乌鲁木齐市居民小区生活污水再生利用经济性分析

王维红，董星辽，刘倩倩，王燕杉

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052)

社会经济的发展，促进了城市化进程，乌鲁木齐市居民生活用水总量增加较快，一方面造成了城市水资源短缺，另一方面也导致生活污水的排放量剧增。同时，文明城市建设对绿化环境的要求，加大了城市绿化用水量，增加了饮用水与绿化用水间的矛盾。在人口相对集中的生活小区建立小型污水站，将小区生活污水进行回收利用亦成为解决乌鲁木齐市绿化水资源紧缺矛盾行之有效的节水途径[1]。城市生活污水处理后回用于工、农业生产和城市绿化，既能减少新鲜水的取水量，又能使环境免受污染[2]。为了节约用水，提高再生水利用率，乌鲁木齐市已经先后建立了一系列的中水回用工程，且主要以区域集中式为主，辅以建筑小区、学校、机关、医院等生活污水就地收集就地利用的回用模式，取得了很好的环境及节水效益。乌鲁木齐市作为严重缺水城市，干旱且降水少，小区污水再生回用的现实意义巨大，用再生水取代自来水用于绿化，节约了优质水源的同时也缓解了夏季用水高峰的供需矛盾。

小区生活污水回用工程在减轻市政给水和城市污水厂双重压力的同时，改善了水环境，实现了污水资源化，提高了水资源利用率，具有显著的社会效益、环境效益及良好的经济效益[3-4]。用于分散性污水处理的技术很多，不能盲目照搬、套用，而应因地制宜、合理借鉴[5]。本文对乌鲁木齐市小区生活污水处理的主流工艺及经济指标进行分析，为小区生活污水处理及回用技术的选择提供参考依据。

1 乌鲁木齐市生活污水的特点

小区污水主要来源于住宅建筑内厨房排水、冲厕、沐浴、盥洗等的混合生活污水。因地域、居民生活水平、饮食习惯、气候条件等差异，乌鲁木齐住宅小区污水污染物总体浓度较高。表1为对乌鲁木齐市小区生活污水水质指标的检测值。

表1 乌鲁木齐市小区生活污水水质Tab.1 Quality of Residential Sewage in Urumqi

根据居住小区的污水特征和使用要求，出水水质若满足《城市污水再生利用—城市杂用水》(GB/T 18920—2002)[6]中的绿化灌溉标准或《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T 18921—2002)[7]，就可以用于小区绿化或者水景。

2 乌鲁木齐市小区生活污水处理工艺

近年来，乌鲁木齐市污水处理环境工程公司的技术进步和经验积累以及政府相关部门的重视，推动了小型污水处理工程和小区生活污水处理及回用适宜技术的发展。据调研，乌鲁木齐市小区生活污水处理工程采用了多种处理工艺，已经建成的项目中成功运行案例逐渐增加。

对乌鲁木齐市已建的小型生活污水处理站逐一进行现场调查，所调查的污水处理站基本涵盖了乌鲁木齐市现有的所有工艺类型，处理规模在100～2 000 m3/d，处理工艺及占比如图1所示。

图1 不同处理工艺占比Fig.1 Proportion of Different Treatment Processes

在调查的32个小型污水处理站中，生物接触氧化工艺工程16个(其中一体化设备工程1个)，占总数的50%；膜反应器(membrane bio-reactor，MBR)工艺工程7个，占总数的22%；三相污水处理器工艺工程3个，占总数的10%；“CASS+曝气生物滤池(SBF)”工艺工程3个，占总数的9%；SBR工艺1个，“CASS+接触氧化法”工艺1个，“AO+MBR膜反应器”工艺1个，各占调查总数的3%。

调查发现：乌鲁木齐市的小区生活污水处理以生物接触氧化法工艺使用率最高，应用最广泛，出水可作为绿化用水；MBR膜反应器工艺使用率较高，其余工艺使用率低；三相污水处理器工艺出水水质无法达到《城市污水再生利用—城市杂用水》(GB/T 18920—2002)[6]中的绿化灌溉标准，为淘汰工艺。

本次调查中，“AO+MBR 膜反应器”为深度处理工艺，出水水质达到《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T 18921—2002)[7]要求，虽然出水好，但工艺复杂，投资过大，用在处理规模1 000 m3/d以内的工程不够经济。“CASS+接触氧化法”和SBR 处理工艺出水除TP外，其余指标均能满足城市景观用水的要求，建议此类工艺用于高标准回用水处理工程，但其为集中式中水处理站且占比少，不作为考察工艺。

