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曾经散发臭味的水面变成由达标水补给的一片静湖。

北京城市副中心净水中路,玉带河蜿蜒而过,环抱着一片安静的厂区。沿着厂区中央400米长的围堰向南看,宽阔的水面在艳阳下闪烁波光;向北看,大片平整土地正在热闹施工。未来,这里将变身集人工湿地、花园为一体的碧水公园。公园之下,就是城市副中心最大的再生水厂——碧水再生水厂。

目前,北至温榆河、西至朝阳交界、南至万盛南街、东至北运河,方圆46平方公里范围内的生活污水,都汇流于碧水再生水厂。这里承担着城市副中心84%的污水处理任务。生活污水到该厂区溜达一圈,不到24小时便变成18万吨清亮的再生水,是城市绿心森林公园、环球影城、玉带河、市政绿化、道路浇洒,以及城市副中心行政办公区、河北三河电厂稳定的补给水源。处于“九河下稍”的城市副中心污水处理任务繁重。伴随着城市副中心建设,碧水再生水厂19年间完成了从原污水处理厂到高品质再生水厂的华丽变身。

城市副中心“十四五”规划提出绿色城市、森林城市、海绵城市和人文城市的发展目标,水是重要的基础性资源。碧水再生水厂以“草长莺飞+水碧天蓝”的“地下水厂+地上公园”为建设目标,形成产、学、研污水处理体系,地上部分也已开工造景。近日,记者走进这座下沉式水厂,揭开它的科技面纱。

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污水经过处理后变得清澈透亮。

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空间腾挪

“最强大脑”帮转型 节地净水两不误

碧水再生水厂的主厂区位于地下。从厂区北侧通道沿缓坡来到地下,是长达500米的廊道,虽处于6米深地下,这里却洒满了阳光。抬头望向天花板,一条波光粼粼的河流从头顶流过。“这就是我们厂的标志性景观——天河,水就来自我们厂处理后的高品质再生水。”工艺工程师吕婧说。廊道两侧分布着污水处理单元,污水经过格栅间、曝气沉砂池、生化池、二沉池、高密沉淀池、膜地,最后经紫外线消毒,出水可达京标B标准。

碧水再生水厂共有三层,地上公园、负一层操作层和负二层污水处理层,不同功能叠摞,形成箱体,格外节省土地资源。该厂建于2002年,如今的形态源于2015年的改扩建工程。“随着居民楼、商圈拔地而起,生活污水打着滚儿地往上翻,原本露天曝气产生的臭味和噪音严重困扰仅百米远的居民区,不得不进行一次脱胎换骨式的改造。”吕婧说,碧水厂是国内首例原地改扩建下沉式再生水厂,在国内同等规模中建设难度最大,尤其是施工时也不能中止污水处置,这是最大的技术难题。

“经过构筑围堰将老厂割出三分之一的面积建新厂,剩余面积继续承担日污水处理任务。”吕婧说,说着轻松,建设不易。单单围堰,就要克服两侧12米高差产生的压力,克服基坑涌水、深基坑污泥处理、箱体抗浮等多个建设技术难题。

如何在占地面积减少一半的情况下保证污水处理达标呢?该污水厂改造请来了“最强大脑”——中国工程院院士彭永臻、上海交通大学河湖环境技术开发中心主任孔海南等国内外顶级专家,为“碧水”厂提出了一揽子技术解决方案,如通过新型生物载体填料、基因工程菌强化、精确曝气、氨氮定向削减等先进技术,对一半池容进行加强,最终满负荷达标。

12个月后,工程终于完工。好消息接二连三传来,该工程还获得了建筑结构长城杯金质奖,意味着该工程达到了北京市建筑工程质量最高标准。

升级改造后,“碧水”日处理污水能力达到18万吨,峰值处理水量21.2万吨,比原来增加一倍,却节约了三分之二的土地。“碧水”也成为拥有国内最多下沉式技术的再生水厂。

