城市污水處理廠達標(biāo)尾水再生利用的可行性分析

張 云 宋建軍 徐帥斌

(1.江蘇省水文水資源勘測局南通分局，江蘇 南通 226006；2.江蘇省水文水資源勘測局鎮(zhèn)江分局，江蘇 鎮(zhèn)江 212011)

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展、人口的增長和城市化進程的加快，城市用水量和污水排放量不斷增加，水資源短缺和水污染加劇所構(gòu)成的水危機已成為21世紀(jì)最嚴(yán)峻的問題之一[1]。據(jù)統(tǒng)計，2020年我國城市污水排放量已達571億m3，其中大部分污水經(jīng)處理但未經(jīng)有效利用，直接排入江河湖海[2-3]，導(dǎo)致部分城市缺水嚴(yán)重，且浪費了大量的可利用資源。城市污水再生利用具有不受氣候影響、水源可靠、保證率高等優(yōu)點，是開源節(jié)流、減輕水體污染、改善生態(tài)環(huán)境、解決城市缺水問題的有效途徑之一，已成為當(dāng)今世界各國解決缺水問題的共識。本文分析了南通市洪江排水有限公司再生水經(jīng)熱能提取后，回用于城區(qū)河道的生態(tài)補水方案，并進行了影響分析，以實現(xiàn)“一水多用”，本文研究對于促進區(qū)域水生態(tài)的良性循環(huán)具有重要意義，對于平原水網(wǎng)地區(qū)再生水利用具有較好的示范作用。

1 研究區(qū)域概況

1.1 水系概況

南通市位于江蘇省東南部，地處長江、淮河流域尾閭，屬于典型的平原水網(wǎng)地區(qū)，境內(nèi)河流眾多，主要河道包括流域性河道長江以及區(qū)域內(nèi)河。長江南通段全長87.00km，多年平均徑流量9454億m3，水資源豐富，干流河段水質(zhì)良好，是南通市的主要供水水源，也是南通市對外開放、內(nèi)聯(lián)外引的重要渠道。區(qū)域主要骨干河道有如海運河、九圩港河等12條一級河道，總長729.88km；二級河道105條，總長1760.58km；另外，還有眾多三、四級河道，交織成網(wǎng)，相互溝通，成為調(diào)節(jié)各級河網(wǎng)的樞紐。南通本地多年平均地表徑流量25.6億m3，降水入滲補給量14.3億m3，水資源總量31.5億m3，不足全國水資源人均占有量的1/5，水資源短缺仍是南通市經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的重要制約因素之一[4]。

圖1 南通市水系

主城區(qū)緊鄰長江，河網(wǎng)水系屬長江干流下游蘇北沿江水系；五山片區(qū)瀕臨長江，屬沿江低水系，總面積11.9km2，除濱江公園、園博園等園內(nèi)景觀水面外，片區(qū)內(nèi)河道縱橫交錯，構(gòu)成片區(qū)河道網(wǎng)絡(luò)，主要通過城山河南段、西山河南段及永紅河等河道匯流后，由涵閘入江排放，區(qū)內(nèi)共有三、四級河道34條段，總長37.00km。

1.2 評價區(qū)域水環(huán)境概況

南通市洪江排水有限公司(以下簡稱洪江排水公司)周邊主要河流有城山河、西山河，屬主城區(qū)城市景觀河道，在《江蘇省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃》[5]中未進行水功能區(qū)劃，水質(zhì)管理目標(biāo)按照用水功能參照執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[6]中Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《南通市主城區(qū)100平方公里河道水質(zhì)周報》(2021年)[7]以及現(xiàn)狀水質(zhì)調(diào)查，城山河、西山河總體水質(zhì)為Ⅳ～Ⅴ類水，主要超標(biāo)因子為NH3-N、TP；園博園、民博園水面總體水質(zhì)為Ⅳ類水。

2 南通市城市污水及再生水利用現(xiàn)狀

2.1 污水處理廠建設(shè)現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，截至2020年，南通市有主城區(qū)及各縣(市)區(qū)污水處理廠25座，污水處理能力為138.05萬m3/d，鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠37座，污水處理能力為2.00萬m3/d，污水排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)[8]。全市污水處理設(shè)施的建設(shè)，為再生水集中利用提供了可靠水源。

2.2 污水再生利用現(xiàn)狀

“再生水”是指城市污水或生活污水經(jīng)過處理后達到一定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可在一定范圍內(nèi)重復(fù)使用的非飲用雜用水，水質(zhì)介于上水和下水之間，可以回用于工業(yè)用水、市政雜用水、農(nóng)業(yè)灌溉等[9-11]。南通市是國家級節(jié)水型城市，按照“優(yōu)水優(yōu)用、分質(zhì)供水、注重實效、就近利用”的原則，為加大再生水利用力度，先后建成洪江排水公司再生水利用工程(4.60萬m3/d)、南通能達水務(wù)有限公司再生水利用工程(1.75萬m3/d)等一批再生水利用示范工程。據(jù)統(tǒng)計，2020年南通市城鎮(zhèn)污水處理廠再生水利用量為0.48億m3，主要回用于城市景觀環(huán)境、道路澆灑、工業(yè)企業(yè)冷卻循環(huán)等，再生水利用率達14.8%。

