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原创论文︱河北省某南水北调水源高品质饮用水厂工程设计

原创王伟静，曹雪梅中国给水排水 2024-02-10 18:14

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摘要：河北省某高品质饮用水厂远期总规模为35×10⁴m³/d，现状规模为19×10⁴m³/d，其中一期规模为15×10⁴m³/d，应急扩容规模为4×10⁴m³/d。水源为南水北调中线干渠和本地水库，具有夏季高浊高藻和冬季低温低浊的水质特点，水厂采用混凝沉淀过滤强化常规处理+臭氧活性炭深度处理的组合处理及紫外线与二氧化氯联合消毒工艺。项目总投资为80200万元，经营成本为0.65元/m³（不包括水资源费）。实际运行表明，水厂出水浊度≤0.30 NTU，COD_Mn≤2.0mg/L，水质优于《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）的要求，且更进一步达到了《饮用净水水质标准》（CJ 94—2005）的高品质饮用水要求。

王伟静，本科，给水排水高级工程师，邢台水业集团设计公司副总工程师，从事给水排水工程设计工作。

工程概况

河北省某高品质饮用水厂远期总规模为35×10⁴m³/d，其中一期规模为15×10⁴m³/d，于2018年1月正式运行。2021年5月以来，由于需水量增长且政策要求压缩地下水厂开采量，故该水厂进行了应急扩容，工程规模为4×10⁴m³/d，于2022年5月建成试运行。目前该水厂一期工程和应急扩容工程已融为一体，现状规模达到19×10⁴m³/d，自用水系数取1.08，设计流量为8550m³/h。水厂主水源取自南水北调中线干渠，备用水源取自本地水库，出水水质在满足国家标准的基础上，更进一步达到了《饮用净水水质标准》（CJ 94—2005）的高品质饮用水要求。

水源分析

该水厂主水源取自南水北调中线干渠。中线干渠全长1432km，多年平均调水量为95×10⁸m³，属于以明渠为主的特大型人工调水系统工程。本地水库为应急备用水源，是一座深水型水库。两个水源的原水水质见表1。可见，南水北调中线干渠原水夏季具有高浊的特点，还存在藻类暴发的情况，以蓝藻和绿藻为主，有机物含量较低，冬季具有低温低浊的特点。本地水库原水水质具有清洁稳定的特点，有机物含量较低，冬季存在低温低浊的情况，总氮偏高，但主要以硝酸盐氮的形式存在，磷含量偏低，总氮含量是磷的数百倍到上千倍，有效抑制了水体富营养化。主水源和备用水源原水水质除总氮外均符合《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的Ⅱ类水质标准。

表1 原水水质

处理工艺及主要特点

一期净水处理工艺为“预臭氧接触池→机械混合池→网格絮凝池→平流沉淀池→V型滤池→后臭氧接触池→颗粒活性炭滤池→紫外线及二氧化氯联合消毒”。应急扩容工程利用现有堆场，因占地非常紧张且要求见效快，净水处理采用“机械混合池→网格絮凝池→斜管沉淀池→无阀滤池→二氧化氯消毒”的集成化常规净水处理设备。排泥水处理采用“重力浓缩+板框压滤”工艺，并设置粉末活性炭应急投加系统。具体工艺流程见图1。

图1 水厂工艺流程

该水厂平面布置见图2。按功能分为生产区和厂前区两部分，厂前区布置在厂区东南侧，一期生产区布置在厂区西侧，应急净水间布置在加氯加药间北侧的原堆场处，厂区东侧为远期预留。总体布置集约优化，流畅合理。

图2 水厂鸟瞰图

该水厂工艺特点如下：

① 兼顾不同水源水质。南水北调中线干渠属于水质良好但波动较大的开放性人工渠道，本地水库属于水质优良且稳定的封闭型水库，两水源水质差别较大，采用强化常规处理+深度处理的组合工艺兼顾了两种水源的特点，同时考虑了两种水源在切换和混合时的水质变化对处理工艺的影响。

② 整个流程各处理单元有机组合、分工协作。经预臭氧和前加氯氧化、混凝沉淀过滤除浊、后臭氧再氧化、颗粒活性炭吸附和生物降解微量有机物和氨氮、后加氯消毒，层层推进，最终达到高品质饮用水水质要求，保证供水安全，并改善口感。

③ 运行中，根据不同水源原水水质情况，采用适宜的工艺段和投加不同的组合药剂，灵活应对。当原水水质优良或深度处理工艺出现事故工况时，砂滤出水超越深度处理直接进入清水池，采用投加PAC、PAM、前加氯、后加氯等措施；当原水水质良好时，砂滤出水和深度处理出水可在保证出水达标的前提下按适当比例进行勾兑；当南水北调中线干渠原水发生藻类或水质污染突发事件时，一期系统启动全流程处理，应急扩容系统切换到本地水源生产运行，并启动投加粉末活性炭。

④ 水厂集约化布置。设计采用高效集约化工艺及组合技术、单体集约化叠合及组合设计、紧凑的总图布置等措施，如应急扩容采用集成化净水技术与设备，仅利用原堆场完成4×10⁴m³/d供水规模扩容，占地省、见效快；一期沉淀池采用双层折叠式平流沉淀池，比传统平流沉淀池节省约一半的占地面积。