如今,当年散发难闻味道的围堰南侧敞开式曝气池已经完成历史使命,变成由达标水补给的一片静湖。春回大地,水光潋滟,成群的水鸟在此觅食求偶,生机勃勃。

工艺替换

应用国内自主知识产权技术

如今看,碧水再生水厂位于02组团02街区,定位以居住为主,兼具商务服务、综合服务功能。

但指针回拨到2002年,碧水再生水厂周围并没有居民区,当时采用美国深池露天曝气技术二三十年都不用排污泥。但是,随着周边居民区出现,这项技术渐不适应周边环境。

2015年改造开始,碧水再生水厂转而采用具有国内自主知识产权的第五代分布式下沉再生水生态系统,将处理设施全部置于地下,成为首个国内专有技术超越并替代美国技术的典范。

中国水环境集团工程技术中心李朋博士解释,第五代分布式再生水生态系统以活性污泥法为基本原理。

“当前再生水厂主流技术措施有活性污泥法、生物膜法,以及二者结合的方法。活性污泥法原理是向污水中曝入空气,好氧微生物繁殖形成污泥状絮凝物,也就是以悬浮菌胶团为主要形式的微生物群,用来吸附和氧化去除污水中的污染物,从而实现水净化。而生物膜法是与之并列的一种污水生物处理技术,其特征是将悬浮菌胶团转变为固定生物膜,污染物去除能力更高,但需要的曝气量大,能耗高。”李朋进一步解释。因此,第五代分布式再生水生态系统兼顾了出水水质、成本和运行稳定性,能更低成本稳定达到地表Ⅳ类水标准,能有效解决水质黑臭、河道生态基流补水和城市综合用水。

厂区内还立有“应用高效节地型生物膜工艺的地下污水处理示范工程”的牌子。“这是国家‘十三五’水体污染控制与治理重大专项课题的研究基地。这项工艺将生物膜法的优势与活性污泥法有机结合,可在不停产的前提下提标扩容,相较传统生化工艺可节地30%以上,已达到国内领先水平。目前,该技术已在碧水再生水厂实现生产性规模验证,并在贵州、四川等6个项目中实现产业转化。”李朋告诉记者,“十三五”期间,碧水再生水厂作为国内水处理领域首个生产性规模社会化服务创新平台,已有主流厌氧氨氧化等10余项前瞻性技术在这里得到研究和验证。

“时下,我们正在研究在原本的活性污泥法(多级A/O工艺)基础上运用生物膜技术进行强化。”李朋带领记者来到生化车间,指着池边几个大箱子说,“这就是生物膜强化装置,水通过这个大箱子,可以减少曝气和外碳源投加量,提升处理规模的同时实现节能降耗。”

这项“城市生物膜强化脱氮多级A/O工艺”属于水专项“北京城市副中心高品质水生态建设综合示范”项目研究成果,已入选2020年生态环境部《国家先进污染防治技术目录(水污染防治领域)》。

节能降耗

拥有多项世界领先绿色低碳技术

“污水处理行业应是‘绿色家族’的天生一员,可持续发展不能一味追求水质,还要考虑节能降耗、资源回收。”李朋说。“十四五”期间,城市副中心将率先实现碳中和,作为区域最大再生水厂,碧水带头走上了绿色发展道路。

处理污水,有臭味吗?记者走了大半个厂区,没闻到明显臭味。

在生化车间半空,一条条涂着绿漆的长方体管道汇入了6个大箱子。“这是生物除臭箱,内部有微生物填料,用来处理臭气。”工作人员介绍。这项生物除臭技术可以收集厂内所有环节产生的臭气,降解成二氧化碳和水,无害排放。这套技术具有国内自主知识产权,且世界领先,处理效率较传统除臭技术提升3至5倍,香港维多利亚港水环境治理中就用到了这项技术。

曝气是污水处理关键环节,能耗占全厂的50%以上。它的作用是为好氧微生物提供氧气。传统曝气系统纯手动操作,曝气量不好掌握。采用精准曝气智能系统,通过3大类26个探头监测生化单元、精准曝气,较以往能节省曝气量25%,节省电耗10%。“可别小瞧这点节省,”李朋博士给记者算了一笔账,“如果每处理1吨水节省1分钱,一天就能节省1800元,一年就是65.7万元。”

