城市污水再生利用技术研究与示范

尚巍，郑兴灿
（国家城市给水排水工程技术研究中心，天津 300074）

1 研究背景

　　我国人均水资源占有量为2260m³，虽然水资源总量占世界第6位，但平均水资源量较少，约占世界平均水平的1/4，排在世界第128位，是全球13个贫水国家之一^[1]。据2002年的统计数据，我国共有市级以上城市668个，其中缺水城市400多个，严重缺水城市136个，涉及到18个省、自治区及直辖市，其中就包括天津^[1]。天津市人均占有水资源量约为160m³,为全国人均占有水资源量的1/15，加上外调水源，人均占有水资源量约为380m³，远远低于国际人均占有水资源量600m³严重缺水的警界线。是全国人均水资源占有量最少的省市，属重度缺水地区^[2]。
　　与此同时，天津市有着丰富的污水资源，市内分为六大污水系统：纪庄子、咸阳路、双林、赵沽里、张贵庄、北仓，天津市已建成纪庄子和东郊污水处理厂，处理能力共66万m³/d，市区污水集中处理率已接近50%。目前，天津市日排放污水120～150万m³/d。据预测，2005年全市可提供再生水水源149万m³/d，2010年为169万m³/d，2015年将达到199万m³/d。可见天津市污水资源丰富，污水再生利用还有很大的发展空间，前景广阔。
　　一方面城市面临严重缺水的现状，另一方面经过处理的水白白排放到天然水体，为缓解城市缺水局面，充分利用污水资源，建设节水型城市，天津市委、市政府对再生水的利用给予了高度重视，结合天津市实际情况，于2000年3月提出在梅江生态居住区实施“纪庄子污水回用梅江居住区示范工程”，并于2001年4月正式批复可研。在项目实施过程中，得到了国家计委的高度重视和大力支持，将其列入全国五个城市污水回用试点项目之一，扩大了工程规模和服务范围，并将工程更名为“天津市纪庄子污水回用工程”，该工程的实施对于天津市乃至全国的污水资源化起到了推进和示范作用。
　　同时，在国家十五课题“城市污水再生利用政策、标准和技术研究与示范”中，为了研究污水深度处理的关键与核心技术，集成开发安全可靠、高效、低能耗、低投资的城市污水再生利用工艺技术及配套设备，确定该工程为大规模污水再生利用示范工程，在该工程建设和运行的基础上进行深入研究，便于实现污水再生利用的产业化发展。

2 示范工程简介

　　天津纪庄子污水再生水厂自2001年正式开工，2002年工程竣工，同年9月完成设备安装，11月投入设备调试和试运行阶段，2002年12月正是通过验收。图1为整个工程的平面图。工程总投资1.1亿元人民币，包括一座日处理能力为50000m³的再生水厂一座，以及DN150-DN450的再生水输水管网52km。

2.1 示范工程规模
　　为保证再生水厂设计出水水质，根据2000年的纪庄子二级出水小试结果，确定采用居住区与工业区分质供水的方案。再生水厂分两个系统，其中一个为膜法处理系统，工程规模为20000m³/d，生产高水质再生水供居住区生活杂用水，景观用水及绿化用水；另一系统为混凝－沉淀－过滤工艺，工程规模为30000m³/d，其再生水质低于膜法系统生产的再生水，但可以满足工业用水水源标准的要求，如有对水质特殊要求的工业，可在工厂内部再针对其生产要求进行更高的水处理。
2.2 工程处理目标
　　再生水厂设计进水水质按照纪庄子污水处理厂设计出水水质考虑，主要指标如下^[3]：

表1 再生水厂设计进水水质

项目

水质指标

项目

水质指标

COD_cr (mg/L)

≤120

TP (mg/L)

≤1.0

BOD₅ (mg/L)

≤30

pH

6～9

SS (mg/L)

≤30

色度 (倍)

≤80

NH₃-N (mg/L)

≤25

　 　

　　由于本工程一部分再生水将直接回用于居住区，所生产的再生水水质除了应满足国家标准外还应与居民不断提高的生活水平相适应，因此供居住区再生水水质按高于国家标准执行，其中色度、嗅味、pH、大肠杆菌等指标是参考饮用水标准拟订的；对于工业用水不同企业的要求各不相同，为降低整个工程的投资，供工业区再生水水质按低于供居住区再生水水质考虑，对于个别水质要求高的企业，建议进行终端处理。
　　再生水厂设计出水指标详见表2、表3。

