污水再生利用工程实例

李 诚, 袁令统， 柏昕然， 胡光振， 陈凡阵

(1.天津市华博水务有限公司，天津300040；2.天津市公用事业设计研究所，天津300100)

经济的发展与人口的增多使水资源日益相对短缺，为此国家制定了很多政策和措施，鼓励与引导提高水资源的利用效率和开辟新的可利用水源。经处理达到一定标准后的污水处理厂出水，已成为考虑被利用的水源之一[1-3]；另一方面，用水量需求的不断增大与水资源的相对短缺，使城市供水的使用成本不断提升，特别是对用水量大的工业企业，降低生产成本的要求迫使其不断进行技术革新与设备更新，一是力求降低用水量，二是寻求可利用的低成本水源[4]。随着国家对污水治理要求的不断提高，以及污水处理技术的不断完善与革新，目前国内很多污水处理厂出水达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级标准，不但能满足水体污染控制的要求，而且客观上也降低了其回用成本，提高了可利用价值。目前国内很多地方已将污水处理厂出水作为工业用水水源，特别是在淡水资源缺乏地区[5-7]。在此背景下，笔者结合实际案例，对污水再生利用项目的设计及实施进行初探，以期为同类项目提供参考。

1 项目实施的背景与条件

1.1 再生水项目背景

为了加大对城市污水的再生利用，在已出台系列城市污水再生利用水质标准要求的基础上，建设部与科学技术部于2006年联合出台了《城市污水再生利用技术政策》。2016年8月18日，住房和城乡建设部发布重新修订后的《城镇污水再生利用工程设计规范》，推进污水再生利用。

为进一步改善我国的水环境状况，2015年4月国务院常委会通过了《水污染防治行动计划》(即“水十条”)，提出节约保护水资源，促进再生水利用的要求。

山西省孝义市位于吕梁地区南端，属于全国百强县之一，其主要水源为地下水。多年的经济发展造成了对地水下资源的过度消耗，补给量小于使用量，地下水位连年下降，已对当地及周边生态造成了较大影响。为此，降低对地下水的开采量成为城市可持续发展必须面对的课题，对其他水源的利用成为必然的选择。

1.2 项目实施的条件

1.2.1设计概况

孝义市污水处理厂处理规模为3×104m3/d，主要处理城区生活污水，设计出水水质要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。

该项目分2期建设，二期建设了深度处理系统，但由于运行状况不佳，于2013年进行了一次深度处理单元改造工程，目前采用 “粗格栅+进水提升泵站+细格栅+旋流沉砂+SBR池+二次提升+混凝沉淀+砂滤池+次氯酸钠消毒” 工艺。

1.2.2 运行概况

目前的污水处理厂实际平均处理量在2.3×104m3/d，根据改造后2年来的运行数据，处理出水基本可以稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。

1.2.3 再生水需求用户

坐落于孝义市的某大型企业投资的铝电综合循环项目，根据国家政策要求和自身需求，对再生水有着较大需求，其目前需求量在1×104m3/d，远期将达到2×104m3/d。

1.2.4 再生水输送条件

原设计中已考虑了再生水输送，在进行深度处理工程时，已建设有效池容3 000 m3的清水池和输送能力为3×104m3/d的送水泵房。

1.3 项目实施的意义

① 节约淡水资源，利于可持续发展

孝义市的供水水源主要采用地下水，而地下水已超采，随着工业经济的不断发展，淡水资源的可供应量与经济快速发展对淡水需求的不匹配，已成为该市可持续发展的障碍。再生水回用能在很大程度上节约对其他淡水资源的需求，从而在一定程度上缓解孝义市淡水资源短缺与经济发展的矛盾。

