摘" 要：城市已建成的污水處理廠普遍存在提高排放標(biāo)準(zhǔn)要求迫切、無(wú)法重新征地?cái)U(kuò)建及提標(biāo)改造時(shí)不能停產(chǎn)等現(xiàn)實(shí)狀況。以滄州市運(yùn)東污水處理廠為例，采用BBR工藝提高污泥負(fù)荷及容積負(fù)荷，高效利用原有生化池池容，同時(shí)利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)BBR設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)及安裝，探索二者耦合應(yīng)用的工作流程，較好解決提標(biāo)改造項(xiàng)目的共性問(wèn)題，以供同行業(yè)參考。

關(guān)鍵詞：BBR工藝；BIM技術(shù)；提標(biāo)改造；AutoCAD Plant 3D；Revit

中圖分類號(hào)：X703" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）13-0190-07

Abstract： There are many existing problems in urban sewage treatment plants， such as the urgent need to improve the discharge standard， the inability to re-acquire and expand， and the inability to stop production when upgrading the standard. Taking Cangzhou Yundong Sewage Treatment Plant as an example， the BBR process has been used to increase the sludge load and volume load， and the original biochemical tank capacity has been efficiently utilized， at the same time， the modular design and installation of BBR equipment are realized by using BIM technology， the work flow of the coupling application of the two has been explored， and the common problems of the upgrading and upgrading projects have been well solved for the reference of the same industry.

Keywords： BBR process; BIM technology; Upgrading and reconstruction; AutoCAD Plant 3D; Revit

中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見(jiàn)》（以下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》）中提出“到2025年，縣級(jí)城市建成區(qū)基本消除黑臭水體……省控及以上河流入海斷面基本消除劣Ⅴ類，濱海濕地和岸線得到有效保護(hù)”。《意見(jiàn)》要求系統(tǒng)推進(jìn)城市黑臭水體治理……有效控制入河污染物排放。強(qiáng)化溯源整治。因此對(duì)有效控制污染物入河入海的污水廠提出了更加嚴(yán)格的排放要求。城市已建成的污水處理廠普遍存在提高排放標(biāo)準(zhǔn)要求迫切、占地面積緊張、重新征地拆遷難，以及提標(biāo)改造時(shí)不能停產(chǎn)等現(xiàn)實(shí)狀況。BBR工藝耦合BIM技術(shù)可以很好地解決上述問(wèn)題，在污水處理廠原位提標(biāo)改造中的應(yīng)用值得參考。

1" 項(xiàng)目概況

滄州市運(yùn)東污水處理廠始建于2004年，設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬(wàn)m3/d，位于滄州市新華區(qū)鞠官屯村東，配套排水管網(wǎng)約200 km，服務(wù)區(qū)域約35 km2，原建廠設(shè)計(jì)出水水質(zhì)達(dá)GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。為加快推進(jìn)滄州市渤海入海河流消除劣V類，污水廠需盡快完成提標(biāo)改造，主要污染物指標(biāo)需達(dá)到河北省地標(biāo)DB 13" 2797—2018《黑龍港及運(yùn)東流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求。

在不額外增加占地面積、不停產(chǎn)運(yùn)行的情況下，應(yīng)充分利用現(xiàn)有生化池池容，提高污泥負(fù)荷及生化反應(yīng)速率，BBR工藝系統(tǒng)所特有的BBR（生物質(zhì)轉(zhuǎn)盤(pán)）立體網(wǎng)狀轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)備可以無(wú)須新建、構(gòu)筑物，直接多臺(tái)并聯(lián)架設(shè)于原生化池池面上，整個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)表面能大量繁殖、富集芽孢桿菌菌群，相對(duì)傳統(tǒng)活性污泥可以提高容積負(fù)荷，高效去除有機(jī)物并達(dá)到脫氮除磷的目的，從而無(wú)須額外增加池容及停產(chǎn)。而當(dāng)進(jìn)行原址改造時(shí)，需克服現(xiàn)有安裝空間不足、安裝精度要求高，以及建、構(gòu)筑物與管線交叉密集及項(xiàng)目建設(shè)周期緊迫等諸多問(wèn)題，BIM技術(shù)較好地滿足了提標(biāo)改造工程對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量、安裝精度、施工周期及虛擬體驗(yàn)等要求，避免二維設(shè)計(jì)存在的通病，極大地降低了建設(shè)單位資金與時(shí)間成本。因此本項(xiàng)目改造中，BBR工藝可以協(xié)同BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、精細(xì)化控制和模塊化安裝，形成互相支撐、降本增效的良好耦合效應(yīng)。