本次采用现场监测数据，部分水质检测统一采用国家环境保护总局[8]规定的标准方法。将不同工艺的出水水质连续取6个月进行统计，乌鲁木齐冬季水温在8 ℃左右，春秋季节水温在13～14 ℃，夏季水温在20 ℃左右，采样季节主要在夏秋两个季节，具体如表2所示。

表2 各工艺出水水质Tab.2 Effluent Quality of Each Process

由表2可知：“CASS+曝气生物滤池”出水水质除TP外，其余均满足《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T 18921—2002)[7]要求，建议此类工艺用于高标准回用水处理工程。接触氧化法和MBR膜反应器工艺出水水质只能达到《城市污水再生利用—城市杂用水》(GB/T 18920—2002)[6]中的绿化灌溉标准，建议用于仅满足绿化用水的回用工程。

3 处理工艺经济性分析

3.1 各种工艺的单方水投资及占地指标分析

由于现已建成的再生水处理站采用的工艺多样，为了筛选出经济性优良的处理工艺，统计分析并比较不同处理工艺单方水的处理投资和占地指标，如表3所示。

表3 各工艺单位投资及占地指标Tab.3 Unit Investment and Land Quota for Each Process

整体建设模式：房产公司或区政府委托有设计资质的设计单位设计，由政府相关部门进行方案审核后备案，主要是由环境工程公司承担的EPC模式。房产公司再移交给物业公司由其进行日常运行管理，运行维护费用由物业公司承担。经济指标中的费用由造价建设合同得到。投资差距主要是工程中所用设备质量及自动化配制水平的差别。

(1)小区生活污水处理规模一般小于1 000 m3/d，接触氧化法、MBR膜反应器、“CASS+曝气生物滤池”3种工艺对处理水量小于1 000 m3/d的工程较为经济，可作为小规模工程的适宜工艺。

(2)通过整理调查数据，比较各工艺的单方水平均投资，在水质满足城市杂用水要求时，接触氧化法要比MBR工艺更经济。当要求水质达到景观环境用水水质时，“CASS+曝气生物滤池”工艺要优于其他工艺。

(3)“CASS+曝气生物滤池”占地面积约为0.60～1.78 m2/m3，接触氧化法占地面积最小，为0.30～1.00 m2/m3；调查中发现，MBR工艺对水质前处理要求较高，水力停留时间长，导致占地面积要高于接触氧化法。

3.2 处理规模的变化与单方水投资及占地指标之间的变化关系

由调查可知，接触氧化法工艺和MBR膜反应器用于小型污水处理工艺其效能和经济性较好，应用比例较高，以乌鲁木齐市使用率最高的两种工艺接触氧化法工艺和MBR膜反应器为例，考察分析处理规模变化与单方水投资和占地指标间的对应关系。经济指标和占地指标主要来源于调查、建设合同价和现场计量。

生物接触氧化法工艺是在活性污泥法的曝气池中加入填料，供微生物栖息，是介于活性污泥法和生物滤池之间的生物处理法，是具有活性污泥特点的生物膜法，兼具两者的优点[9-10]。该工艺在乌鲁木齐市小区中水回用项目中使用率最高。膜生物反应器是由生物处理单元与膜分离单元组成的一种新型水处理技术，具有出水水质好、处理效率高、占地面积小、运行管理简单等优点，对各种高浓度有机废水与难降解废水中的COD、NH3-N等都能达到良好的去除效果[11-12]。

图2为接触氧化法处理工艺和MBR工艺单方水投资随处理规模变化而变化的情况；图3为两工艺单方水占地随处理规模变化的情况统计。

图2 单位投资随处理规模的变化Fig.2 Change of Unit Investment with Treatment Capacity

图3 单位面积随处理规模的变化Fig.2 Change of Unit Area with Treatment Capacity

由图2和图3可以得出以下结论。

(1)以生物接触氧化法作为中水回用处理工艺，处理量在500 m3/d以下时，随着处理规模的增加，投资成本逐渐降低；当处理量在500 m3/d时，单方水造价最低(3 700元/m3)，此时的占地指标为0.63 m2/m3；当处理规模超过500 m3/d时，投资明显升高，在1 000 m3/d处投资成本最高。生物接触氧化法处理单方水的占地指标相对较稳定，对经济性影响不大。