主要处理构（建）筑物设计

4.1 预臭氧接触池及反应沉淀池

按一期15×10⁴m³/d规模设计。针对冬季低温低浊和夏季高藻的问题，采用预臭氧、预加氯及粉末活性炭等预处理工艺，延长反应沉淀停留时间等强化混凝沉淀工艺。预臭氧接触池分为两格，最大投加量为1.5mg/L，接触时间为5min。混合采用机械搅拌，混合时间为54s；反应采用网格反应，分为三段反应，停留时间为22min；沉淀采用折叠式平流沉淀池，进水采用配水栅配水，过栅流速为0.08m/s，沉淀池停留时间为2.8h，水平流速为12mm/s，出水采用指形集水槽，上层采用虹吸刮泥机，下层采用往复刮泥机，每天排泥3次，当进水浊度较高时，可以连续排泥。

4.2 砂滤站、后臭氧接触池及活性炭滤站

按一期15×10⁴m³/d规模设计。为了进一步去除浊度和有机物、改善口感、去除异味、应对各类新污染物等，适当降低滤速强化过滤并采用臭氧生物活性炭工艺。砂滤采用气水联合冲洗的整体滤板V型滤池，8组滤池双排布置，总过滤面积为1008m²，正常滤速为6.8m/h，强制滤速为7.8m/h。常规处理出水进入提升泵池，经潜水轴流泵提升后进入深度处理单元，后臭氧接触池分为两格，每格接触池分为3段，最大投加量2.5mg/L，总接触时间为15min。炭滤采用气水联合冲洗的翻板滤池，布水布气系统采用拱形穿孔管，10组滤池双排布置，总过滤面积为900m²，正常滤速为7.6m/h，强制滤速为8.5m/h。

4.3 应急净水间

按应急扩容4×10⁴m³/d规模设计，受占地紧张、工期短、见效快的诸多条件限制，采用集成化净水技术与设备。采用机械混合，混合时间为26s，经搅拌混合后由环形溢流堰溢流至4个面积相等的配水通道，分别进入4组对应的不锈钢集成化净水装置。单组装置采用网格反应，分为三段反应，停留时间为20min；采用斜管沉淀池，斜管区上升流速为1.55mm/s。采用重力式无阀滤池，单组净水装置设置2格滤池，总过滤面积为230m²，正常滤速为7.8m/h，水力控制自动冲洗，水冲强度12~15 L/（m²·s），冲洗时间为4~7min，采用高精度滤头滤板组合装置，单一均质滤料。应急净水间出水不经过深度处理直接进入清水池。

4.4 紫外线消毒间及清水池

为应对“两虫”危害并降低消毒副产物，一期采用紫外线与二氧化氯组合安全消毒技术。紫外线有效剂量≥40mJ/cm²，应急扩容出水不经过紫外线消毒，只采用二氧化氯消毒。清水池总有效容积为29800m³，占设计流量的14.5%。

4.5 送水泵房

按35×10⁴m³/d总规模进行土建设计，按现状19×10⁴m³/d规模进行设备安装，时变化系数取1.3。主城区采用分区供水，其中高区供水量为2.5×10⁴m³/d，设卧式离心泵3台（2用1备），均变频；低区供水量为16.5×10⁴m³/d，设卧式离心泵6台（4用2备），均变频，并预留远期泵位。

4.6 综合加药间

按35×10⁴m³/d总规模进行土建设计，按现状19×10⁴m³/d规模进行设备安装。加氯采用二氧化氯，两处投加，进水前最大投加量2 mg/L、平均投加量1mg/L，滤后最大投加量2mg/L、平均投加量1mg/L。絮凝剂采用液体聚合氯化铝，进水前投加，投加浓度10％，最大投加量30mg/L，平均投加量15mg/L。助凝剂采用阴离子型聚丙烯酰胺，进水前投加，投加浓度0.1％，最大投加量0.2mg/L，平均投加量0.1mg/L。应急投加采用干式粉末活性炭，最大投加量30mg/L。

4.7 污泥处理系统

污泥处理系统包括污泥调节池、污泥浓缩池、污泥调理池及污泥压滤间等。按35×10⁴m³/d总规模进行土建设计，按现状19×10⁴m³/d规模进行设备安装，经计算，总规模时干泥量为8.16tDS/d，其中现状规模设计干泥量为4.43tDS/d。

污泥调节池1座，总有效容积1440m³，分2格，每格安装排泥泵2台（1用1备）、潜水搅拌器1台。

重力式污泥浓缩池2座，浓缩污泥提升泵房1座，污泥浓缩池以污泥提升泵房为中心对称布置。设计固体通量为13kg/（m²·d），浓缩池直径为20m，有效水深为4m。

浓缩后污泥由提升泵房内的污泥螺杆泵输送至污泥调理池，总有效容积240m³，分2格，每格安装1台混合搅拌器。

污泥采用板框脱水，设板框脱水机2台，单台脱水机过滤面积200m²。污泥在脱水前投加液体聚合氯化铝和阳离子型聚丙烯酰胺进行调理，脱水后泥饼含水率≤60%，泥饼输送到污泥料仓储存并外运。

运行管理、运行效果及经济分析

5.1 运行管理

在水质检测管理方面，在全厂每个净水处理段和污泥处理段设置了与工艺流程相适应的仪表检测系统，实时传送到现场计算机和中控室，实行三级水质检测体系，水厂化验室日检水质指标原水11项和出厂水13项，公司化验室月检水质指标原水29项和出厂水40项，每年两次水质全分析，确保100%出水达标。

