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北排经验:听郑江总经理说厂网一体化

2017-09-01 09:03 给水排水 郑江

城镇排水系统由排水管网和污水处理厂串联组成,需要二者统筹建设和协调运行,才能完整发挥其水环境保障功能。但是,目前我国大多数城市的污水处理厂与排水管网仍是分属不同单位在运营管理,由于运营目标和管理考核不同,也就产生了厂网统筹建设及协调运行方面的诸多问题,导致城镇排水系统不能完全发挥其应有的功能。因此,污水处理厂和排水管网的一体化运营更符合城镇排水系统的内在特性,以及作为城镇基础设施的服务定位,更有利于充分发挥其水环境保障功能。

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厂网一体化运营的界面工艺要素

1.1厂网运营管理的界面及其工艺要素

城镇污水处理厂及其上游排水管网的运营管理界面,也就是二者的物理分界面,即排水管网总干管的末端或污水处理厂进水泵房粗格栅的前端。

界面工艺要素包括污水水量、水质和水位。其中,水量与水质是排水管网收集输送污水的结果,也是污水处理厂运行工艺调控和进行扩建改造的决策依据;水位取决于污水处理厂的运行调控,对于重力流排水管网而言,也是影响其运行安全(产生管道淤积、影响排水通畅)的重要因素。

所谓厂网一体化运营,是指对城镇排水系统的污水处理厂和排水管网进行统筹建设和协调运行,以保证整个排水系统的运行安全和高效。其中,统筹建设是前提,协调运行是核心。对界面工艺要素的预报预警和调度控制,是厂网之间协调运行的考核指标,也是厂网一体化运营的主要内容。

1.2污水处理厂对界面工艺要素的要求

1.2.1水质

(1)调度控制:对于污水处理厂可以去除的常规污染物,即《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的基本控制项目,其浓度不宜超过污水处理厂的设计指标(预警值);其中,无机泥砂类固体含量应尽量低,以减少污水处理厂设备、设施的磨损;但可降解有机物(BOD5)的浓度宜维持在一定的水平之上,以用作污水脱氮除磷所需的碳源。对于污水处理厂难以去除的特种有机物和有毒重金属类污染物,即《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的选择性控制项目,其浓度不能超过《污水排入城镇下水道水质标准》的规定限值;当污水处理厂发现此类污染物超标时,排水管网应具备源头追溯管控的功能。

(2)预报预警:根据北京排水集团所属污水处理厂的实际运行经验,参考其他城市污水处理厂的运行调控水平,污水水质应至少提前2  h向污水处理厂进行预报预警。当污水中常规污染物浓度连续60天超过预警值时,污水处理厂需启动升级(水质保障)改造程序。

1.2.2水量

(1)调度控制:为保证污水处理厂的高效、稳定运行,各时段的进厂流量应尽量均衡,日运行负荷率应适中。正常情况下,瞬时流量宜控制在日均值的±25%以内,最大值不宜超过预警值(一般为设计处理能力的90%),日运行负荷率则宜控制在75%~95%。当污水处理厂的关键设备、设施进行计划性维护或故障抢修时,宜根据部分设备、设施停产的需要减少进厂污水量(包括瞬时流量和持续时间)。

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(2)预报预警:根据北京排水集团所属污水处理厂的实际运行经验,污水流量应至少提前1  h向污水处理厂进行预报、预警。理论上,当日总水量连续15日超过设计处理规模的95%时,污水处理厂需启动扩建(新建)程序,但实践中,因征地拆迁非常困难,实际建设周期比较长,当运行负荷率达到90%时,就需及时启动扩建(新建)程序。

1.3排水管网对界面工艺要素的要求

重力流排水管网对界面工艺要素的要求主要是水位。

(1)正常运行状态:应控制界面水位使排水管网运行在安全水位以下(至少是所有排水干管的充满度不高于设计允许值),以减少上游管道淤积、保障排水管网运行安全。

(2)设施维护状态:当排水管网进行计划性维护或故障抢险抢修时,污水处理厂应短期加大污水抽升(处理)量,控制界面水位使排水管网在低水位下运行,为排水管网维护或抢险抢修创造有利条件。