污水处理过程中的污泥废料如何处理?污泥是污水处理中的固体沉淀物,含有有机物、病菌等,处置不当有害环境。我国再生水厂基本都能实现污泥的无害化处理,但减量化和资源化课题仍在研究。

据悉,“十四五”期间,碧水再生水厂还将启动污泥低温干化技术应用。这也是专为全封闭地下水厂设计的,该技术的优势在于不添加任何药剂将污泥含水率处理至10%-60%,实现减量化。这是什么概念呢?工艺工程师吕婧解答道,现行污泥出厂含水率要求为80%,若以污泥含水率可处理至40%为例,出厂污泥体积至少减少四分之三,相应的运输及处置费用也能减少四分之三,如此推算,一年将减少上千万元污泥处置费。

而且,神奇的是,污水还能产生能量。“碧水”厂有三台水源热泵,用于污水能量回收,有了这套系统,厂里夏季不用开空调,冬季不用额外供暖。

“它的原理是利用水与空气的温差,实现热量传递:夏季,将建筑物中的热量转移到水源中;冬季,从相对恒温的水源中提取能量,利用热泵原理通过空气或水作载冷剂提升温度后输送至建筑物中。”李朋揭秘,通常水源热泵消耗一个单位的能量,可以得到四倍以上的热量或冷量,而且污染零排放,是名副其实的清洁能源。这套系统可为周边20万平方米的市政建筑提供制冷、供热。

绿色低碳环保的理念还体现在该厂负一层屋顶84个直径约50厘米的导光孔上,这些导光孔用透明玻璃纤维材质覆盖,让地下一层白天也有自然光照明。

蓄水升级

海绵技术组团留住天上水

地下激浊扬清,地上碧水微澜,水是城市的灵魂不仅体现在污水处理上,还体现在再生水利用、展示和雨水的蓄、用、排上。

碧水再生水厂另一大让人惊喜的设计,就是323亩地上面积将全部规划为碧水公园,成为水厂的“屋顶花园”。

污水经过地下水厂一系列科技处理净化后,可达到地表Ⅳ类水质,一部分供地上公园使用,经过地上公园的技术过滤,水质可提升至Ⅲ级,达到亲人标准,美化环境、海绵蓄水、科普展示,一举三得。

项目设计方北京清华同衡规划设计研究院项目负责人刘静介绍,碧水公园由公园绿地、市政附属绿地(碧水地面景观)、滨河生态绿地共同组成,建成后全部对市民开放。碧水地面景观,也就是目前水厂所在位置(一期)的地上部分,占比34%,约110亩,已率先开工。

从效果图上看,这座面积上百亩的理想地面景观,花木繁盛,公园中央,一条小溪叮咚跳跃,走向与再生水厂500米阳光走廊重合。以之为轴,两侧有三处水景:一处浅水池,一处人工湿地,还有一处彩虹瀑布。三处水景通过林间栈道、景观桥和慢跑步道相连接。

“这些水都是再生水,经过生物+机械净化,流入湿地、亲水池、互动设施,配合科普教育展示,让大家真切认识到再生水的价值。”刘静说。碧水地面景观园林布景运用了诸多生物技术和海绵技术。

比如,再生水科普湿地面积虽然只有720平方米,但栽植了20多种水生植物,湖底铺有轻质改良种植土,采用“生物”技术,给微生物提供生存温床,再通过布置狐尾藻、黑藻等沉水植物,千屈菜、菖蒲、鸢尾等浮水植物和睡莲、荷花等挺水植物等立体生物体系保证水质长期的洁净。

雨水利用采用的海绵设施主要有植草沟、雨水花园、下沉式绿地,以及透水混凝土、透水砖材质全园铺装地面等。

四条分别成闭环的植草沟分布于景观步道及场地周边,总长约2000米。单条植草沟宽约30厘米,深20厘米,沟上种植混播地被。雨水通过植草沟流入与之相连的排水系统,从而实现雨水蓄、排、净、用。