2" 工程應(yīng)用的技術(shù)路線

本次改造工程中，需要結(jié)合BBR工藝的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)對(duì)原廠生化池停留時(shí)間、曝氣風(fēng)量、產(chǎn)泥量及BBR設(shè)備安裝空間等進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核，而B(niǎo)IM設(shè)計(jì)主要開(kāi)展原廠建、構(gòu)筑物翻模，建立管道、管件及設(shè)備族庫(kù)，新增BBR設(shè)備建模，BBR工藝與BIM設(shè)計(jì)相互交叉迭代，形成改造后的項(xiàng)目模型，從而導(dǎo)出建設(shè)施工所需的各項(xiàng)文件。具體應(yīng)用的技術(shù)路線如圖1所示。

3" BBR工藝與BIM設(shè)計(jì)的耦合應(yīng)用

3.1" BBR工藝的應(yīng)用

3.1.1" 改造工程難點(diǎn)

污水處理廠原工藝采用“預(yù)處理+A2O+高密度沉淀池+濾池+消毒”工藝，提標(biāo)后主要指標(biāo)，見(jiàn)表1。

提標(biāo)工程具體實(shí)施中，存在以下幾個(gè)難點(diǎn)：①與一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)相比，CODcr由50 mg/L降低到40 mg/L；NH3-N由5（8） mg/L降低到2.0（3.5） mg/L；TP由0.5 mg/L降低到0.4 mg/L，出水水質(zhì)要求相對(duì)提高。②本廠區(qū)占地面積有限，周邊緊鄰工廠、居民區(qū)，無(wú)法征地進(jìn)行臨近擴(kuò)建。③運(yùn)東污水廠為市轄區(qū)主要污水處理廠，每天處理水量大，沒(méi)有可以暫時(shí)應(yīng)急處理的排放去向，因此不允許停產(chǎn)改造。

由于實(shí)際進(jìn)水NH3-N已超出了原設(shè)計(jì)的水平，如果想要利用現(xiàn)有的池體（A2O工藝）達(dá)到改造后出水NH3-N的要求，經(jīng)核算好氧池內(nèi)硝化速率需高達(dá)0.069 kgNH3-N/（kgMLVSS·d），大大超出合理范圍，因此對(duì)氨氮（NH3-N）的去除是本次改造工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

因此確定改造思路如下：①重點(diǎn)強(qiáng)化生物脫氮效果，保證出水的氮，尤其是氨氮、總氮（TN）達(dá)標(biāo)。②由生化處理系統(tǒng)發(fā)揮除磷（P）的主要功能，針對(duì)污水中的溶解性無(wú)機(jī)磷，采取必要的改造措施，提高其去除率。

3.1.2" BBR工藝的選擇

通過(guò)與A2O工藝、移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（Moving- Bed Biofilm Reactor，MBBR）工藝綜合比選，承建方采用BBR工藝：Bacillus as dominant bacteria in Bioreactor for Wastewater treatment process（以芽孢桿菌為優(yōu)勢(shì)菌的生物反應(yīng)器污水處理工藝），進(jìn)行強(qiáng)化脫氮，提出對(duì)現(xiàn)有生化系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，同時(shí)能兼顧除磷效果。

BBR工藝是以芽孢桿菌為優(yōu)勢(shì)菌的生物反應(yīng)器污水處理工藝，系統(tǒng)核心由立體網(wǎng)狀生物接觸設(shè)備、土壤菌（Bacillus菌）和營(yíng)養(yǎng)液組成。既結(jié)合了附著型生物處理和懸浮型生物處理技術(shù)，兼具缺氧、兼氧和好氧生化處理段，又引入了優(yōu)選的強(qiáng)勢(shì)復(fù)合菌種，對(duì)于難降解高濃度有機(jī)廢水及低濃度廢水都有較好的處理效果。

無(wú)論是在以添加芽孢桿菌污泥反硝化特性及菌群結(jié)構(gòu)分析的實(shí)驗(yàn)室研究中[1]，還是在大型城鎮(zhèn)污水處理廠改造擴(kuò)容工程中的實(shí)踐應(yīng)用[2]，均表明芽孢桿菌的存在會(huì)促進(jìn)其他異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)，在細(xì)菌門(mén)、綱、目、科和屬等層面，芽孢桿菌活性污泥菌群多樣性均優(yōu)于普通活性污泥，碳源充足條件下各細(xì)菌的協(xié)同作用，使芽孢桿菌活性污泥具有高效反硝化特性。