在调度监控方面，在供水公司调度中心建立了一套供水调度监控系统，将该水厂和全市其他水厂、取水、输水、配水等整个供水系统集中管理，实时采集、分析和管理各子系统运行数据，实现了取水、制水、供水水量的动态平衡。

在设备运行操作与巡检管理方面，建立设备台账，采用一级日巡检、二级周巡检、三级月巡检，准确掌握设备运行状态，设备保养维修采用计划、应急、临时三种工单制，及时发现异常情况并及时处理，保证设备安全经济运行。

在运行人员管理方面，操作人员实行全员持证上岗，定期开展培训教育，建成一个高素质运行管理团队。

在厂区环境安全管理方面，实行生活区和生产区围墙分隔，严格执行进出生产区人员和物资管理制度、绿化及卫生保洁制度，定期检查，保证水厂环境优美和安全运行。

5.2 运行效果及经济分析

该水厂正式投运以来，水量稳步增长，夏季用水高峰期接近满负荷运行，原水以南水北调中线干渠进水为主，最高处理水量达到16.9×10⁴m³/d，各设备设施均运转平稳正常，2022年出水浊度基本稳定在0.08~0.30NTU，平均值为0.13NTU；COD_Mn基本稳定在0.9~2.0mg/L，平均值为1.3mg/L；氨氮基本稳定在0.02~0.05mg/L，平均值为0.03mg/L，其他各项出水水质指标均优于《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006），主要指标更进一步达到了《饮用净水水质标准》（CJ 94—2005）的高品质饮用水要求，实现了工程预期目标。

该工程包括取水、输水、净水、配水等内容，项目总投资为80200万元，经营成本为0.65元/m³（不包括水资源费）。

结语

该水厂原水来自南水北调中线干渠和本地水库，具有夏季高浊高藻和冬季低温低浊的水质特点，工程采用混凝沉淀过滤强化常规处理+臭氧活性炭深度处理的组合工艺，在水质、水量、水压、运行管理等方面均达到了设计预期目标，出水水质达到了《饮用净水水质标准》（CJ 94—2005）的高品质饮用水要求，该工程可为国内高品质饮用水厂的设计和运行提供参考和借鉴。

本文的完整版刊登在《中国给水排水》2023年第16期，作者及单位如下：

河北省某南水北调水源高品质饮用水厂工程设计

王伟静¹，曹雪梅²

（1.邢台水业集团有限公司，河北邢台 054000；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074）

参考文献引用的标准著录格式：

王伟静,曹雪梅.河北省某南水北调水源高品质饮用水厂工程设计[J].中国给水排水,2023,39(16):89-93.
WANG Weijing,CAO Xuemei.Design of a high-quality drinking water plant with source water from south-to-north water diversion project in Hebei province[J].China Water & Wastewater,2023,39(16):89-93(in Chinese).

编辑：孔红春

制作：文凯

审核：李德强

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原创论文︱污泥厌氧消化/热解气化耦合技术处理市政污泥

原创李升，等中国给水排水 2024-02-08 11:29

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摘要：污泥厌氧消化、干化焚烧、热解气化焚烧等污泥处理工艺和技术，是进入高质量发展阶段以及践行“双碳”政策的重要技术选择。郑州新区污水处理厂一期污泥采用厌氧消化干化工艺，二期污泥采用热解气化焚烧工艺，并在一、二期基础上实现污泥厌氧消化和污泥热解气化焚烧耦合，最终实现污泥处置的减量化、无害化、稳定化、资源化。该污水处理厂1000t/d污泥消化和100t/d污泥气化焚烧实际运行数据表明，污泥厌氧消化和污泥焚烧不是必须二选一，相反，从全过程能量平衡角度，污泥厌氧消化和污泥热解气化焚烧耦合技术是实现能量利用最大化的优选工艺组合。

李升，本科学历，工程师，项目经理，主要从事污水污泥处理处置设施的建设及运营工作。

在国家“双碳”政策引领下，将污水处理厂变成一个“资源中心”的理念越来越被污水处理行业接受，国内外市政污水处理厂资源化的典型案例也不断涌现。污泥厌氧消化、干化焚烧、热解气化，以及沼气发电、水源热泵、光伏发电等技术已经逐步应用于污水处理厂。在此基础上，诞生了一种新兴的污泥处置技术——污泥厌氧消化与污泥热解气化耦合技术。

郑州新区污水处理厂一期污泥采用厌氧消化干化工艺，二期污泥采用热解气化焚烧工艺，最终实现污泥厌氧消化和污泥热解气化焚烧耦合的工程创新实践，可为其他类似工程提供借鉴。

污泥厌氧消化和热解气化耦合技术

污泥厌氧消化是利用厌氧微生物在一定温度条件下将污泥有机质分解为二氧化碳和甲烷等物质的技术手段。微生物分解生物质原料的作用可以分为两个方面：一是厌氧发酵过程从生物质原料中释放能量，赋存在以甲烷为主要成分的沼气产品中；二是大分子生物质原料碳链断开，生成分子质量较小的有机副产物，赋存于消化污泥中。沼气作为生物质燃料可用于沼气锅炉、沼气发电和污泥干化气化焚烧系统补燃；消化后的污泥经过脱水和干化后进行热解气化；热解气化产生的可燃气经热风炉（也称焚烧炉）焚烧，由余热锅炉产蒸汽后用于污泥干化；热解气化焚烧后的污泥则变成稳定化、无害化的炉渣。

