高碑店污水处理厂处理水资源化再利用的研究

方先金 张韵

　　【摘要】 以高碑店污水处理厂处理水资源化再利用为目的，本研究对高碑店污水处理厂二级出水、通惠河和南护城河水质进行了检测，对再利用的主要潜在用户进行了分析，在此基础上，提出了高碑店污水处理厂处理水资源化再利用的技术方案。
　　【关键词】 城市污水 再利用 技术方案

1 前言

　　地球上可以利用的水资源约占地球上总水量的0.6％，而且分布极其不均。随着世界经济发展和人口增加以及水源的污染，近年来许多国家发生了水荒。根据世界银行1998年底的研究，在未来25年由于缺水将直接影响到人类生活必需品的生产，21世纪前25年即使在年降水量为正常的年份，世界上也将有约13亿人口受到缺水的威胁［1］。
　　北京是一个严重缺水的城市，人均占有水资源量仅300m³左右，为全国人均水资源占有量的1／8，世界人均水资源量占有量的1／32。城市水资源供需平衡和水资源短缺已成为制约北京市社会经济发展的重要因素。为了实现北京市国民经济可持续发展战略，缓解北京市面临的21世纪城市发展和可利用水资源的矛盾，应尽早开发城市污水资源作为城市第二水源。高碑店污水处理厂是目前我国最大的污水处理厂，一期工程已于1993年10月24日竣工投产，一期工程处理能力50万m³／d；2000年二期工程投产运转后处理能力可达100万m³／d。高碑店污水处理厂污水系统流域面积96平方公里，服务人口240万人，汇集北京市南部城区的大部分生活污水，东郊工业区，使馆区和化工路的全部污水。高碑店污水处理厂二级出水直接排人通惠河下游，除每年约5500万m³用于农业灌溉外，剩余的处理水没有得到利用，用于农业灌溉的部分仅占处理水的30％，约15万m³／d。待二期工程结束后，高碑店污水处理厂处理水未再利用量将达到85m³／d，对于北京这样一个严重缺水的城市是一个很大的水资源浪费，因此开发利用高碑店污水处理厂二级出水势在必行。
　　本文结合北京市城市布局、水系和市政管网分布以及工业布局现状，按照北京市城市规划要求，对高碑店污水处理厂处理水资源化再利用的主要潜在用户进行了分析，进而提出高碑店污水处理厂处理水资源化再利用的技术方案，以达到开源节流、节约清洁水资源和自来水用量的目的。

2 现况河湖水质

　　高碑店污水处理厂位于北京市通惠河南侧，距高碑店闸约1.4公里，出水通过退水暗渠流入通惠河高碑店闸的下游。从高碑店闸向西经高碑店湖到东便门为通惠河上游，从东便门向上游，经龙潭湖、大观园、广安门、到西便门为南护城河段。整个水系从西便门经东便门、高碑店一直流向通惠河下游。按北京市总体规划到2002年护城河广安门上游应达到地面水环境质量标准Ⅲ类，从广安门到高碑店闸的河道水体应达到地面水环境质量标准Ⅳ类，高碑店闸下游应达到地面水环境质量标准V类。为了分析高碑店污水处理厂处理水资源化再利用工程使用现有水系作为再利用水输送系统，以便减少工程投资的可能性，我们除对高碑店污水处理厂二级出水进行了水质检测外，还在高碑店湖、东便门、龙潭湖、西便门处进行了水质检测，检测结果已列入表1中，结合相关水质标准分析表1可以得出如下结果：
　　① 通惠河和南护城河水系水质除南护城河上段外都较差，主要表现在CODcr、B0D5、嗅味、溶解氧和总大肠菌群等指标均不能达到地面水V类标准，与该段水体的水质要求存在一定的差距。为此，我们先后四次沿通惠河、南护城河两岸进行了实地考察，发现其主要原因为：目前南护城河、通惠河部分河段沿河有污水直接向河体排放，未实现有效的污水截流。
　　② 高碑店污水处理厂二级出水悬浮物浓度和总大肠菌群与《生活杂用水水质标准》对比都超标，再利用于生活杂用必须进一步进行深度处理。
　　③ 高碑店污水处理厂二级出水水质均优于设计要求。
　　④ 水源六厂出水中氯化物含量较低，溶解氧浓度较高，且氮和磷含量较低，达到生活杂用水水质标准。

