污水再生利用工程實例

李 誠, 袁令統， 柏昕然， 胡光振， 陳凡陣

(1.天津市華博水務有限公司，天津300040；2.天津市公用事業設計研究所，天津300100)

經濟的發展與人口的增多使水資源日益相對短缺，為此國家制定了很多政策和措施，鼓勵與引導提高水資源的利用效率和開辟新的可利用水源。經處理達到一定標準后的污水處理廠出水，已成為考慮被利用的水源之一[1-3]；另一方面，用水量需求的不斷增大與水資源的相對短缺，使城市供水的使用成本不斷提升，特別是對用水量大的工業企業，降低生產成本的要求迫使其不斷進行技術革新與設備更新，一是力求降低用水量，二是尋求可利用的低成本水源[4]。隨著國家對污水治理要求的不斷提高，以及污水處理技術的不斷完善與革新，目前國內很多污水處理廠出水達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級標準，不但能滿足水體污染控制的要求，而且客觀上也降低了其回用成本，提高了可利用價值。目前國內很多地方已將污水處理廠出水作為工業用水水源，特別是在淡水資源缺乏地區[5-7]。在此背景下，筆者結合實際案例，對污水再生利用項目的設計及實施進行初探，以期為同類項目提供參考。

1 項目實施的背景與條件

1.1 再生水項目背景

為了加大對城市污水的再生利用，在已出臺系列城市污水再生利用水質標準要求的基礎上，建設部與科學技術部于2006年聯合出臺了《城市污水再生利用技術政策》。2016年8月18日，住房和城鄉建設部發布重新修訂后的《城鎮污水再生利用工程設計規范》，推進污水再生利用。

為進一步改善我國的水環境狀況，2015年4月國務院常委會通過了《水污染防治行動計劃》(即“水十條”)，提出節約保護水資源，促進再生水利用的要求。

山西省孝義市位于呂梁地區南端，屬于全國百強縣之一，其主要水源為地下水。多年的經濟發展造成了對地水下資源的過度消耗，補給量小于使用量，地下水位連年下降，已對當地及周邊生態造成了較大影響。為此，降低對地下水的開采量成為城市可持續發展必須面對的課題，對其他水源的利用成為必然的選擇。

1.2 項目實施的條件

1.2.1設計概況

孝義市污水處理廠處理規模為3×104m3/d，主要處理城區生活污水，設計出水水質要求達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準。

該項目分2期建設，二期建設了深度處理系統，但由于運行狀況不佳，于2013年進行了一次深度處理單元改造工程，目前采用 “粗格柵+進水提升泵站+細格柵+旋流沉砂+SBR池+二次提升+混凝沉淀+砂濾池+次氯酸鈉消毒” 工藝。

1.2.2 運行概況

目前的污水處理廠實際平均處理量在2.3×104m3/d，根據改造后2年來的運行數據，處理出水基本可以穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準。

1.2.3 再生水需求用戶

坐落于孝義市的某大型企業投資的鋁電綜合循環項目，根據國家政策要求和自身需求，對再生水有著較大需求，其目前需求量在1×104m3/d，遠期將達到2×104m3/d。

1.2.4 再生水輸送條件

原設計中已考慮了再生水輸送，在進行深度處理工程時，已建設有效池容3 000 m3的清水池和輸送能力為3×104m3/d的送水泵房。

1.3 項目實施的意義

① 節約淡水資源，利于可持續發展

孝義市的供水水源主要采用地下水，而地下水已超采，隨著工業經濟的不斷發展，淡水資源的可供應量與經濟快速發展對淡水需求的不匹配，已成為該市可持續發展的障礙。再生水回用能在很大程度上節約對其他淡水資源的需求，從而在一定程度上緩解孝義市淡水資源短缺與經濟發展的矛盾。