污泥厌氧消化后进行污泥焚烧的技术案例在国内外屡见不鲜，而污泥厌氧消化和污泥热解气化耦合技术则刚刚兴起，其技术流程见图1。

图1 污泥厌氧消化-热解气化耦合技术流程

以100t含水率80%的污泥为例，污泥厌氧消化+热解气化焚烧耦合与污泥干化焚烧工艺能量衡算比较如下：消化前污泥有机质含量为50%~70%；污泥厌氧消化产气率为0.85~0.95m³/kgVS，沼气热值为23MJ/m³；污泥干化需热量为2244~2323MJ/m³；污泥热解气化焚烧后烟气（1050℃）产热为18885kJ/kgVS（干化前的污泥均进行深度脱水处理，使污泥含水率降至60%，以减少热干化热量消耗）。

将全过程能量衡算（见图2、3）进行比较，污泥厌氧消化+干化+热解气化焚烧耦合技术的可剩余热量为153761~261618MJ，污泥干化+焚烧可剩余热量为126018~199346MJ。从能量平衡角度来看，污泥厌氧消化+热解气化焚烧耦合技术的剩余热量多出22%~30%，具有明显的优势。类似的案例在德国汉堡、慕尼黑等大型污水厂均得到了验证。因此，污泥厌氧消化和污泥焚烧并不矛盾，通过污泥厌氧消化可以实现污泥稳定化和大幅减量化，降低污泥后续处理量。厌氧消化是污泥处置过程中污泥稳定化、减量化和资源化的重要处理环节。

图2 100t污泥厌氧消化+干化+热解气化焚烧工艺能量衡算

图3 100t污泥干化+焚烧工艺能量衡算

郑州新区污水处理厂概况

郑州新区污水处理厂规划总处理规模为100×10⁴m³/d，位于中牟县姚家镇规划新城以北区域，占地面积49×10⁴m²，集污水处理、再生水回用、污泥处理为一体，努力打造“零碳厂”。一期污水处理规模为65×10⁴m³/d，已于2016年建成投入运行，出水水质优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准。二期处理规模为35×10⁴m³/d，已于2021年开工建设，建成后将成为中原地区首座百万吨级的污水处理厂，是河南省及淮河流域规模最大、功能最全的污水处理厂，也是全国第七座百万吨级的大型污水处理厂。

郑州新区污水处理厂是国内规模最大的采用污泥厌氧消化+热干化技术的污水处理厂，一期工程湿污泥消化处理规模1000t/d（污泥含水率80%），污泥干化规模300t/d（污泥含水率80%），一期工程污泥消化+热干化余热回收系统已于2020年正式投产运行。

2017年底，在郑州新区厂内以研发为目的建成了100t/d（污泥含水率80%）的污泥气化焚烧项目，通过理论研究+实际运行+技术改造的模式，该技术逐渐成熟和稳定。2019年底相关技术难点均被攻克，实现了连续稳定运行，为污泥热解气化技术积累了大量运行数据。在此基础上，新区二期项目1000t/d污泥焚烧项目上马，按照污泥厌氧消化与污泥热解气化焚烧耦合技术思路进行设计和建设。

一期污泥厌氧消化及干化工艺

一期工程采用6座圆柱形消化池，直径25m，单座有效容积为12700m³，底部呈斗状。消化池设计停留时间为20d。消化池设置了多层桨叶机械搅拌器，以保证消化池内新鲜污泥和消化污泥的充分混合，使池内各点温度、浓度均匀达到设计值，产生的沼气顺利排放，并防止顶部浮渣堆积、底部泥砂沉积。搅拌器可按顺时针和逆时针两个方向旋转变频控制。

沼气脱硫采用生物脱硫和干式脱硫相结合的方法，脱硫后沼气的硫化氢含量低于30mg/m³，可作为污泥干化燃料供给导热油锅炉使用。干化尾气余热作为消化池加热热源，不足部分采用沼气热水锅炉补充。

污泥干化采用3台双轴桨叶式干化机，以高温导热油作为导热介质。干化进泥含水率80%，处理量300t/d（污泥含水率80%），出泥含水率为20%～30%，最大蒸发量为236t/d。

污泥厌氧消化、干化及余热回收工艺流程见图4。

图4 污泥厌氧消化、污泥干化能量利用流程

在系统调试阶段和初始启动阶段，沼气产量不足时，热水锅炉使用天然气运行，供回水温度90/70℃，经板式换热器换热后，去泥水换热器供回水温度为62/47℃。沼气产量正常、干化机运行不正常工况下，热水锅炉燃烧沼气运行，热水参数同上。干化机、消化池均正常运行时，消化加热用水来自干化机余热回收热水，干化机余热供回水热水温度为62/47℃，满足污泥加热温度要求。干化机正常运行、消化池不正常运行时，干化机余热经过封闭式冷却塔散热。封闭式冷却塔与干化机回水温度联动，当回水温度高于47℃时，冷却塔启动运行，满足干化机冷凝水温度要求。

一期工程采用水力分配器技术，热源侧热水和需热侧热水通过水力分配器中转，每一个热水回路都独立循环，供热侧和需热侧流量根据自身工艺需要运行，不足热量由热水锅炉进行补充，多余热量采用冷却塔散热。水力分配器的使用很好地解决了供热侧和需热侧的热量平衡，便于运行管理。

