中水回用系統研究設計與工程中的實際應用

李書沛 朱良文

1吉好地建筑設計武漢有限公司長沙分公司（410001） 2湖南省硅酸鹽學會（410007）

0 引言

我國水資源短缺,水污染形勢卻日趨嚴峻，很多城市面臨水緊缺的問題，城市污水處理及回用已經勢在必行。傳統集中式污水處理由于存在污水收集難、管網投資高、占地面積大和施工不便等突出問題，嚴重制約了污水處理率和COD減排量，因此分散式污水處理及回用集成技術已經成為集中處理方式的一種有益而必需的補充措施。

1 系統概述

“中水”一詞是相對于上水〔給水〕、下水〔排水〕而言的。中水回用技術系指將小區居民生活廢〔污水〕（沐浴、盥洗、洗衣、廚房、廁所）集中處理后，達到一定的標準回用于小區的綠化澆灌、車輛沖洗、道路沖洗、家庭坐便器沖洗等，從而達到節約用水的目的。

中水也就是將人們在生活和生產中用過的優質雜排水(不含糞便和廚房排水)、雜排水(不含糞便污水)以及生活污(廢)水經集流再生處理后回用，充當地面清潔、澆花、洗車、空調冷卻、沖洗便器、消防等不與人體直接接觸的雜用水。因其水質指標低于城市給水中飲用水水質標準，但又高于污水允許排入地面水體排放標準，亦即其水質居于生活飲用水水質和允許排放污水水質標準之間，故取名為“中水”。中水開發與回用技術近期得到了迅速發展，在美國、日本、印度、英國等國家(尤以日本為突出)得到了廣泛的應用。這些國家均以本國度、區域的特點確定出適合其國情國力的中水回用技術，使中水回用技術越來越臻于完善。在我國，這一技術已受到各級政府及有關部門重視并對建筑中水回用做了大量理論研究和實踐工作，在全國許多城市如深圳、北京等開展了中水工程的運行并取得了顯著的效果。

2 設計原則

1）針對項目情況做原水水質預測，并根據預測水質狀況選用適當的處理工藝,確定水處理流程；采用先進、高效、安全的處理工藝及設備，整個工藝流程簡潔，占地面積盡可能小。

2）系統進行最優化設計，使方案經濟可行，運行穩定，水處理設施應方便安裝及運營管理；系統運行費用低、后期維護費用低；水處理設備在運行上有較大靈活性和可調性,以適應水質水量的變化。

3 設計出水水質標準

本項目設計出水水質達到《城市污水再生利用城市雜用水水質》（GB/T18920）的標準。具體水質參數見表1。

4 原水水質分析

本項目水源為生活污水，由于生活污水中的污染物種類和濃度相對穩定，因此在沒有具體水質化驗資料的情況下我們參考類似工程的水質參數作為工藝設計的設計依據。根據以往的實際工程經驗，以沖廁所、盥洗、淋浴為主要來源的生活污水水質參數見表2。

表2 原水水質標準

表3 出水水質標準

從原水水質參數和處理后的水質要求對比,通過水處理系統的處理,需要降低水中CODCr、BOD5、NH3-N、色度、濁度。

5 設計工藝流程

由于生活污水中的主要污染物為 CODCr、BOD5、NH3-N、色度、濁度，我們采用生化處理的方式來去除水中的 CODCr、BOD5、NH3-N 及部分色度，通過浮選過濾以及超濾膜分離的方式來去除水中的濁度、色度、大腸桿菌以及部分細菌、處理后的水再做消毒處理后進行回用或者達標排放。

水處理工藝流程如圖1所示∶

表1 處理后出水水質標準

6 設計水量及設備選型

6.1 設計水量

本項目的處理水量為1 000 m3/d,根據項目的實際情況將中水處理中均分于項目的3個區域內，即3個中水處理站，每個中水處理站的處理水量為340 m3/d,每天的運行時間h=24 h,則其循環流量15.0 m3/h。

6.2 設備選型

每個中水處理站選用1臺一體化中水回用水處理設備作為主設備，每臺設備的參數∶外形尺寸為7.5 m×8.0 m×3.5 m，處理流量為∶15～16 m3/h，功率為∶8.5 KW。

