城市污水再生利用工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

曾詩(shī)，瞿露

中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司重慶分院，重慶，400047

0 引言

由于城市人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，水資源短缺已成為全球性的難題。我國(guó)水資源分布不均，人均淡水資源相當(dāng)有限，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明世界人均水資源占有量為1.29萬(wàn)m3，而我國(guó)人均水資源量?jī)H2239.8m3[1-2]。水資源短缺不僅給人民正常生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重阻礙，也帶來(lái)了諸多環(huán)境生態(tài)問(wèn)題。國(guó)家發(fā)展和改革委、科技部、工信部等十部門共同印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)污水資源化利用的指導(dǎo)意見（發(fā)改環(huán)資〔2021〕13號(hào)）》，其中明確提出2025年全國(guó)地級(jí)及缺水城市的再生水利用率應(yīng)達(dá)到25%以上。污水再生處理的成本小于從傳統(tǒng)水源取水制水的成本，必能促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

1 再生水利用設(shè)計(jì)思路

1.1 利用方向的選擇

1.1.1 城市雜用再生水利用

城市雜用再生水利用方向廣，設(shè)計(jì)方案較靈活；且易于統(tǒng)計(jì)再生水的消耗量。此類型再生水在利用過(guò)程中會(huì)與人有間接或直接的接觸，需要事先調(diào)查社會(huì)對(duì)其的接受程度，制定合理的利用途徑以保證供水效率和供水安全。根據(jù)城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)指標(biāo)（GB/T18920-2002），水質(zhì)要求較低，存在一定的水質(zhì)安全隱患，需要嚴(yán)格控制再生水生化與衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)[3]。

1.1.2 景觀環(huán)境再生水利用

利用景觀再生水的對(duì)象主要為公園綠地灌溉、景觀水體及天然水體等，可有效提升景觀環(huán)境，為城市河道、湖泊水量補(bǔ)充生態(tài)基流。

再生水中含有細(xì)菌、原生動(dòng)物、蠕蟲和病毒等病原微生物，用于景觀用水時(shí)需要控制再生水中余氯含量以抑制病原微生物的繁殖生長(zhǎng)，如果余氯含量過(guò)低則導(dǎo)致病原微生物的大量繁衍，導(dǎo)致再生水水質(zhì)惡化影響利用效果，但是過(guò)高又會(huì)對(duì)受納景觀水體中的水生生物造成毒害傷害。因此需要合理控制再生水的氯投加量。

1.1.3 工業(yè)再生水利用

理想使用工業(yè)再生水的對(duì)象是用水量較大且對(duì)水質(zhì)要求較低的企業(yè)。工業(yè)冷卻水對(duì)水質(zhì)的要求較低，如堿度、硬度、氯化物以及鐵錳含量等容易達(dá)標(biāo)；其他水質(zhì)指標(biāo)如SS、氨氮、COD等，二級(jí)處理出水經(jīng)適當(dāng)凈化后也能滿足要求。鍋爐用水受鍋爐類型對(duì)水質(zhì)有不同要求，在硬度、腐蝕性和結(jié)垢等方面指標(biāo)要求較高，一般需要深度處理后方可使用。工業(yè)沖洗用水對(duì)水質(zhì)要求不高時(shí)，可以用再生水代替。

1.2 影響利用的因素

再生水利用應(yīng)當(dāng)有非常廣闊的前景，然而其推廣利用受到多方面因素的影響，使得目前再生水市場(chǎng)需求十分有限。

1.2.1 系統(tǒng)規(guī)劃

污水處理與再生利用缺乏統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)籌管理。首先，由于污水處理設(shè)施的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)與水資源利用及水污染防治分屬住建、水利、環(huán)保、市政等不同部門，前期各部門所制定的規(guī)劃計(jì)劃、規(guī)章制度、政策措施等方面的目標(biāo)定位、作用范圍、實(shí)施時(shí)序等思考角度都有差異。其次，大部分城市在進(jìn)行污水再生利用規(guī)劃時(shí)未將供水規(guī)劃結(jié)合考慮，導(dǎo)致規(guī)劃市政給水量偏大，無(wú)再生水利用空間；或是未考慮將城市的再生水利用設(shè)施整合，使得利用設(shè)施布局分散、用水途徑各異，制約了再生水分類、分質(zhì)利用。