如果说植草沟主要用于排水,那么雨水花园则是为了蓄水。雨水花园在一期景观中多点开花,粗略估计有15个,每个雨水花园直径10米到15米,分布于比较宽阔的缓坡绿地中。雨水花园自下而上分为砾石层、砂层、种植土壤层、覆盖层和蓄水层五层,使雨水逐渐渗透入土壤,涵养地下水。

不过,这可是屋顶花园,只有1.2米附土层,多余的雨水该如何处理?设计人员精细考虑,在每个雨水花园中布置穿孔管和溢流管,与排水系统相连,让经过缓慢渗透得到净化的多余雨水顺利流入玉带河。发挥类似作用的还有若干个下沉绿地,它们是雨水花园的“PLUS”版。

屋顶公园的营造有诸多限制条件,要与地下水厂通风、通行、采光设备融为一体,达到见乎其文而不自知。屋顶绿化也不同于普通园林,必须参照屋顶的荷载(承重)力严格控制苗木规格和数量。剔除不易屋顶生长的深根系苗木,更换为小乔木,如白皮松、龙柏、紫叶李、山桃、石榴等。

据介绍,地面景观90%是绿地空间,计划栽植白皮松、油松等常绿乔木9种424棵,国槐、元宝枫等落叶乔木26种604棵,玉兰、山桃、紫薇、红瑞木等亚乔木及灌木37种1953棵,还有紫菀、萱草、马蔺等地被花卉43种,形成三季开花四季有绿的自然生态。

智慧水务

将建新型基础设施城市更新体

“十四五”时期是城市副中心建设蓝绿交织、森林环绕生态城市关键期。在城市副中心“一带一轴多组团”的空间布局中,碧水再生水厂就处于“一带”“一轴”的交汇点。

碧水再生水厂二期项目还将在智慧水务上大做文章,融入北京市再生水年利用量12亿立方米的浪潮中,为本市提供稳定可靠的“第二水源”。

记者从中国水环境集团了解到,碧水二期工程建设正在前期构想阶段,未来将建成新型基础设施城市更新体。具体内容包括:扩建污水处理9万吨/日,清水池3.5万立方米,初雨调蓄池8万立方米。将建全域再生水资源和能源智能管控中心、首座千吨级污水处理及资源化“大科学装置”、院士产学研创新中心和大运河水科技水生态水文化体验馆。

同时,拟在碧水下沉式再生水厂建设基于AI+5G等新一代移动物联技术的“应用场景”,构建全域再生水资源和能源智能管控中心,管控重点污染源、管网、泵站、再生水厂、雨水、河道生态补水的运营数据和居民供水信息。

据介绍,这个“智慧大脑”,可以统筹天上、岸上和地下——监测气体排放、水环境指标以及土壤地下水管网。同时,形成“点”“线”“面”结构——点:为行政办公区、环球主题公园、城市绿心供水;线:监测供排水管网、流域;面:优化水资源结构,统筹乡镇污水处理、城市农业面源,激活城市第二水源。

“瑞典水创新平台 (SWIC),拥有多条百吨级试验线,每年开展科研项目15项以上,成为瑞典水技术创新源泉,这也将是碧水的未来。”这位负责人称,对标国际,碧水未来也将建设千吨级污水处理及资源化“大科学装置”,目前“万/千吨级污水处理共享产线创新基础设施”正在申请国家重大专项支持。

未来,碧水再生水厂将成为院士产学研创新中心,从地下空间、污水处理工艺、饮用水安全、能量回收、水资源等领域,解决标准规范、工艺技术、算法控制等一系列“卡脖子”问题。

二期建设中还有一个惠民亮点——大运河水科技水生态水文化体验馆,科技展示污水处理微生物净化工艺过程,集互动、趣味实验、亲水游戏、沉浸银幕、运河漕运千年文化体验等多功能于一体,吸引更多年轻人和孩子到水世界一探究竟。

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