触，通过根系吸收污水中的碳、氮、磷等污染物，根系的酥松环境为大量微生物、原生动物、后生动物提供了载体，进一步降解污染物。同时植物根系可吸收降解曝气池内散发的H2S、NH3-N等恶臭气体，达到控制臭味，美化景观的双重作用，结构平面图和剖面图如图1—2所示。

图1 立体生态MBBR生化池结构平面图

图2 立体生态MBBR生化池结构剖面图

结构型式：混凝土结构，内衬玻璃钢，分为3级，全地下，池体顶部种植挺水植物。

5 结论

自动化是雨污资源化处理的趋势，人工智能在该领域还有极大的发展空间，该项目的全自动化控制系统打造了生态智慧样板工程。本文通过核心MBBR工艺污水处理方法。打造了基于污水提升泵房、污水提升泵房、污水系统清水池、水质在线监测站自动控制和雨水回收系统的自动化控制系统，建立了智慧控制系统，实现对所有设备设施及工艺运行流程的智慧化运营和巡视检修。

在今后的水资源处理过程中，要发挥自动化信息化的优势，促进自动化系统的全面发展，降低雨水污水危害。物联网技术的发展对智慧水利创建有着重要促进作用，研究物联网技术和生态智慧水利是今后发展的重要方向。