城市中水回用工藝比選及案例設計

李喬莎

（山西省環境保護技術評估中心， 山西 太原 030009）

1 概述

1.1 生活污水概述

山西省是嚴重缺水大省，全省人均水資源占有量為381 m3，是全國平均水平的1/5。2005 年太原市第二次水資源評價結果顯示太原市淡水資源儲蓄總量為5.33 億m3，人均淡水資源占有量為168 m3，為全國人均占有量的1/12，為全省人均占有量的1/2。山西作為缺水大省很早就開始對水資源的保護和再利用工作，已經建設多個中水回用項目，但仍缺少對城市小區中水回用系統的建設[1]。

隨著城市化進程的加快，城市生活污水水量大、水質不穩定，是地表水污染的主要來源，生活污水部分直接排入地表水，另一部分經過市政管網收集，集中排入城市污水處理廠[2]。

生活污水含有大量的生活垃圾、懸浮物以及淀粉、蛋白質、油脂等有機物，生活污水中總氮、總磷、總硫含量高。未處理的生活污水中還有細菌、病毒、寄生蟲卵等微生物。在外排入地表水系統時引起水體的物理、化學、生物變化。物理變化包括引起水體色度、濁度、溫度、pH、總固體濃度的變化?；瘜W變化包括離子濃度、有機物濃度、BOD、DO 等變化。物理和化學變化會影響水體中物質的遷移轉化。水中物質沉淀、溶解、揮發、吸附、絡合-螯合作用受濃度、溫度、電勢差等影響導致水體中溶解物質發生改變。當水中有機物濃度增加將引起生態變化和溶氧變化。當水體中有機物濃度急劇增加水中藍藻大量繁殖使溶氧量下降，水中魚類大量死亡，厭氧菌分解污水中有機物，好氧菌大量減少，以厭氧菌的分解產物為食。水中各生物種群及溶氧平衡發生變化，造成區域水環境生態失衡。該種污水外排方式大都出現在城郊、農村這些污水處理系統未覆蓋地區。這些地區缺少水處理資金、技術，只得污水外排。

表1 基本控制項目最高允許排放質量濃度（日均值）及其他指標

城市小區中水處理常用辦法包括混凝沉淀法、生物接觸氧化法、膜生物反應器、人工濕地技術[3]。生活污水進入污水處理廠經過污水處理工藝達到一定標準后排放，根據城鎮污水排入地表水域環境功能和保護目標的差異，將污水廠排放水質標準分為一級標準、二級標準、三級標準，其中一級標準包括A標準和B 標準。表1 為各標準基本控制項目標準[4]。

一級A 標準出水可以用于景觀回用和一般回用。其中城鎮污水處理廠出水排入國家和省確定的重點流域及湖泊、水庫等封閉、半封閉水域時，執行一級標準的A 標準，排入GB3838 地表水III 類功能水域（劃定的飲用水源保護區和游泳區除外）、GB 3097海水二類功能水域時，執行一級標準的B 標準。

1.2 太原市中水回用現狀以及利用瓶頸

當前太原市大型污水處理廠共十家，現在仍有城南污水廠西廠區在建，部分污水廠工程建設以及中水回用情況見表2。據統計，太原市日產生污水量為67 萬t。當這些污水廠完全建成將可以處理87.6%的生活污水，并且有40%～50%回用。太原市建設有中水回用系統并且持續運營的單位有山西國貿大飯店、迎澤賓館等18 家單位。

表2 太原市部分污水廠運營情況

當前太原市可回用中水量大大增加但中水回用仍未深入居民小區落實的原因包括三點：第一，中水配給管網建設面積小。污水廠直接中水配給主要對象是大型企業、公園，對居民區輻射很少，居民小區建設有中水回用管網的很少，限制了居民中水回用；第二，居民小區中水回用系統設施的初期投資建設費用高，政府對此缺少政策上的鼓勵和引導；第三，大眾對中水處理后的水質不信任。中水是達到某種回用標準的非飲用水，一旦中水水質不達標，中水就可能成為小區污染源，威脅到小區居民的健康安全。

在城市小區建設中水處理回用系統裝置，既可以將生活排水就地無害化、減量化、資源化，減少自來水取水，又解決了從污水處理廠到居民小區中水配給管網布設匱乏的問題。本文將結合山西萬景源房地產開發項目具體情況，根據國家規范和要求，設計中水處理設施，并提出中水回用的方式及回用環節。

