科技助力水設施功能提升 智能調控水系統降本增效——水專項“望虞河東岸水設施功能提升與全系統調控技術及示范”課題為蘇州水設施提質增效提供科學支撐
蘇州中心區水設施一體化管理平臺。
福星污水處理廠數字化運行和節能降耗技術的工程示范。
位于望虞河東岸的江蘇省蘇州市區，經過多年持續治理，已建成較為完備的水環境基礎設施系統。如何朝著提升設施效能、實現水生態安全的更高目標邁進，成為蘇州面臨的重大挑戰，也是我國城市水環境治理轉型必須面對的問題。因此，重大科技專項課題“望虞河東岸水設施功能提升與全系統調控技術及示范”應運而生，為國家“十三五”水專 項“蘇州區域水質提升與水生態安全保障技術及綜合示范項目”其中1個課題，簡稱“課題 1（2017ZX07205001)”。課題以水生態安全保障為宗旨，面向工業廢水處理廠、城市污水處理廠、排水管網泵站等多類關鍵設施的效能提升開展研究，形成了3項關鍵技術、4項成套技術、3座工程示范等一系列成果。
印染廢水處理廠實現污染物和毒性雙減排，多屏障控制組合工藝保水質，仿水生態系統監控尾水更安全
蘇州地處長三角生態環境保護核心區，對工業污染防控有更高要求。印染廢水毒性效應復雜，厭氧處理易生成苯胺，銻的深度去除難度高。課題明確了毒害污染物高標準處理與毒性協同控制的技術路線，提出了印染廢水毒害污染物與毒性多屏障控制組合工藝。在生物處理階段，通過旋流微曝氣、交替曝氣、彈性立體填料，營造微氧、缺氧和好氧交替的微環境，形成懸浮污泥與生物膜菌群協作模式，高效去除染料、苯胺及毒性。在物化階段，強化生成混凝活性組分并將絮體回流至前端氣浮段，高標準去除銻、苯胺前驅體和毒性。技術成果在蘇州吳江區聯合印染廢水處理廠得以示范，處理能力4.5萬m3/d，不僅出水急性毒性低于兩倍、銻濃度低于13μg/L，且未新增運行成本。
面對水生態安全目標，工業廢水處理設施排水的毒性監控同樣重要。目前的管控大多采用生物指示池，靈敏度和自動化程度不足。課題在構建仿水生態系統基礎上形成了設施排水生態安全監測技術，并開發出一體化監控設備。通過營造多介質底泥環境、引入多生態位物種，采集魚類活動軌跡和機器學習智能判斷，實現了對設施排水的復合慢性毒性和魚類急性毒性進行評價、監測和預警，對毒害物質的響應時間降至1小時以內，運行成本低于50元/m3/d。監控設備在蘇州吳江區聯合印染廢水處理廠排放口運行良好，已具備產業化推廣條件。
城市污水處理廠踐行出水提質與節能降耗雙目標，管網泵站水廠協調運行，污泥淤泥底泥統籌處置
太湖流域的城市污水處理廠普遍存在提高出水標準和控制運行成本的實際需求。課題運用信息化和智能化理念，研發了A2O和交替式兩種典型工藝的污水處理廠數字化全流程節能降耗優化運行成套技術。通過集成污泥活性在線監測、大數據驅動的生化過程模擬、活性污泥機理模型、化學沉淀機理模型，智能化控制曝氣、回流和加藥等關鍵環節，根據進水負荷變化精準供氧加藥，實現出水水質提升與節能降耗的最佳平衡。兩套技術在福星污水處理廠進行示范，規模18萬m3/d，出水TN、TP降低超過10%，全面優于一級A標準；除磷藥劑節約13%以上，能耗降低10%以上，環境效益和經濟效益顯著。由此編制的《A2O污水處理廠智慧化技術規程》已在中國給水排水協會立項為團體標準。
隨著污水處理廠提質增效，實現網站廠多設施一體化協同運行成為全系統效能提升的難點。排水系統入流入滲水量大、廠網運行協調性差、雨季漫溢風險高是河網城市的通病。課題采用多目標魯棒優化技術、排水管網機理模型、長短時記憶網絡模型、管道均勻填充算法、污水處理工藝模糊控制算法，研發了水環境設施雨季協同調控技術，實時確定漫溢量小、能耗低、安全性高的運行策略和控制參數。蘇州市46.1平方公里的福星排水片區經調控后，旱天排水系統低水位運行，預留調蓄空間和處理能力；雨天有效收集降雨初期高濃度污水，多泵站片區協作提高轉輸效率，既降低對污水處理廠沖擊又充分利用污水處理廠處理能力，COD負荷平均削減量超過11.7%。課題成果為雨季提高排水系統績效、改善水環境質量提供了重要技術支撐。
管道淤泥、污水處理廠污泥、河道底泥是城市水系統運行的“副產品”，處置不當會帶來二次污染，但處理技術種類多、影響因素復雜、選擇難度大。課題從減量化、穩定化、資源回收、能源回收、環境影響、經濟成本等角度出發，構建了城市污泥處理的環境績效綜合評價技術，評估優選出蘇州市污泥處理最佳可行技術，為解決蘇州市污泥問題提供決策依據。
全系統多設施實施一體化管理，建平臺促發展，向智慧化運營要效益
課題針對蘇州市中心區100.8平方公里范圍內的管網、泵站、污水處理廠等設施，構建了一體化管理平臺，服務于全系統高效運行。平臺運用云計算、物聯網、大數據和人工智能，實現了設施信息管理、數據查詢分析、系統效能評估、設施調控和運維管理等功能，支撐了水設施一體化和規范化管理成套技術的應用示范，全面達到了業務化運行目標要求。平臺首次嵌入中心區排水系統機理模型和人工智能優化調度算法，大大提高了設施效能評估和系統調控決策的時效性、有效性和智慧化水平。中心區3座污水處理廠及配套管網的效能評估由過去的不定期月度評估提升為規范化逐日評估，及時精準識別瓶頸管段、高風險時段和區域。雨季運行決策支持手段不斷豐富，基于經驗的手動調度和基于AI的實時控制通過平臺充分融合，摸索出了雨前有預案、雨中實時變、雨后評估再學習的效能提升路徑。
課題成果顯現出重要價值和積極示范效應，產出的一系列水設施提質增效與水生態安全保障技術，可有效支撐我國城市水環境設施從規模擴張走向高效運行、污染削減從常規指標控制走向多種污染物和生態毒性協同控制、系統運行從注重點源和旱季的靜態粗放模式走向點面結合旱雨統籌的動態精準模式、調控監管從人工經驗半自動走向數字化智能化，最終推動城市水系統的跨越式發展。
“望虞河東岸水設施功能提升與全系統調控技術及示范”課題組 供稿
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