西安市城市污水处理及污水资源化

吴键、张理、王社平、曹宇、王恩让

　　摘　要 本文介绍了西安市城市污水处理现状与规划，以及西安市近期实施的污水处理厂和回用水工程，阐述了西安市开发、利用污水资源的意义。重点介绍了西安市城市污水回用试点项目的基础条件、试验研究、设计与实施。作者强调，面对日益短缺的淡水资源，污水是一种潜在的水资源，应引起足够重视；回用水市场开拓初期，用户发展、价格政策极为重要，国家和地方政府应给予政策支持；城市规划、建设、管理部门要按照可持续发展的战略思想，综合考虑污水处理与污水资源的开发与利用；回用水项目的运营管理要遵循市场规律，回用水的定价要考虑供水单位效益、用水单位承受能力和现行物价水平，以便更好地发挥污水资源的作用。
　　关键词 西安市、水资源、污水处理、污水回用、模型试验、工程设计

前　言

　　西安市是世界闻名的历史文化名城，三千多年的城建史和昔日的繁华盛世，给西安留下了极为丰厚的历史文化遗产，使之成为世界著名的文化古都和旅游胜地。半个世纪以来，西安经过了三次大的建设高潮，已成为我国西部地区改革开放的窗口，经济、科技、文化较为发达的中心城市、国际旅游城市和重要的高新技术产业基地。
　　“九五”以来，西安市基础设施建设发展迅速，2000年西安市建成区面积已达187km2，人口326万。根据《西安市排水规划（1995年至2010年）》，西安市中心市区分为六个污水收集系统，现状污水排放总量约80万m3/d，污水处理率约34%。
　　同时，西安市是一个水资源缺乏的城市，全市人均占有地表水资源量不足350m3，仅为全国和世界人均占有量的1/6和1/20，大大低于国际公认的维持一个地区社会经济环境所需1000m3的临界值，随着今后城市现代化进程的加快，水资源短缺将会影响城市供水。而污水是一种稳定可靠的、可再生利用的水资源，是解决城市缺水的一条重要途径，污水经深度处理后可回用于工矿企业、市政环卫、园林绿化以及城市河道景观等方面。合理开发和利用城市污水资源，体现了水的"优质优用，低质低用"和"开源节流并重、节流优先、治污为本、科学开源、经济利用"的原则。

1. 西安市污水处理及其回用的现状与规划

1.1 西安市污水处理现状
　　西安市现状排水服务面积约152.2km2，排水管道除老城区及东北郊部分为合流管外，其余以分流制为主。排水管网总长约835.4km。其中污水管道490km（包括现状合流管），普及率67%，雨水管渠345.4km，普及率45%，管渠密度约5.5km/km2。目前污水管网接纳城市污水量约80万m3/d，已建成城市污水处理厂两座，总处理能力27万m3/d，污水处理率34%，其中北石桥污水处理厂15万m3/d，邓家村污水处理厂12万m3/d。
　　在中国西部大开发之际，为了使排水设施适应城市的发展，提高管网普及率和污水处理率，尽快改善城市水环境，西安市政府把城市排水工程系统改造作为“十五”期间的一项重要工作，加大污水处理厂的建设力度，重视城市管网改造，以改善西安市的水环境质量。
1.2 西安市城市供水现状
　　西安市城市供水设施历经近50多年的建设，尤其是近几年得到了长足的发展，由过去单一的地下水为主要水源，发展到现在以地表水为主、地下水为辅的供水系统。现有水厂7座，在建水厂1座，其中地表水供水能力72万m3/d（曲江水厂60万m3/d，浐河二水厂12万m3/d），地下水供水能力42万m3/d，供水总能力达114万m3/d，供水面积162km2，供水服务人口227万00人。
1.3 西安市城市水资源及用水量
　　西安市地表水资源总量为21.78亿m3，人均水资源量是全国平均水平的1/6。从长远来看，西安是一个水资源缺乏的城市。
　　按照西安市城市总体规划，西安市是由一个中心市区和十一个外围组团组成，市区与组团用水量统一规划、统一调配。近几年，随着黑河引水工程完成，西安的水荒问题已基本解决，2000年，全市最高日供水量为114万m3/d，预计2005年最大日用水量为163.6万m3/d，2010年最大日用水量为190.13万m3/d。加之，城市水体还存在不同程度的污染，2010年以后，西安市用水量仍有一定缺口。
　　水资源是可以枯竭的，合理开发、利用和保护水资源是社会发展的永恒主题。淡水资源的短缺是不言而喻的，而城市污水具有量大、集中、水质较为稳定的特点，是一种潜在的水资源，污水经过处理后完全可以重复使用，并实现水在自然界中的良性循环。开辟这种非传统水源，实现污水资源化，对保障城市供水安全亦具有重要的战略意义。珍惜水资源，合理利用和开发第二水源，是摆在城建工作者面前必须长远考虑的问题。
1.4 西安市排水规划
　　《西安市排水规划（1995～2010）》将整个污水排放分为六个系统，即邓家村污水处理厂系统、北石桥污水处理厂系统、店子村污水处理厂系统、袁乐村污水处理厂系统、纺织城污水处理厂系统、六村堡污水处理厂系统，城市污水管网普及率要达到95%以上。污水处理厂建设规模见表1。