目前，洪江排水公司再生水利用工程為南通市新城小區(qū)冷熱暖“三聯(lián)供”項目供水，利用達標(biāo)尾水為“三聯(lián)供”污水源熱泵提供源水，并通過污水源熱泵為小區(qū)建筑提供能源，滿足夏季制冷、冬季制暖的需求。經(jīng)熱交換利用后的再生水，通過管道回送至洪江排水公司現(xiàn)有入江排放口排放[12]。

3 洪江排水公司達標(biāo)尾水再生水利用可行性分析

3.1 污水處理工藝

洪江排水公司是主城區(qū)以處理生活污水為主(占比90.0%)的污水處理廠，現(xiàn)有污水處理能力為24.80萬m3/d，分三期建成。其中，一期(4.80萬m3/d)工程采用A2O生化處理工藝，二期(10.00萬m3/d)、三期(10.00萬m3/d)工程采用改進型五溝式氧化溝工藝。A2O處理工藝及五溝式氧化溝工藝均屬二級強化處理工藝，是《城鎮(zhèn)污水再生利用技術(shù)指南(試行)》推薦的主流工藝，二級處理后的廢水經(jīng)“高速加砂沉淀池+濾布濾池”深度處理后，出水水質(zhì)可達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 出水水質(zhì)與污水再生利用可行性分析

3.2.1 出水水質(zhì)

根據(jù)洪江排水公司2020年1—12月運行數(shù)據(jù)，出水水質(zhì)中CODCr、NH3-N等指標(biāo)優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)以及《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T 18921—2019)標(biāo)準(zhǔn)，達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅲ～Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，主要是因為洪江排水公司接收的廢水以生活污水為主，可生化性較好，污水處理工藝成熟穩(wěn)定。出水水質(zhì)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對比情況見表1。

表1 出水水質(zhì)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對比情況

3.2.2 新城小區(qū)“三聯(lián)供”項目出水水質(zhì)

據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)有再生水經(jīng)新城小區(qū)冷熱暖“三聯(lián)供”項目熱交換利用后，通過管道回送至洪江排水公司現(xiàn)有入江排放口排放。出水水質(zhì)除水溫略有變化(夏季略有提高，冬季略有降低)外，CODCr等其他指標(biāo)與洪江排水公司出水水質(zhì)相比，無明顯變化，達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅲ～Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)于《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T 18921—2019)要求。2020年新城小區(qū)“三聯(lián)供”項目出水水質(zhì)見表2。

表2 2020年新城小區(qū)“三聯(lián)供”項目出水水質(zhì)

3.2.3 再生水利用方案

綜合考慮再生水利用的安全性、合理性、經(jīng)濟性等因素，根據(jù)再生水水質(zhì)，結(jié)合區(qū)域規(guī)劃以及管網(wǎng)布設(shè)，按照“經(jīng)濟合理、安全可靠、就近利用”的原則，洪江排水公司擬對用于新城小區(qū)冷熱暖“三聯(lián)供”項目熱交換的再生水，采用雙點補水方案，用于主城區(qū)景觀河道城山河、西山河以及五山地區(qū)水網(wǎng)的生態(tài)補水。再生水補水方案見表3，補水點具體位置見圖2。

表3 再生水補水方案

4 再生水利用的影響分析

4.1 對區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的影響分析

4.1.1 再生水水溫對區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的影響

a.擴散方程。洪江排水公司再生水補給水體城山河、西山河為寬淺河道，河道生態(tài)補水采用岸邊排放，補水點下游形成的均勻流二維熱量擴散方程如下[13-15]：

(1)

定解條件：

(2)

式中：T為坐標(biāo)點的溫升值，℃；x、y為平面點坐標(biāo)，m；t為時間坐標(biāo)，s；u為已知均勻流場流速，m/s；Ex、Ey分別為縱向、橫向擴散系數(shù)，m2/s；ΔTs為垂向混合后排放口溫升值，℃；K為溫度衰減速率系數(shù)。

K由下式確定：

(3)

式中：H為水深，m；Ks為水面綜合散熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

Ks由經(jīng)驗公式確定，當(dāng)固定源強S=qT0時，由下式計算：

(4)

式中：q為生態(tài)補水流量，m3/s；T0為出水溫升，℃；Δx為排放口所在節(jié)點寬度,m。

式(1)～(4)有解析解(恒定)。

(5)

(6)

