基于工藝創新的水資源循環利用研究

[摘 要]城市自來水廠在生產過程中，需要消耗資源。提高資源利用效率、減少溫室氣體排放，將綠色發展落到實處，是供水行業普遍面臨的重要課題。廣州市花都自來水有限公司借助廣州北江引水工程建設契機，對新建水廠的設計、建設、運營全過程進行深入研究，基于對凈水工藝、水資源循環利用、智慧建造、智慧水廠等全面創新，打造了一座集“生產、辦公、參觀、研學”為一體的“綠色生態、低碳環保、智慧創新、穩健高效”的燈塔水廠，突破了行業普遍存在的排泥水處理瓶頸，實現了節能減碳、污水零排放的目標，探索出一條水資源循環利用、綠色發展新路徑。

[關鍵詞]智慧水廠；凈水工藝；水資源循環利用

一、公司簡介

作為集供水、施工和服務保障為一體的綜合性供水企業，廣州市花都自來水有限公司（簡稱“花都自來水公司”）成立于1986年10月，前身是1969年成立的花縣新華供水站，主要負責廣州市花都區城鎮供水相關工作，具有市政公用工程施工總承包二級資質。2016年4月，花都自來水公司國有產權100%無償劃轉至廣州市水務投資集團有限公司，成為集團直屬二級企業。

截至目前，花都自來水公司注冊資本4200萬元，資產總額約22億元，營業收入近4億元，員工560多人；下轄參股企業1家、全資子企業7家、托管鎮級供水單位1家，擁有直屬自來水廠4家（花都、東部、石角、秀全水廠）、供水加壓站3個（石塘、雅瑤、巴江加壓站）；供水管網總長3400公里，服務人口約200萬人，供水面積約970平方公里，年供水總量約1.7億立方米，日最高供水量近60萬立方米。

多年來，花都自來水公司始終牢記習近平總書記強調的“飲水安全是人民生活的一條底線”的重要囑托，圍繞高品質供水服務主責主業，開辟新賽道，打造燈塔水廠，構建現代供水新業態。同時，依托深耕供水行業多年的經驗和優勢，深度拓展二次供水市場業務，通過推行供水“建管服”新模式，構建形成了一套價格低、質量優、專業化程度高、市場適配度高的二次供水設施建設體系，持續保障區域供水安全穩定，讓廣大人民群眾用水放心、省心、安心、舒心。

近年來，花都自來水公司堅持創新驅動發展戰略，健全科技創新管理體系，持續加大技術創新、工藝創新的投入力度，在水廠工藝技術、管網技術、優化調度與節能降耗、水資源循環利用等方面形成一系列科技創新成果，在穩步擴大供水覆蓋范圍的同時，進一步增強了自來水供應能力，提升了供水服務水平，為建設國內一流、世界先進的智慧化“燈塔水廠”打下了堅實基礎。現擁有1項發明專利、4項實用新型專利和10項軟件著作權，正在申報發明專利1項、實用新型專利2項。

二、實施背景

（一）貫徹落實國家節水相關安排部署的主動作為

黨的十八大以來，習近平總書記站在黨和國家事業發展全局和中華民族永續發展的戰略高度，提出“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路，強調“節水工作意義重大，對歷史、對民族功德無量”，要求“推進中國式現代化，要把水資源問題考慮進去，以水定城、以水定地、以水定人、以水定產，發展節水產業。”

2023年9月22日，國家發展改革委等部門發布的《關于進一步加強水資源節約集約利用的意見》強調，深入實施國家節水行動，堅持“四水四定”，健全節水制度政策，推進水資源總量管理、科學配置、全面節約、循環利用，大力推動農業、工業、城鎮等重點領域節水，加強非常規水源利用，發展節水產業，建設節水型社會，促進經濟社會發展全面綠色轉型，加快建設美麗中國。

作為水資源開發利用的責任主體，供水行業必須認真貫徹落實國家節水相關安排部署，以生態文明建設為核心，以綠色低碳循環為主要原則，積極謀劃、主動作為，通過科技創新為水資源循環利用持續賦能，全面提高用水效率和效益。