　　注：1、回用水规模仅包括工业利用、市政环卫和城市绿化用水，不含城市河道景观及农业等方面用水。
　　　　2、本表所列远期为2020年规划总规模。

2. 西安市近期实施的污水处理厂和回用水工程

　　根据建设部、国家环保总局、科技部关于《城市污水处理及污染防治技术政策》的通知精神，西安市制定了《西安市城市市政公用设施“十五”计划及2015年规划纲要》，计划在"十五"期间建设纺织城污水处理厂、店子村污水处理厂及其配套排水管网设施。这些项目的实施将改善西安市城市排水设施状况，实行有组织的污水排放和集中处理，使西安市污水处理率超过60%。
2.1 西安市邓家村污水处理厂
　　西安市邓家村污水处理厂始建于1956年，最初处理能力为4万m3/d一级处理，经过1963年和1979年两次扩建后，处理能力达到12万m3/d，并由一级处理提高到二级生物处理。1994年，西安市市政工程管理局依据西安市排水规划并结合西安市城市发展及西安市水资源短缺状况，对该污水厂再次提出改造方案，一是将污水处理规模由12万m3/d提高到16万m3/d，二是增加6万m3/d污水深度处理系统，经深度处理的水作为工业企业部分用水和市政杂用水。
　　依据我国《污水回用设计规范推荐标准》（CECS-61:94）、《生活杂用水水质标准》（CJ25.1-89），结合国内外其它城市污水回用水质标准，并分析该污水处理厂运行以来的水质水量，综合确定了邓家村污水厂回用水的设计标准BOD5≤10mg/l、CODcr≤50mg/l 、SS≤5mg/l、NH4-N≤5mg/l、TN≤15mg/l 、TP≤1mg/l。
　　污水处理工艺采用了技术成熟，处理效果稳定，适应性强的A2/O系统（脱氮、除磷）。回用水处理系统采用絮凝沉淀、砂滤系统。设计投加氯化铁药剂于A2/O系统终沉池配水井中，强化生物除磷，降低终沉池出水中磷的浓度。沉淀后出水经提升泵站至砂滤池，采用气水反冲洗滤池，过滤后水至清水池，加压后进入回用水管网。
　　邓家村污水厂改造工程利用国外政府低息贷款，总投资约1.09亿元，该工程1999年开工，预计2002年3月前二级生物处理部分可投入运行。
2.2 西安市北石桥污水净化中心
　　西安市北石桥污水净化中心是西北地区规模较大的一座现代化污水处理厂，总服务面积53.5Km2，规划人口60万人。该中心引进国外DE型氧化沟工艺，一期规模15万m3/d，始建于1994年10月，1998年5月投入试运行。运行以来出水水质稳定、运行平稳，主要出水指标BOD5≤15mg/l、CODcr≤50mg/l、SS≤15mg/l、TP≤1mg/l、NH4-N≤5mg/l。
　　北石桥污水回用工程是西安市城市污水回用试点项目，它位于北石桥污水净化中心内，回用水规模10万m3/d，回用于服务区域内的企业以及市政环卫园林等杂用水，该工程目前正在实施中。
2.3 西安市店子村污水处理厂
　　拟建店子村污水处理厂位于北二环朱宏路立交以南，二环路与团结库之间，主要接纳西安市旧城区、东北郊、西安经济开发区等区域污水，总服务面积为4501公顷。
　　根据第四污水厂服务范围污水水量、水质调查及预测，工程近期建设规模Q=25万m3/d，其中污水回用量10万m3/d，处理后水排至团结库，经漕运明渠（景观用水）排入渭河（Ⅳ类水体）。设计进水水质BOD5≤230mg/l、CODcr≤410mg/l 、SS≤250mg/l、TP≤5.0mg/l、 NH4-N≤40mg/l、PH=6～9；处理后出水水质BOD5≤20mg/l、CODcr≤60mg/l 、SS≤20mg/l、NH4-N≤15mg/l、TP≤1mg/l。污水处理拟采用A2/O法，污泥处理采用中温厌氧消化，重力浓缩后进行机械脱水。该项目总投资约40000万元。
2.4 西安市纺织城污水处理厂NH4-N
　　拟建纺织城污水处理厂位于西安市浐河东岸，西临高速公路以南，东三环以西所狭三角地带，主要接纳浐河东、西两岸面积为2096公顷的生产废水、生活污水，其中浐河东岸纺织城组团服务面积为1174公顷，浐河西岸服务面积922公顷。
　　根据服务区域水质水量调查及预测，工程设计近期2005年处理规模Q=10万m3/d，其中污水回用量5万m3/d。设计进水水质为CODcr =390mg/l，BOD5=200mg/l，SS=250mg/l，NH4-N=30mg/l，TP=4mg/l。污水厂出水排至浐河（国家Ⅲ类水体），处理后水质执行《污水综合排放标准》（GB8978-1996）一级标准，即出水水质CODcr≤60mg/l、BOD5≤20mg/l、SS≤20mg/l、NH4-N≤15mg/l、TP≤0.5mg/l。污水处理拟采用二级生物处理工艺，污泥处理采用机械浓缩机械脱水工艺，污水回用深度处理采用微絮凝过滤技术。初步估算污水处理建设总投资约25000万元。