表2 供居住区再生水水质指标

项目

指标

项目

指标

浊度 (NTU)

≤5

Cl^- (mg/L)

≤300

SS (mg/L)

≤5

Fe (mg/L)

≤0.2

色度 (度)

≤15

Mn (mg/L)

≤0.1

pH

6.5～9.0

游离余氯

0.2

嗅味

无异味

阴离子合成洗涤剂

≤0.5

BOD₅ (mg/L)

≤10

TP (mg/L)

≤1.0

COD_cr (mg/L)

≤50

挥发酚 (mg/L)

≤0.1

NH₃-N (mg/L)

≤10

石油类 (mg/L)

≤1.0

总硬度(CaCO₃计) (mg/L)

≤300

细菌总数 (个/mL)

≤100

TDS (mg/L)

≤1000

总大肠菌群 (个/L)

≤3

污染指数SDI

<3

　 　

表3 供工业区再生水水质指标

项目

指标

项目

指标

浊度

≤20

NH₃-N (mg/L)

≤10

SS (mg/L)

≤10

TP (mg/L)

≤1.0

色度

≤30

TDS (mg/L)

5000～1000

PH

6.5～9.0

总硬度(CaCO₃计) (mg/L)

≤300

嗅

无不愉快感觉

Cl^- (mg/L)

≤300

BOD₅ (mg/L)

≤10

Fe (mg/L)

≤0.3

COD_cr (mg/L)

≤50

Mn (mg/L)

≤0.1

游离余氯 (mg/L)

管网末端不小于0.2

总大肠菌群 (个/L)

≤3

石油类 (mg/L)

≤5

　 　

2.3 工程服务区域
　　再生水厂位于天津市河西区与西青区交界处区纪庄子污水处理厂内东南角，毗邻紫金山路，与梅江居住区隔河相望，总占地2.6公顷。再生水输水管网分布在河西区、西青区、南开区。工程区域位置为北至郁江道、南至外环线、西至红旗南路、东至大沽南路。服务对象主要是梅江、梅江南、卫南洼、城市别墅、仁爱豪景庄园、安全局干警宿舍等居住区以及奥林匹克中心体育场和陈塘庄工业区，再生水主要用于居住区内居民冲厕、园林绿化、道路喷洒、景观水体补充和陈塘庄工业区造纸总厂、陈塘庄热电厂等工厂企业的冷却循环和生产工艺用水。工程总服务面积约2450公顷，服务规划人口约15.8万人。