(3)防汛保障状态:对于有合流制管道的排水管网,当汛期接到防汛预警时,污水处理厂应及时加大污水抽升(处理)量,控制界面水位使排水管网在低水位下运行,为雨水预留排水管网的内部空间,以实现内涝防治和溢流污染控制的双重目标。

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厂网一体化运营的基本模式

北京排水集团目前形成了“水质保障、水量均衡、水位预调”3种基本的厂网一体化运营模式。

2.1水质保障

厂网一体化运营可充分发挥排水管网“排入水质源头监控、水质水量预报预警、超标排水追溯管控、无机杂质厂前去除”的水质保障作用,保证污水处理厂进厂污水符合设计要求,保障其运行安全。

2.1.1排入水质源头监控

排入水质源头监控是指,对于可能超标排入污水的排水户,通过在其排水口设置在线监测装置或定期进行采样检测,监测排入污水的水质、水量;发现超标(尤其是影响污水处理厂运行安全的有毒重金属和特种有机物)的情况及时报告和配合水政执法进行管控处理,并预判对污水处理厂运行安全的影响,及时发出预警;而对于排放污水含有优质碳源(B/C高于0.75)的排水户,通过签订排水协议适当放宽浓度限制,以有利于污水处理厂的脱氮除磷,降低污水处理(包括排水户的预处理)成本。

北京排水集团在2011年初开始对排水管网实施流域化管理,将各污水处理厂流域的上游管网按照集水区域和上下游连通关系划分为不同级别的管线逻辑关系,共建立了210个排水小流域(见图1)。小流域划分后,每个污水处理厂上游的排水管网都是由总干管、主干管、小流域组成,形成了点、线、面结合的网格化(管理)格局,以便于排入水质的源头监控和超标溯源。


每个小流域的排水户均按其排水水量和水质特性进行分级、分类管理,对曾经严重超标排水的垃圾处理站/填埋场、粪便消纳场、综合性医院等重点排水户,在其排水口安装了在线监测装置进行重点监控(特种有机物和有毒重金属类);对可能超标排水的餐饮等部分排水户,则对其排水水质(特征污染物)进行定期检测。当发现排水户超标排水时,立即向其发送告知书,通知限期整改。对于逾期未采取整改措施的,及时配合水政执法进行管控处理。同时,定期开展社会开放日等活动,加强排水许可宣传,与街道、居委会、社区建立联动,动员社会力量来共同监督超标排水行为。

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这些源头监控措施率先在J厂流域综合实施,虽然近年来居民生活污水的浓度有所增加(节水意识提高),但进厂污水的COD平均浓度逐年下降,特别是2013年以后(见图2)。


现阶段,排入水质源头监控需要针对重点排水户安装在线监测装置,不但数量多、投资大,而且监测的特征污染物各不相同,型号规格众多、运行维护困难。因此,集团优先采用定期检测方式并对排水户实行“信用制”管理:对定期检测一直未发现超标排水行为的排水户,将其信用等级提高一级,并相应降低监控频率;而对发现超标排水行为的排水户,发现一次将其信用等级降低一级,连续3次降级的排水户,配合水政执法部门监督由其自行安装在线监测装置。实际上,排入水质源头监控更需要全社会提高对排水许可的认识。

2.1.2水质水量预报预警

水质水量预报预警是指,在排水管网的适当位置安装在线监测装置,实时监测收集污水的水质、水量,并建立污水在管网中的水量叠加模型和水质传递模型,为污水处理厂提供进厂污水水质、水量的预报、预警,以便污水处理厂及时进行工艺调控,保障其高效、稳定运行。

污水中特种有机物和有毒重金属类的预报、预警,应当注重对重点排水户排入污水的源头监控。从污水处理厂工艺调控的需要考虑,主要关注的是污水中常规污染物的预报、预警,如pH、悬浮物、化学需氧量、生化需氧量、氨氮、总氮、总磷等控制项目,可根据实际情况进行选择监测。