3. 西安市城市污水回用试点项目介绍

　　西安市城市污水回用试点项目以北石桥污水净化中心二级出水为水源，该项目地处西安市西郊工业区，北与西安西郊热电厂一路之隔，东临西安市化工厂、西安焦化厂，南依西安日化厂，作为用水大户的冷却用水用户众多，使得净化中心具有良好的污水资源开发条件。
3.1 处理规模与水质
　　根据北石桥污水净化中心运行以来的二级处理水量、水质统计资料，回用水用户对水质水量的要求，确定污水深度处理回用工程设计规模和水质标准。
3.1.1 处理规模
　　通过对1999年1月至2000年9月期间二级处理系统运行进行统计分析，日处理水量平均在13万m3/d以上，并且出水水量稳定、可靠。
　　在对用户的调查基础上，确定回用水规模10万m3/d，分两期实施，一、二期规模均为5万m3/d。
3.1.2 二级处理进、出水水质
　　二级处理进、出水月平均水质设计出水水质见表2。

　　3.1.3 污水深度处理出水水质
　　污水深度处理进水水质采用北石桥污水净化中心设计二级处理出水水质。出水水质标准依据国家《污水回用设计规范推荐标准》（CECS-61:94）、《工业循环冷却水水质标准》（GBJ5050-95）、《生活杂用水水质标准》（CJ25.1-89）和国内外其它城市回用水标准，并参照用户要求而确定，具体指标见表3。

　　3.2 模型试验及工艺技术路线选择

　　为保证北石桥污水回用工程技术可靠，西安市市政工程管理局组织有关单位进行了污水回用项目的深度处理模型试验。
　　3.2.1 模型试验方案
　　深度处理模型试验采用了下列5种工艺试验方案：
　　①方案A 直接过滤；
　　②方案B 微絮凝过滤；
　　③方案C 混凝+助凝+过滤；
　　④方案D 混凝+沉淀+过滤；
　　⑤方案E 混凝+助凝+沉淀+过滤；
　　经过5个月的反复模型试验，表明方案D和方案E两种方案能满足回用水出水水质要求。
　　3.2.2 方案的可靠性试验
　　通过技术与经济分析，拟定方案D为设计方案，并通过改变进水水质，对方案D做可靠性试验，以检查工艺运行的可靠性。方案D可靠性试验结果及其与方案D、E模型试验结果见表4。