3 处理工艺

　　纪庄子污水再生水厂中采用了两种工艺，生产两种水质的再生水，分别供应给居民区和工业区。两种工艺之间相互联系，又相对独立，各自具有不同的特点。

3.1 膜处理工艺　
　　图2为整个膜工艺流程图，二级出水首先经过混凝沉淀，然后进入CMF处理装置，CMF出水经过臭氧氧化和加氯消毒后经送水泵房输送到居民区，用于冲厕、绿化等。整个工艺中最具特点的，也是最重要的两个工序是CMF工序和臭氧氧化工序。
3.1.1 CMF工序
　　纪庄子污水再生水厂采用微滤膜来处理混凝沉淀池出水。我国国产微滤膜技术研究始于80年代，尽管起步较晚，但发展速度非常快。我国微滤技术已在医药除菌、过滤、纯水制备、饮用水处理等领域得到广泛应用。无机微滤膜也已开始进入产业化。但是，与国外水平相比，我国有些微孔滤膜产品，其生产工艺控制方面仍不完善，不能很好地控制平均孔径、孔径分布，产品质量也有待稳定和提高。而且由于与其配套的密封、装配技术相对落后，影响了其总体水平的提高，国内应用领域的开发还很不够。因此，该厂采用国外公司生产的连续微滤膜装置(CMF)。
　　CMF（Contious Microfiltration）即连续微过滤技术。该系统由中空纤维微滤膜组件、反冲洗系统、膜完整性测试系统以及自控系统所组成。每个微滤膜体的直径为120mm，高度为1500mm，内装的中空纤维外径为550mm，内径为300mm，壁孔径0.2mm，膜表面积为15m²，20℃时单根微滤膜柱水通量为1.26m³/h。CMF系统的操作由PLC自动控制，水由中空纤维膜外向膜内渗透，正常工作压力很低，工作范围为30～100kPa，最高可达到200kPa。一般17～50min用压缩空气反冲一次，反冲时，压缩空气由中空纤维膜内吹向膜外，反冲压力为600kPa(相当于6kg/m²)，时间1～2min，反冲洗水量（反冲洗水采用原水）为进水量的8~10%。系统一般工作14~30 d化学清洗一次。此外，膜的完整性是保证过滤性能和过滤质量的关键，通过膜在线完整性测试系统，可以实现膜工作状况的在线连续跟踪检测，及时发现膜泄漏或断裂的模块，并从缺陷模块的上万根中空纤维中准确找出泄漏、断裂纤维所在，然后采用pin-repair的方式修补，从而保证膜的处理能力。
　　本工程选用10台108M10C型CMF处理设备（分为两列），日处理污水厂二级出水为30000 m³。CMF进水泵共三台(二用一备)，每列一台CMF供给泵，每台CMF进水泵由一台变频器控制。变频器由总PLC因集水池水位、进流压力和过膜压差(TMP)控制，水泵故障时报警，并启动备用泵。 每列CMF总流量由一台流量计监控，并设有pH计、ORP 计、总氯计、自由氯计、浊度计、压力计和温度计以监测进水水质情况。待处理水进入CMF前经过一个自动清洗粗滤器(500μm)以去除较大颗粒的悬浮物质，减轻CMF的运行负荷。 粗滤器反冲洗是按压差或时间自动运行的。　　
　　CMF装置自2002年底通过验收之后，经过近1年的试运行，已经确定装置主要工艺参数为：
　　●进水温度： 15℃
　　●产水通量： 每套膜装置80m³/h(冬季)，100m³/h(夏季)
　　●反冲洗周期：40min
　　●反冲洗时间：2.5min
　　●化学清洗中：碱洗周期10天，酸洗周期50天，5次碱清洗之后进行1次酸清洗
　　●碱清洗液： Memclean浓液和45%的氢氧化钠按照1︰2.125的比例混合，使用时稀释至2%
　　●酸清洗液： 0.5%的柠檬酸溶液
　　反冲洗可以清洗膜表面附着的悬浮杂质，碱性清洗液用于清洗微滤膜上附着的微生物粘泥和有机物，酸性清洗液用于清洗碱性清洗无法去除的金属离子和一些无机物。目前，反冲洗和化学清洗程序是通过时间来控制的，也就是说，在PLC中预设最高运行时间限定值，当达到这一时间限定值之后，系统开始进入反冲洗状态；当运行时间达到化学清洗规定的限定值后，系统进入化学清洗状态；如果未达到预定时间限定值时，系统过膜压差超过了最高限值，也要进入反冲洗和化学清洗状态。每经过1次反冲洗，TMP就会下降一定数值，但是总的趋势是上升的，经过一定运行时间后，应进行碱性化学清洗，TMP值会急剧下降，但是仍比新膜的TMP值稍高一些。
　　表4为CMF装置正常运行后的进出水水质的平均值，从中可以看出，CMF对于悬浮颗粒、BOD、COD和微生物的去除率较高。无论进水水质如何波动，CMF出水水质总是在较为稳定的范围内，从而保证了供水稳定性。

表4 进出水水质汇总表

日期

水质指标

COD(mg/L)

BOD(mg/L)

TP(mg/L)

浊度(NTU)

总大肠杆菌群(MPN/L)

细菌总数(cfu/100mL)

2002.

11.15-20

进水

82

30

-

10.1

-

-

沉淀池出水

25

4

-

4.9

>2400

2000

CMF出水

36

13

-

1

5

120

臭氧出水

25

10

-

1.1

5

800

2002.

11.21-25

进水

48

15.8

-

3.7

-

-

沉淀池出水

32.8

11

-

1.8

>2400

2000

CMF出水

39.5

7.5

-

0.8

<2

80

臭氧出水

38

6

-

0.5

8

1200

2002.