一期污泥厌氧消化运行分析

4.1 沼气产量及VSS削减率

2021年厌氧消化污泥量、沼气产量的变化见图5。

图5 2021年厌氧消化污泥量、沼气产量的变化

厌氧消化全年进泥干质量61121t，日均进泥干质量167t；全年沼气总产量9092804m³，日均沼气产量24912m³；年均进泥有机分占52%。

4.2 污泥消化耗热量和干化余热回收

2021年污泥消化耗热量、干化余热回收量见图6。全年脱水污泥总量为253388t（污泥含水率80%），其中54309t进入干化系统。全年干化产泥量为13059t，干化出泥含水率15%。干化系统沼气用量为583×10⁴m³/a。由图6可知，全年干化余热回收量均大于消化池加热所需热量。

图6 2021年污泥消化、干化余热回收量

通过余热回收可节约沼气约500×10⁴m³/a，沼气中甲烷平均含量为61%，甲烷燃烧热值取37960kJ/m³，则估算沼气年产热量为115TJ；一期污泥处理工程通过干化余热回收的年碳减排量约为：115÷90%×56.1=7168tCO₂。

100t/d污泥热解气化焚烧运行情况

100t/d污泥热解气化项目的污泥经深度脱水-热干化-造粒-气化焚烧后变成无机炉渣，气化产生的可燃气在焚烧炉燃烧，产生的高温烟气经换热后进入干化机用于干燥污泥中的水分，烟气经除尘、脱硫、脱硝、除臭后排放。部分运行数据见表1。

表1 100t/d污泥气化焚烧项目生产数据

5.1 污泥热解气化技术原理

污泥热解气化是一种绿色的污泥独立焚烧技术，原理是在高温、贫氧的条件下使污泥中的有机物产生裂解，形成利用价值较高的可燃气态产物及无机残渣的化学反应过程，是传统的煤气化技术在污泥处理处置上的创新性应用，可有效遏制飞灰和二口恶英的产生，并能通过高温固化重金属，充分利用污泥既是“污染物”又是“资源”的双重属性，彻底实现污泥“减量化、稳定化、无害化、资源化”目的。

热解气化是以空气、水蒸气作为气化剂，在还原性气氛下将污泥中的有机成分转化为可燃性气体的过程，通过造粒系统将污泥成型后送入气化炉内，在气化剂的作用下将污泥转化为H₂、CO、烷类等可燃气体及无机残渣。可燃气体通过燃烧系统转化为热能，可为干化系统供热，无机炉渣可用于制作水泥添加料、加气块、透水砖等建筑材料，最终排放的尾气经过处理实现达标排放。

污泥热解气化焚烧与其他形式的污泥焚烧（如流化床等）相比，具有诸多优势：

① 气化炉为固定床形式，无需流化，在气化炉内只需配送少量空气和蒸汽，在焚烧炉内只有燃烧配风，因此烟气产生量远远小于其他焚烧工艺。同理，烟气中的粉尘含量以及气化炉动力消耗也远远低于其他焚烧工艺。

② 热解系统二次污染小，烟气处理简便，温室气体排放远低于焚烧法，无二口恶英排放，污泥重金属实现固化，环境安全性高。

③ 炉渣成型，基本维持造粒后形态，其粉尘含量低，方便收集、存储、输送、运输和利用。

④ 环评排放标准根据项目地的实际情况，有多种选择可能，相应烟囱高度设计也有多种可能，所以对有限高要求的项目所在地的适用性也更强。

⑤ 烟气温度高，余热利用效率高。

5.2 二期污泥干化热解气化焚烧能量利用方案

二期工程污泥处理采用污泥热解气化焚烧工艺，设计污泥处理规模为1000t/d（污泥含水率80%）。污泥经深度脱水、热干化、造粒、气化焚烧后变成无机炉渣，气化产生的可燃气在焚烧炉燃烧，产生的高温烟气进入余热锅炉，锅炉产出的饱和蒸汽用于污泥热干化，烟气经除尘、脱硫、脱硝后排放，余热蒸汽锅炉日产生饱和蒸汽约570t，气化炉日产炉渣约100t。

二期污泥采用干化+热解气化处理工艺，通过对污泥中能量的充分利用，在污泥热值一定的情况下，实现了系统的热平衡，无需添加外部能源，每天完成500t含水率60%的污泥焚烧和残留100 t无机炉渣的过程。主要能量利用过程是污泥气化产生的可燃气进入热风炉燃烧，产生1050~1200℃左右的烟气，烟气经过余热锅炉产出184℃的饱和蒸汽，作为干化机干化污泥的热介质使用。污泥气化焚烧工艺流程见图7。

图7 污泥气化焚烧工艺流程

5.3 二期污泥能源综合管理方案

在二期工程设计阶段，针对各种极端热量工况，分析两期工程的工艺及设施情况，结合一期、二期工程的工艺和设施条件，将污泥厌氧消化和污泥热解气化焚烧工艺进行耦合，形成最终的能源综合利用方案：

① 污泥消化产生的沼气和热解气化产生的可燃气作为全厂的优质能源，通过二期燃烧系统的热风炉燃烧，产生的高温烟气通过余热锅炉产出蒸汽，蒸汽作为全厂能量循环利用的主要介质；在污泥热值偏低时，一期沼气可通过焚烧炉给二期污泥干化+热解气化系统补充热量。

