大型污水干线和污水处理厂已成为众多城市污水分散收集、整体转输、集中处理和达标排放的关键环节,在城市污水治理中发挥了核心作用。受制于厂网分离运行的体制约束,污水干线与污水处理厂难以实现联动控制协调运行。当前,随着水污染防治行动计划的出台,污水干线和污水处理厂面临日益严格的减排要求,旧的运行模式难以充分发挥现有设施的最大效益。随着计算机模拟仿真技术的飞速发展,排水管网数学模型技术日渐成熟,为提升城镇污水管理水平创造了有利条件。

　　 本文借助先进的计算机模拟仿真技术,突破厂网分离运行的体制约束,通过构建上海市合流一期污水干线和竹园一厂厂网联动模型,对原有的运行模式进行验证和优化,充分发挥现有设施的综合效能,从系统角度探索提升污水干线与污水处理厂联动调度管理水平,为其他城市和地区大型污水干线和污水处理厂厂网联动调度优化运行提供参考借鉴。

　　 上海市合流污水治理一期工程是上海市中心城苏州河沿岸地区截污治理的主体工程,污水输送规模为140万m³/d,于1993年12月建成通水,涉及汶水污、彭越浦及合流一期出口泵站3座中途泵站、39座支线泵站以及6座调蓄池,共计调蓄容积7.4万m³。合流污水一期干线以彭越浦中途泵站为界,上游为重力流管道,长9.09km,下游为压力箱涵,长23.27km。主要节点概化见图1。

　　 竹园第一污水处理厂(简称竹园一厂)作为合流一期工程的续建工程,于2005年竣工建成,工程设计规模170万m³/d,承担了合流一期污水140万m³/d和浦东外高桥地区污水30万m³/d。主要水力构筑物流程如图2所示。

　　 采用InfoWorks ICM排水管网模型软件建立了合流一期污水干线与竹园一厂厂网联动水力模型。建模过程中收集了所需的大量管网和污水处理厂基础资料,包括污水干线及支线连接管拓扑结构及属性数据,泵站内连接管及水泵、闸门等设施设备属性数据,竹园一厂配水井、超越井、出流井、高位井、沉砂池、生物池、沉淀池和消毒池及相关连接管、闸门和出口泵房等设施设备的属性数据。模型率定和验证过程中收集了2015年全年合流一期相关支线泵站和相关中途泵站的雨量、水位、水量和水泵状态记录以及竹园一厂所有构筑物和出口泵房水位和水量监测记录。

　　 在长期运行数据分析基础上,选取具有代表性的旱天典型工况进行模型率定验证。由于竹园一厂通过溢流堰按实际水位自动溢流,因此,厂网联动模型对模拟水位精度有较高要求,需严格校验污水处理厂相关水位控制点。本次模型验证主要控制点包括彭越浦泵站、一期出口泵站、竹园一厂配水井、生物池和出口泵房等。部分验证结果如图3所示。

　　 利用2015年现状运行记录(见图4)对合流一期干线与竹园一厂污水处理系统进行了评估分析,存在的主要问题如下:

　　 (1)竹园一厂旱天日均进水量180万m³/d,超过设计能力(170万m³/d),导致旱天溢流情况较为普遍。

　　 (2)当竹园一厂旱天实际进水量低于设计能力时,污水处理率仅为90%左右,处理能力未能得到充分发挥,急需明确制约其充分发挥的主要瓶颈因素并进行优化完善。

　　 (3)合流一期及竹园一厂主要节点泵站按雨天规模设计,彭越浦泵站、一期出口泵站和竹园一厂出口泵房的单泵排水能力较大(5.5~8.5m³/s),导致旱天实际工况下,水位和水量波动较大,难以实现均化运行。

　　 针对上述问题,利用厂网联动模型分析制约竹园一厂处理能力充分发挥的主要瓶颈,并优化运行控制方式,提升竹园一厂的实际处理能力;从整体考虑,制定合流一期与竹园一厂联动调度协调运行优化控制策略,实现污水平稳输送,控制旱天溢流放江。

　　 根据典型旱天工况运行记录(见图5),竹园一厂出口泵房实测前池水位在进水管管顶高程位置上下波动,波动范围为1.33~3.34m。当前池水位高于管顶高程时,将产生顶托作用,直接影响进水管过流能力;当前池水位低于管顶高程时,进水管处于非满流状态,过流能力没有充分发挥。

　　 以竹园一厂旱天不溢流为控制目标,利用水力模型对竹园一厂出口泵房前池水位与系统极限过流能力关系进行分析,结果如图6所示。结果表明,出口泵房前池水位是制约竹园一厂处理能力的关键控制参数,过高或过低均不利于竹园一厂处理能力的充分发挥。在合流一期平稳输送的前提下,保持竹园一厂出口泵房前池水位处于最优区间(2.0~2.5m),可使竹园一厂的过流能力最大化,可实现竹园一厂在进水量168万m³/d以下不溢流,168万m³/d以上少溢流。