1.3 中水回用概述

1.3.1 中水分類

城市小區中水系統是將生活排水經過適當處理，達到一定的回用標準后，回用于廁所沖洗、汽車清洗、環境綠化和補充地下含水層等方面的非飲用水[5]。中水分為優質雜排水、雜排水和全生活污水[6]。除廚房排水、廁所排水之外的生活污水是優質雜排水；在優質雜排水中增加廚房排水為雜排水；雜排水中增加廁所排水成為全生活污水。優質雜排水主要包括淋浴用水、盥洗水、洗衣水。優質雜排水中懸浮物、有機物負荷低。陰離子表面活性劑含量高。陰離子表面活性劑是優質雜排水中水處理的主要污染物質。廚房排水中生活垃圾較多，懸浮物濃度較高，有機物負荷高，針對該部分排水一般要在一級處理過程中設置除油裝置。廁所排水水質差，要想達到回用標準成本較高，排入城市污水處理廠進行處理。

1.3.2 城市小區中水回用技術概述及應用條件

城市中水處理主要工藝流程有物化法、生化法、生化二段法、物化—生化法[7]。主要工藝技術比選見下頁表3。

1）物化法：進水—格柵—調節池—混凝沉淀—消毒—中水。

2）生化法：進水—格柵—調節池—生物處理—沉淀—過濾—消毒—中水。

3）生化二段法：進水—格柵—調節池—一段生物處理—沉淀—二段生物處理—沉淀—過濾—消毒—中水。

4）物化—生化處理：進水—格柵—調節池—混凝處理氣浮—沉淀—生物處理—沉淀—過濾—消毒—中水。

物化法適用于對優質雜排水進行處理。生化法以及生化二段法對于水中可降解有機物去除效率高，對于脫氮除磷效果好，適用于雜排水以及全生活污水處理。物化—生化處理集合前兩種處理的優勢，處理效果好，但構筑物建設費用增加。各種回用水處理工藝在過濾之后必須進行消毒處理，在整個中水處理工藝中要實時監測、定時取樣檢測，避免由于每日的用水高峰和季節用水差異大等因素影響中水回用。

2 案例設計

2.1 案例概況

山西萬景嘉苑建設項目位于太原市小店區大運路以東，小吳社區用地范圍內，總建設面積為101 592.2 m2。主體住宅共計1 940 戶，預計將會有6 208 人入住。公寓樓預計將有544 人住。辦公樓可安置1546 人。建筑占地面積31 493.6 m2，道路、廣場及其他硬化地面積34 541 m2，綠地面積35 557 m2，建筑密度31%。

表3 核心技術比選

根據要求[8]，本文要對該建設項目設計中水處理回用系統。建設項目建筑物分項給水量情況見表4。

表4 建設項目建筑物分項給水量

采暖期、非采暖期用水量分別為1 076.6 m3/d、1 188.9 m3/d，全年用水量為417 103.5 m3/a；其中中水用水量采暖期為314.8 m3/d，非采暖期為403.2 m3/d，全年中水用水量為133 908 m3/a。中水用水量占總用水量的32.1%。

采暖期和非采暖期污水排放量分別為582.5 m3/d和497.6 m3/d，經化糞池預處理后，排入市政污水管網，入城南污水處理廠。本項目全年污水排放量為194 359 m3/a。冷卻塔排水及軟化設備排水均直接排入雨水系統或中水系統，冷凝水進中水系統。根據規定，用做中水水源的水應為中水回用量的110%～150%。本文取110%計，按非采暖期中水使用量進行設計，則設計處理規模為443.6 t/d。本項目住宅（包含公寓）產生的優質雜排水量為（446.9+58.8+18.6）×85%=445.7 m3/d，可以滿足本項目中水水源回用量的要求。不同時期建筑物用水情況見表5。

表5 中水回用建筑物用水情況

2.2 案例工藝設計

中水收集446 t/d。生活小區生活排水主要集中于中午11:00-14:00、晚上17:00-22:00 排出，晚上排水較多，以全天排水的70%計算，則中水處理設備的設計處理流量為89.2 t/h。全天處理流量為446 t/d。