BBR工藝在進(jìn)水TN小于等于15 mg/L的情況下，碳氮比只需2.0～2.5，污水停留時(shí)間短、占地面積小，限氧曝氣池容僅為A2O工藝生化池的1/2～1/3。另外，可以直接將設(shè)備通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)的方式架設(shè)在池體構(gòu)筑物之上，能實(shí)現(xiàn)真正的不停產(chǎn)改造。通過(guò)采取上述的改造措施，生化池原有池容可完全滿足BBR工藝改造要求，無(wú)須新增構(gòu)建筑物；BBR工藝改造后出水可穩(wěn)定達(dá)到排放要求，冬季運(yùn)行時(shí)能保證氨氮及總氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3.1.3" 改造工藝流程

經(jīng)預(yù)處理后的污水自流入前端BBR池（原厭氧池），在BBR池內(nèi)與回流污泥混合后進(jìn)入后端BBR池（原缺氧池），在BBR池內(nèi)與回流混合液充分混合，實(shí)現(xiàn)芽孢桿菌的生長(zhǎng)繁殖，并且通過(guò)芽孢桿菌的吸附及分解去除污水中部分有機(jī)物、氨氮、總氮和硝酸鹽。污水經(jīng)BBR池后自流進(jìn)入后端BBR限氧曝氣池（原部分缺氧池及好氧池），通過(guò)對(duì)溶解氧、污泥濃度等條件的控制，使芽孢桿菌優(yōu)勢(shì)化培養(yǎng)，發(fā)揮其高效去除有機(jī)物、氮和磷的能力，整體工藝流程如圖2所示。

3.1.4" 改造設(shè)計(jì)內(nèi)容及參數(shù)

結(jié)合BBR工藝對(duì)污水廠現(xiàn)狀進(jìn)行復(fù)核，完成提標(biāo)改造只需對(duì)生化池及風(fēng)機(jī)房進(jìn)行利舊+改造，實(shí)現(xiàn)了不擴(kuò)建、不停產(chǎn)改造。建、構(gòu)筑物主要改造及利舊清單見(jiàn)表2。

其中，以生化段A2O池（厭氧池、缺氧池和好氧池）的改造為重點(diǎn)，將BBR設(shè)備直接架設(shè)在厭氧池及部分缺氧池池面作為BBR池，剩余缺氧池增加提拉式曝氣裝置作為1#BBR限氧曝氣池，好氧池作為2#、3#和4# BBR限氧曝氣池，新增BBR設(shè)備共計(jì)64臺(tái)，改造前后設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

改造后限氧曝氣池生化設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

3.1.5" BBR設(shè)備模塊化布置

本項(xiàng)目共新增64臺(tái)BBR設(shè)備，利用BIM技術(shù)對(duì)原污水處理廠生化池及BBR單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行建模，原生化池可利用隔墻間距為12 m，而單臺(tái)本體設(shè)備長(zhǎng)度為4.2 m，考慮設(shè)備的檢修距離，隔墻間可以架設(shè)2臺(tái)BBR設(shè)備。將2臺(tái)設(shè)備成組進(jìn)行模塊化組裝，每個(gè)模組間共用支撐梁，利用原有池體的隔墻作為結(jié)構(gòu)支撐墻，單臺(tái)BBR設(shè)備模型及模塊化布置模型分別如圖3、圖4所示。

3.2" BIM技術(shù)的應(yīng)用

BIM（Building Information Model）是指在建設(shè)工程及設(shè)施全生命周期內(nèi)，對(duì)其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并依次設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)的過(guò)程與結(jié)果的總稱，簡(jiǎn)稱模型[3]。BIM技術(shù)則是利用多軟件平臺(tái)，對(duì)模型及模型信息進(jìn)行融通整合，將其貫穿于建筑工程項(xiàng)目的整個(gè)生命周期，實(shí)現(xiàn)可視化效果設(shè)計(jì)、精確化材料統(tǒng)計(jì)和虛擬化安裝及漫游，最終達(dá)到模型數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化和建設(shè)施工狀態(tài)的同步，使建設(shè)過(guò)程和運(yùn)維階段變得更加精細(xì)、高效及統(tǒng)一。

3.2.1" BIM軟件的選擇

在使用BIM技術(shù)的過(guò)程中需要用到很多BIM軟件，不同的BIM軟件適用于不同的項(xiàng)目實(shí)施階段，同一項(xiàng)目實(shí)施階段使用的軟件，又有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)[4]，因此選擇合適的BIM軟件非常重要，通常國(guó)內(nèi)使用較多的軟件見(jiàn)表5。