高碑店污水处理厂和水源六厂出水及现况河湖水质 表1 水质指标 高碑店污水厂 高碑店湖 东便门 龙潭湖 西便门 水源六厂 水温（℃） 22.6 26.3 20.7 22.5 21.7 　 DO（mg／l） 2.5～3.0* 0.7 1.1 8.1 8.7 4～7* PH 7.39* 7.6 7.6 8.4 8.6 　 色度（稀释倍数） 31 67 53 73 19 7.1～7.4* 浊度（度） 2.02 27.83 24.41 24.40 8.29 　 COD_cr（mg／l） 33.7* 58.9 61.3 58.9 21.1 12～43* BOD₅（mg／l） 7.4* 15.07 20.30 13.39 3.85 5～10* 嗅味（污泥味级别） 3 4 4 3 3 　 氯化物（mg／l） 109* 90.2 36.8 86.0 39.8 44～86* 总磷（mg／l） 5.07* 1.69 1.60 0.27 0.10 　 氨氮（mg／l） 10.8* 14.77 12.25 1.22 0.79 0.2* 硬度（mg／l） 350* 247 220 195 181 204～394* 总固体（mg／l） 615 484 421 453 411 　 SS（mg／l） 20* 42 78 99 95 　 总大肠菌数（10⁶个／l） 2.3 317 246 0.307 1.56 　 *厂家提供的数据