② 降低水体污染物排放量

污水再生利用，可以减少处理水排放量，从而降低污染物排放量。

③ 用水企业降低用水成本

在使用再生水前，企业主要采用地下水作为主要水源，使用成本在6元/m3。使用再生水的综合成本约为2.64元/m3，节约了用水成本。

④ 降低政府负担

通过再生水的供应，可以将再生水的收益补充部分污水处理费用，从而降低政府专门为污水处理付费的财政支出，降低财政负担。

2 项目规模与工艺形式选择

2.1 工程规模确定

污水处理厂的设计规模为3×104m3/d，实际平均处理水量为2.3×104m3/d。根据规划，收水范围内未来污水量会有所增加，但基本在3×104m3/d内。企业对再生水的要求平稳，根据用户对水质的要求，在再生水生产过程中会产生部分生产废水。综合考虑多方面因素，确定再生水工程规模为1.8×104m3/d。

2.2 出水水质要求

根据用户要求，其水质指标如表1所示。

表1 再生水水质主要控制指标Tab.1 Main control indicator of reclaimed water

2.3 水质分析

根据对该污水处理厂的出水取样分析结果，其电导率基本在2 000 μs/cm以下，出水COD在30 mg/L左右，NH3-N在0.02～4 mg/L，BOD5在10 mg/L，TP在0.2～0.5 mg/L。实际出水水质与用户要求尚有一定差距。

2.4 工艺选择

常用的脱盐工艺一般有电渗析、反渗透，近几年出现了正渗透工艺。常规工艺基本没有脱盐功能，综合投资、操作便捷性、运行稳定、工艺成熟应用规模等因素，确定采用反渗透工艺。考虑占地因素，预处理工艺采用常规的压力式超滤膜工艺。

考虑到出水水质的变化，并尽可能保持灵活运行，在设计中提出了混兑/单供方案，即一级A出水可以与超滤出水混兑，一级A出水可以与反渗透出水混兑，超滤出水也可与反渗透出水混兑，每种水也可单独供水。

2.5 工艺设计基本条件与要求

① 设计规模：反渗透产水能力不小于1.25×104m3/d；设计再生水供应规模不小于1.8×104m3/d；出水水质满足表1所示的要求。

② 可利用场地有限，且布局时考虑躲避穿过厂区上方的高压线。

③ 厂内现有管线复杂。

④ 污水处理厂处理水质季节变化明显。

⑤ 工艺运行要求灵活，可实现多种供水方式，可实现比例混兑。

⑥ 需要设置一定的进水调节池容。

⑦ 考虑浓盐水的适当处理。

⑧ 考虑原滤池的反冲洗用水。

3 工艺设计

3.1 设计基本参数

超滤(UF)收水率≥90%；反渗透(RO)收水率不小于75%；系统脱盐率≥97%，双膜系统产水能力不小于12 500 m3/d。

3.2 进水缓冲池

考虑到生化工艺为CAST工艺，且进水日变化系数较大，为了膜系统运行稳定且满足滤池反冲洗用水，设计了进水缓冲池。其有效池容为1 140 m3，缓冲井设有溢流装置，可以直接出水至受纳水体。

3.3 超滤系统

超滤系统产水能力，Q1=1 042 m3/h；设计通量，44 L/(m2·h)；跨膜压差，0.05～0.10 MPa。

设计5套超滤膜组，配套进水、反冲洗、化学清洗、自清洗过滤系统和其它。

3.4 超滤产水池

超滤产水池用于暂存超滤产水，并作为超滤反洗水池使用。设计有效池容为750 m3，设有可以进入清水池的溢流装置。

3.5 反渗透系统

反渗透系统产水能力，Q2=521 m3/h；设计通量，19 L/(m2·h)；有效反渗透压力，1.2 MPa。

设计4套反渗透膜组，配套进水、加压、反冲洗、化学清洗、加药系统及清洗过滤装置和其它。

3.6 清水池

将原有2座总调节池容为3 000 m3的清水池作为再生水调节水池，利用旧有设备。

3.7 供水泵站

经校核，现有的水泵满足供水要求，利用旧有设备。

3.8 浓盐水的处理

根据计算，产生的最大浓盐水量约为4 200 m3/d。考虑到反渗透膜对污染物的富集作用，需要对浓盐水进行处理。

设计利用厂区未使用的雨水缓冲池作为反应池，内设固定式脱氮填料，下设曝气器。从现有鼓风系统引入压缩空气进行生化处理，有效池容为800 m3，折合水力停留时间为4.57 h，处理出水与未利用一级A出水一起排入水体。

