城市污水再生利用工程設計要點

曾詩，瞿露

中國市政工程中南設計研究總院有限公司重慶分院，重慶，400047

0 引言

由于城市人口增長和經濟高速發展，水資源短缺已成為全球性的難題。我國水資源分布不均，人均淡水資源相當有限，統計數據表明世界人均水資源占有量為1.29萬m3，而我國人均水資源量僅2239.8m3[1-2]。水資源短缺不僅給人民正常生活和社會經濟發展造成了嚴重阻礙，也帶來了諸多環境生態問題。國家發展和改革委、科技部、工信部等十部門共同印發了《關于推進污水資源化利用的指導意見（發改環資〔2021〕13號）》，其中明確提出2025年全國地級及缺水城市的再生水利用率應達到25%以上。污水再生處理的成本小于從傳統水源取水制水的成本，必能促進社會經濟可持續性發展，獲得良好的經濟效益、社會效益和環境效益。

1 再生水利用設計思路

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，設計方案較靈活；且易于統計再生水的消耗量。此類型再生水在利用過程中會與人有間接或直接的接觸，需要事先調查社會對其的接受程度，制定合理的利用途徑以保證供水效率和供水安全。根據城市污水再生利用城市雜用水水質指標（GB/T18920-2002），水質要求較低，存在一定的水質安全隱患，需要嚴格控制再生水生化與衛生學指標[3]。

1.1.2 景觀環境再生水利用

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

再生水中含有細菌、原生動物、蠕蟲和病毒等病原微生物，用于景觀用水時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，如果余氯含量過低則導致病原微生物的大量繁衍，導致再生水水質惡化影響利用效果，但是過高又會對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 工業再生水利用

理想使用工業再生水的對象是用水量較大且對水質要求較低的企業。工業冷卻水對水質的要求較低，如堿度、硬度、氯化物以及鐵錳含量等容易達標；其他水質指標如SS、氨氮、COD等，二級處理出水經適當凈化后也能滿足要求。鍋爐用水受鍋爐類型對水質有不同要求，在硬度、腐蝕性和結垢等方面指標要求較高，一般需要深度處理后方可使用。工業沖洗用水對水質要求不高時，可以用再生水代替。

1.2 影響利用的因素

再生水利用應當有非常廣闊的前景，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需求十分有限。

1.2.1 系統規劃

污水處理與再生利用缺乏統一規劃、統籌管理。首先，由于污水處理設施的建設、運營與水資源利用及水污染防治分屬住建、水利、環保、市政等不同部門，前期各部門所制定的規劃計劃、規章制度、政策措施等方面的目標定位、作用范圍、實施時序等思考角度都有差異。其次，大部分城市在進行污水再生利用規劃時未將供水規劃結合考慮，導致規劃市政給水量偏大，無再生水利用空間；或是未考慮將城市的再生水利用設施整合，使得利用設施布局分散、用水途徑各異，制約了再生水分類、分質利用。

1.2.2 水價體系

再生水的價格是影響再生水能否利用的核心要素，當水質安全水量穩定性之時，相對自來水更為低廉的價格能極大激發再生水利用需求。只有公眾感到使用再生水相對便宜時，才能建立合理的用水消費，建立起合理的水價體系和用水結構。

1.2.3 觀念認知

現有的再生水利用工程規模普遍較小、回用范圍局限；缺乏對水資源短缺狀況、不同類別水資源的利用范圍、水價制定原則和程序等信息科普宣傳，使得公眾受傳統觀念影響，對再生水水質心存顧慮；同時城市雜用、景觀和工業用水仍大規模使用自來水，缺乏使用再生水的典型案例，擔心可能受到不良影響，導致再生水難以推廣。

1.3 設計工藝

國內已有不少的污水再生回用工程實例，污水廠出水經過深度處理后，一般均可滿足城市雜用水、工業用水和農業灌溉的水質要求[4]。常用再生水工藝有如下三類[5-6]：混凝-沉淀-過濾-消毒的常規處理工藝；混凝-沉淀與微濾、超濾或反滲透等膜技術組合工藝；生物處理工藝，典型如生物濾池。

針對不同地區的氣候條件和不同的水質需求再生水處理工藝存在差異。例如我國北方溫度較低的地方，生物技術受微生物活性限制，無法發揮應有的處理效果，多采用常規處理工藝或膜技術處理工藝。部分工業城市的污水受工業廢水影響，鹽度高、可生化性相對較差，多應用膜技術處理工藝。總的來說，再生水的設計工藝應針對具體需求，因地制宜地選用。

2 再生水利用工程設計案例

2.1 設計目標

2.1.1 再生水利用方向

本次案例為重慶地區某污水廠再生水利用。首先結合當地的實際用水需求，確定本次再生水利用方向主要有兩個方面：一是城市雜用，二是生態補水。城市雜用主要是將再生水替代自來水，用于市政道路沖洗、園林綠化和環衛清掃，從而節省水資源、降低用水成本。生態補水則針對該城鎮的四條季節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、湖泊生態景觀補充用水。

2.1.2 再生水設計規模

再生水工程總建設規模3萬m3/d，其中城市雜用水處理設施按遠期規模1.5萬m3/d一次性建成，設備按近期規模0.6萬m3/d安設，生態補水1.5萬m3/d一次性建成。