3 可能应用对象分析

3.1 潜在工业用户
3.1.1 高碑店污水处理厂内部用水
　　高碑店污水处理厂已建规模为1万m³／d的厂内回用水工程，主要用于污泥脱水冲洗滤布、检修、喷洒、浇洒绿地、洗车用水水源等，该用水应优先保证。
3.1.2 华能热电厂
　　华能热电厂位于高碑店污水处理厂对面。高碑店污水处理厂至华能热电厂之间铺设了两条直径800毫米管道，同时该厂内部的深度处理站也已经建成。华能热电厂提供的最新数据表明，该厂现计划四台机组冷却补水全部使用高碑店污水处理厂二级出水作为水源，并通过本厂深度处理站处理后再利用，以保证冷却水水质。该厂实际可利用高碑店污水处理厂二级出水为7.68万m³／d，该用水应优先保证。
3.1.3 北京市第一热电厂
　　北京市第一热电厂是一座高温高压热电厂，位于通惠河北侧，距离高碑店污水处理厂仅几公里。该厂共有循环泵4台，每台循环水量为4.15立方米／秒，循环泵房设在通惠河北岸，冷却水是开放式循环，正常生产情况下有三台泵运行，所需水量约12m³／s（即104万m³／d）。其补水量为26—34.6万m³／d，平均补水量30.3万m³／d。
　　考虑到目前河道水质现况，为保持河道水质上游仍需来水，北京市第二热电厂部分惯流退水仍能用于第一热电厂，在近期方案中第一热电厂再利用高碑店污水处理厂处理水用水量仅考虑为20万m³／d。在远期工程方案中，第二热电厂采用封闭式循环冷却方式运转，耗水量将大大减少，第二热电厂不再有惯流退水供第一热电厂使用。因此，在远期工程方案中第一热电厂再利用高碑店污水处理厂处理水用水量将在近期方案规模基础上扩大10.0万m³／d。
3.1.4 北京市水源六厂
　　北京市水源六厂距高碑店污水处理厂仅几公里，此厂是为工业提供用水的河水厂，厂内建有规模为17万m³／d的深度处理设施。而1998水源六厂供水情况仅为4.7万m³／d，其中化工实验厂1.5万m³／d，有机化工厂0.6万m³／d，化工二厂0.7万m³／d，蒸汽厂0.3万m³／d，焦化厂1.6万m³／d。该厂进水取自通惠河。高碑店污水处理厂二级出水可直接供水源六厂使用。在近期方案中，东郊工业区和焦化厂利用高碑店污水处理厂处理水的水量为5万m³／d，市政杂用水5万m³／d。在远期方案中，水源六厂再扩大7万m³／d。
3.1.5 通州工厂用水
　　通州距高碑店污水处理厂约八公里。通州现有工厂120多家，包括化工、机械、纺织、造纸和食品等行业，用水量较大的工厂有造纸七厂、东方化工厂、通州氮肥厂和北京日用化学二厂等。通州的工厂共可使用再利用水量7万m³／d［2，3］。
3.2 市政杂用水
　　城市杂用水在北京市污水综合利用研究中一直未引起人们的重视，本研究中我们调查了沿通惠河、南护城河主要公园绿化面积、城市绿化、城市道路的喷洒用水量等，并多次走访了市园林局、市环卫局等单位，具体调查结果如下：
3.2.1 公园绿化及河湖用水
　　沿河道主要公园有龙潭湖公园、北京游乐园、天坛公园、陶然亭公园、大观园和万寿公园，主要公园合计面积约267万m²，公园绿化用水量为0.534万m³／d。除外，上述公园河湖补水用水约2.3万m³／d，冲厕用水约460m³／d。所以主要公园总用水量约2.88万m³／d。
3.2.2 城市绿化用水
　　在再利用供水范围内有多处城市集中绿地，由于位置较为分散，在目前前况下很难严格计算出再利用于绿化的水量。故重点主要集中在道路两旁隔离带和沿河道两岸较集中的绿地，按北京市总体规划经估算城市绿化用水量约0.2万m³／d。
3.2.3 道路路面喷洒用水
　　据北京市规划路网指标，其主干路和次干路的道路面积约5868万m²。目前可喷洒3389万m²，目前城市道路喷洒由市和区环卫局负责，水源全部为自来水，取水点为固定的自来水消火栓。但按环卫局道路喷洒水车取水半径，并非所有的可喷洒道路都能用高碑店污水处理厂处理水来代替。在方案中，城市杂用水将在水源六厂进行深度处理，深度处理后的出水用管道自水源六厂沿护城河输送到广安门和东便门。若在原有水源六厂供水管网中加设取水口，则可用高碑店污水处理厂处理水来喷洒的道路东至公路一环，西至西三环以西，东西长约23.5km。按环卫局道路喷洒水车取水半径3km计，南北长可达6km，可喷洒的地区面积为141km²。按北京市城市规划设计研究院1992年《北京市总体规划》研究成果，公路一环内道路用地率在1991年前为3.82％，到2010年将达13.43％。若在近期方案中道路用地率按10％计，则能用高碑店水污水处理厂处理水来喷洒道路面积约14.1km²，根据环卫局提供的喷洒道路的用水指标，每m³水可喷洒2500m²道路面积，则一天一次喷洒道路需水量为0.564万m³／d。目前北京市许多路面一天喷洒两次。按市政府治理大气环境污染，减少城市空气灰尘量的要求，未来北京市路面喷洒要求达到一天三次。为此，在近期方案中按每天喷洒道路两次考虑，则需水量约为1.13万m³／d。
3.2.4 近期方案市政杂用水规模
　　上述市政杂用水合计约4.21万m³／d，其中城市绿化及道路喷洒用水量为1.33万m³／d；公园用水为2.88万m³／d。考虑到不可预见水量和管网漏失率，近期方案中市政杂用水规模为5万m³／d。
3.3 农业灌溉用水
　　高碑店污水处理厂农业灌溉区包括东南郊、朝阳、双桥和通州四个灌区，分布在朝阳和通州通惠河两岸的14个乡和2个农场，现况灌溉面积20.21万亩。农作物以粮、菜为主，其中粮田面积16.9万亩，占83％；菜田面积1.72万亩，占9％；林果及其它作物面积1.59万亩，占8％。农业灌溉需用水量约48万m³／d，目前从官厅和密云两大水库供给指标水及工业退水水量约10万m³／d，采用地下水约19万m³／d，从通惠河取水水量约19万m³／d［2，3］。
3.4 高碑店闸下游河道补水
　　通惠河下段高碑店闸至北运河蒸发渗漏，一年八次换水和河道两侧绿化需水量约3.6万m³／d［2，3］。