3.9 设计特点

① 设计考虑多种组合方式供应再生水

通过优化设计，系统可采用“反渗透出水+一级A出水”、“超滤出水+反渗透出水”、“一级A出水+超滤出水”、“一级A出水+反渗透出水+超滤出水”等多种组合供水方式。

② 充分考虑检修、通风与安全问题

由于对系统进行了双层设计，检修设计较为复杂，设计充分考虑了各种设备的检修与更换问题，包括吊装。下层通风也较为重要，在设计时充分考虑了通风设计，避免死角，并在可能产生不良气体的地方设置空气监测器。

③ 优化布局，克服诸多不利因素

受可利用占地和空间所限，采用了一体化布局的思路，对车间采用了上、下层分层布置及池子与设备间合建的方式，最大限度减少了设施占地，见图1、图2。左侧上部有高压线通过，在设计中考虑设置调节池作为避让条件。

图1 综合车间下层平面布置Fig.1 Layout of lower layer of the composite workshop

图2 综合车间上层平面布置Fig.2 Layout of upper layer of the composite workshop

4 运行效果

双膜系统建设完成后，经过1个多月完成了设施和系统自动控制调试，实现了各种组合运行模式的功能。

由于初期再生水用户需求量约为8 000 m3/d，浓盐水出水与一级A出水混合后仍可满足排放标准，因此浓盐水处理设施暂未调试运行。

进水电导率在1 500～2 000 μS/cm，“双膜法”工艺出水电导率稳定达到10 μS/cm以下。

但在实际运行中也出现了一些问题，总结如下：

① 针对超滤进水提升泵工艺参数选择，一般选择泵扬程按照最不利状况考虑，但在实际运行中出现运行曲线与泵的能效曲线偏离较大的问题，后期通过更换合适扬程的泵得到解决。

② 管道连接问题，在管道布置时应考虑热胀冷缩引起的变形，采取必要措施。后期增加伸缩节并增设防震垫，问题得到解决。

③ 运行中出现了水力冲击，分析原因是未采用缓闭式止回阀，以及管道防振动措施设置不足。后期更换为缓闭式止回阀，综合管道增加防冲击振动措施，该问题得到明显改善。

④ 运行1年后超滤与反渗透膜出现较为严重的污堵，分析原因为中间水池微生物孳生造成。后期改造成双格，定期清理中间水池，并对水池用次氯酸钠溶液进行浸泡消毒处理。

5 建议

针对双膜法再生利用工艺提出如下几点建议：

① 设计人员应充分做好项目前期调研与分析，掌握设计工况与实际工况的差异性。

② 在项目设计中设计人员适当多考虑灵活性，兼顾设计与实际工况，从而增强工程实施的适用性与实用性。

③ 充分考虑运行维护、安全等要求，合理做好空间布局与分配。

④ 后期运行维护非常重要，应根据项目特点，前期多摸索，综合分析出现的问题，做好应对预案，并可根据需要进行必要的技术改造。

⑤ 采用“双膜法”开展污水处理再生利用时，应考虑对副产物浓盐水采取妥善的处理措施，以满足相应的排放指标要求。

⑥ 再生水规模对最终再生水生产成本的影响较大，特别是考虑浓盐水的处理与处置费用，因此须确定合理的再生水规模。

6 结论

① 做好设计布局至关重要，采用双层设计且与原水池、中间水池合建，可在很大程度上节省占地，节约造价。

② 双层设计应充分考虑底层通风与设备检修，否则会在后期运行中出现严重问题。

③ 双膜法在污水再生利用中已有较多的案例，是生产高品质再生水的重要方法。

④ 再生水可以根据原水水质和用户要求进行合理的比例混兑，节约生产成本。

⑤ 根据经验，浓盐水主要污染在于COD与TN，应根据实际情况综合考虑并采取措施。