式中：V2為水面以上2m處的風(fēng)速(考慮到計算結(jié)果的安全性，風(fēng)速取0)；T為各網(wǎng)格計算溫升加上環(huán)境水溫,℃。

b.影響分析。綜上，洪江排水公司再生水經(jīng)新城小區(qū)“三聯(lián)供”項目熱能提取后，回用于河道生態(tài)補水，補水點局部河段的水溫將有所變化，結(jié)果見表4，但仍滿足《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中對Ⅰ～Ⅴ類水域溫度規(guī)定要求：人為造成的環(huán)境水溫變化應(yīng)限制在夏季周平均最大溫升不大于1℃，冬季周平均最大溫降不大于2℃。洪江排水公司應(yīng)加強對再生水利用管理，根據(jù)季節(jié)性變化通過及時調(diào)整再生水水量、水位等措施降低極端天氣下出水水位變化，進一步降低對水生態(tài)環(huán)境的影響。

表4 再生水水溫對補水河道生態(tài)環(huán)境的影響

4.1.2 再生水水質(zhì)對區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的影響

根據(jù)洪江排水公司2020年運行數(shù)據(jù)，采用《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》(HJ 2.3—2018)[16]進行混合過程段水環(huán)境影響預(yù)測，混合過程段水質(zhì)預(yù)測采用河流平面二維連續(xù)穩(wěn)定排放模型，預(yù)測模型如下：

(7)

式中：C(x,y)為縱向距離x點、橫向距離y點的污染物濃度，mg/L；m為污染物排放速率，g/s；Ch為河流上游污染物濃度，mg/L；Ey為污染物橫向擴散系數(shù)，m2/s；u為斷面流速，m/s；k為污染物的衰減系數(shù)，d-1;h為水深，m。

混合過程段主要污染物變化情況見表5。由表5可知，洪江排水公司再生水經(jīng)新城小區(qū)“三聯(lián)供”項目熱能提取后，回用于城山河、西山河以及五山地區(qū)水網(wǎng)中，除CODCr、TN濃度略有增加外，其余NH3-N、TP濃度略有減小，但總體變化幅度不大，不會改變五山地區(qū)河網(wǎng)水系現(xiàn)狀水環(huán)境質(zhì)量。同時，再生水利用項目實施后，促進了水體流動，提高了區(qū)域水體自凈能力[14,17]。

表5 正常工況下補水河段混合過程段主要污染物變化 單位：mg/L

4.2 對區(qū)域防洪除澇的影響分析

根據(jù)容蓄曲線計算，在正常水位、不考慮水面蒸發(fā)以及河道輸漏損失條件下，洪江排水公司再生水利用僅使評價區(qū)域內(nèi)河道水位抬升0.02m，抬升幅度相對較小，不會引起區(qū)域水利工程頻繁調(diào)度，也不會導(dǎo)致區(qū)域防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)的降低，與區(qū)域防洪除澇控制水位相適應(yīng)。

補水河道城山河、西山河河床底質(zhì)以砂性土為主，據(jù)相關(guān)研究，對砂性土不沖流速應(yīng)控制在0.12～0.40m3/s。洪江排水公司再生水利用工程采用雙點補水方案，2處補水點折算平均補水流量為0.27m3/s，為不沖流速，滿足要求，不會導(dǎo)致河床沖淤明顯變化以及河道岸坡受沖失穩(wěn)，對區(qū)域河道岸坡穩(wěn)定影響較小[18]。

4.3 對城市景觀環(huán)境用水的影響分析

城山河、西山河為城市景觀河道，區(qū)域河道水系主要為觀賞性環(huán)境景觀用水。根據(jù)洪江排水公司運行數(shù)據(jù)，達標(biāo)尾水基本無臭味，出水水質(zhì)明顯優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，對城市觀賞型景觀環(huán)境用水的影響較小。

4.4 對第三市合法水事權(quán)益的影響分析

再生水回用區(qū)域涉及的河道為城市河道，主要功能為城市景觀、防洪除澇等，無通航要求，評價范圍內(nèi)除雨水排放口外，無工業(yè)、生活取水口，無碼頭等其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市生活設(shè)施，對其他第三市合法水事權(quán)益影響較小。

綜上所述，洪江排水公司再生水利用工程經(jīng)新城小區(qū)“三聯(lián)供”項目熱交換利用后，回用于城山河、西山河及五山地區(qū)水網(wǎng)的河道生態(tài)補水，對區(qū)域河流水生態(tài)環(huán)境、區(qū)域防洪除澇安全以及第三市用水戶的影響均較小，再生水水量和水質(zhì)均可滿足區(qū)域水系生態(tài)補水需要，方案總體可行。再生水利用項目的實施，將有效提升南通市再生水利用水平，緩解區(qū)域水資源供需矛盾，促進區(qū)域水生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)。洪江排水公司應(yīng)加強污水處理設(shè)施運行管理，杜絕事故排放。

5 結(jié) 語

再生水回用是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，既可減少水環(huán)境污染，又可有效緩解資源型和水質(zhì)型缺水的雙重壓力，是經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的必然趨勢。各級政府部門在加強再生水回用宣傳、提高節(jié)水意識的同時，要根據(jù)“高質(zhì)高用、低質(zhì)低用”的原則，制定切實可行的分質(zhì)供水方案和再生水回用規(guī)劃，加強政策支持，培育再生水回用市場，為建設(shè)“強富美高”新南通提供水資源保障。