潛水加壓泵選用2臺50WQ15-7-0.75型潛水泵（一用一備），參數為 Q=15 m3/h，H=7 m，N=0.75 KW。

6.3 輔助設施及機房說明

1）格柵

在污、廢水收集管道和調節池之間設置細格柵孔徑為3～5 mm。格柵設計成一個方形的籃子，垂直對著一組地面檢修蓋板，當格柵需要清理時可以打開蓋板,將格柵籃提出地面清理。格柵籃尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m，采用不銹鋼絲網。

2）調節池

調節池容積為140 m3（按日處理水量的40%確定），鋼筋混凝土澆筑，尺寸為 8 m×6 m×3.5 m（深），注∶其實際尺寸可根據現場做相應的調整。

3）清水池

清水池的容積按日處理水量的30%計算，則清水池的容積為42 m3。尺寸為4 m×4 m×3.5 m（深），注∶其實際尺寸可根據現場做相應的調整。

4）中水站的具體位置

中水站應該布置在學院三個區域的下風向。

6.4 設備原理

一體化中水回用設備內集成了水處理單元、曝氣設備、超濾膜組件、消毒器、配電控制箱。生活污水進入水處理設備后先進入由高效生態基組成的處理單元內完成一級接觸氧化處理、該單元由高效生態基和曝氣系統組成，能培育生物量大、種群豐富的微生物群，包括厭氧和好氧微生物種群，通過微生物的作用，使污染物得以快速降解。經第一級接觸氧化處理后再進入曝氣生物濾池進行第二級接觸氧化處理，進一步降低污染物含量，降低水的濁度，處理后的水進入第三級浮選過濾器內，通過浮選過濾去除粒徑較大的雜質，降低水的濁度，經浮選過濾后的水中還存在大量的細菌以及微小顆粒，再通過超濾膜組件分離過程，處理后的水質各指標已達到標準要求，對處理后的水進行消毒處理后進入清水池內。

6.5 設備內各處理單元功能介紹

1）生態基接觸氧化區功能介紹

集中式中水處理設備內第一個處理環節為高效生態基接觸氧化處理過程，這個過程是通過生態基接觸氧化區來完成的。生態基利用材料的特殊性，使其成為高效的微生物載體。通過“自然優選法”使不同環境中發展出適宜的微生物群落。包括藻類、菌類、原生動物和后生動物等。這些微生物之間形成良好的共生、競爭、捕食等種間關系，使生物膜不斷更新，增強活性。生態基上面附著的微生物通過其代謝作用,高效地去除水中的各種微生物。通過第一個環節的處理各污染指標去除比例見表4。

表4 第一個環節處理各污染指標去除比例

2）曝氣生物濾池區功能介紹

經過第一環節接觸氧化后，水中仍然存在一部分 CODCr、BOD5、NH3-N，為了減小污染物的含量，還需進一步采取接觸氧化方式來除去水中的有機物及氨氮，第二部采用曝氣生物濾池。

曝氣生物濾池工藝是普通生物濾池的一種變形形式，也可看成是生物接觸氧化法的一種特殊形式，其基本原理是∶在濾池中裝填一定量粒徑較小的顆粒狀濾料，濾料表面附著生長生物膜，濾池內部曝氣。污水流經時，污染物、溶解氧及其它物質首先經過液相擴散到生物膜表面及內部，利用濾料上高濃度生物膜的強氧化降解能力對污水進行快速凈化，此為生物氧化降解過程；同時，因污水流經時，濾料呈壓實狀態，利用濾料粒徑較小的特點及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的大量懸浮物。通過該環節處理后水中的 CODCr、BOD5、NH3-N，色度，濁度已大部分去除，進行下一環節的浮選過濾及超濾環節。改處理過程中各污染物的去除率見表5。

3）浮選過濾區功能介紹

經過前兩個環節的處理后，生活污水可達到排放標準，即《中華人民共和國國家標準 污水綜合排放標準》GB 8978-1996，規定的一級排放標準。如需達到回用標準，還需對處理后的水進行進一步的處理。而浮選過濾功能就是為達到回用標準做深度處理的預處理環節。為了減少下一環節（超濾膜分離環節）中超濾膜的反沖洗時間，以及延長超濾膜的使用壽命，經過生化處理后的水再進入超濾分離單元之前需增加精濾環節，浮選過濾區是用來實現這個功能的。

表5 第二個環節處理各污染指標去除比例

浮選過濾區采用由七層天然礦石組成的復合濾料，具有過濾精度高的特點，采用重力式無閥濾池原理，可實現濾料的自動反沖洗過程。具有使用壽命長、操作維護方便、運行費用低的特點。