（二）供水企業高質量可持續發展的現實需要

綠色低碳高質量發展背景下，“建設和維系良性、健康的社會水循環系統，保障供水用水安全和水生態環境安全，滿足生活、生產和生態用水需求，支撐社會穩定繁榮和高質量可持續發展”，成為供水企業的重要使命。

自來水廠在水質凈化過程中，普遍會產生大量的排泥水。其主要來自于常規處理工藝中的沉淀（澄清）和過濾環節，可占到總產水量的3%～10%。

如果未經處理直接排放到江河中，排泥水中大量的懸浮物（SS）、有機物等有害物質會對水體造成嚴重的污染；大量的含鋁污泥會危害水中生物，破壞水體生態平衡；大量的泥沙容易抬高河床，嚴重影響江河的航運能力及泄洪能力。

對此，國家環保部門明確要求，自來水廠的生產廢水必須進行處理，確保達標排放。

近年來，國內自來水廠都配套或改造了排泥水處理系統。然而，由于國內排泥水研究起步較晚，大多還停留在實驗室分析階段，且相關工程實踐案例較少，導致目前大多數自來水廠的排泥水處理系統普遍存在收集效率低下、濃縮脫水效果差、系統故障率高以及運行成本高的問題。這既不符合綠色低碳發展要求，也嚴重制約了企業高質量可持續發展。

對此，供水企業亟須進行技術攻關，破解排泥水處理過程中的高效濃縮、廢水零排放處理、低故障低成本運行和資源化利用等方面的技術難題。

三、研究對象及目標

（一）研究對象

花都自來水公司以正在建設的廣州北江引水工程花都水廠為研究對象，全面開展基于工藝創新的水資源循環利用研究。

廣州北江引水工程由水源工程與花都水廠及配水管道工程兩大部分組成，總投資約40億元，是為解決花都區缺水問題而實施的大型跨區域調水工程，是構建廣州市多水源安全供水保障體系的重要組成部分。該工程被列入粵港澳大灣區重點基礎設施建設項目、廣州市水務發展“十四五”規劃重點建設項目、廣州市“攻城拔寨”重點建設項目，同時也是花都區有史以來最大規模的引水工程和自來水廠建設工程。

花都水廠及配水管道工程建設內容主要包括花都水廠工程、配水管道工程、進廠道路工程和應急備用水源工程，投資估算約15.99億元。新建的花都水廠首期規劃日供水規模48萬立方米，遠期規劃日供水規模100萬立方米，總占地面積650畝。

花都水廠工程于2022年8月正式開工建設，工程首期計劃于2024年8月建成投產。

（二）研究目標

花都自來水公司開展的基于工藝創新的水資源循環利用研究，著眼于“雙碳”目標，厚植綠色低碳發展底色，以突破國內排泥水處理技術瓶頸為重點，全面升級凈水工藝，促進水資源循環利用取得新突破，著力將花都水廠建設成為大灣區乃至全國屈指可數的生產、生活全過程廢水零排放的自來水廠。

四、主要做法及創新點

本項研究穿透水廠設計、建設、運營全過程，對排泥水處理和水資源循環利用工藝技術進行革新應用，助力花都水廠實現污水廢水零排放目標。

同時，通過運用BIM技術數字化呈現凈水工藝，運用仿真技術模擬排泥水處理工藝全過程，并結合公司正在搭建的全流程智慧控制系統，推動排泥水處理工藝實現智慧管控，深入探索自來水廠綠色低碳發展新路徑。

（一）排泥水處理工藝技術研究

創新排泥水處理系列工藝技術。通過設計預沉淀池式泥水調節池，減少待濃縮水量，提高濃縮效率；通過應用創新研發的改良型重力濃縮池和底部刮泥機，提升排泥水處理效率，大幅降低排泥水處理系統的能耗水平；通過零加藥脫水研究，探索降低藥耗、水耗和資源化利用廢渣的可行性。

