城市中水回用工艺比选及案例设计

李乔莎

（山西省环境保护技术评估中心， 山西 太原 030009）

1 概述

1.1 生活污水概述

山西省是严重缺水大省，全省人均水资源占有量为381 m3，是全国平均水平的1/5。2005 年太原市第二次水资源评价结果显示太原市淡水资源储蓄总量为5.33 亿m3，人均淡水资源占有量为168 m3，为全国人均占有量的1/12，为全省人均占有量的1/2。山西作为缺水大省很早就开始对水资源的保护和再利用工作，已经建设多个中水回用项目，但仍缺少对城市小区中水回用系统的建设[1]。

随着城市化进程的加快，城市生活污水水量大、水质不稳定，是地表水污染的主要来源，生活污水部分直接排入地表水，另一部分经过市政管网收集，集中排入城市污水处理厂[2]。

生活污水含有大量的生活垃圾、悬浮物以及淀粉、蛋白质、油脂等有机物，生活污水中总氮、总磷、总硫含量高。未处理的生活污水中还有细菌、病毒、寄生虫卵等微生物。在外排入地表水系统时引起水体的物理、化学、生物变化。物理变化包括引起水体色度、浊度、温度、pH、总固体浓度的变化。化学变化包括离子浓度、有机物浓度、BOD、DO 等变化。物理和化学变化会影响水体中物质的迁移转化。水中物质沉淀、溶解、挥发、吸附、络合-螯合作用受浓度、温度、电势差等影响导致水体中溶解物质发生改变。当水中有机物浓度增加将引起生态变化和溶氧变化。当水体中有机物浓度急剧增加水中蓝藻大量繁殖使溶氧量下降，水中鱼类大量死亡，厌氧菌分解污水中有机物，好氧菌大量减少，以厌氧菌的分解产物为食。水中各生物种群及溶氧平衡发生变化，造成区域水环境生态失衡。该种污水外排方式大都出现在城郊、农村这些污水处理系统未覆盖地区。这些地区缺少水处理资金、技术，只得污水外排。

表1 基本控制项目最高允许排放质量浓度（日均值）及其他指标

城市小区中水处理常用办法包括混凝沉淀法、生物接触氧化法、膜生物反应器、人工湿地技术[3]。生活污水进入污水处理厂经过污水处理工艺达到一定标准后排放，根据城镇污水排入地表水域环境功能和保护目标的差异，将污水厂排放水质标准分为一级标准、二级标准、三级标准，其中一级标准包括A标准和B 标准。表1 为各标准基本控制项目标准[4]。

一级A 标准出水可以用于景观回用和一般回用。其中城镇污水处理厂出水排入国家和省确定的重点流域及湖泊、水库等封闭、半封闭水域时，执行一级标准的A 标准，排入GB3838 地表水III 类功能水域（划定的饮用水源保护区和游泳区除外）、GB 3097海水二类功能水域时，执行一级标准的B 标准。

1.2 太原市中水回用现状以及利用瓶颈

当前太原市大型污水处理厂共十家，现在仍有城南污水厂西厂区在建，部分污水厂工程建设以及中水回用情况见表2。据统计，太原市日产生污水量为67 万t。当这些污水厂完全建成将可以处理87.6%的生活污水，并且有40%～50%回用。太原市建设有中水回用系统并且持续运营的单位有山西国贸大饭店、迎泽宾馆等18 家单位。

表2 太原市部分污水厂运营情况

当前太原市可回用中水量大大增加但中水回用仍未深入居民小区落实的原因包括三点：第一，中水配给管网建设面积小。污水厂直接中水配给主要对象是大型企业、公园，对居民区辐射很少，居民小区建设有中水回用管网的很少，限制了居民中水回用；第二，居民小区中水回用系统设施的初期投资建设费用高，政府对此缺少政策上的鼓励和引导；第三，大众对中水处理后的水质不信任。中水是达到某种回用标准的非饮用水，一旦中水水质不达标，中水就可能成为小区污染源，威胁到小区居民的健康安全。

在城市小区建设中水处理回用系统装置，既可以将生活排水就地无害化、减量化、资源化，减少自来水取水，又解决了从污水处理厂到居民小区中水配给管网布设匮乏的问题。本文将结合山西万景源房地产开发项目具体情况，根据国家规范和要求，设计中水处理设施，并提出中水回用的方式及回用环节。