(2)以MBR膜反应器为中水回用处理工艺时，随着处理规模的增加，单方水造价和处理单方水的占地面积明显降低。处理量在100 m3/d时单方水投资和占地指标均为最大值，分别为9 000元/m3和1.2 m2/m3；在1 000 m3/d时，单方水投资和占地指标达到最小值，分别为5 750元/m3和0.63 m2/m3。

(3)由此可见，不同的处理工艺有其经济的处理规模范围。当处理规模在100～500 m3/d时，接触氧化法的单方水投资及占地指标要低于MBR膜反应器工艺，因此，接触氧化法工艺在小规模项目中更占优势，规模在500 m3/d以内推荐使用；当处理规模在800～1 000 m3/d时，MBR膜反应器的单方水投资及占地指标要低于接触氧化法工艺，更具经济性，因此，处理规模大于800 m3/d，建议使用MBR工艺作为推荐工艺。

4 以接触氧化法(AO)典型工艺实例分析

接触氧化法工艺是在国内各城市和乌鲁木齐市再生水处理工程中应用最多的工艺。为了掌握接触氧化法(AO)典型工艺的运行情况，于2014年7月18日对新疆乌鲁木齐市龙庭华清园小区再生水处理站进行了调研，收集相关资料并获悉污水处理工程的实际运行情况，分析了其工艺原理及特点，按设计参数进行了技术经济分析。

4.1 工艺概况

龙庭华清园小区位于乌鲁木齐市医学院附近，项目于2010年建成。再生水来源为小区生活污水，该再生水站的处理水量为200 m3/d，出水水质达到《城市污水再生利用—城市杂用水》(GB/T 18920—2002)[6]，运行至今，出水一直稳定达标。

4.2 工艺流程

由于污水排放要求较高，采用一般的化粪池工艺不能达到排放要求，考虑采用常规的“厌氧+好氧”处理工艺来处理本项目污水。在污水总管上设置一个分流井，采用泵定量提升污水到处理系统(图4)。

图4 中水回用工艺流程Fig.4 Process Flow Chart of Reclaimed Water Reuse

污水在分流井内通过泵提升进入厌氧折流板反应器(anaerobic baffled reactor，ABR)，池内挂有生物填料并加入大量厌氧菌附着生长，废水中的固体物质和胶体物质迅速被截留吸附，并水解为溶解性物质；同时，在产酸菌的作用下将大分子、难于降解的物质转化为可生物降解的小分子物质，重新释放于废水中；最后，在产甲烷菌的作用下产生的甲烷、二氧化碳等更简单的细胞物质，易被好氧微生物利用，使废水中的COD减少，利于后续好氧反应；出水自流入生物接触氧化池，通过投加的高效微生物菌种的新陈代谢作用，在充氧条件下彻底降解COD、BOD5，经二沉池固液分离后，水质得到进一步净化，达标外排；二沉池的污泥可通过污泥泵抽取，从检查井中直接排入城市管网。

4.3 工艺说明

(1)集水井。设双层格网，在同时发生堵塞时可以分片冲洗。设隔油板，防止油污流入处理系统。设计进水流量为200 m3/d，即6.7 m3/h；有效容积为20 m3；水力停留时间(HRT)为3 h。内设污水提升泵，40PU2.25，Q=7 m3/h，H=5 m，N=0.25 kW，2台，1用1备；井内设浮球液位控制1套，自动控制泵的启停。过滤后的污水由该井泵入ABR池。

(2)ABR反应器。ABR池污水自流进入接触氧化池，ABR反应器的预处理，大大提高了水力有效负荷，减少了占地面积。有效容积为80 m3，HRT为12 h。钢筋砼结构，池内特种填料。

(3)接触氧化池。设计参数：反应器容积负荷为1.5 kg COD/(m3·d)，有效容积为40 m3；HRT为6 h，气水比为15∶1，风量为2 m3/min。钢筋砼结构，池内设组合填料，池底安装曝气器40只。

(4)二沉池。该池采用平流式沉淀池，钢筋砼结构。利用重力将废水中悬浮物分离出来，可降低最终出水的SS，使出水达到较好的水质，确保出水达标。池内设置泥斗，作为污泥沉降区，池底污泥定期抽取到污水管网处理。HRT为3.0 h，有效容积为20 m3。池内设两个泥斗，便于放置污泥泵，上设检查井，用于抽取污泥。