4 再利用方案

4.1 用户用水优化分配
　　高碑店污水处理厂处理水优先保证厂内回用水1万m3／d、华能热电厂冷却用水7.68万m³／d、市政杂用水5万m³／d、通过水源六厂供东郊工业区和焦化厂用水量5万m³／d和第一热电厂20万m³／d，共计38.68万m³／d。
　　在远期工程实施前，剩余的高碑店污水处理厂处理水除用于高碑店闸至北运河两侧绿化和河道补水3.6万m³／d外，还可以用于农业灌溉48万m³／d，最后用于通州工厂7万m³／d，总计97.28万m³／d。
　　在远期工程方案实施后，第一热电厂扩大用水量10万m³／d，水源六厂扩大用水量7万m³／d；剩余的高碑店污水处理厂处理厂用于高碑店闸至北运河两侧绿化和河道补水3.6万m³／d、农业灌溉40.72万m³／d，总计100万m³／d。
4.2 工程方案规模
　　本工程方案主要考虑高碑店闸上游的再利用用户，通过近期工程方案实施后才能利用高碑店污水处理厂处理水的用户对象为：第一热电厂20万m³／d，市政杂用水5万m³／d，通过水源六厂供东郊工业区和焦化厂用水量5万m³／d。因此，近期工程方案规模为30万m³／d。
　　远期工程方案规模将由近期工程方案规模30万m³／d扩大到47万m³／d。主要增加的用户对象为：第一热电厂用水规模扩大10万m³／d，水源六厂扩大用水量7万m³／d。
4.3 工程方案
　　高碑店污水处理厂二沉池出水经新建泵站（规模47万m³／d）提升后用两条管道分别输送到高碑店湖（规模30万m³／d）和水源六厂（规模17万m³／d）。送至高碑店湖的处理水供北京第一热电厂用水；送至水源六厂的处理水在该厂进行深度处理后，一部分通过水源六厂现有的供水系统供给东郊工业区和焦化厂；一部分通过新建管道输道到广安门和东便门。在水源六厂现有供水管道和新建管道沿线设取水口，供市政杂用取水。
　　不包括拆迁和占地费，工程费用约2.34亿元。由于高碑店湖内有机物高于高碑店污水处理厂二级出水，为改善河道水质，需在高碑店湖增加充氧设施，以提高水中溶解氧浓度，同时进一步降低水中有机物。
　　本方案可实行两种工程实施措施。第一种为近远期工程一次实施；第二种为近远期工程分开实施，即近期工程修建提升泵站、泵站至高碑店湖的输水管道、市政杂用水配水管；远期工程修建提升泵站至水源六厂的管道。

5 结论和建议

　　① 本文推荐的高碑店污水处理厂处理水资源化再利用方案充分考虑了北京市城市水系、园林、道路及工业布局现状，具有可实施性。
　　② 高碑店污水处理厂处理水资源化再利用能达到开源节流的目的，可以在一定程度上缓解北京城市水资源紧缺的局面，能为北京市城市绿化面积的扩大和道路喷洒压尘创造条件，对环境综合治理具有较大的作用。
　　③ 建议制定有关法规和政策，促进城市污水再利用设施的发展。应编制北京市再利用水设施发展规划，以便在相应的市政工程中铺设再利用水管道等设施，使城市污水再利用逐步完善。

参考文献
　　［1］KA Spektrum：Wassermangel groesser Bedrohung der Menschheit，Korrespondenz Abwasser，Nr.1，1999.
　　［2］北京市城市规划设计研究院，北京市水利规划设计研究院：高碑店污水处理厂出水合理利用研究，1992年8月
　　［3］北京市城市规划设计研究院，北京市节约用水办公室：北京市城市污水综合利用研究，1999年4月