4）超濾膜分離單元功能介紹

超濾膜是利用納米級的物理孔徑對料液中的物質進行分離、凈化、純化和濃縮；主要功能是祛除液體中的懸浮物、膠體、微生物、細菌、病毒、大分子有機物、脫色、除油；降解液體的濁度。COD和BOD超濾主要去除原水中的懸浮物、膠體、色度、濁度、有機物、細菌和大腸桿菌等雜質。超濾膜技術已經用于海水淡化、中水回用、反滲透系統的預處理、冷凝水處理和超純水制備中，該技術與常規預處理相比，具有標準化設計，投入少，產量高，無需連續加藥，穩定性高，需勞動力少，占地面積小，自動化程度高，操作方便等優點。

超濾系統的主要處理單元為超濾裝置。超濾膜分離技術具有占地面積小、出水水質好、自動化程度高等特點。本系統采用超濾膜作為本分離系統的核心處理部件,超濾膜采用材質為改性PVC的中空纖維，其表面活化層致密，支撐層為雙排指狀結構，故拉伸強度高、跨膜壓差小、抗污染、使用壽命長，且能長期保證產水水質，對膠體、懸浮顆粒、色度、濁度、細菌、大分子有機物具有良好的分離能力。

主要技術參數∶

采用錯流過濾、頻繁反洗的全自動連續運行方式。

微生物細菌去除率∶99.99%

懸浮物去除率∶100%

產水水質∶濁度≤0.3NTU，SDI≤3

微生物、細菌、大腸桿菌、病原體（祛除率）＞99.99%

BOD≤5 mg/L

COD≤30 mg/L

操作溫度∶5～45 ℃

設計壓力∶≤0.2 MPa

中空纖維表面活化層孔隙率高，故纖維單位面積產水量大；

中空纖維強度高,采用自動頻繁反向沖洗工藝，使組件可在錯流過濾狀態下工作，化學清洗同期大大延長。

5）曝氣系統功能介紹

集中式設備內部的曝氣系統主要是用來給生態基接觸氧化區和曝氣生物濾池提供微生物生長繁殖所需的氧氣的。曝氣系統由羅茨鼓風機和微孔曝氣盤組成。系統具有空氣利用率高，運轉費用低的特點。

6）紫外線消毒系統功能介紹

系統內部集成了紫外線消毒系統，用來為處理后的水做進一步的消毒處理，紫外線消毒系統采用進口紫外線頂管及配件，可通過設備內的自動投藥系統對處理后的水進行消毒。

注∶為了保證處理后的水有一定的余氯，在設備出水處會根據實際水量利用自動加藥系統投加一定量的氯的制劑。

表6 系統運行費用表

7 運行成本分析

污水處理站的運行成本包括電費及人工費，其詳細的費用如表7所示。

即中水處理的噸水成本為0.732 6元。

8 設計工藝的特點

1）采用高效安全的處理工藝及設備，整個工藝流程簡潔，占地面積盡可能小。處理間環境衛生條件好，處理過程無異味產生。

2）水處理設備在運行上有較大靈活性和可調性，以適應水質水量的變化。

3）水處理設施應方便安裝及運營管理。

4）整體設計考慮操作管理及設備維修便利等因素，并注意設備減振，降噪等方面的問題。

5）電器控制元件安裝可靠,設備自動化程度高，并設有報警裝置及漏電、短路保護裝置。

6）處理間采用地下式，對周邊環境影響小，方便操作。設施安全、可靠，經濟。

9 結語

近年來中水作為一種既經濟又實用的水資源開發方式，把中水作為重要水資源加以收集利用，可以節省生活用水，減少水費和排污費，改善所在區域生態環境。它既是解決城市水資源危機的重要途徑,也是協調城市水資源與水環境的根本出路。中水的處理回用，既能減小對地下水的開采，又能給我們帶來一定的經濟效益。

[1]GB/T18920－2002,城市污水再生利用 城市雜用水水質[S].

[2]GB50014-2006,室外排水設計規范[S].

[3]GB50015-2003（2009）,建筑給水排水設計規范[S].

[4]JB/T2932-1999,水處理設備技術條件[S].

[5]GB/T18921-2002,城市污水再生利用 景觀環境用水水質[S].