城市污水再生利用工程设计要点

曾诗，瞿露

中国市政工程中南设计研究总院有限公司重庆分院，重庆，400047

0 引言

由于城市人口增长和经济高速发展，水资源短缺已成为全球性的难题。我国水资源分布不均，人均淡水资源相当有限，统计数据表明世界人均水资源占有量为1.29万m3，而我国人均水资源量仅2239.8m3[1-2]。水资源短缺不仅给人民正常生活和社会经济发展造成了严重阻碍，也带来了诸多环境生态问题。国家发展和改革委、科技部、工信部等十部门共同印发了《关于推进污水资源化利用的指导意见（发改环资〔2021〕13号）》，其中明确提出2025年全国地级及缺水城市的再生水利用率应达到25%以上。污水再生处理的成本小于从传统水源取水制水的成本，必能促进社会经济可持续性发展，获得良好的经济效益、社会效益和环境效益。

1 再生水利用设计思路

1.1 利用方向的选择

1.1.1 城市杂用再生水利用

城市杂用再生水利用方向广，设计方案较灵活；且易于统计再生水的消耗量。此类型再生水在利用过程中会与人有间接或直接的接触，需要事先调查社会对其的接受程度，制定合理的利用途径以保证供水效率和供水安全。根据城市污水再生利用城市杂用水水质指标（GB/T18920-2002），水质要求较低，存在一定的水质安全隐患，需要严格控制再生水生化与卫生学指标[3]。

1.1.2 景观环境再生水利用

利用景观再生水的对象主要为公园绿地灌溉、景观水体及天然水体等，可有效提升景观环境，为城市河道、湖泊水量补充生态基流。

再生水中含有细菌、原生动物、蠕虫和病毒等病原微生物，用于景观用水时需要控制再生水中余氯含量以抑制病原微生物的繁殖生长，如果余氯含量过低则导致病原微生物的大量繁衍，导致再生水水质恶化影响利用效果，但是过高又会对受纳景观水体中的水生生物造成毒害伤害。因此需要合理控制再生水的氯投加量。

1.1.3 工业再生水利用

理想使用工业再生水的对象是用水量较大且对水质要求较低的企业。工业冷却水对水质的要求较低，如碱度、硬度、氯化物以及铁锰含量等容易达标；其他水质指标如SS、氨氮、COD等，二级处理出水经适当净化后也能满足要求。锅炉用水受锅炉类型对水质有不同要求，在硬度、腐蚀性和结垢等方面指标要求较高，一般需要深度处理后方可使用。工业冲洗用水对水质要求不高时，可以用再生水代替。

1.2 影响利用的因素

再生水利用应当有非常广阔的前景，然而其推广利用受到多方面因素的影响，使得目前再生水市场需求十分有限。

1.2.1 系统规划

污水处理与再生利用缺乏统一规划、统筹管理。首先，由于污水处理设施的建设、运营与水资源利用及水污染防治分属住建、水利、环保、市政等不同部门，前期各部门所制定的规划计划、规章制度、政策措施等方面的目标定位、作用范围、实施时序等思考角度都有差异。其次，大部分城市在进行污水再生利用规划时未将供水规划结合考虑，导致规划市政给水量偏大，无再生水利用空间；或是未考虑将城市的再生水利用设施整合，使得利用设施布局分散、用水途径各异，制约了再生水分类、分质利用。

1.2.2 水价体系

再生水的价格是影响再生水能否利用的核心要素，当水质安全水量稳定性之时，相对自来水更为低廉的价格能极大激发再生水利用需求。只有公众感到使用再生水相对便宜时，才能建立合理的用水消费，建立起合理的水价体系和用水结构。

1.2.3 观念认知

现有的再生水利用工程规模普遍较小、回用范围局限；缺乏对水资源短缺状况、不同类别水资源的利用范围、水价制定原则和程序等信息科普宣传，使得公众受传统观念影响，对再生水水质心存顾虑；同时城市杂用、景观和工业用水仍大规模使用自来水，缺乏使用再生水的典型案例，担心可能受到不良影响，导致再生水难以推广。

1.3 设计工艺

国内已有不少的污水再生回用工程实例，污水厂出水经过深度处理后，一般均可满足城市杂用水、工业用水和农业灌溉的水质要求[4]。常用再生水工艺有如下三类[5-6]：混凝-沉淀-过滤-消毒的常规处理工艺；混凝-沉淀与微滤、超滤或反渗透等膜技术组合工艺；生物处理工艺，典型如生物滤池。

针对不同地区的气候条件和不同的水质需求再生水处理工艺存在差异。例如我国北方温度较低的地方，生物技术受微生物活性限制，无法发挥应有的处理效果，多采用常规处理工艺或膜技术处理工艺。部分工业城市的污水受工业废水影响，盐度高、可生化性相对较差，多应用膜技术处理工艺。总的来说，再生水的设计工艺应针对具体需求，因地制宜地选用。

2 再生水利用工程设计案例

2.1 设计目标

2.1.1 再生水利用方向

本次案例为重庆地区某污水厂再生水利用。首先结合当地的实际用水需求，确定本次再生水利用方向主要有两个方面：一是城市杂用，二是生态补水。城市杂用主要是将再生水替代自来水，用于市政道路冲洗、园林绿化和环卫清扫，从而节省水资源、降低用水成本。生态补水则针对该城镇的四条季节性水资源短缺支沟以及公园人工湖，将再生水富余量作为支沟、湖泊生态景观补充用水。