2.1.3 再生水設計水質

該污水廠出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A標準，實際運行結果亦穩定達標。城市雜用水（道路沖洗、綠化澆灑）執行《城市污水再生利用 城市雜用水水質》（GB/T 18920-2020）中的道路清掃、城市綠化水質標準，景觀補水執行《城市污水再生利用 景觀環境用水水質》（GB/T 18921-2019）觀賞性河道、觀賞性湖泊用水標準。污水廠出水水質和再生水要求水質如表1所示。

表1 污水廠出水與再生水要求水質對比表

2.2 方案設計

對比表1中污水廠出水標準和再生水水質標準可知，作為城市雜用水還需進一步消毒，去除大腸埃希氏菌，并補充余氯。對比近半年來污水廠運行數據及再生水水質標準可知，現狀BOD5已基本達標；由于污水廠內設有高效沉淀池，對總磷去除效果較好，出水TP最高值均在0.3mg/L以下。因此再生水作為生態補水還需重點去除的指標主要為TN、NH3及濁度指標。

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，但其運輸、儲存、使用環節需嚴格防止泄漏；基于安全考慮，選擇與液氯相似但危險性小的含氯化合物，成品次氯酸鈉采購方便，且加藥系統設備簡單。污水廠出水經二次消毒后可滿足城市雜用水的標準，經泵提升至再生水城市雜用水管網后使用。為進一步去除水中氮類物質，選用了曝氣生物濾池（Biological Aerated Filter，BAF）。BAF根據處理對象可分為三類：硝化曝氣生物濾池將水中的氨氮氧化為硝態氮；碳氧化曝氣生物濾池將水中有機物進行降解；反硝化生物濾池在碳源充足的情況下將水中硝態氮還原為氮氣。硝化曝氣生物濾池和碳氧化曝氣生物濾池內工作時需要足夠的溶解氧以確保正常運行，而反硝化濾池工作時則需保持較低濃度的溶解氧。強化去除水中的TN、NH3后，經二次消毒后可滿足生態補水的標準。綜上所述，本案例中再生水處理工藝流程如圖1。

該污水廠現狀地面較平坦，新建水廠基本維持現狀標高，設計場平標高400.80～400.90m。再生水處理系統采用重力自流，構筑物高程由污水廠出水標高確定。

2.3 主要單體設計參數

2.3.1 中間提升泵房

功能：滿足生態補水處理豎向設計上的水壓要求。

尺寸參數：集水池平面凈空尺寸20.0m×4.0m，有效調節水深3.0m。

設備參數：設軸流泵3臺，單臺Q=315m3/h，H=8m。

2.3.2 兩級生物濾池

配水形式：濾板+濾頭+濾梁

反沖洗形式：快速降水位+氣水聯合反沖洗

（1）前置反硝化生物濾池：

反沖洗周期：根據實際情況而定，一般12～24hr

反沖洗氣強度：100m3/（m2·h）

反沖洗水強度：18m3/（m2·h）

濾料層高度：H=3.0m

停留時間：HRT＝23.1min，其中一格反洗時HRT=15.4min

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

（2）N硝化曝氣生物濾池：

反沖洗周期：根據實際情況而定，一般24～48hr

反沖洗氣強度：75m3/（m2·h）

反沖洗水強度：18m3/（m2·h）

曝氣量：31.25m3/min

濾料層高度：H=4.0m

停留時間：HRT＝41.0min，其中一格反洗時HRT=30.7min

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

2.3.3 接觸消毒池及提升泵房

（1）雜用水系統接觸消毒池及提升泵房：接觸時間：30min

設備參數：潛水泵3臺，單臺Q=250m3/h，H=69m。

（2）生態補水系統接觸消毒池及提升泵房：接觸時間：30min

設備參數：潛水泵2臺，單臺Q=315m3/h，H=55m。

2.3.4 供水管道設計

考慮本次設計中城市雜用水系統與生態補水系統水質要求、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，不僅大幅增加了加氯量，經初步核算運行成本約0.96元/m3；此外大量余氯將隨著補水進入到水體之中，對水生態有不利影響，故分別按照獨立的系統設計兩套再生水管道，運行成本約0.49元/m3。

新建再生水管網時充分考慮現狀區域內再生水需求及地塊開發建設時序，滿足地區經濟和社會長遠發展的需要，城市雜用水系統廠外管網按遠期布局統籌考慮，適應片區建設分期實施。同時結合上位規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，保證無間斷、無故障使用，同時避免傳統消防栓式取水造成的大量滲漏和偷水倒灌等現象；實現單獨核算再生水水量、單獨收費的功能，便于科學化管理，減少供水公司產銷差，促使水資源利用均衡。

3 結語

對于再生水利用設計，在實施之前必須對現狀需求做詳細調查，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、景觀水體補水、綠化灑水等市政需水以及工業生產用水，可采用城市污水廠再生水集中回供；若需水量較小、鋪設再生水管網成本過高，應采取再生水分散式回供，滿足就近區域內的綠化、景觀用水等。設計合理供水規模、因地制宜設計處理工藝，實現分質供水才能體現再生水經濟價值，有效促進再生水的使用。