1.2.2 水價(jià)體系

再生水的價(jià)格是影響再生水能否利用的核心要素，當(dāng)水質(zhì)安全水量穩(wěn)定性之時(shí)，相對(duì)自來(lái)水更為低廉的價(jià)格能極大激發(fā)再生水利用需求。只有公眾感到使用再生水相對(duì)便宜時(shí)，才能建立合理的用水消費(fèi)，建立起合理的水價(jià)體系和用水結(jié)構(gòu)。

1.2.3 觀念認(rèn)知

現(xiàn)有的再生水利用工程規(guī)模普遍較小、回用范圍局限；缺乏對(duì)水資源短缺狀況、不同類別水資源的利用范圍、水價(jià)制定原則和程序等信息科普宣傳，使得公眾受傳統(tǒng)觀念影響，對(duì)再生水水質(zhì)心存顧慮；同時(shí)城市雜用、景觀和工業(yè)用水仍大規(guī)模使用自來(lái)水，缺乏使用再生水的典型案例，擔(dān)心可能受到不良影響，導(dǎo)致再生水難以推廣。

1.3 設(shè)計(jì)工藝

國(guó)內(nèi)已有不少的污水再生回用工程實(shí)例，污水廠出水經(jīng)過(guò)深度處理后，一般均可滿足城市雜用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)灌溉的水質(zhì)要求[4]。常用再生水工藝有如下三類[5-6]：混凝-沉淀-過(guò)濾-消毒的常規(guī)處理工藝；混凝-沉淀與微濾、超濾或反滲透等膜技術(shù)組合工藝；生物處理工藝，典型如生物濾池。

針對(duì)不同地區(qū)的氣候條件和不同的水質(zhì)需求再生水處理工藝存在差異。例如我國(guó)北方溫度較低的地方，生物技術(shù)受微生物活性限制，無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有的處理效果，多采用常規(guī)處理工藝或膜技術(shù)處理工藝。部分工業(yè)城市的污水受工業(yè)廢水影響，鹽度高、可生化性相對(duì)較差，多應(yīng)用膜技術(shù)處理工藝。總的來(lái)說(shuō)，再生水的設(shè)計(jì)工藝應(yīng)針對(duì)具體需求，因地制宜地選用。

2 再生水利用工程設(shè)計(jì)案例

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1.1 再生水利用方向

本次案例為重慶地區(qū)某污水廠再生水利用。首先結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際用水需求，確定本次再生水利用方向主要有兩個(gè)方面：一是城市雜用，二是生態(tài)補(bǔ)水。城市雜用主要是將再生水替代自來(lái)水，用于市政道路沖洗、園林綠化和環(huán)衛(wèi)清掃，從而節(jié)省水資源、降低用水成本。生態(tài)補(bǔ)水則針對(duì)該城鎮(zhèn)的四條季節(jié)性水資源短缺支溝以及公園人工湖，將再生水富余量作為支溝、湖泊生態(tài)景觀補(bǔ)充用水。

2.1.2 再生水設(shè)計(jì)規(guī)模

再生水工程總建設(shè)規(guī)模3萬(wàn)m3/d，其中城市雜用水處理設(shè)施按遠(yuǎn)期規(guī)模1.5萬(wàn)m3/d一次性建成，設(shè)備按近期規(guī)模0.6萬(wàn)m3/d安設(shè)，生態(tài)補(bǔ)水1.5萬(wàn)m3/d一次性建成。