本次提標(biāo)改造過(guò)程涉及工藝設(shè)計(jì)、構(gòu)筑物設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、設(shè)備安裝、調(diào)試運(yùn)營(yíng)和虛擬漫游等方面，因此需要選擇與二維CAD設(shè)計(jì)兼容的軟件。通過(guò)綜合比選，各階段BIM軟件選擇如下。

1）工藝及管道設(shè)計(jì)選擇AutoCAD Plant 3D。Auto CAD Plant 3D具有非常完善的設(shè)計(jì)功能，可以基于等級(jí)庫(kù)進(jìn)行國(guó)標(biāo)、化工標(biāo)等級(jí)庫(kù)的編輯，可以自動(dòng)生成具有施工圖深度的ISO圖，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)材料明細(xì)表，與二維CAD具有良好的互通性[5]，能夠較好地滿足污水處理廠的工藝設(shè)計(jì)及管道設(shè)計(jì)。

2）建、構(gòu)筑物設(shè)計(jì)選擇Revit。Revit模型中，所有的圖紙、平面視圖、三維視圖和明細(xì)表都是建立在同一個(gè)建筑信息模型的數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以收集到建立在建筑信息模型中的所有數(shù)據(jù)，并在項(xiàng)目的其他表現(xiàn)形式中可以協(xié)調(diào)信息，以便于實(shí)現(xiàn)模型中的參數(shù)化，能夠較好地滿足污水處理廠建、構(gòu)筑物設(shè)計(jì)。

3）施工碰撞檢查選擇Navisworks。Navisworks可以兼容Revit的設(shè)計(jì)模型，其自身的核心功能便是模擬和完善工程進(jìn)度、辨別與解決矛盾和確保工程參與對(duì)象及時(shí)通信交流，提前處理各種預(yù)見(jiàn)性問(wèn)題，可以在施工前把各專業(yè)設(shè)計(jì)整合后的項(xiàng)目模型進(jìn)行碰撞檢查并導(dǎo)出報(bào)告，指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作的改進(jìn)。

4）虛擬漫游選擇Lumion。Lumion軟件自帶豐富的材質(zhì)庫(kù)，包括金屬、玻璃、地磚和大理石等材質(zhì)，能滿足建、構(gòu)筑物內(nèi)外貼圖的需求，以及兼容Revit建模模型。

3.2.2" BIM軟件的二次開(kāi)發(fā)

在BIM軟件使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)AutoCAD Plant 3D中建立的設(shè)備、管道和鋼結(jié)構(gòu)等三維模型所附帶的屬性信息無(wú)法完整地兼容進(jìn)入Navisworks及Lumion軟件，由此給模型信息的流通使用帶來(lái)了障礙，同時(shí)降低了模型信息積累的無(wú)形價(jià)值，而Revit軟件對(duì)于后端軟件的兼容較強(qiáng)，具備良好的通用性，因此有必要建立AutoCAD Plant 3D換化Revit的插件軟件，以實(shí)現(xiàn)BIM信息的全流程打通，如圖5所示。通常先在Plant 3D軟件中進(jìn)行工藝管道和設(shè)備的三維建模和信息賦予，然后將其整體轉(zhuǎn)換到Revit軟件中，實(shí)現(xiàn)污水處理廠項(xiàng)目模型的整合，如圖6所示。

通過(guò)AutoCAD Plant 3D和Revit軟件的融合，管道、設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)的幾何屬性及信息屬性實(shí)現(xiàn)了保留及流通，使工藝、管道及設(shè)備的BIM設(shè)計(jì)兼容到整體項(xiàng)目模型中，并為后期運(yùn)維及虛擬漫游需求保證了信息等級(jí)深度。

3.2.3" 自建常用族庫(kù)

針對(duì)污水處理廠的BIM設(shè)計(jì)，有部分市政設(shè)計(jì)院在給排水構(gòu)筑物及設(shè)備等建模方面進(jìn)行了多項(xiàng)二次開(kāi)發(fā)嘗試，形成了水工藝參數(shù)化圖庫(kù)及構(gòu)筑物參數(shù)化建模插件，能夠提高水廠類項(xiàng)目建模效率，從而提高整體設(shè)計(jì)效率[6]。本次工程充分結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需求，利用Revit建族功能，自建閥門(mén)常用族庫(kù)（圖7）及相關(guān)設(shè)備常用族庫(kù)（圖8），提高模型的重復(fù)利用率。