3.3 深度处理工艺设计
　　3.3.1 深度处理工艺流程
　　依据污水回用模型试验结果，并结合国内外城市污水回用工程实践，本工程采用混凝、沉淀、过滤污水深度处理工艺，工艺流程如图1所示。

　　3.3.2 主要处理构筑物设计
　　1) 提升泵房
　　提升泵直接在二级处理系统中的接触池出水渠内取水。泵房按两远期一次建成，安装淹没式潜水泵5台，4用1备，单台流量Q=1141.4m3/h，扬程H=13m，配电机功率N=58kw。
　　2) 反应、沉淀池
　　为了节省占地，反应池与沉淀池合建，分两组，一期先建设一组，每组分两格。反应池采用水力波形板反应器，共分三级，总反应时间为9.40min，停留时间14.1min，GT=1.48×104，反应器主要设计参数见表5。

　　沉淀池采用平流式，有效水深3.4m，设计水平流速V水=10mm/s，颗粒流速u=0.20mm/s。沉淀池中加设侧向流波形板沉淀器。
　　3) 滤站
　　沉淀池出水流经V型砂滤池进行最终净化，滤池、反冲洗泵房和中心控制室等合建，滤池建在室内，反冲洗泵房建在地下，共两组，一期建设1组。一期1组滤池分为4格，滤料为单层石英砂均质滤料，厚1.2m，有效粒径d=1.2mm，不均匀系数K80≤1.3～1.4。设计滤池采用气水反冲洗，滤速V=8～10m/h，反冲洗周期18h，每次反冲洗12～15min，水、气反冲洗强度分别为Q水=4.17 l/s·m2、Q气=16.67 l/s·m2；气水同时反冲洗强度Q气+Q水=16.67+2.09 l/s·m2。
　　4) 回用水池及加压泵房
　　设计回用水池4座，一期先建2座，单池容积4050m3，有效水深4.5m，水池容积占回用水供水量的16.2%。加压泵房按两期一次建成，按照回用水用户不同要求，采用分压供水。水泵为变频调速控制，供水至回用水管网。水泵的运行将通过管网压力和回用水池内液位信号来控制。
　　5) 加氯系统
　　设计深度处理水采用液氯消毒（预加氯和后加氯消毒），预加氯在提升泵房集水井，后加氯在回用水池进水处，加氯量分别为2.0mg/l、5.0mg/l。滤后水经加氯消毒后，在回用水池中停留约2h，经加压泵房送入回用水管网，出水管上设有余氯分析取样设备。设有2台加氯机，单台投加量32kg/h。加氯间、氯库及加氯设备利用北石桥污水净化中心现有装置。
　　6) 污泥脱水车间
　　深度处理日产污泥约3300kg，设计利用现状净化中心污泥脱水车间预留脱水机位置。机房内现安装200E型带式脱水机2台，单台处理能力16-21m3/h，一套投药装置，本次设计再增加2台KD10-2000型带式滤机及配套污泥投配泵、自动投药装置、无轴螺旋输送机。药剂制备与投加、进泥、脱水、出泥、清洗等过程均实施自控联动操作。
　　3.3.3 工程实施
　　本工程已于2001年9月开工，目前正在进行土建施工，计划于2002年6月竣工并投入运营。