1.預沉式泥水調節池設計研究

泥水調節池主要調節來自沉淀池的排泥水，以及濾池的反沖洗排水。

一般項目的泥水調節池主要采用合建式和分建式兩種。其中，合建式是將所有排泥水調蓄后全部導入污泥濃縮池。該方式導入濃縮池的排泥水量過大，系統負荷大，從而增加濃縮池的投資和運行成本。分建式是將濾池反沖洗水直接回流至系統。這樣雖然減少了污泥濃縮池的運行壓力，但是對生產線的沖擊較大，影響系統的出水效果。

為解決上述問題，公司創新設計一種全新的泥水調節工藝：通過預沉式泥水調節池，將V型濾池反沖洗水與反應、沉淀池排泥水分別導入各自調節池；經初步沉淀后，上清液回流至混合槽，調節池設置吸泥機將底部泥水抽至濃縮池。這一工藝即既可以減少進入濃縮池水量，又能夠保證回流水的均衡，從而節約建設投資，節約運行成本，提高系統運行效率。（如圖1所示）

創新點：通過預沉式泥水調節池設計研究，彌補傳統合建式或分建式泥水調節池的缺陷，強化泥水調節和預沉淀功能，可減少50%以上待濃縮水量，并將待濃縮液含固率從0.3%提高到1%。

2.改進型重力濃縮技術研究

為解決目前給水廠傳統重力濃縮池普遍存在的故障率高、運行不穩定、出泥含固率低、上清液渾濁等問題，公司創新研發改進型重力濃縮技術，并進行污泥濃縮機理試驗研究。

在中試試驗基礎上，通過優化相關設計參數，提升污泥濃縮效率和穩定性，使污泥含固率較傳統濃縮池提高2%。（如圖2、圖3所示）

主要研究內容包括：

（1）改進型重力濃縮裝置的設計和研發；

（2）對北江原水條件下排泥水性能展開含固率、密度、燒失量研究；

（3）對排泥水進行自然沉淀試驗研究；

（4）對排泥水進行不同混凝劑的最佳投加量試驗研究；

（5）對排泥水進行不同混凝劑混凝效果試驗研究；

（6）采用中試試驗開展不同加藥量對濃縮池污泥濃縮效果的研究；

（7）采用中試試驗開展不同進水水力負荷對濃縮池污泥濃縮效果的研究；

（8）采用中試試驗開展不同進水固體負荷對濃縮池污泥濃縮效果的研究；

（9）花都水廠污泥濃縮池設計參數研究。

創新點：通過研發改進型重力濃縮技術，有效解決了傳統濃縮技術負荷低、故障率高、運行管理復雜等一系列難題。通過泥層截留污染物，不僅系統更簡單更穩定，還有效解決了傳統濃縮池采用斜管沉淀經常發生斜管塌陷、池底板結導致故障頻發問題；采用水力澄清工藝，出泥含固量更高，達到5%～10%，較傳統濃縮池依靠自然沉淀方式（出泥含固率3%左右）提高了2%，節能25%以上；創新池體結構形式，在提高水深的同時，利用水力擠壓原理，能夠抵抗更高的進水負荷，承受更高的進泥固體通量，在同等條件下相較于傳統濃縮池進水負荷和進泥固體通量可以提高50%～100%，占地面積更小、投資更少；研發智慧排泥控制系統，對泥位傳感器實時傳輸過來的數據，進行一定的控制判斷，實現智慧排泥。

3.底部刮泥機研究

針對現有刮泥機故障率高、運行效果差等問題，公司通過研發適用于高濃度污泥濃縮技術的不翻板單軌鏈式刮泥機，同時借助中試試驗的結果，優化刮泥機相關設計和運行參數，提高系統穩定性和刮泥排泥效率。這對刮泥設備的選型設計及運行，有著重要的應用示范作用。（如圖4、圖5所示）

主要研究內容包括：

（1）底部刮泥機實驗裝置。為更好地模擬實際工況，刮泥機設備設置在改進型重力濃縮池內。刮泥機設計采用不翻板的方式刮除濃縮池池底的污泥。每套刮泥機主要由刮泥裝置、行走裝置、鋼軌及固定件、機架、驅動裝置、刮板、現場控制電箱、安裝附件等構成。