(5)过滤设备及清水池。在设备间(车库内)设压力过滤器，在二沉池通过水泵提升至该设备，主要是提高进水压力(一般工作压力可达0.45 MPa)，强制通过较为细密的滤料来滤除杂质。当需要清理杂质时，通过反冲洗回流到二沉池。清水池设在车库内，通过不同功率的管道泵连接绿化管线(该管线须有接入污水管网的接口，便于不灌溉时多余的水排入污水管网)，用于小区绿化。设计HPT为3.0 h，有效容积为20 m3。钢筋砼结构，池内设回用水泵一台11 kW，三台5.5 kW，由水位控制器控制泵的启停。

4.4 投资及运行成本

对于处理工艺的选择，运行成本是一重要因素。本课题调研乌鲁木齐的居住小区生活污水处理，各小区管理维护水平相当。本工程处理规模为200 m3/d，处理站及配套设施工程直接投资93万元，单位投资成本为4 650元/ m3，总装机容量为40 kW，运行功率为32 kW。费用构成[13-15]如下。

(1)直接运行成本包括：电费、工资福利费、药剂费、泥渣外运费[16]。

(2)单位经营成本包括：直接运行成本、大修理费、无形资产和递延资产摊销费、日常检修维护费、管理及其他费用、流动资金利息[17]。

(3)单位总成本包括：直接运行成本、固定资产基本折旧费、大修理费、无形资产和递延资产摊销费、日常检修维护费、管理及其他费用、流动资金利息[14]。

(4)直接运行费中电费价格取民用电价格0.8元/(kW·h)。工程使用期限15年，年运转时间为180 d，固定资产综合基本折旧率为5%，固定资产大修基金提存率为2%，检修维护费率为1%，接触氧化法工艺无形资产和递延资产产值按工程资产投资的50%计，成本计算中为考虑利润。

(5)成本计算。直接运行费用E1为0.44元；固定资产基本折旧：固定资产原值×综合基本折旧率(5%)，E2=0.09元；大修费：固定资产原值×大修基金提存率(2%)，E3=0.04元；无形资产和递延资产摊销：无形资产和递延资产产值×年摊销率(8%)，E4=0.14元；日常检修维护费：固定资产原值×检修维护费率(1%)，E5=0.02元；管理和其他费用：E6=(E1+E2+E3+E4)×15%=0.11元/m3；单位经营成本：Ec=E1+E3+E4+E5+E6=0.75元/m3；单位总成本：Ac=Ec+E2=0.84元/m3；

(6)在考虑实际出水量与设计水量的差异和企业利润的情况下，其修正单位经营成本为1.15元/m3，单位总成本为1.32元/m3；如果实行退还0.5元/m3的补偿政策，单位经营成本为0.65元/m3，单位总成本为0.82元/m3；如果实行退还0.5元/m3补偿政策的同时，财政再补贴0.2元/m3，则单位经营成本为0.45元/m3，单位总成本为0.62元/m3。

5 结论

(1)通过实际调查分析，生物接触氧化法、“CASS+曝气生物滤池”、MBR膜反应器是乌鲁木齐市中水回用工程采用的主流工艺。从经济性和处理效能考虑，推荐生物接触氧化法作为绿化用水的主流工艺；“CASS+曝气生物滤池”常作为景观用水的使用工艺。

(2)以生物接触氧化法和MBR膜反应器作为绿化用水工艺时，随着处理规模的变化，两者的单方水投资和占地指标也随之变化。生物接触氧化法工艺更适合处理规模在500 m3/d以内的工程项目；处理规模在800～1 000 m3/d时，推荐采用MBR工艺。

(3)所有应用的工艺处理规模在100 m3/d时，投资较高，最不经济；当处理规模达到300 m3/d以上时，单方投资及占地指标明显下降。因此，建议小区尽量不再投资建设处理量300 m3/d及以下的单独再生处理站，而采用多小区共建再生水站或者区域统一规划，将可以连片的区域建成一定规模的处理站，较为经济。

(4)通过龙庭华清园小区中水回用工艺接触氧化法(AO)典型实例工艺流程的介绍，成本组成的分析。项目单位经营成本为0.75元/m3，单位总成本为0.84元/m3，给出各成本预算及补贴方案，为乌鲁木齐中水回用技术提供借鉴。

随着技术的发展，将来可能会有更多更好的处理工艺应用到实际工程当中。就目前乌鲁木齐的发展来看，接触氧化法工艺存在着自身的优势。小区中水回用技术可有效提高乌鲁木齐市的水资源利用率，改善城市用水紧缺的现状，具有显著的社会、经济和环境效益，具有广阔的发展前景和潜力。