水循環處理系統實施技術方案研究
——以楊凌區天海智慧水電項目區為例

張 波，梁 怡，閆曉娟

(1.陜西省桃曲坡水庫灌溉中心，陜西 銅川 727100；2.陜西誠和水利工程項目咨詢有限公司，陜西 西安 710004；3.陜西省延安市宜川縣水利工作隊，陜西 延安 716200)

我國水資源總量為2.8萬億 m3，居世界第六位，人均占有量為2 240 m3，約為世界人均的1/4，居世界第109位。中國已被列入全世界人均水資源13個貧水國家之一。作為西部大省的陜西水資源總量423億 m3，人均水資源量為1 234 m3，僅占全國平均水平的55%。楊凌區作為中國唯一的農科城，楊凌區水資源總量4 998萬 m3，人均水資源量為250 m3，僅占全國平均水平的11%，占全省平均水平20%。水資源不足成為制約楊凌區經濟社會發展的“瓶頸”因素，通過實施水循環利用項目解決水資源短缺問題是未來必然的趨勢。

1 楊凌區水資源量狀況

1.1 水資源量

楊凌區多年平均降水量6 223萬 m3，多年平均徑流深37.4 mm、多年平均地表水資源量為505萬 m3，全區地下水資源量為1 173萬 m3，全區多年平均水資源總量為1 678萬 m3，單位面積水資源量12.4萬 m3/km2，全省單位面積水資源量20.4萬 m3/km2，從水資源量來看，楊凌區單位面積水資源量僅為全省的60%。由于區內缺乏地表水攔蓄利用工程，自產徑流多以洪流直接排入河流或渠道，基本未能利用。水資源開發利用以地下水為主，可利用量不高。

1.2 水資源利用現狀

2020年全區總用水量3 820萬 m3。其中農業用水量(包括農、林、園、牧地灌溉和魚塘補水及畜禽用水)為1 891萬 m3。其中農田和菜田灌溉用水量為939萬 m3(地下水934.7萬 m3)；林果灌溉和牲畜用水總量為952萬 m3(地下水942萬 m3)。農業用水中地表水量只有14.3萬 m3，占灌溉用水量的0.8%；工業用水量總計為525萬 m3，其中規模以上工業用水量中，除了火電行業283萬 m3用水量全部為中水利用外，新鮮水量為206 m3；規模以下為36萬 m3。新鮮水量按水源分為自來水236萬 m3，地下水6萬 m3；城鎮公共用水量為232萬 m3，全部為石頭河引水工程的供水量。全區城鎮和農村居民用水分別為825和139萬 m3，總用水量為964萬 m3。全區生態環境用水量為208萬 m3，主要為城鎮環境用水。

圖1 2020年楊凌區國民經濟部門用水結構圖

2 楊凌區水處理循環利用設施建設現狀和潛力分析

(1)楊凌區規模以上企業119個，居民小區85個，2020年全區污水處理回用量為283萬 m3，僅占總用水量的7.4%，水資源重復利用率及非常規水源利用率低。目前，全區工業企業和居民小區大多為一次性用水，還沒有以企業或居民小區為單元建設水處理循環利用設施，更談不上排放的污水量和水質的在線監測，用水的重復利用率較低，效率不高，主要因為區內工業企業和居民小區自身沒有污廢水處理設施。同時，城鎮人均生活用水量偏高，特別是大專院校水資源浪費現象較為突出，雖然污水處理廠已啟用，但是經過處理的污水大多直接排走，中水利用率不高，再生水利用量還有很大潛力。進一步探索非常規水利用途徑，實現水資源可持續利用的空間十分巨大。

(2)隨著楊凌人口的增加和城市化進程的加快，一方面水的需求量越來越大，而在節約用水方面還存在諸多問題，一是行業用水結構不合理，農業用水比重偏大，占總用水量的60%，用水效率不高，節水潛力較大。二是在農田灌溉方面，雖然政府推進節水灌溉的工程措施，但大仍然存在大水漫灌的現象，用水方式粗放、用水浪費嚴重。三是節約用水的法律監督機制不健全，全面節水管理還缺乏法律依據，監督力度更無從談起。正因為現在的水價便宜，管理松散，才導致了這些問題，因此，通過實施水循環利用項目，利用價格杠桿，促進人們節約用水。