（2）刮泥機試驗研究。通過濃縮池模擬裝置開展實驗研究，綜合檢驗試驗裝置性能。主要包括：基本性能試驗、驅動裝置空載試驗、整機空載試驗、整機負載試驗、整機極限工況穩定性試驗、刮泥機自動運行控制模擬試驗、刮泥機部件優化試驗、刮泥機試驗后缺陷檢查等。

（3）刮泥機設計參數優化。針對前期試驗過程中發現的潛在問題，優化調整設計參數、部件結構和材料以及生產制造要求，進一步提高刮泥機的性能和穩定性。

（4）工程應用與轉化。根據試驗研究結果，調整花都水廠污泥濃縮池刮泥機的設計參數和生產制造要求，同時總結刮泥機最優運行參數和性能特點，指導水廠污泥濃縮池刮泥機的運行控制和日常維護。

創新點：通過研發適用污泥濃縮的底部刮泥機技術，有效解決了現有刮泥機故障率高、運行效果差等一系列難題。采用“底部軌道刮泥技術”，能夠解決現有中心傳動刮泥機傳動軸力矩過大的技術缺陷，具備污泥含固率大于10%的極限工況下正常運行的能力，使得系統運行更穩定；采用板結底泥破除裝置，實現傳統刮泥機無法實現的底泥板結厚度100- 300mm的再啟動破除；采用“不翻板行進方式”，實現“雙向刮泥”，刮泥效率比傳統單向刮泥機提升100%；利用污泥擠壓原理，實現刮泥過程的“二次濃縮”，進一步提升污泥濃縮效果和節約系統能耗；結合改進型重力濃縮技術，出泥含固率較傳統工藝（3%左右）提高至5%～10%，節能25%以上。

4. 零加藥脫水系統研究

傳統的污泥脫水系統需要添加化學藥劑進行機械脫水，不僅成本高，還會出現壓濾液含化學藥劑后處理困難、脫水污泥板結不易資源化利用等問題。通過建立一套不加藥的污泥脫水系統，可以實現廢水、脫水污泥資源化利用。（如圖6、圖7所示）

主要研究內容包括：

（1）研究污泥特性，為零加藥脫水機理提供理論依據和設計參數；

（2）研究零加藥脫水的脫水機形式及參數要求；

（3）研究濾布行走式板框壓濾機在模擬花都水廠排泥水濃縮污泥脫水中的工藝控制，主要包括進料時間、進料壓力、進料濃度等參數對工藝的影響；

（4）在達到目標工藝的基礎上，通過試驗優化隔膜擠壓時間等參數，提高運行效率，同時分析并配置在此參數下最佳的濾布清洗方案，以指導花都水廠脫水系統的經濟運行；

（5）精確控制研究，系統研究濾布行走式板框壓濾機在不同工藝參數下的脫水性能，以實現最優的污泥處理效果。

創新點：通過研發“零加藥脫水系統”技術體系，較好地解決脫水污泥無法資源利用和系統藥耗高、能耗高等技術難題。創新采用“高壓薄層擠壓”技術，實現污泥脫水藥劑零添加，解決脫水污泥的污染問題，使其資源化利用成為可能；建立整套“零加藥脫水系統技術體系”，包括運行參數、濾布清洗方案、智能控制系統等；運用“濾布行走板框壓濾技術”，采用主動泥布分離的卸泥方式，相對傳統板框壓濾機被動的重力驅動卸泥方式（需要輔以人工鏟泥），能更好地實現污泥、濾布分離，運行效率更高；成功研發“壓濾液回用技術”，以零加藥為基礎，優化濾布性能，控制濾出液的SS含量，是國內首個實現壓濾液回用的污泥脫水項目。