11.26-30

进水

47.2

16.5

-

2.5

-

-

沉淀池出水

55.8

4.8

-

2

1600

300

CMF出水

44

2

-

0.6

<2

110

臭氧出水

38.7

6

-

0.6

<2

600

2002.

12.01-05

进水

47

16.3

1.15

5.8

-

-

沉淀池出水

34.7

13

0.77

3.8

>2400

1×106

CMF出水

33.7

7.7

0.68

0.8

<2

500

臭氧出水

38.3

8

0.78

0.4

<2

110

2002.

12.06-10

进水

63

14

-

7.6

-

-

沉淀池出水

38

11

-

2.6

1600

9×103

CMF出水

44

12

-

0.5

<2

500

臭氧出水

41

8

-

0.6

<2

1

2002.

12.11-15

进水

28

8

-

5.3

-

-

沉淀池出水

43

7

-

3.4

2400

5×103

CMF出水

35

6

-

0.8

<2

1200

臭氧出水

31

<2

-

0.7

<2

1000

2002.

12.16-20

进水

56

12

-

4.2

-

-

沉淀池出水

44

24

-

2.9

>2400

3×103

CMF出水

24

8

-

0.8

<2

900

臭氧出水

36

4

-

0.7

<2

1000

2003.

01.01-05

进水

50

12

1.23

9.7

>2400

6×104

沉淀池出水

42

6

0.97

3.4

350

-

CMF出水

42

7

0.86

0.6

<2

-

臭氧出水

31

<2

0.99

0.7

<2

3

2003.

02.20-25

进水

42

10

0.28

5

>2400

2×105

沉淀池出水

25

6

0.13

1.8

13

5×104

CMF出水

21

7

<0.025

0.8

<2

400

臭氧出水

17

11

<0.025

0.9

<2

600

2003.

02.26-28

进水

21

5

0.62

4.3

>2400

1.2×105

沉淀池出水

29

3

0.06

1.9

540

5×104

CMF出水

17

5

0.14

0.6

<2

150

臭氧出水

25

8

0.1

0.7

<2

500

2003.

03.06-10

进水

38

21

<0.025

4.9

>2400

-

沉淀池出水

30

-

-

2.3

>2400

-

CMF出水

17

-

-

0.5

4

-

臭氧出水

26

5

<0.025

0.5

<2

-

2003.

03.15-20

进水

57

18

1.46

14.6

>2400

1.8×105

沉淀池出水

46

-

-

2.9

920

-

CMF出水

36

-

-

1.4

<2

-

臭氧出水

31

<2

1.27

0.5

<2

<2

2003.

04.25-30

进水

52

-

6.81

10.72

-

-

沉淀池出水

32

-

1.62

3.94

-

-

CMF出水

29

-

1.36

2.5

-

-

臭氧出水

27

-

1.26

1.89

<3

1

2003.