② 降低水體污染物排放量

污水再生利用，可以減少處理水排放量，從而降低污染物排放量。

③ 用水企業降低用水成本

在使用再生水前，企業主要采用地下水作為主要水源，使用成本在6元/m3。使用再生水的綜合成本約為2.64元/m3，節約了用水成本。

④ 降低政府負擔

通過再生水的供應，可以將再生水的收益補充部分污水處理費用，從而降低政府專門為污水處理付費的財政支出，降低財政負擔。

2 項目規模與工藝形式選擇

2.1 工程規模確定

污水處理廠的設計規模為3×104m3/d，實際平均處理水量為2.3×104m3/d。根據規劃，收水范圍內未來污水量會有所增加，但基本在3×104m3/d內。企業對再生水的要求平穩，根據用戶對水質的要求，在再生水生產過程中會產生部分生產廢水。綜合考慮多方面因素，確定再生水工程規模為1.8×104m3/d。

2.2 出水水質要求

根據用戶要求，其水質指標如表1所示。

表1 再生水水質主要控制指標Tab.1 Main control indicator of reclaimed water

2.3 水質分析

根據對該污水處理廠的出水取樣分析結果，其電導率基本在2 000 μs/cm以下，出水COD在30 mg/L左右，NH3-N在0.02～4 mg/L，BOD5在10 mg/L，TP在0.2～0.5 mg/L。實際出水水質與用戶要求尚有一定差距。

2.4 工藝選擇

常用的脫鹽工藝一般有電滲析、反滲透，近幾年出現了正滲透工藝。常規工藝基本沒有脫鹽功能，綜合投資、操作便捷性、運行穩定、工藝成熟應用規模等因素，確定采用反滲透工藝?？紤]占地因素，預處理工藝采用常規的壓力式超濾膜工藝。

考慮到出水水質的變化，并盡可能保持靈活運行，在設計中提出了混兌/單供方案，即一級A出水可以與超濾出水混兌，一級A出水可以與反滲透出水混兌，超濾出水也可與反滲透出水混兌，每種水也可單獨供水。

2.5 工藝設計基本條件與要求

① 設計規模：反滲透產水能力不小于1.25×104m3/d；設計再生水供應規模不小于1.8×104m3/d；出水水質滿足表1所示的要求。

② 可利用場地有限，且布局時考慮躲避穿過廠區上方的高壓線。

③ 廠內現有管線復雜。

④ 污水處理廠處理水質季節變化明顯。

⑤ 工藝運行要求靈活，可實現多種供水方式，可實現比例混兌。

⑥ 需要設置一定的進水調節池容。

⑦ 考慮濃鹽水的適當處理。

⑧ 考慮原濾池的反沖洗用水。

3 工藝設計

3.1 設計基本參數

超濾(UF)收水率≥90%；反滲透(RO)收水率不小于75%；系統脫鹽率≥97%，雙膜系統產水能力不小于12 500 m3/d。

3.2 進水緩沖池

考慮到生化工藝為CAST工藝，且進水日變化系數較大，為了膜系統運行穩定且滿足濾池反沖洗用水，設計了進水緩沖池。其有效池容為1 140 m3，緩沖井設有溢流裝置，可以直接出水至受納水體。

3.3 超濾系統

超濾系統產水能力，Q1=1 042 m3/h；設計通量，44 L/(m2·h)；跨膜壓差，0.05～0.10 MPa。

設計5套超濾膜組，配套進水、反沖洗、化學清洗、自清洗過濾系統和其它。

3.4 超濾產水池

超濾產水池用于暫存超濾產水，并作為超濾反洗水池使用。設計有效池容為750 m3，設有可以進入清水池的溢流裝置。

3.5 反滲透系統

反滲透系統產水能力，Q2=521 m3/h；設計通量，19 L/(m2·h)；有效反滲透壓力，1.2 MPa。

設計4套反滲透膜組，配套進水、加壓、反沖洗、化學清洗、加藥系統及清洗過濾裝置和其它。

3.6 清水池

將原有2座總調節池容為3 000 m3的清水池作為再生水調節水池，利用舊有設備。

3.7 供水泵站

經校核，現有的水泵滿足供水要求，利用舊有設備。

3.8 濃鹽水的處理

根據計算，產生的最大濃鹽水量約為4 200 m3/d?？紤]到反滲透膜對污染物的富集作用，需要對濃鹽水進行處理。

設計利用廠區未使用的雨水緩沖池作為反應池，內設固定式脫氮填料，下設曝氣器。從現有鼓風系統引入壓縮空氣進行生化處理，有效池容為800 m3，折合水力停留時間為4.57 h，處理出水與未利用一級A出水一起排入水體。