② 余热锅炉产出的蒸汽主要用来供给干化机，以蒸发掉污泥中的水分。

③ 干化机利用过的蒸汽产生的高温过热水，通过闪蒸技术制造蒸汽，然后供给气化炉作为气化剂使用。

④ 二期干化机的尾气，通过冷凝换热器提取热量，产出热水供给消化系统加热消化污泥，以维持生产沼气所需的池内温度。

⑤ 系统多余的沼气通过沼气热电联产发电，日产绿电49200kW·h/d。

一期消化工艺和二期干化+气化焚烧工艺的全厂热能利用系统见图8。

图8 污泥消化和热解气化焚烧耦合热量利用平衡

综上，全厂主要能量产出单元有：①消化池产生的沼气；②干化机尾气冷凝产生的热水；③干化机蒸汽介质产生的高温热水以及余热锅炉等。主要用热单元有干化机、气化炉、消化池（加热）。

2021年平均沼气产量24000m³/d；沼气平均热值为22680kJ/m³；沼气发电机发电效率38%，余热回收效率25%，全厂一、二期污泥处理系统热量供需数据汇总见表2。

表2 一、二期1 000 t/d污泥耦合处理后全厂热平衡

从表2可以看出，污泥处理二期工程建成后，通过设置余热锅炉对气化焚烧工艺产生的烟气进行余热回收，并且设置换热器对干化尾气冷凝热量进行回收后，全厂的能量产出盈余，可产生绿电49200kW·h/d。在夏季产泥量偏小的不利工况下，沼气产量下降，沼气优先去热风炉补燃，产生污泥干化系统需要的蒸汽，然后进行热电联产。经测算，仍有50%约12000m³/d的沼气用来发电，可产生绿电24600kW·h/d。

本项目对全厂热量消耗和产出单元进行了梳理，通过一定的技术手段将工艺流程中的废热回收利用，变废为宝，符合能源再循环利用的环保理念，并且可以带来一定的经济效益。

耦合技术在污泥处理项目中的优势

① 污泥先进行厌氧消化后，脱水污泥含固率高，减少了污泥干化的耗热量。

② 污泥干化气化焚烧余热用于污泥厌氧消化池加热，合理利用了系统产生的大量低品位热源。

③ 污泥厌氧消化系统对生化污泥和初沉污泥的排放有较大的调峰作用，也就意味着对全厂污泥的有机分有很好的调节作用，有利于保障污泥焚烧设施的稳定性。

④ 污泥厌氧消化与气化焚烧耦合后，最终产物为无害化炉渣，炉渣的资源化利用可以解决污泥的最终出路问题。

⑤ 污泥厌氧消化可以协同消化外来餐厨有机质，让污水处理厂变成能源中心成为可能，最大化发挥已建成设施的经济效益、环保效益和社会效益，并且可作为保障污泥焚烧热量供应的便捷、稳定手段。

⑥ 污泥厌氧消化系统产生的多余沼气作为优质能源，沼气热电联产可产出绿色电力，减少了整个系统外来电力用量，减少了碳排放。

结论

郑州新区污水处理厂将厌氧消化和气化焚烧耦合后，每日可处理污泥1000t，产生无害化炉渣约100t，产生绿色电力约2MW，实现了污泥处理减量化、无害化、稳定化、资源化的目标。污泥厌氧消化和污泥热解气化焚烧耦合技术是实现污泥资源化的重要创新，厌氧消化产生了生物质燃料（沼气），再结合沼气发电和余热回收技术使得污泥资源得到最大化提取和利用，同时使污水处理厂变为能源资源中心成为可能。

污泥热值以及进入污泥干化气化焚烧系统的污泥含水率会显著影响系统热平衡，在较低污泥热值的条件下可通过降低进入系统的污泥含水率实现系统的热平衡，并可通过从厌氧消化系统所产沼气获得更多热能和电能，来稳定和保障热解气化焚烧系统的稳定，降低运行费用。

污泥厌氧消化和热解气化焚烧耦合技术在“双碳”时代具有一定的推广价值。

本文的完整版刊登在《中国给水排水》2023年第16期，作者及单位如下：

污泥厌氧消化/热解气化耦合技术处理市政污泥

李升，焦方方，王航航，于文静，郭兆广

（郑州市污水净化有限公司，河南郑州 450000）

参考文献引用的标准著录格式：

李升,焦方方,王航航,等.污泥厌氧消化/热解气化耦合技术处理市政污泥[J].中国给水排水,2023,39(16):110-115.
LI Sheng,JIAO Fangfang,WANG Hanghang,et al.Municipal sludge treatment by anaerobic digestion and pyrolysis gasification coupling technology[J].China Water & Wastewater,2023,39(16):110-115(in Chinese).

编辑：衣春敏

制作：文凯

审核：李德强

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原创论文︱广州中心城区新型城市内涝应急管理模式经验探讨

原创周军，等中国给水排水 2024-02-11 10:33

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摘要：广州地处亚热带海洋季风气候区，特殊的地理位置决定了广州降雨具有强度大、时间集中且发生频率高的特点。为有效应对暴雨内涝对市民生活及城市经济发展造成的影响，基于城市排水系统内涝应急管理存在的问题，提出建立新型内涝应急管理模式，从应急指挥调度体系、预警预案制度体系、应急布防体系、汛后内涝点评估整治等层面优化和创新，构建更具韧性的超大城市排水安全保障体系，有效处置了超强台风“山竹”、“5·22特大暴雨”、历史性“龙舟水”、天文大潮等极端天气导致的城市内涝，在内涝防治方面取得了显著成效。