05.05-10

进水

44

-

-

3.44

>2.4×106

-

沉淀池出水

31

-

-

2.27

>230

-

CMF出水

27

-

-

1.14

<3

-

臭氧出水

27

-

-

1.19

<3

-

3.1.2 臭氧氧化工序
　　法国自来水研究机构在某次会议上总结了两项消毒研究，得到的一项结论是：膜消毒能够去除较为广泛的悬浮物和微生物，也不会出现不受欢迎的副产物，但是膜装置可能会出现渗漏、密封装置的故障等缺点，应在后续工序中增加后消毒工艺，以保障供水安全性。而且本工程处理出水将要入户，与居民接触的几率增加，为保证水质安全可靠，增加了臭氧消毒工序来处理CMF出水，这也是该工程的另一工艺特点。
　　臭氧的生物灭活作用是由其强氧化潜能和生物膜扩散能力所决定的。水中臭氧氧化反应有以下2个途径：分子直接氧化；臭氧自身分解或与水中无机、有机化合物反应形成游离基的间接氧化；臭氧可与细菌细胞壁脂类双键发生反应，穿入菌体内部，作用于脂蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，从而导致细胞溶解、死亡。臭氧在消毒的同时能去除色、嗅，降低水的浑浊度，去除水中的酚、铁、锰等物质，使水中溶解氧增加，改善出水水质，并且操作方便。
　　本工程的臭氧处理工序包括臭氧发生间、臭氧接触池和臭氧尾气吸收池三部分。臭氧发生间内设有臭氧发生器5台，单台臭氧发生量为1kgO₃/h，O₃浓度为18g/m³；设有3座臭氧接触池，内部装填有108个微孔钛板曝气器，便于臭氧与待处理水均匀混合，充分接触，以去除残余色度、还原性物质、微生物等；设2座尾气吸收池，从臭氧接触池排出的尾气首先和过滤水接触，使臭氧浓度降低到允许排放的标准。
　　由于本工程臭氧与CMF联合使用，使得膜后出水的色度和微生物指标已经可以达标，有关臭氧进出水的水质数据见表4。
3.1.3 预处理
　　从工艺流程图中可以看出，二级出水在进入CMF工序之前，首先经过混凝沉淀处理，这是从两方面因素考虑的。其一，微滤膜虽然对悬浮颗粒和细菌有很高的去除率，但是对水中磷的去除率不高，只能去除吸附在固体颗粒上的小部分磷；其二，二级出水的磷含量较高，不能满足生活杂用或景观环境用水的标准要求。因此，采用传统工艺的混凝沉淀段工序，通过投加一定量的混凝剂，降低水中有机物、磷和悬浮物质的含量，减轻CMF的负荷，同时保证出水中磷含量满足相关标准要求。
3.2 传统工艺
　　本工程还采用了传统的混凝－沉淀－过滤工艺，处理出水用于工业区用户。图3为工艺流程图。

3.2.1混凝沉淀工序
　　两种工艺的进水经过原水贮池后均首先进入混凝沉淀工序，在这里通过投加混凝剂和助凝剂对进水进行预处理。我们由纪庄子小试试验可知混凝剂选择为聚合硫酸铝，助凝剂为单质氯。选择氯作为助凝剂，不仅可以破坏水中的色度和有机物，减少混凝剂的投加量，而且还可以与二级出水中的氨氮结合形成氯化氨，抑制水中微生物的繁殖，减少CMF膜表面形成生物膜垢的几率。加药点选择在混凝沉淀池的进水管道上。
　　投加聚铝的目的有两个，一是经过混凝反应，消除水中悬浮物质之间的静电斥力，并且利用大分子上的活性基团的吸附作用吸附胶体颗粒，形成大而结实的矾花，以便于去除，矾花的形成和产生与进水中悬浮颗粒的种类、粒度和浓度、进水中的溶解离子的成分和浓度、混凝过程中水的pH值、水的温度、混凝过程中搅拌的强度和时间等因素有关^[1]；此外，投加聚铝后，铝离子与水中的磷酸盐形成沉淀，然后通过沉淀物的去除将磷从水中除去，这一过程不仅与混凝过程有关，而且与进水中的初始pH值、沉淀物的溶解度和水中溶解磷的浓度有关。
　　我们在十五课题研究中，进行了混凝剂投加量的试验室研究和生产性研究，经过近2个月的试验和近1年的运行数据收集，取得了该进水水质条件下，最佳混凝剂投加量的经验数值，同时论证了混凝过程机理在给水处理和二级出水处理中的相同和不同之处。
3.2.2滤站处理工序
　　滤站由快滤池、反冲洗水泵和反冲洗风机三部分组成。其中快滤池为普通快滤池，其原理及操作方式与自来水厂滤池基本相同，但由于应用于再生水处理，设计参数应根据具体水质情况由试验来确定。本厂采用单层均质石英砂滤料，气水联合反冲洗，反冲洗周期12～24h/d。快滤池设计数量为8组，采用小阻力排水系统，设计反冲洗水泵为4台，3用1备，单台流量Q=840m³/h，扬程为H＝15m；反冲洗风机放置于鼓风机房内，选用2台，1用1备，设计流量为Q=40m³/min，风压为P＝68.6kPa。
　　自动反冲洗有两种控制方式：其一，预先设定的水头损失值，当单台滤池差压变送器检测到的信号超过设定值时自动进行反冲洗；其二，PLC根据预先设定的时间常数，定时对滤池进行反冲洗，此时间常数可调。反冲洗过程由下列步骤组成：关闭滤池进水阀，停止进水；待滤池水面降低至砂层顶面100~200mm时，关闭滤池出水阀，停止过滤；开启反冲洗进水阀，并同时开启一台反冲洗水泵，开启反冲洗进气阀，进行气水同时反冲洗3～5分钟；(冲洗废水自溢流管排出)关闭反冲洗进气阀，再开启2台反冲洗水泵冲洗3－5分钟；关闭反冲洗进水阀和水泵；开启反冲洗排水阀，使滤池水位降至洗砂排水槽顶部；关闭反冲洗排水阀，开启滤池进水阀，带水面上升至砂面上1.0 m时，再开启滤池出水阀，恢复过滤状态。