1.3 中水回用概述

1.3.1 中水分类

城市小区中水系统是将生活排水经过适当处理，达到一定的回用标准后，回用于厕所冲洗、汽车清洗、环境绿化和补充地下含水层等方面的非饮用水[5]。中水分为优质杂排水、杂排水和全生活污水[6]。除厨房排水、厕所排水之外的生活污水是优质杂排水；在优质杂排水中增加厨房排水为杂排水；杂排水中增加厕所排水成为全生活污水。优质杂排水主要包括淋浴用水、盥洗水、洗衣水。优质杂排水中悬浮物、有机物负荷低。阴离子表面活性剂含量高。阴离子表面活性剂是优质杂排水中水处理的主要污染物质。厨房排水中生活垃圾较多，悬浮物浓度较高，有机物负荷高，针对该部分排水一般要在一级处理过程中设置除油装置。厕所排水水质差，要想达到回用标准成本较高，排入城市污水处理厂进行处理。

1.3.2 城市小区中水回用技术概述及应用条件

城市中水处理主要工艺流程有物化法、生化法、生化二段法、物化—生化法[7]。主要工艺技术比选见下页表3。

1）物化法：进水—格栅—调节池—混凝沉淀—消毒—中水。

2）生化法：进水—格栅—调节池—生物处理—沉淀—过滤—消毒—中水。

3）生化二段法：进水—格栅—调节池—一段生物处理—沉淀—二段生物处理—沉淀—过滤—消毒—中水。

4）物化—生化处理：进水—格栅—调节池—混凝处理气浮—沉淀—生物处理—沉淀—过滤—消毒—中水。

物化法适用于对优质杂排水进行处理。生化法以及生化二段法对于水中可降解有机物去除效率高，对于脱氮除磷效果好，适用于杂排水以及全生活污水处理。物化—生化处理集合前两种处理的优势，处理效果好，但构筑物建设费用增加。各种回用水处理工艺在过滤之后必须进行消毒处理，在整个中水处理工艺中要实时监测、定时取样检测，避免由于每日的用水高峰和季节用水差异大等因素影响中水回用。

2 案例设计

2.1 案例概况

山西万景嘉苑建设项目位于太原市小店区大运路以东，小吴社区用地范围内，总建设面积为101 592.2 m2。主体住宅共计1 940 户，预计将会有6 208 人入住。公寓楼预计将有544 人住。办公楼可安置1546 人。建筑占地面积31 493.6 m2，道路、广场及其他硬化地面积34 541 m2，绿地面积35 557 m2，建筑密度31%。

表3 核心技术比选

根据要求[8]，本文要对该建设项目设计中水处理回用系统。建设项目建筑物分项给水量情况见表4。

表4 建设项目建筑物分项给水量

采暖期、非采暖期用水量分别为1 076.6 m3/d、1 188.9 m3/d，全年用水量为417 103.5 m3/a；其中中水用水量采暖期为314.8 m3/d，非采暖期为403.2 m3/d，全年中水用水量为133 908 m3/a。中水用水量占总用水量的32.1%。

采暖期和非采暖期污水排放量分别为582.5 m3/d和497.6 m3/d，经化粪池预处理后，排入市政污水管网，入城南污水处理厂。本项目全年污水排放量为194 359 m3/a。冷却塔排水及软化设备排水均直接排入雨水系统或中水系统，冷凝水进中水系统。根据规定，用做中水水源的水应为中水回用量的110%～150%。本文取110%计，按非采暖期中水使用量进行设计，则设计处理规模为443.6 t/d。本项目住宅（包含公寓）产生的优质杂排水量为（446.9+58.8+18.6）×85%=445.7 m3/d，可以满足本项目中水水源回用量的要求。不同时期建筑物用水情况见表5。

表5 中水回用建筑物用水情况

2.2 案例工艺设计

中水收集446 t/d。生活小区生活排水主要集中于中午11:00-14:00、晚上17:00-22:00 排出，晚上排水较多，以全天排水的70%计算，则中水处理设备的设计处理流量为89.2 t/h。全天处理流量为446 t/d。