周军，硕士，高级工程师，研究方向为市政排水。

随着社会经济发展，城市化进程加快，强降雨导致的城市内涝灾害对人民生活造成的影响日趋严重。近年来，各地区各部门大力推进排水防涝设施建设，城市内涝治理取得积极进展，但仍存在排水设施建设滞后、应急管理能力不强等问题。根据《国务院办公厅关于加强城市内涝治理的实施意见》（国办发〔2021〕11号）的要求，提升城市排水防涝工作管理水平，是新时期城市内涝防治的核心任务之一。近年来，通过新型内涝应急管理模式的建设，广州市排水保障及内涝应急抢险能力大幅提高，抢险效果明显改善，形成了更具韧性的现代化排水管理和保障体系。

城市内涝情况及治理问题分析

广州地处亚热带海洋季风气候区，背山面海，水系发达，特殊的地理位置决定了其降雨具有强度大、时间集中且发生频率高的特点，又同时面临台风、暴雨、洪水、潮水威胁的风险，尤其是中心城区地势低洼的老城区犹如“锅底”，既要承泄北部山溪性河流的洪水，又常常遭遇外江高潮顶托，潮位较高时内河涌自排能力不足，内涝成因复杂多变。

2018年之前，广州市中心城区排水系统养护和内涝抢险力量主要通过采购服务的形式产生，存在队伍水平不一、短期投入不足、设备装备陈旧、抢险效能低、缺乏长期服务动力的问题，再加上降雨强度大、地势低洼、排水系统建设滞后于城市发展进程等因素，使得广州经常出现城市“看海”的困局。近年来，各地区大力推进排水防涝设施建设，在建设层面逐步补强了城市排水防涝设施短板，但在管理层面尚显薄弱。如何建立科学的内涝应急管理模式，提升防内涝应急抢险工作精细化、标准化水平，是广州所面临的重要发展课题。

新型内涝应急管理模式研究

针对广州市中心城区城市内涝应急系统存在的现状问题，主要从应急指挥调度体系、预警预案制度体系、应急布防体系、汛后内涝点评估整治等四个层面进行优化和创新，提出基于内涝防治需求的新型内涝应急管理模式。

2.1 应急指挥调度体系

广州市中心城区防内涝应急指挥调度建立了专门的指挥调度架构，设立专职指挥调度部门，明确配置专职专业人员，在当值指挥长的直接监督指挥下，专职指挥调度部门时刻保持应急状态，密切关注天气情况，汛期每日早、晚高峰前组织降雨研判，及时调整预案。应急指挥鞒叹咛寮�1。

图1 应急指挥流程

① 汛前强化气象预警工作：与专业气象部门建立共享联动机制，畅通信息交流渠道。气象预报根据预测需求和目标分为面向年度、月度活动保障分析天气情况的中长期预报，面向重大降雨过程和每天分析的短期预报，提前1～3 h预警的短临预报。根据实际防汛需求，有的放矢启动应急预案和防汛策略，建立日常会商和重点时段会商制度，打造“气象”+“防汛”联合联动。

② 汛中强化调度指令执行时效性：明确抢险力量的指挥层级架构和对应的负责人员，常规调度指令能直接下达到一线队伍，若一线队伍无响应将自动逐级向上通知，及时采取人工通知或调整增派的手段，确保每条抢险指令能够有效执行。

2.2 预警预案制度体系

① 年度应急预案：每年初确定年度防内涝任务和最新的防内涝重要区域及易涝点情况，落实年度布防点和巡防路段，厘清各方职责，并明确组织指挥体系、响应启动条件、应急抢险流程等。

② 专项应急预案：组织各级抢险单位制定精细化的《大型抢险组防内涝应急布防预案》《重要区域一点一预案》以及针对大型公共活动的排水保障应急预案，明确易涝风险位置、现场处置措施、周边管线路由等重要现场情况，结合交通路线指引、日常养护等各项资料，切实提升现场抢险工作的精细化、标准化水平。

③ 极端天气应急预案：为进一步提升应对非常态化极端强降雨天气的应急处置能力，以应对超标准暴雨为防范导向，专门制定了极端天气应对预案。本预案在常规年度抢险力量部署的基础上，明确非常态化抢险应急队伍增设及特殊值班值守机制等相关部署，切实履行保护人民群众生命财产安全的职责。

2.3 应急布防体系

在应急布防队伍体系上，原有的布防组单一类型体系不能满足现今中心城区城市防内涝应急抢险需要，中心城区创新构建“点-线-面”内涝应急布防体系，利用重要区域保障组对易涝黑点定“点”布防、主干道路巡防组对布防点未覆盖的主干道路和一般易涝点不间断巡防串点成“线”、大型抢险组配备大排量专业抽排设备以“面”覆盖中心六区，对应设立“标准抢险组-机动巡防组-大型抢险组”三种类型抢险组，并形成多层级立体防御体系，落实防内涝应急抢险工作。2022年广州市已建成标准抢险组61支、机动巡防组54支、大型抢险组6支，共121支专业化应急抢险队伍。

① 标准抢险组，负责重要区域保障工作。按照内涝处置指引标准，结合近年数据、历史降雨量发生情况、附近影响范围等综合性因素，布防位置分布在中心六区。每组配置抢险队员、抢险工程车、液压动力工作站等应急抽排设备。