　　 彭越浦上游段共有芙蓉江、新师大、江苏路、梦清园、新昌平和成都路等6座调蓄池,总调蓄容积7.4万m³。彭越浦上游污水干管及支线泵站接入管,全长29.25km,管径DN800~5 000。不同水位下,管网调蓄容积如图7所示。彭越浦泵站平稳模式第二台泵开关泵水位(-3.5m,-8.5m),对应管网动态调蓄能力约6.7万m³。合理控制前池水位,并配合启用调蓄池可提供最大调蓄容积14.1万m³。根据旱天典型工况分析结果,彭越浦泵站流量均化需要调蓄容积8万~11万m³,因此除合理控制前池水位以充分利用管道动态调蓄容积以外,还需配合使用上游调蓄池容积1.3万~4.3万m³,才能实现彭越浦泵站水量均化。

　　 合流一期出口泵站现有8台水泵,7台定速泵,单泵排水能力6.5m³/s,1台变频泵,流量调节范围为1.78~5.59m³/s。由于一期出口泵站单泵排水能力过大,开泵组合的流量调节范围与现状旱天平均流量不匹配。如果一期出口泵站开3台泵(2台定速泵,1台变频泵),流量调整范围为14.78~18.59m³/s;如果一期出口泵站开4台泵(3台定速泵,1台变频泵),流量调整范围为21.28~27.09m³/s;目前一期出口泵站的旱天日均流量18.67m³/s,流量均化后,由于该平均流量不在变频调速工作范围,因此容易造成水泵频繁开启。建议一期出口泵站应配置两台变频泵或配置大小泵搭配合理的水泵组合,以减少旱天工况均化运行模式下水泵启闭次数。

　　 综合考虑各关键节点泵站流量、竹园一厂总进水量、处理量和溢流量与全年平均流量的吻合程度,选择2015年4月25日作为旱天典型工况。彭越浦泵站、一期出口泵站出流量、竹园一厂进水量、处理量和溢流量见表1现状方案。

　　 利用厂网联动水力模型对合流一期与竹园一厂协调调度平稳输送方案进行了模拟和分析,具体方案概况见表2,模拟结果见图8、图9和表1。

　　 根据模拟计算结果,旱天工况下,通过限制汶水污泵站开泵数量,可以有效降低竹园一厂旱天溢流量;通过启用彭越浦泵站变频泵和合流一期出口泵站变频泵组合、启用彭越浦上游调蓄池、合理控制前池水位,可充分利用管道调蓄容积、有效均化合流一期污水输送过程;通过均化合流一期污水干线输水过程,启用变频泵将竹园一期出口泵房前池水位控制在最优区间(2.0~2.5 m),可使竹园一厂的处理能力得到最大程度地发挥。通过采用上述联动调度平稳输送优化方案,可将竹园一厂旱天溢流量从现状18万m³/d降低至4万m³/d,削减率70%以上。

　　 本研究建立并率定了合流一期污水干线和竹园一厂厂网联动水力模型,明确了制约竹园一厂处理能力充分发挥的主要瓶颈因素,提出了优化控制技术指标,分析了均化合流一期干线输水过程的可行性。通过厂网联动模型对合流一期污水干线和竹园一厂厂网联动调度平稳输送方案进行了优化,提出了切实可行的旱天溢流控制策略。具体结论和建议如下:

　　 (1)出口泵房前池水位控制是污水处理能力未能充分发挥的主要制约因素,其最优区间为2.0~2.5m。为实现旱天工况竹园一厂处理能力最大化,建议竹园一厂出口泵房采用变频泵控制或配置大小泵搭配合理的水泵组合,以控制前池水位处于最优区间。

　　 (2)竹园一厂无溢流极限处理能力为168万m³/d。为避免发生旱天溢流,对超过系统能力的水量应进行分流或限流,汶水污泵站开泵台数应限制到4~5台。

　　 (3)旱天工况下,充分利用管道和调蓄池容积可实现彭越浦泵站均化出水。建议彭越浦泵站启用变频泵合理控制前池水位以充分利用管道动态调蓄容积,并配合使用上游调蓄池均化旱天工况出流过程。

　　 (4)合流一期污水干线均化输水模式下,一期出口泵站容易出现水泵频繁启闭。建议一期出口泵站应配置两台变频泵或配置大小泵搭配合理的水泵组合以稳定旱天工况下合流一期出口泵站前池水位,减少水泵启闭次数。

　　 (5)建议主期出口泵站应配置两台变频泵或配置大小泵搭配合理的水泵组合以稳定旱天工况下合流一期出口泵站前池水位减少水泵启闭次数;

　　 (6)合流一期旱天日均输送水量已超过竹园一厂污水处理能力,根据水力模型研究结果,提升竹园一厂溢流堰高度有利于提升污水处理厂无溢流极限处理能力,建议在确保污水处理系统安全运行的前提下,对提升溢流堰高度的可行性进行充分论证。