2.2.1 原水水質

建筑物質各原水水質情況（見表6）。

表6 建筑物各原水水質

2.2.2 出水水質及水量

出水水量為446 t/d，處理設備運行時間為8 h/d，設備處理能力達到高峰時優質雜排水排水水量89.2 t/h 出水水質情況見表7。

表7 出水水質

2.2.3 工藝流程

案例工藝設計污水處理流程見圖1。

2.2.4 工藝設計

2.2.4.1 格柵

1）確定柵前水深h0。

式中：B1為槽寬，m；v為水流速度，m/s。

2）柵條間隔數n。

柵前槽寬B1為0.26 m，柵前水深h1為0.14 m。

式中：Q為水流流量，m3/s；δ 為安裝角度，（°）；h0為柵前水深，m；b為柵條間隙寬度，m。

3）柵槽有效寬度B。

設計采用Φ10 mm 圓鋼為柵條，即柵條寬度s=0.01 m。

B=s（n-1）+bn=0.01×（25-1）+0.010×25=0.49 m式中：s為柵條寬度，m；b為柵條間隙寬度，m；n為柵條間隔數，個。

4）水頭損失h。

式中：δ 為安裝角度，（°）；g為重力加速度，m/s2；ζ 為阻力系數。

ζ 數值與格柵條的斷面形狀有關系，對于圓形斷面。

式中：s為柵條寬度，m。

5）通過格柵的水頭損失h1。

式中：k為格柵受污物堵塞使水頭損失增大的倍數，一般取3；h為水頭損失，m。

6）柵后槽總高度H。

式中：h2為柵前渠道超高，m，一般取0.3 m。

7）柵槽總長度L。

式中：L1為進水槽漸寬部分長度，m；L2為柵槽與出水渠連接渠的減縮長度，m；H1為柵前槽高，m；B1為進水渠道寬度，m；B為柵槽寬度，m；α1為進水渠展開角，一般用20°。

8）柵渣量W。

式中：K總為生活污水流量變化系數，W1為單位體積柵渣量，m3/（103m3）。

2.2.4.2 調節池

由于生活排水時段不均勻，并且水質水量變化較大，因此設置調節池調節水量水質，調節池采用地下式，鋼混長方體結構，調節池體積V=L×W×H=4.5×3.1×3.3=46 m3，水力停留時間為30 min。調節池中投加少量濃硫酸調節pH 到6～9 之間。

2.2.4.3 混凝池

混凝池為方形，混凝時間為10 min，投加聚合氯化鋁25 g/m3以及聚丙烯酰胺5 g/m3，在投加混凝劑后立即快速攪拌200 r/min，攪拌3 min，然后慢速攪拌40 r/min，攪拌7 min，然后靜止20 min?；炷恋沓嘏溆袛嚢杵??；炷齽Ρ谟懈g作用，需要做UPVC 板襯里防腐?；炷厝莘e為46 m3。

2.2.4.4 斜管式沉淀池

斜管沉淀池傾角為60°，采用升流式異向流斜管沉淀池，管長為1 m，斜板寬為100 mm，斜管沉淀池長0.6 m、寬4.0 m、高3.0 m，總體積7.35 m3。

2.2.4.5 消毒池

本次設計采用間歇式紫外線消毒。進水速率為4.7 mm/s，水力停留1 min，照射池有效池深0.65 m、寬2 m、長3 m，間隔15 min，照射1 min，排水4 min。經過處理以后的中水進入中水儲水池，中水儲水池體積為360 m3。

2.3 效益分析

根據表5 中水回用建筑用水情況可知，非采暖期和采暖期中水回用量分別可達到403.2 m3/d 和314.8 m3/d。中水回用量可達133 908 m3/a。

2.3.1 經濟效益分析

太原市現行水價為2.4 元/t，物化法處理中水成本為0.8 元/t。中水回用一天可以節省645.12 元，一年可以節省21.4 萬元。

2.3.2 環境效益分析

中水處理以后將中水全部回用于住宅（包含公寓沖廁）、綠化環衛、清洗車輛、道路噴灑。經過中水回用工藝后，降低城市污水處理廠負擔。經過中水處理以后優質雜排水實現完全回用，大大節省了自來水取水量。

3 總結

中水在水資源供給緊張的今天，作為第二水源大大減輕水供應壓力。優質雜排水作為中水回用原水占到了生活全排水的60%。這部分中水回用的經濟效益就已經很明顯。它們不僅可以滿足該小區環境綠化環衛、消防、清洗車輛、道路噴灑的需要，而且減少自來水取水，將優質雜排水無害化、減量化、資源化。中水回用系統增加了建筑物建設的初期費用，但獲得了中水回用長期經濟效益和環境效益，實現經濟、環境平衡發展。對萬景嘉苑建設工程的中水回用工藝設計，可以推廣用于酒店、洗浴場所、賓館的優質雜排水處理。

中水回用初期建設土建費用較高，可以多采用一體處理系統，將處理工藝系統整體購買安裝，這樣也可以降低部分建設、管理費用，實現處理系統自動監測。

完稿時，太原市政府部門正在積極建設太原市最大污水處理廠——晉陽污水處理廠，設計日處理能力為48 萬t?，F在太原市污水處理廠，日處理后中水可達39.12 萬t，但是中水回用率只有32.1%。這就需要市政部門積極建設中水回用系統，包括管網敷設、配水設施、中水貯存池等。在中水出廠到回用到位整條管網中加強質量檢測，防止二次污染的發生。

此外，政府應加強對企業與居民個人中水回用的鼓勵與支持，給與政策優惠、資金幫助。這必將推進綠色山西轉型跨越，經濟、社會、環境全面可持續健康地發展。