2.1.2 再生水设计规模

再生水工程总建设规模3万m3/d，其中城市杂用水处理设施按远期规模1.5万m3/d一次性建成，设备按近期规模0.6万m3/d安设，生态补水1.5万m3/d一次性建成。

2.1.3 再生水设计水质

该污水厂出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准，实际运行结果亦稳定达标。城市杂用水（道路冲洗、绿化浇洒）执行《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T 18920-2020）中的道路清扫、城市绿化水质标准，景观补水执行《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB/T 18921-2019）观赏性河道、观赏性湖泊用水标准。污水厂出水水质和再生水要求水质如表1所示。

表1 污水厂出水与再生水要求水质对比表

2.2 方案设计

对比表1中污水厂出水标准和再生水水质标准可知，作为城市杂用水还需进一步消毒，去除大肠埃希氏菌，并补充余氯。对比近半年来污水厂运行数据及再生水水质标准可知，现状BOD5已基本达标；由于污水厂内设有高效沉淀池，对总磷去除效果较好，出水TP最高值均在0.3mg/L以下。因此再生水作为生态补水还需重点去除的指标主要为TN、NH3及浊度指标。

由于出水有余氯要求，故消毒法采用加氯法。而液氯消毒虽然成本低，但其运输、储存、使用环节需严格防止泄漏；基于安全考虑，选择与液氯相似但危险性小的含氯化合物，成品次氯酸钠采购方便，且加药系统设备简单。污水厂出水经二次消毒后可满足城市杂用水的标准，经泵提升至再生水城市杂用水管网后使用。为进一步去除水中氮类物质，选用了曝气生物滤池（Biological Aerated Filter，BAF）。BAF根据处理对象可分为三类：硝化曝气生物滤池将水中的氨氮氧化为硝态氮；碳氧化曝气生物滤池将水中有机物进行降解；反硝化生物滤池在碳源充足的情况下将水中硝态氮还原为氮气。硝化曝气生物滤池和碳氧化曝气生物滤池内工作时需要足够的溶解氧以确保正常运行，而反硝化滤池工作时则需保持较低浓度的溶解氧。强化去除水中的TN、NH3后，经二次消毒后可满足生态补水的标准。综上所述，本案例中再生水处理工艺流程如图1。

该污水厂现状地面较平坦，新建水厂基本维持现状标高，设计场平标高400.80～400.90m。再生水处理系统采用重力自流，构筑物高程由污水厂出水标高确定。

2.3 主要单体设计参数

2.3.1 中间提升泵房

功能：满足生态补水处理竖向设计上的水压要求。

尺寸参数：集水池平面净空尺寸20.0m×4.0m，有效调节水深3.0m。

设备参数：设轴流泵3台，单台Q=315m3/h，H=8m。

2.3.2 两级生物滤池

配水形式：滤板+滤头+滤梁

反冲洗形式：快速降水位+气水联合反冲洗

（1）前置反硝化生物滤池：

反冲洗周期：根据实际情况而定，一般12～24hr

反冲洗气强度：100m3/（m2·h）

反冲洗水强度：18m3/（m2·h）

滤料层高度：H=3.0m

停留时间：HRT＝23.1min，其中一格反洗时HRT=15.4min

水力负荷：q＝7.8m3/（m2·h），其中一格反洗时q＝11.7m3/（m2·h）

（2）N硝化曝气生物滤池：

反冲洗周期：根据实际情况而定，一般24～48hr

反冲洗气强度：75m3/（m2·h）

反冲洗水强度：18m3/（m2·h）

曝气量：31.25m3/min

滤料层高度：H=4.0m

停留时间：HRT＝41.0min，其中一格反洗时HRT=30.7min

水力负荷：q＝5.9m3/（m2·h），其中一格反洗时q＝7.8m3/（m2·h）

2.3.3 接触消毒池及提升泵房

（1）杂用水系统接触消毒池及提升泵房：接触时间：30min

设备参数：潜水泵3台，单台Q=250m3/h，H=69m。

（2）生态补水系统接触消毒池及提升泵房：接触时间：30min

设备参数：潜水泵2台，单台Q=315m3/h，H=55m。

2.3.4 供水管道设计

考虑本次设计中城市杂用水系统与生态补水系统水质要求、水压要求差异较大。其中城市杂用水有余氯要求，若采用同一系统，不仅大幅增加了加氯量，经初步核算运行成本约0.96元/m3；此外大量余氯将随着补水进入到水体之中，对水生态有不利影响，故分别按照独立的系统设计两套再生水管道，运行成本约0.49元/m3。

新建再生水管网时充分考虑现状区域内再生水需求及地块开发建设时序，满足地区经济和社会长远发展的需要，城市杂用水系统厂外管网按远期布局统筹考虑，适应片区建设分期实施。同时结合上位规划保证在再生水管道平面布置、断面、高程布置均能满足需求，以及使用的安全性、便利性。在市政道路上布置智能取水系统，保证无间断、无故障使用，同时避免传统消防栓式取水造成的大量渗漏和偷水倒灌等现象；实现单独核算再生水水量、单独收费的功能，便于科学化管理，减少供水公司产销差，促使水资源利用均衡。

3 结语

对于再生水利用设计，在实施之前必须对现状需求做详细调查，确定利用的方向，是否有条件供给，采用何种方式供给，如城市道路洒水、景观水体补水、绿化洒水等市政需水以及工业生产用水，可采用城市污水厂再生水集中回供；若需水量较小、铺设再生水管网成本过高，应采取再生水分散式回供，满足就近区域内的绿化、景观用水等。设计合理供水规模、因地制宜设计处理工艺，实现分质供水才能体现再生水经济价值，有效促进再生水的使用。