对于排水管网中特定的(重力流)管道而言,其水位与流量可建立起一定的对应关系,实践中一般采用水位监测来代替流量监测,以降低投资和成本。

目前,北京排水集团结合小流域管理,已在规模较小的B厂和W厂上游管网的主干管末端及部分小流域末端安装了水位、化学需氧量、氨氮等集成式在线监测装置,并初步建立了相应的水量叠加模型和水质传递模型,基本可实现提前1  h左右对进厂污水的水质和水量进行预报、预警。同时,结合集团的标准化管理,针对12种典型的污水水质、水量(及其组合)情况,以W厂为试点制定了相应的运行方案和应急预案,可根据水质、水量的预报、预警进行快速响应,实现菜单式运行调度,提高污水处理厂的运行效率和水质保障。

计划到2020年底,北京排水集团将完成对中心城区所有小流域排水(水质和水量)的在线监测,预期可实现提前2~3  h对所有污水处理厂的进厂污水进行预报、预警。

2.1.3超标排水追溯管控

超标排水追溯管控是指,污水处理厂检测发现或推算(某时段)进厂污水中某(几)项污染物浓度超标时,由排水管网追溯查找出排入源头并及时进行管控,以保障污水处理厂运行安全。

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北京中心城区排水系统中,所有污水处理厂都不同程度地存在进水水质超标的现象。在结合排水管网小流域管理进行超标排水追溯过程中,对于连续或经常超标排水的排水户,可以快速进行追溯,而对于超标排水没有规律的排水户,因无法同步取样进行检测,快速追溯比较困难,如垃圾转运站/处理站/填埋场、粪便消纳场和城建施工等。经小规模试点,在排水管网小流域的末端安装自动取样装置可以很好解决同步取样问题,准备逐步进行推广。

为更好进行超标排水管控,北京排水集团还发挥专业化的技术优势,主动帮助这些重点排水户进行污水预处理,如利用其专利“红菌”(厌氧氨氧化菌)技术进行垃圾渗沥液的预处理,至今已累计处理1636万m3(包括其他城市)。

2.1.4无机杂质厂前去除

无机杂质厂前去除是指,在排水管网的小流域末端、主干管末端、总干管末端等适当位置设置多功能检查井,将污水中的无机泥砂(特别是当管网进行清淤、疏通作业或合流制管网排入初期雨水时)沉淀拦截下来,以减少污水处理厂的固体处理负担和设备设施磨损,保障污水处理厂运行安全。

北京排水集团从2011年初开始多功能检查井的研究和试验,至今已在管网中累计设置了57座,累计拦截泥砂约172 t。

目前,已开始进行规划研究,准备在有条件的总干管末端(污水处理厂外或厂内)设置容积相对较大的多功能应急池,用于总干管清淤时拦截泥砂和进厂污水的应急预处理。

2.2水量均衡

厂网一体化运营可有效利用排水管网的内部空间和跨流域调配设施,充分发挥其“均衡进厂污水流量、调整各厂运行负荷”的水量均衡作用,保障污水处理厂的高效、稳定运行。

2.1.1均衡进厂污水流量

在保证排水管网运行于安全水位的前提下,充分利用管网内部空间可满足进厂污水流量尽量均衡的要求。目前我国大多数污水处理厂的运营是仅考虑自身运行方便,不考虑排水管网安全,使管网长期运行在超高水位甚至是部分满流状态,导致部分管道特别是进厂总干管淤积严重,给管网的运行维护造成困难。

北京排水集团在2011年初对B厂上游排水管网清淤时,发现进厂总干管内淤积深度平均达到了43%(以管径计)左右,就是实行厂网一体化运营之前上游管网长期处于超高水位运行所造成的。实行厂网一体化运营之后,集团协调了B厂和其上游管网的运行,制定了界面水位的预警值和限定值,在部分小流域出口设置了限流装置,并根据污水量随时间变化的规律优化了B厂的水量调控运行方案,既未给B厂的运行调控增加负担,也保障了上游管网的运行安全,至今未发现上游管网产生超标准淤积的情况。

实践表明,均衡进厂污水流量基本不需要额外增加设备、设施,是最常用也是最容易实现的厂网一体化运营模式。

2.2.2调整各厂运行负荷

调整各厂运行负荷是指,当污水处理厂关键设备(设施)进行计划性维护或故障抢修时,或处于超负荷运行状态(如改扩建尚未完成投产,或上游管网新建截污截流设施等)时,或考虑处理水质保障、处理成本最优时,通过将部分污水跨厂(流域)调配,调整各厂的运行负荷(处理水量)。