再生水应用研究

　　纪庄子再生水厂生产的再生水一部分用作居民小区的冲厕、绿化浇灌和景观水体。目前，人们进行了大量有关再生水工艺和利用方式方面的研究，但是再生水用作冲厕、景观水体时，应用现场对周围环境影响的研究较少，本研究通过对再生水在使用过程中可能产生的气体和气溶胶进行了监测，从使用安全性和卫生性方面进行了论证。
　　本研究首先对某小区内以再生水为水源的景观水体进行了再生水应用研究。该水体水面面积为28 500 m²，内设有水景2处，补充水源分别采用纪庄子再生水厂的再生水和市政管网供水。我们为了研究再生水对周围环境造成的影响，考察再生水的使用安全性，进行了如下监测：
　　1. 在水体周围按照功能分区的原则布设监测点^[4]，每日监测氨、硫化氢等产生恶臭的化合物和气溶胶等指标，同时记录当时气象条件，如风向、风速、气压等；并且在附近小区布设监测点作为对照；
　　2. 水景内水流扰动较为剧烈，容易产生气味和气溶胶，而气溶胶颗粒是病毒和细菌赖以生存的载体，因此在以再生水为水源的水景周围按照气象条件布设监测点，监测范围涉及氨、硫化氢等产生恶臭的化合物和气溶胶等卫生学指标，同时监测以自来水为水源的水景作为对照。
　　其次，考虑到再生水入户后与人群直接接触的几率增加，针对这一情况，我们在某一未装修的住户家内进行了为期1周的监测活动，监测点分别布设在卫生间、卧室、客厅和有墩布池的厨房^[5]。当水源为再生水和市政供水时，分别监测室内空气质量状况。
　　监测工作进行了2周，通过两个小区和两种水源的水景监测数据对比，结果表明：有再生水存在的小区，大面积水域起到了净化空气的作用，其空气质量不仅没有受到再生水的影响，反而有所提高；而且以再生水为水源的水景，其周围环境除了受水中氨的挥发影响浓度较高外，细菌、大肠杆菌等指标均优于以自来水为水源的水景环境。室内杂用水监测结果表明，无论使用再生水还是自来水，室内环境中的硫化氢含量均非常低；使用再生水清洗墩布时氨的浓度要略高于使用自来水的情况；气溶胶的采样结果表明，室内各房间的细菌和大肠杆菌数量都较为平均，使用再生水对卫生间和厨房的空气环境并没有明显的变化。
　　与此同时，我们还在使用再生水的小区进行了有关再生水水质的用户调查，调查结果表明：绝大多数用户可以接受再生水用作低质水，甚至有的被调查者接受用于更高级的用途；绝大多数用户认为，从外观和嗅觉分辨不出再生水和自来水的区别，其水质可以接受。

参考文献：

　　[1] 中国城市建设统计年报. 建设部. 2001.
　　[2] 肖锦. 城市污水处理及回用技术. 北京: 化学工业出版社, 2001.
　　[3] 唐炎等. 天津市纪庄子污水回用工程试验研究及工程设计. 21世纪国际城市污水处理及资源化发展战略研讨会·论文集, 2001.
　　[4] 奚旦立. 环境工程手册—环境监测卷. 北京: 高等教育出版社, 1998.
　　[5] 于玺华, 车凤翔. 现代空气微生物学及采检鉴技术. 北京: 军事医学科学出版社, 1998.