2.2.1 原水水质

建筑物质各原水水质情况（见表6）。

表6 建筑物各原水水质

2.2.2 出水水质及水量

出水水量为446 t/d，处理设备运行时间为8 h/d，设备处理能力达到高峰时优质杂排水排水水量89.2 t/h 出水水质情况见表7。

表7 出水水质

2.2.3 工艺流程

案例工艺设计污水处理流程见图1。

2.2.4 工艺设计

2.2.4.1 格栅

1）确定栅前水深h0。

式中：B1为槽宽，m；v为水流速度，m/s。

2）栅条间隔数n。

栅前槽宽B1为0.26 m，栅前水深h1为0.14 m。

式中：Q为水流流量，m3/s；δ 为安装角度，（°）；h0为栅前水深，m；b为栅条间隙宽度，m。

3）栅槽有效宽度B。

设计采用Φ10 mm 圆钢为栅条，即栅条宽度s=0.01 m。

B=s（n-1）+bn=0.01×（25-1）+0.010×25=0.49 m式中：s为栅条宽度，m；b为栅条间隙宽度，m；n为栅条间隔数，个。

4）水头损失h。

式中：δ 为安装角度，（°）；g为重力加速度，m/s2；ζ 为阻力系数。

ζ 数值与格栅条的断面形状有关系，对于圆形断面。

式中：s为栅条宽度，m。

5）通过格栅的水头损失h1。

式中：k为格栅受污物堵塞使水头损失增大的倍数，一般取3；h为水头损失，m。

6）栅后槽总高度H。

式中：h2为栅前渠道超高，m，一般取0.3 m。

7）栅槽总长度L。

式中：L1为进水槽渐宽部分长度，m；L2为栅槽与出水渠连接渠的减缩长度，m；H1为栅前槽高，m；B1为进水渠道宽度，m；B为栅槽宽度，m；α1为进水渠展开角，一般用20°。

8）栅渣量W。

式中：K总为生活污水流量变化系数，W1为单位体积栅渣量，m3/（103m3）。

2.2.4.2 调节池

由于生活排水时段不均匀，并且水质水量变化较大，因此设置调节池调节水量水质，调节池采用地下式，钢混长方体结构，调节池体积V=L×W×H=4.5×3.1×3.3=46 m3，水力停留时间为30 min。调节池中投加少量浓硫酸调节pH 到6～9 之间。

2.2.4.3 混凝池

混凝池为方形，混凝时间为10 min，投加聚合氯化铝25 g/m3以及聚丙烯酰胺5 g/m3，在投加混凝剂后立即快速搅拌200 r/min，搅拌3 min，然后慢速搅拌40 r/min，搅拌7 min，然后静止20 min。混凝沉淀池配有搅拌器。混凝剂对墙壁有腐蚀作用，需要做UPVC 板衬里防腐。混凝池容积为46 m3。

2.2.4.4 斜管式沉淀池

斜管沉淀池倾角为60°，采用升流式异向流斜管沉淀池，管长为1 m，斜板宽为100 mm，斜管沉淀池长0.6 m、宽4.0 m、高3.0 m，总体积7.35 m3。

2.2.4.5 消毒池

本次设计采用间歇式紫外线消毒。进水速率为4.7 mm/s，水力停留1 min，照射池有效池深0.65 m、宽2 m、长3 m，间隔15 min，照射1 min，排水4 min。经过处理以后的中水进入中水储水池，中水储水池体积为360 m3。

2.3 效益分析

根据表5 中水回用建筑用水情况可知，非采暖期和采暖期中水回用量分别可达到403.2 m3/d 和314.8 m3/d。中水回用量可达133 908 m3/a。

2.3.1 经济效益分析

太原市现行水价为2.4 元/t，物化法处理中水成本为0.8 元/t。中水回用一天可以节省645.12 元，一年可以节省21.4 万元。

2.3.2 环境效益分析

中水处理以后将中水全部回用于住宅（包含公寓冲厕）、绿化环卫、清洗车辆、道路喷洒。经过中水回用工艺后，降低城市污水处理厂负担。经过中水处理以后优质杂排水实现完全回用，大大节省了自来水取水量。

3 总结

中水在水资源供给紧张的今天，作为第二水源大大减轻水供应压力。优质杂排水作为中水回用原水占到了生活全排水的60%。这部分中水回用的经济效益就已经很明显。它们不仅可以满足该小区环境绿化环卫、消防、清洗车辆、道路喷洒的需要，而且减少自来水取水，将优质杂排水无害化、减量化、资源化。中水回用系统增加了建筑物建设的初期费用，但获得了中水回用长期经济效益和环境效益，实现经济、环境平衡发展。对万景嘉苑建设工程的中水回用工艺设计，可以推广用于酒店、洗浴场所、宾馆的优质杂排水处理。

中水回用初期建设土建费用较高，可以多采用一体处理系统，将处理工艺系统整体购买安装，这样也可以降低部分建设、管理费用，实现处理系统自动监测。

完稿时，太原市政府部门正在积极建设太原市最大污水处理厂——晋阳污水处理厂，设计日处理能力为48 万t。现在太原市污水处理厂，日处理后中水可达39.12 万t，但是中水回用率只有32.1%。这就需要市政部门积极建设中水回用系统，包括管网敷设、配水设施、中水贮存池等。在中水出厂到回用到位整条管网中加强质量检测，防止二次污染的发生。

此外，政府应加强对企业与居民个人中水回用的鼓励与支持，给与政策优惠、资金帮助。这必将推进绿色山西转型跨越，经济、社会、环境全面可持续健康地发展。