2.1.3 再生水設(shè)計(jì)水質(zhì)

該污水廠出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果亦穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。城市雜用水（道路沖洗、綠化澆灑）執(zhí)行《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》（GB/T 18920-2020）中的道路清掃、城市綠化水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，景觀補(bǔ)水執(zhí)行《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》（GB/T 18921-2019）觀賞性河道、觀賞性湖泊用水標(biāo)準(zhǔn)。污水廠出水水質(zhì)和再生水要求水質(zhì)如表1所示。

表1 污水廠出水與再生水要求水質(zhì)對(duì)比表

2.2 方案設(shè)計(jì)

對(duì)比表1中污水廠出水標(biāo)準(zhǔn)和再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可知，作為城市雜用水還需進(jìn)一步消毒，去除大腸埃希氏菌，并補(bǔ)充余氯。對(duì)比近半年來(lái)污水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)及再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可知，現(xiàn)狀BOD5已基本達(dá)標(biāo)；由于污水廠內(nèi)設(shè)有高效沉淀池，對(duì)總磷去除效果較好，出水TP最高值均在0.3mg/L以下。因此再生水作為生態(tài)補(bǔ)水還需重點(diǎn)去除的指標(biāo)主要為TN、NH3及濁度指標(biāo)。

由于出水有余氯要求，故消毒法采用加氯法。而液氯消毒雖然成本低，但其運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用環(huán)節(jié)需嚴(yán)格防止泄漏；基于安全考慮，選擇與液氯相似但危險(xiǎn)性小的含氯化合物，成品次氯酸鈉采購(gòu)方便，且加藥系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單。污水廠出水經(jīng)二次消毒后可滿足城市雜用水的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)泵提升至再生水城市雜用水管網(wǎng)后使用。為進(jìn)一步去除水中氮類物質(zhì)，選用了曝氣生物濾池（Biological Aerated Filter，BAF）。BAF根據(jù)處理對(duì)象可分為三類：硝化曝氣生物濾池將水中的氨氮氧化為硝態(tài)氮；碳氧化曝氣生物濾池將水中有機(jī)物進(jìn)行降解；反硝化生物濾池在碳源充足的情況下將水中硝態(tài)氮還原為氮?dú)狻Ｏ趸貧馍餅V池和碳氧化曝氣生物濾池內(nèi)工作時(shí)需要足夠的溶解氧以確保正常運(yùn)行，而反硝化濾池工作時(shí)則需保持較低濃度的溶解氧。強(qiáng)化去除水中的TN、NH3后，經(jīng)二次消毒后可滿足生態(tài)補(bǔ)水的標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，本案例中再生水處理工藝流程如圖1。

該污水廠現(xiàn)狀地面較平坦，新建水廠基本維持現(xiàn)狀標(biāo)高，設(shè)計(jì)場(chǎng)平標(biāo)高400.80～400.90m。再生水處理系統(tǒng)采用重力自流，構(gòu)筑物高程由污水廠出水標(biāo)高確定。