北京排水集团所属J厂自2014年以来基本处于满负荷运行状态,而G厂仍有负荷余量,利用东三环污水干线和亮马河污水干线交叉处设置的(重力流单向)调水闸井,将其上游污水调至W厂,控制调水量约为每天2万t,既保证了J厂的运行安全,又提高了G厂的运行负荷。

能够根据需要调整各厂运行负荷是一个城市排水系统运行调度现代化的重要体现,对于提高系统保障度有重要作用,但需要在排水管网的适当位置新建污水跨厂(流域)调配设施,包括枢纽泵站(闸井)和联通管线。目前,集团所属G厂与J厂之间、J厂与B厂之间、L厂(再生水)与W厂之间已经具备部分污水跨厂调配功能。预计到2025年底,将实现所有污水处理厂流域之间的污水双向可调配。

2.3水位预调

厂网一体化运营的管网水位预调,包括“管网维护抢险配合、防汛预警厂网联动”两种具体模式。

2.3.1管网维护抢险配合

管网维护抢险配合是指,排水管网(特别是主干管和总干管)进行计划性维护或故障抢险抢修期间,污水处理厂及时加大污水抽升(处理)量,以控制界面水位使排水管网在低水位下运行,为管网维护或抢险抢修创造有利条件。

2012年6月底,城区南部某处的地下工程施工导致周边给水、排水管线断裂,施工断面大量进水,周边道路出现坍塌,交通严重受阻,现场情况极为复杂。事故地点位于北京排水集团所属X厂上游流域,接到报告后,集团立即组织抢险大队赶赴现场,查明原因后,调集防汛单元(车)进行截流并抽升至下游污水干线,同时调度X厂立即启动应急预案,提高抽升(处理)量,保证排水管网处于低水位运行。配合抢险期间,X厂最大处理量达到了其设计处理能力的136倍。由于厂网联合处置及时、得当,该处大型抢险工程得到了迅速控制,有效降低了事故对水环境安全的影响,保障了城市的正常运行。

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2.3.2防汛预警厂网联动

防汛预警厂网联动是指,对于有合流制管道的排水管网,当汛期接到防汛预警时,污水处理厂及时加大污水抽升(处理)量,控制界面水位使排水管网在低水位下运行,为雨水预留排水管网(包括调蓄设施)的内部空间,以实现内涝防治和溢流污染控制的双重目标。

北京排水集团所属G厂上游管网有700多km的合流制排水管道(旧城区),因此G厂每年汛期都要进行防汛预警的厂网联动演练和备勤,目前已经形成了成熟的厂网联动防汛应急预案,为城市安全发挥了应有的作用。

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结论和建议

3.1结论

近年来,北京排水集团按照统筹建设、协调运行的理念,对北京中心城区排水系统厂网一体化运营进行了积极的探索和实践,实现了厂网建设及运行的统一调度,使北京中心城区的污水处理率由2010年的95%逐年提高到2014年的97%(见图3)。


实践表明,污水处理厂和排水管网的一体化运营,更符合城镇排水系统的内在特性以及作为城镇基础设施的服务定位,更有利于充分发挥其水环境保障功能;提出的“水质保障、水量均衡、水位预调”3种基本模式,涵盖了城镇排水系统厂网一体化运营管理的核心内容,现阶段在城镇排水行业具有一定的可复制性。

3.2建议

城镇排水系统实现厂网一体化运营的前提是厂网的统筹建设,但在实践中往往受到征地拆迁的制约,设施实际建设周期很长,造成厂网(收集与处理)能力的长期不匹配,因此建议城市建设规划应一次性留足城镇排水与污水处理设施的新、改、扩建用地。

现有城镇污水处理厂并不具备对有毒有害重金属、特种难降解有机物等的处理能力,建议城镇排水和环境保护等主管部门加强对排水许可的宣传,提高排水户对依法排水的认识,并动员全社会的力量共同监督超标排水行为,共同提高我们自身的人居环境。

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原标题:北排经验:听郑江总经理说厂网一体化

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