（二）水資源循環利用工藝技術研究

花都水廠生產運行中，會產生生活污水和生產廢水，且周邊無市政污水管網用于排放。考慮到污廢水的資源化回用，公司提出廢水零排放的建設目標，并開展相關研究。

研究內容包括：

1. 生活污水處理工藝及回用研究。對廠區的生活污水規模、水質、排放規律進行調查研究，分析不同處理工藝的適用性和出水的回用需求，確定生活污水處理站的處理工藝和設計參數等。

2. 生產廢水特性及處理工藝研究。對廠區生產過程中產生的廢水進行特性研究，分析不同處理工藝的適用性和出水作為中水水源的可行性，確定廢水處理系統的工藝和設計參數等。

3. 廠區中水系統建設研究。開展廠區中水需求分析，研究中水系統的建設方案，確定系統及設計參數。

創新點：相較于傳統自來水廠外排污水廢水，花都水廠實現了污水廢水零排放，大大減少了對環境的影響。其中，通過泥水處理系統，將上清液回流至生產系統進水端，年可節約用水500萬～1000萬噸；采用生態式污水處理工藝，使得污水處理站完美融入廠區環境景觀，同時處理系統能耗藥耗低于一般生活污水處理站30%；在國內率先實現污泥脫水壓濾液處理，并作為中水回用的工程應用典型實例，給自來水廠污泥脫水壓濾液的處理利用提供了全新思路。

五、實施成效

在花都水廠設計建設過程中，花都自來水公司同步開展排泥水處理、水資源循環利用工藝技術研究，并將研究成果應用于水廠建設運營中，取得了顯著成效，形成了疊加效應。

一是通過建設預沉式泥水調節池，較傳統調節池減少待濃縮水量50%以上，并將待濃縮液含固率從0.3%提高到1%。同時，大大降低了濃縮池的建設規模，可節約濃縮池建設成本約500萬元，可節約年運行成本約100萬元。

二是通過研發改進型重力濃縮技術，使出泥率達到5%～10%，較傳統濃縮池依靠自然沉淀方式（出泥含固率3%左右）提高了2%以上，使排泥水處理系統節能25%以上。

三是通過泥水處理系統，將上清液回流至生產系統，年可節約用水500萬～1000萬噸，年節約原水成本近1000萬元。

四是自來水廠每年產生的近2萬噸脫水污泥實現了資源化利用。

五是自來水廠生活生產污水實現了零排放。

本項研究較好地解決了國內自來水廠排泥水處理系統存在的技術問題，形成了可復制可借鑒的技術體系，對于推動國內排泥水處理技術的發展，更大程度實現節能、降耗和資源化利用，有著重要的參考價值。

相關研究成果正逐步推廣至廣州水投集團下屬的多個自來水廠，并已申報發明專利1項、實用新型專利3項。其中，2項實用專利已獲授專利權，2篇相關論文已被《中國給水排水》錄用。

六、結語

水資源循環利用是一項長期性、系統性工程，涉及多行業多部門，與社會公眾利益息息相關，既需要國家層面加大政策支持力度，更離不開供水企業和科研機構的主動作為。

廣州市花都自來水有限公司開展的基于工藝創新的水資源循環利用研究，是在供水行業加快綠色低碳高質量發展的大背景下，針對自來水廠普遍存在的排泥水處理痛點問題，進行的一次理念創新、技術創新、工藝創新和服務創新，對于整個行業做好節水工作、提高資源利用效率、減少溫室氣體排放，都有著重要的促進作用。

面向未來，花都自來水公司將繼續堅持“民以水為先，我為民盡責”的發展理念，以增強供水保障能力、確保供水安全為目標，整合公司技術研發資源，建立健全科研創新穩定投入機制和激勵機制，在繼續做好區域再生水循環利用技術工藝創新的基礎上，組織實施一批技術研發創新項目，構建一個覆蓋花都水廠工藝全流程的智慧控制系統，通過對自來水生產各個環節的精準調控和優化運行，實現水廠整體效能和供水品質雙提升，為我國推進區域再生水循環利用、探索水生態環境綠色治理新路徑，提供更多的“花都智慧”。

編輯/溫碧琳 統籌/蘇曉