4.回用水项目的运营管理与政策支持

4.1 回用水项目的运营管理
　　回用水项目运营管理，应遵循市场规律，逐步建立与市场经济体制相适应的企业管理体制和运营机制。回用水运营管理机构以独立法人为宜，独立经营、自负盈亏，以全新的现代企业形式投入运行，降低成本、争取效益，以使污水处理及污水回用走上良性循环的新路子。
4.2 回用水项目的政策支持
　　回用水市场开拓初期，需要国家和地方政府政策的支持。结合西安市污水回用市场调查和分析，我们认为污水回用在国内作为一项新的事业，起步较晚，在污水回用商业化运作方面需要政府颁布有利于推广使用城市再生水的法规，给予相关的政策扶持。在城市非饮用水方面，限制自来水供应和使用，对使用回用水的工矿企业给予政策倾斜。
　　在城市规划、建设方面要给回用水事业的普及和发展留有空间。城市市政公用设施规划时，尤其是给水厂、污水厂的规划、设计、建设应当把给水与污水处理、污水回用整体考虑，按可持续发展的战略思想，制定近、远期水资源再生利用规划。污水厂的选址不宜过于集中，应利于污水再生利用。
4.3 回用水价格
　　污水再生利用是一项新兴行业，回用水价格的制定对污水再生利用顺利实施起着重要的作用，北石桥污水回用项目作为西安市城市污水回用试点项目，回用水价格的制定对西安市回用水市场将会起到举足轻重的作用。
　　回用水定价应考虑水厂内部收益及还贷能力、用水单位的承受能力以及现时国内的物价水平，回用水以略高于成本价供水为宜。
　　根据西安市北石桥污水回用项目可行性研究和初步设计阶段的经济分析，该项目的年总经营成本（10万m3/日）为2611.7万元，单位总制水成本0.72元/m3。西安市目前居民用水价格是1.5元/m3，工业用水价格是1.86元/m3，商业用水价格是2.2-2.5元/m3，由此可见，回用水具有潜在的巨大市场，并可给用水单位带来巨大的经济效益。以西安热电厂为例，该厂每天需要的回用水量是3.6万吨，如果每吨回用水按1.0元核算，全年水费为1314万元，相应的自来水费为2444.04万元,仅此一项全年可节约水费1130.04万元。
4.4 发展回用水用户方面的一些实际做法
　　在西安市城市污水回用试点项目的实施过程中，我们感到落实用户是试点项目成功的关键，为此，我们分阶段做了以下工作：
　　1) 在规划阶段，对污水厂周边工业企业用水现状和产业结构进行分析评估，了解用户对水质、水量的需求；
　　2) 在可行性研究阶段，对回供范围内的潜在用户进行走访和深入调查，掌握用户的用水要求和实际存在的困难；
　　3) 在设计和实施阶段，与用户洽谈并签署供水协议，针对不同用户的用水特点，为用户提供供水便利，如协助用户进行厂内干管改造，供水初期给予一定的供水优惠等。

5. 建议

　　5.1 多渠道筹措资金建设城市污水处理厂，吸纳全社会资金，包括个人、集体和政府参与水处理活动，使水处理行业由单一的政府投资和管理走向社会化和产业化，逐步走向公司型的管理运营机制。
　　5.2 要充分认识到，污水是一种稳定可靠的、可再生利用水资源，污水再生利用是解决水资源短缺的有效措施，是实现水资源良性循环的关键。因此，在城市生活和工业用水方面要摈弃轻视节水、制污、不重视非传统水资源的开发，要重视节流优先、治污为本、多渠道开发水资源的可持续发展战略。
　　5.3 为保证污水资源的合理开发和利用，迫切需要制定切实可行的水资源综合利用规划、实施标准和相关政策。城市规划和建设部门要考虑污水资源化的发展空间，综合考虑有利于城市可持续发展的水资源的开发与使用。
　　5.4 现行城市自来水水价普遍偏低，对于节约用水、促进污水回用，难以发挥市场杠杆的作用，不可避免造成水资源的浪费，污水再生资源缺乏竞争力。因此，应提高自来水水价，鼓励使用再生水。此外，对单位自备井的开采要实行严格限制，逐步关闭自备井。
　　5.5 回用水项目应重视发展用户，对使用回用水的企业在相关政策上给予倾斜，例如在企业内部供水系统技改方面给予资金支持，以利于发展回用水用户。
　　5.6 在回用水供水单位生产经营过程中，政府应给予税收方面的优惠和扶持。

参考文献

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　　6、乔华、王社平、黄宁俊、王军，国内外城市污水回用的现状及发展水平，陕西给排水，2001.2，75-78。

作者简介：

　　1、吴键，西安市市政工程管理局，从事市政工程管理与研究，毕业于西安建筑科技大学，学士学位，高级工程师。
　　2、张理，西安市市政工程管理局，从事市政工程管理与研究，毕业于清华大学，硕士学位，高级工程师。
　　3、王社平，西安市市政设计研究院，从事给排水工程设计与研究，毕业于兰州铁道学院，学士学位，高级工程师。
　　4、曹宇，西安市北石桥污水净化中心，从事污水处理工程管理与研究，毕业于西安建筑科技大学，学士学位，工程师。
　　5、王恩让，西安市北石桥污水净化中心，从事污水处理工程管理与研究，毕业于合肥工业大学，学士学位，工程师。

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