② 机动巡防组，负责主干道路巡防工作。启动应急响应时，作为机动式抢险力量，巡防时可提前发现积水隐患，及时处理小型积水情况，通过开井盖、清理雨水箅子等措施加快排水，防患于未然，将风险在萌芽阶段予以排除。如遇到无法处理的较严重的积水情况，则及时向调度中心申请调派力量支援。每组配置抢险队员、巡防工程车。

③ 大型抢险组，待机布防中心城区6个行政区的大型抢险工作。作为市级防涝抢险力量，应分别在中心城区的重要地段待机布防，位置的选取则应考虑各行政区内交通便捷性、覆盖能力、急难险情处置能力以及调度方便程度等综合因素，以便在接到抢险调动通知后立即前往支援。大型抢险组主要处理大型隧道内涝水浸、路面大面积内涝水浸、重要公共设施地下空间内涝水浸等严重内涝水浸问题，每组配置抢险人员、大型龙吸水抽排抢险车、抢险工程车、液压动力工作站等应急抽排设施，具备大排量抽排能力，最高可达普通抽排设备的16倍，排水效能强。

“点-线-面”覆盖式的抢险力量网络布局，既有侧重点，亦能灵活应对内涝处置问题；既能独立行动，又能有机结合。在执行调度任务时能够显示出反应迅速、科学调度、合作共处、安全守护的显著优势。

以广州市某次暴雨到大暴雨过程并启动三级应急响应为例，降雨1h后，调度中心收到越秀区某巡防队伍请求支援某立交水浸点的信息，该处水浸点影响范围大，积水深度较深，达到了中度内涝级别。收到支援请求后，调度中心判断雨势将持续增强，结合现场反馈视频的情况，使用应急调度平台（见图2）进行研判，决定立即抽调越秀区大型组、附近荔湾区大型组以及备勤储备大型组共3支大型组并在30min内抵达支援点，共同配合运作的有效抽排量达9000m³/h，对水浸点有序分工开展龙吸水抽排，内涝风险在30 min内完全排除，有效保障了主干道路交通顺畅及人身财产安全，充分展现了整套“点-线-面”布防体系科学布置、反应迅速、灵活调配的三大优越特点。

图2 广州市中心城区应急调度平台

2.4 汛后内涝点评估整治

雨后，根据应急处置情况，针对内涝水浸点，以“以点扩面、系统分析、锁定成因、精准施策”为原则进行整治。首先及时进行成因分析，根据不同的成因采取施工整改或加强设施管理等处理方式，同时针对易涝风险点强化巡防布防，最终达到解除或减轻内涝风险的效果。内涝点评估整改应按相应流程完成，具体见图3。

图3 内涝整治整改流程

内涝成因主要集中在系统问题（标准偏低、排水设施不足等）、设施破坏（施工破坏、结构性问题等）、设施设置不合理（雨水箅子设置不合理、错混接等）等方面。2021年，中心城区有针对性地完成排水设施结构性隐患修复1 757处，制定中心城区67个内涝风险点“一点一策”。典型案例见表1。

表1 内涝风险点“一点一策”典型案例

实施效果

① 广州中心城区内涝应急处置效率大幅提高。从历年队伍布防到场时长数据来看，2019年平均耗时63min，2022年平均耗时约30min，内涝应急抢险响应到位时间大幅缩短。通过对队伍人员的专业性、设备的先进性、措施的有效性、调度科学性等的不断优化，一般水浸点的处置时间通常可于1h内完成，复杂严重的情况通常可在2h内完成。及时将积水化大为小，保障人民财产和安全。

② 广州中心城区内涝次数有效减少。通过城市排水防涝设施补短板、错混接整改、病害修复、常态化清疏养护和应急调度抢险优化等措施，城市内涝次数逐年减少。以同类型的两次暴雨为例，在2021年5月31日—6月2日的强降雨过程中，中心六区平均累积雨量约151mm，中心城区发生12处内涝点；而在2022年7月2日—4日的强降雨过程中，中心六区平均累积雨量约187.4mm，中心城区仅有9处发生内涝。各年内涝数据统计表明，排涝设施承灾能力逐渐加强。

③ 群众满意度不断提升。中心城区排涝设施韧性明显增强，内涝点应急处置工作效率大幅提升，在非极值的暴雨、洪水、潮水灾害条件下，城市运行正常，市民生活不受影响，市内群众对水浸点的诉求均能得到及时响应，群众满意度较高。

结论

广州市通过内涝应急抢险实践，从应急指挥调度体系、预警预案制度体系、应急布防体系、汛后内涝点评估整治等四个方面，提出新型内涝应急管理模式，为构建韧性城市排水安全保障体系提供了新的思路。该体系的实施有效缩短了抢险时间，大幅减轻积水对交通的影响，使得群众满意度不断提升，在水安全保障、应急抢险现代化建设方面具有重要参考价值。

本文的完整版刊登在《中国给水排水》2023年第16期，作者及单位如下：

广州中心城区新型城市内涝应急管理模式经验探讨

周军，潘志祺，蔡琪

（广州市城市排水有限公司，广东广州 510000）

参考文献引用的标准著录格式：

周军,潘志祺,蔡琪.广州中心城区新型城市内涝应急管理模式经验探讨[J].中国给水排水,2023,39(16):41-45.
ZHOU Jun,PAN Zhiqi,CAI Qi.Discussion on the experiences of new emergency management model of urban waterlogging in Guangzhou central urban area[J].China Water & Wastewater,2023,39(16):41-45(in Chinese).

编辑：丁彩娟

制作：文凯

审核：李德强

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