3.9 設計特點

① 設計考慮多種組合方式供應再生水

通過優化設計，系統可采用“反滲透出水+一級A出水”、“超濾出水+反滲透出水”、“一級A出水+超濾出水”、“一級A出水+反滲透出水+超濾出水”等多種組合供水方式。

② 充分考慮檢修、通風與安全問題

由于對系統進行了雙層設計，檢修設計較為復雜，設計充分考慮了各種設備的檢修與更換問題，包括吊裝。下層通風也較為重要，在設計時充分考慮了通風設計，避免死角，并在可能產生不良氣體的地方設置空氣監測器。

③ 優化布局，克服諸多不利因素

受可利用占地和空間所限，采用了一體化布局的思路，對車間采用了上、下層分層布置及池子與設備間合建的方式，最大限度減少了設施占地，見圖1、圖2。左側上部有高壓線通過，在設計中考慮設置調節池作為避讓條件。

圖1 綜合車間下層平面布置Fig.1 Layout of lower layer of the composite workshop

圖2 綜合車間上層平面布置Fig.2 Layout of upper layer of the composite workshop

4 運行效果

雙膜系統建設完成后，經過1個多月完成了設施和系統自動控制調試，實現了各種組合運行模式的功能。

由于初期再生水用戶需求量約為8 000 m3/d，濃鹽水出水與一級A出水混合后仍可滿足排放標準，因此濃鹽水處理設施暫未調試運行。

進水電導率在1 500～2 000 μS/cm，“雙膜法”工藝出水電導率穩定達到10 μS/cm以下。

但在實際運行中也出現了一些問題，總結如下：

① 針對超濾進水提升泵工藝參數選擇，一般選擇泵揚程按照最不利狀況考慮，但在實際運行中出現運行曲線與泵的能效曲線偏離較大的問題，后期通過更換合適揚程的泵得到解決。

② 管道連接問題，在管道布置時應考慮熱脹冷縮引起的變形，采取必要措施。后期增加伸縮節并增設防震墊，問題得到解決。

③ 運行中出現了水力沖擊，分析原因是未采用緩閉式止回閥，以及管道防振動措施設置不足。后期更換為緩閉式止回閥，綜合管道增加防沖擊振動措施，該問題得到明顯改善。

④ 運行1年后超濾與反滲透膜出現較為嚴重的污堵，分析原因為中間水池微生物孳生造成。后期改造成雙格，定期清理中間水池，并對水池用次氯酸鈉溶液進行浸泡消毒處理。

5 建議

針對雙膜法再生利用工藝提出如下幾點建議：

① 設計人員應充分做好項目前期調研與分析，掌握設計工況與實際工況的差異性。

② 在項目設計中設計人員適當多考慮靈活性，兼顧設計與實際工況，從而增強工程實施的適用性與實用性。

③ 充分考慮運行維護、安全等要求，合理做好空間布局與分配。

④ 后期運行維護非常重要，應根據項目特點，前期多摸索，綜合分析出現的問題，做好應對預案，并可根據需要進行必要的技術改造。

⑤ 采用“雙膜法”開展污水處理再生利用時，應考慮對副產物濃鹽水采取妥善的處理措施，以滿足相應的排放指標要求。

⑥ 再生水規模對最終再生水生產成本的影響較大，特別是考慮濃鹽水的處理與處置費用，因此須確定合理的再生水規模。

6 結論

① 做好設計布局至關重要，采用雙層設計且與原水池、中間水池合建，可在很大程度上節省占地，節約造價。

② 雙層設計應充分考慮底層通風與設備檢修，否則會在后期運行中出現嚴重問題。

③ 雙膜法在污水再生利用中已有較多的案例，是生產高品質再生水的重要方法。

④ 再生水可以根據原水水質和用戶要求進行合理的比例混兌，節約生產成本。

⑤ 根據經驗，濃鹽水主要污染在于COD與TN，應根據實際情況綜合考慮并采取措施。