(3)楊凌區排水口量大面廣，采用傳統的人工處理方式，不僅無法滿足水質資源管理的數據更新、快速準確的瀏覽查詢、決策統計分析的需要。如果水資源取水口水量信息標準化、規范化工作不到位，將會導致數據標準不一，數據存儲混亂等問題，嚴重影響取用水戶水量實時監測管理等單一系統信息的有效支撐，更為嚴重的是從單一應用系統向水資源綜合管理應用系統發展中，產生新的信息平靜和障礙，影響信息資源共享，制約水資源管理水平的提高，因此，通過實施水循環利用項目，是提高水資源管理水平的有效措施。

3 水循環利用實施技術方案分析

本次研究選取位于楊凌示范區自貿大道西段路南師范學院初中部西側的天海智慧水電項目，該項目包括辦公研發綜合樓、生產廠房和商業綜合體，結合工程項目實際，對水處理循環利用實施技術和智能化進行研究。

3.1 實施地點

天海智慧水電項目其一期建設中的工業區、辦公區以及二期建設中的商業綜合體。

3.2 實施內容

本項目實施的水循環處理節水智能化研究項目的主要內容：收集、處理和資源化工業區、辦公區日常運營過程中的生產廢水和生活污水，以及項目區域內收集的自然降水(雨水和雪水)，通過生化處理技術、先進深度水處理技術結合線上監控、實時調控等信息化、智能化的水資源管理系統的方式，達到循環使用項目內的生產廢水、生活污水以及自然降水、零排放項目內的生產廢水和生活污水、智慧管理水資源的目的，以減輕城市供水壓力、探索企業運營過程中節水、凈水、水資源循壞利用以及節能減排的新道路。

3.3 項目實施技術方案

水循環處理節水智能化研究項目結合天海智慧水電項目其一期建設中的工業區、辦公區以及二期建設中的商業綜合體所服務的總人數和總生產生活需求，先后規劃建設污水收集系統、污水預水處理系統、人工濕地污水處理系統、深度水處理系統、回用水貯存池等，以達到對項目區內所收集雨水和污水的深度凈化處理、水回用為生活生產、綠化景觀用水以及市政補給用水等的目的。并同時應用先進水質監測設備搭建水質智能監測和智慧水務信息化平臺，配合污水處理系統中設置的信息化和反饋系統，實現在線實時監測水質信息、根據實際處理需求和污水信息調節、優化污水處理各單元的工作壓力分配，建立水處理技術信息數據庫，以到達智能化、信息化管理項目內水資源的目的。應按照水循環系統建設，水循環系統信息化、智能化管理的技術路線和方法予以開展。

3.3.1 水循環系統建設

1)總體布置

水循環系統項目建設地點位于天海智慧水電項目其一期建設中的工業區、辦公區以及二期建設中的商業綜合體。由污水收集系統、污水預水處理系統(包括初級過濾單元、原水增加裝置等)、人工濕地污水處理系統(包括新型同步脫氮除磷生態濕地、氮磷回收單元等)、深度水處理系統(主要包括臭氧氧化單元、超濾過濾單元、紫外光光催化氧化處理單元)、回用水貯存池等組成。同時搭建水質智能監測和智慧水務信息化平臺，配合污水處理系統中設置的信息化和反饋系統，實現在線實時監測水質信息、根據實際處理需求和污水信息調節、優化污水處理各單元的工作壓力分配，建立水處理技術信息數據庫，以到達智能化、信息化管理項目內水資源的目的。

2)水循環處理系統設計方案

根據該項目內企業的運營方式和經營規模等實際情況，水循環系統設計最大水處理量為120 m3/d，建設4 023 m3地下雨污收集池，雨污收集池地上濕地占地面積約900 m2。最大水處理量設定依據該項目服務的一期辦公及企業生產用水、二期商業綜合體的商戶和流動人口800人*150 L/d=120 000 L=120 m3的需求以及廠區工業廢水處理利用的需求而設定。目標出水水質(單位 mg/L，注：僅包含部分主要指標)見表1。