3.2.4" 設(shè)備及管道布置設(shè)計(jì)

改造工程利用AutoCAD Plant 3D中三維建?？臻g功能模塊進(jìn)行三維建模，并賦予設(shè)備及管道信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備布置的精準(zhǔn)化、管道布置的精確化，是體現(xiàn)三維設(shè)計(jì)和BIM正向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，改造后新增設(shè)備及管道布置設(shè)計(jì)如圖9所示。

3.2.5" 施工材料清單導(dǎo)出

改造工程利用AutoCAD Plant 3D中Report空間功能模塊進(jìn)行管閥等材料的導(dǎo)出，材料清單上可以完整精確地體現(xiàn)管道、閥門(mén)、管件和螺栓等材料的數(shù)量、材質(zhì)、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)等采購(gòu)信息，極大簡(jiǎn)化了施工單位的工作流程，避免了人工統(tǒng)計(jì)材料常見(jiàn)的錯(cuò)誤疏漏問(wèn)題，清單如圖10所示。

3.2.6" 碰撞檢查設(shè)計(jì)

改造工程利用Navisworks中檢查碰撞功能，將設(shè)備、管道與建、構(gòu)筑物的梁、墻、頂板及地面等構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)檢查，對(duì)發(fā)現(xiàn)的碰撞自動(dòng)識(shí)別，并導(dǎo)出檢查報(bào)告，設(shè)計(jì)人員依據(jù)報(bào)告進(jìn)行施工前修改，大幅提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了施工周期，節(jié)約了施工成本，模型碰撞檢查報(bào)告如圖11所示。

3.2.7" 渲染及虛擬漫游

改造工程利用Lumion虛擬渲染功能，將建、構(gòu)筑物與設(shè)備、管道等構(gòu)件賦予貼近實(shí)物的材質(zhì)，與改造后實(shí)物工程現(xiàn)狀高度吻合，如圖12所示。在對(duì)項(xiàng)目模型完善渲染后，利用虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)漫游體驗(yàn)，極大地提升了施工交底便利性，以及虛擬體驗(yàn)的真實(shí)性（圖13），也為模型后期應(yīng)用于智慧運(yùn)維系統(tǒng)提供了良好的基礎(chǔ)。

4" 結(jié)論

1）面對(duì)污水處理廠提標(biāo)改造工程不能停產(chǎn)、不能擴(kuò)建的制約因素，BBR工藝可以顯著提高污泥負(fù)荷及容積負(fù)荷，高效利用原有生化池池容，利用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)備模塊設(shè)計(jì)及安裝，直接實(shí)現(xiàn)原位改造，大幅降低了改建投資成本。

2）針對(duì)改造過(guò)程中存在的安裝空間有限、新舊設(shè)備及管路交叉碰撞，利用BIM技術(shù)進(jìn)行原廠翻模及新增工程建模，明顯縮短了建設(shè)安裝周期。同時(shí)因采用BBR工藝時(shí)所涉及的新增輔助設(shè)備少，改動(dòng)工程少，所以BIM建模的工作量也相應(yīng)減少。

3）當(dāng)污水處理廠提標(biāo)改建工程采用BBR工藝及BIM技術(shù)時(shí)，二者相互支撐，實(shí)現(xiàn)了良好的耦合效應(yīng)，取得了1+1＞2的效果，為建設(shè)單位節(jié)約了土地、資金及時(shí)間成本，值得建設(shè)同類型項(xiàng)目時(shí)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王思宇，李軍，王秀杰，等.添加芽孢桿菌污泥反硝化特性及菌群結(jié)構(gòu)分析[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2017，37（12）：4649-4656.

[2] 呂汶霖，孫德壽，王偉偉，等.生物轉(zhuǎn)盤(pán)在某城鎮(zhèn)污水處理廠改造擴(kuò)容工程中的應(yīng)用[J].中國(guó)給水排水，2021，37（4）：82-86.

[3] 建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 51212—2016[S].

[4] 王美華，高路，侯羽中，等.國(guó)內(nèi)主流BIM軟件特性的應(yīng)用與比較分析[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2017，9（1）：69-75.

[5] 李進(jìn)華，覃鍵錦.國(guó)內(nèi)新建糖廠三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用[J].廣西糖業(yè)，2019，107（4）：23-26.

[6] 姜天凌，徐亞男，沈辰楠，等.BIM參數(shù)化技術(shù)在污水處理廠三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].給水排水，2020，56（S1）：235-237.