2.3 主要單體設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3.1 中間提升泵房

功能：滿足生態(tài)補(bǔ)水處理豎向設(shè)計(jì)上的水壓要求。

尺寸參數(shù)：集水池平面凈空尺寸20.0m×4.0m，有效調(diào)節(jié)水深3.0m。

設(shè)備參數(shù)：設(shè)軸流泵3臺(tái)，單臺(tái)Q=315m3/h，H=8m。

2.3.2 兩級(jí)生物濾池

配水形式：濾板+濾頭+濾梁

反沖洗形式：快速降水位+氣水聯(lián)合反沖洗

（1）前置反硝化生物濾池：

反沖洗周期：根據(jù)實(shí)際情況而定，一般12～24hr

反沖洗氣強(qiáng)度：100m3/（m2·h）

反沖洗水強(qiáng)度：18m3/（m2·h）

濾料層高度：H=3.0m

停留時(shí)間：HRT＝23.1min，其中一格反洗時(shí)HRT=15.4min

水力負(fù)荷：q＝7.8m3/（m2·h），其中一格反洗時(shí)q＝11.7m3/（m2·h）

（2）N硝化曝氣生物濾池：

反沖洗周期：根據(jù)實(shí)際情況而定，一般24～48hr

反沖洗氣強(qiáng)度：75m3/（m2·h）

反沖洗水強(qiáng)度：18m3/（m2·h）

曝氣量：31.25m3/min

濾料層高度：H=4.0m

停留時(shí)間：HRT＝41.0min，其中一格反洗時(shí)HRT=30.7min

水力負(fù)荷：q＝5.9m3/（m2·h），其中一格反洗時(shí)q＝7.8m3/（m2·h）

2.3.3 接觸消毒池及提升泵房

（1）雜用水系統(tǒng)接觸消毒池及提升泵房：接觸時(shí)間：30min

設(shè)備參數(shù)：潛水泵3臺(tái)，單臺(tái)Q=250m3/h，H=69m。

（2）生態(tài)補(bǔ)水系統(tǒng)接觸消毒池及提升泵房：接觸時(shí)間：30min

設(shè)備參數(shù)：潛水泵2臺(tái)，單臺(tái)Q=315m3/h，H=55m。

2.3.4 供水管道設(shè)計(jì)

考慮本次設(shè)計(jì)中城市雜用水系統(tǒng)與生態(tài)補(bǔ)水系統(tǒng)水質(zhì)要求、水壓要求差異較大。其中城市雜用水有余氯要求，若采用同一系統(tǒng)，不僅大幅增加了加氯量，經(jīng)初步核算運(yùn)行成本約0.96元/m3；此外大量余氯將隨著補(bǔ)水進(jìn)入到水體之中，對(duì)水生態(tài)有不利影響，故分別按照獨(dú)立的系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩套再生水管道，運(yùn)行成本約0.49元/m3。

新建再生水管網(wǎng)時(shí)充分考慮現(xiàn)狀區(qū)域內(nèi)再生水需求及地塊開發(fā)建設(shè)時(shí)序，滿足地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的需要，城市雜用水系統(tǒng)廠外管網(wǎng)按遠(yuǎn)期布局統(tǒng)籌考慮，適應(yīng)片區(qū)建設(shè)分期實(shí)施。同時(shí)結(jié)合上位規(guī)劃保證在再生水管道平面布置、斷面、高程布置均能滿足需求，以及使用的安全性、便利性。在市政道路上布置智能取水系統(tǒng)，保證無(wú)間斷、無(wú)故障使用，同時(shí)避免傳統(tǒng)消防栓式取水造成的大量滲漏和偷水倒灌等現(xiàn)象；實(shí)現(xiàn)單獨(dú)核算再生水水量、單獨(dú)收費(fèi)的功能，便于科學(xué)化管理，減少供水公司產(chǎn)銷差，促使水資源利用均衡。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于再生水利用設(shè)計(jì)，在實(shí)施之前必須對(duì)現(xiàn)狀需求做詳細(xì)調(diào)查，確定利用的方向，是否有條件供給，采用何種方式供給，如城市道路灑水、景觀水體補(bǔ)水、綠化灑水等市政需水以及工業(yè)生產(chǎn)用水，可采用城市污水廠再生水集中回供；若需水量較小、鋪設(shè)再生水管網(wǎng)成本過(guò)高，應(yīng)采取再生水分散式回供，滿足就近區(qū)域內(nèi)的綠化、景觀用水等。設(shè)計(jì)合理供水規(guī)模、因地制宜設(shè)計(jì)處理工藝，實(shí)現(xiàn)分質(zhì)供水才能體現(xiàn)再生水經(jīng)濟(jì)價(jià)值，有效促進(jìn)再生水的使用。