表1 水循環處理系統出水水質主要參數數值(含其他不同項目國家標準參數數值) mg/L

3)水循環處理系統技術路線

水循環處理系統一期的設計主要處理技術包括生物厭氧處理、新型同步脫氮除磷生態濕地以及以農業或工業廢棄物為基礎的有機物、重金屬去除濾床；水循環處理系統二期另設計添加以高級氧化技術(AOP)為基礎的深度處理過程。水循環處理系統技術路線如圖2所示。

圖2 水循環處理系統技術路線圖

在水循環處理系統一期的項目設計中，項目將應用的新型同步脫氮除磷生態濕地可協調土壤、人工介質、植物、微生物之間的物理、化學和生物作用，對污水進行凈化處理，去除污水中的氮、磷、有機物、重金屬和懸浮物等污染物。另外，該水循環處理系統將創新使用生態濾床，將農業或工業廢棄物(如礦石廢物、工業生產加工中的副產物、秸稈等)資源化，并作為水處理可循環再生材料使用。

該項目二期的設計方案中，以高級氧化技術和高效率膜技術為基礎的先進深度水處理將用于水循環處理系統的二期深度處理，降解水中可能存在的有機微污染物(如持久性有機物、內分泌干擾素等)、有機物講解過程中的有毒副產物等。該水處理系統所需主要設備包括儲水水罐、提升水泵、臭氧發生器、臭氧分析和檢測儀、曝氣裝置、紫外光反應器、水質檢測傳感器。

3.3.2 水循環處理系統的信息化和智能化管理

在水循環處理系統應用過程中，以陜西天海智慧水電科技有限公司已開發利用并上市銷售的水資源管理系統為基礎，開發和應用與水循環處理系統相對應的智慧化水資源管理系統。通過應用自動化操控技術、傳感技術等途徑，在線監測和收集生產廢水、生活污水以及自然降水的水量和水質等信息，數據化水循環處理系統處理能力與待處理污水的量化關系，根據水質、水量以及用水需求等信息，結合物聯網大數據預測處理量需求，實時調控系統的處理方式，高效、低能耗的完成水處理任務，并將已處理水合理分配供給到項目區域內各個水需求單位，以達到水循環處理系統應用過程中智慧管理的目的。該水處理系統的水處理過程中，首先通過增壓水泵將污水送入污水收集罐，經沉淀池流入過濾罐，過濾后進入凈水器；通過凈水器信息收集器將水質數據傳入云平臺，平臺進行水質數據分析顯示到監控終端。通過恒壓水泵向辦公樓及廠房提供恒定水壓，同時可根據水壓狀況，進入休眠狀態以節約用電。在凈水器、臭氧發生器、曝氣裝置、紫外燈反應器終端，安裝信息采集器，將實時監測數據傳回監控室，可實現整個循環節水系統用水狀態在線監測。

在該項目設計中，一期設計的出水可滿足用于供給項目內生活、生產用水、綠化用水、清潔用水、景觀用水等要求，可達到零排放循壞利用；二期設計中的出水可達到國家II類水水質標準和國家飲用水標準，可用于補充廠區和辦公區的自來水甚至是飲用水。

圖3 水表監控平臺監測面板

圖4 天海智慧水電項目水循環布置圖

圖5 水處理系統主要設計圖

4 結語

通過對天海智慧水電項目其一期建設中的工業區、辦公區以及二期建設中的商業綜合體實施水循環處理系統后的效果來看，在深度使用該技術后，企業年日節水量為120 m3、年節水量為43 800 m3，而所在區域自來水單價為3.5元/m3，污水排放單價為1.4元/m3，從而預估通過該系統每日節約企業成本約490元、年節約企業成本約214 620元。實施后的廢水可達到零排放，無任何污染，改善環境，回收循環利用，除了澆灌綠地和水生植物之外，還可以養殖魚類等。因此，在全區大力推進實施水循環利用項目是提高水資源管理水平的有效措施，可以為實施水資源剛性約束制度，促進生態文明建設和高質量發展提供有力支撐。