李 誠(chéng), 袁令統(tǒng)， 柏昕然， 胡光振， 陳凡陣

(1.天津市華博水務(wù)有限公司，天津300040；2.天津市公用事業(yè)設(shè)計(jì)研究所，天津300100)

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人口的增多使水資源日益相對(duì)短缺，為此國(guó)家制定了很多政策和措施，鼓勵(lì)與引導(dǎo)提高水資源的利用效率和開辟新的可利用水源。經(jīng)處理達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后的污水處理廠出水，已成為考慮被利用的水源之一[1-3]；另一方面，用水量需求的不斷增大與水資源的相對(duì)短缺，使城市供水的使用成本不斷提升，特別是對(duì)用水量大的工業(yè)企業(yè)，降低生產(chǎn)成本的要求迫使其不斷進(jìn)行技術(shù)革新與設(shè)備更新，一是力求降低用水量，二是尋求可利用的低成本水源[4]。隨著國(guó)家對(duì)污水治理要求的不斷提高，以及污水處理技術(shù)的不斷完善與革新，目前國(guó)內(nèi)很多污水處理廠出水達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，不但能滿足水體污染控制的要求，而且客觀上也降低了其回用成本，提高了可利用價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)很多地方已將污水處理廠出水作為工業(yè)用水水源，特別是在淡水資源缺乏地區(qū)[5-7]。在此背景下，筆者結(jié)合實(shí)際案例，對(duì)污水再生利用項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及實(shí)施進(jìn)行初探，以期為同類項(xiàng)目提供參考。

1 項(xiàng)目實(shí)施的背景與條件

1.1 再生水項(xiàng)目背景

為了加大對(duì)城市污水的再生利用，在已出臺(tái)系列城市污水再生利用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，建設(shè)部與科學(xué)技術(shù)部于2006年聯(lián)合出臺(tái)了《城市污水再生利用技術(shù)政策》。2016年8月18日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布重新修訂后的《城鎮(zhèn)污水再生利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，推進(jìn)污水再生利用。

為進(jìn)一步改善我國(guó)的水環(huán)境狀況，2015年4月國(guó)務(wù)院常委會(huì)通過了《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(即“水十條”)，提出節(jié)約保護(hù)水資源，促進(jìn)再生水利用的要求。

山西省孝義市位于呂梁地區(qū)南端，屬于全國(guó)百?gòu)?qiáng)縣之一，其主要水源為地下水。多年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了對(duì)地水下資源的過度消耗，補(bǔ)給量小于使用量，地下水位連年下降，已對(duì)當(dāng)?shù)丶爸苓吷鷳B(tài)造成了較大影響。為此，降低對(duì)地下水的開采量成為城市可持續(xù)發(fā)展必須面對(duì)的課題，對(duì)其他水源的利用成為必然的選擇。

1.2 項(xiàng)目實(shí)施的條件

1.2.1設(shè)計(jì)概況

孝義市污水處理廠處理規(guī)模為3×104m3/d，主要處理城區(qū)生活污水，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

該項(xiàng)目分2期建設(shè)，二期建設(shè)了深度處理系統(tǒng)，但由于運(yùn)行狀況不佳，于2013年進(jìn)行了一次深度處理單元改造工程，目前采用 “粗格柵+進(jìn)水提升泵站+細(xì)格柵+旋流沉砂+SBR池+二次提升+混凝沉淀+砂濾池+次氯酸鈉消毒” 工藝。

1.2.2 運(yùn)行概況

目前的污水處理廠實(shí)際平均處理量在2.3×104m3/d，根據(jù)改造后2年來的運(yùn)行數(shù)據(jù)，處理出水基本可以穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.3 再生水需求用戶

坐落于孝義市的某大型企業(yè)投資的鋁電綜合循環(huán)項(xiàng)目，根據(jù)國(guó)家政策要求和自身需求，對(duì)再生水有著較大需求，其目前需求量在1×104m3/d，遠(yuǎn)期將達(dá)到2×104m3/d。

1.2.4 再生水輸送條件

原設(shè)計(jì)中已考慮了再生水輸送，在進(jìn)行深度處理工程時(shí)，已建設(shè)有效池容3 000 m3的清水池和輸送能力為3×104m3/d的送水泵房。

1.3 項(xiàng)目實(shí)施的意義

① 節(jié)約淡水資源，利于可持續(xù)發(fā)展

孝義市的供水水源主要采用地下水，而地下水已超采，隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，淡水資源的可供應(yīng)量與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)淡水需求的不匹配，已成為該市可持續(xù)發(fā)展的障礙。再生水回用能在很大程度上節(jié)約對(duì)其他淡水資源的需求，從而在一定程度上緩解孝義市淡水資源短缺與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾。

② 降低水體污染物排放量

污水再生利用，可以減少處理水排放量，從而降低污染物排放量。

③ 用水企業(yè)降低用水成本

在使用再生水前，企業(yè)主要采用地下水作為主要水源，使用成本在6元/m3。使用再生水的綜合成本約為2.64元/m3，節(jié)約了用水成本。

④ 降低政府負(fù)擔(dān)

通過再生水的供應(yīng)，可以將再生水的收益補(bǔ)充部分污水處理費(fèi)用，從而降低政府專門為污水處理付費(fèi)的財(cái)政支出，降低財(cái)政負(fù)擔(dān)。

2 項(xiàng)目規(guī)模與工藝形式選擇

2.1 工程規(guī)模確定

污水處理廠的設(shè)計(jì)規(guī)模為3×104m3/d，實(shí)際平均處理水量為2.3×104m3/d。根據(jù)規(guī)劃，收水范圍內(nèi)未來污水量會(huì)有所增加，但基本在3×104m3/d內(nèi)。企業(yè)對(duì)再生水的要求平穩(wěn)，根據(jù)用戶對(duì)水質(zhì)的要求，在再生水生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生部分生產(chǎn)廢水。綜合考慮多方面因素，確定再生水工程規(guī)模為1.8×104m3/d。

2.2 出水水質(zhì)要求

根據(jù)用戶要求，其水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 再生水水質(zhì)主要控制指標(biāo)Tab.1 Main control indicator of reclaimed water

2.3 水質(zhì)分析

根據(jù)對(duì)該污水處理廠的出水取樣分析結(jié)果，其電導(dǎo)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。實(shí)際出水水質(zhì)與用戶要求尚有一定差距。

2.4 工藝選擇

常用的脫鹽工藝一般有電滲析、反滲透，近幾年出現(xiàn)了正滲透工藝。常規(guī)工藝基本沒有脫鹽功能，綜合投資、操作便捷性、運(yùn)行穩(wěn)定、工藝成熟應(yīng)用規(guī)模等因素，確定采用反滲透工藝。考慮占地因素，預(yù)處理工藝采用常規(guī)的壓力式超濾膜工藝。

考慮到出水水質(zhì)的變化，并盡可能保持靈活運(yùn)行，在設(shè)計(jì)中提出了混兌/單供方案，即一級(jí)A出水可以與超濾出水混兌，一級(jí)A出水可以與反滲透出水混兌，超濾出水也可與反滲透出水混兌，每種水也可單獨(dú)供水。

2.5 工藝設(shè)計(jì)基本條件與要求

① 設(shè)計(jì)規(guī)模：反滲透產(chǎn)水能力不小于1.25×104m3/d；設(shè)計(jì)再生水供應(yīng)規(guī)模不小于1.8×104m3/d；出水水質(zhì)滿足表1所示的要求。

② 可利用場(chǎng)地有限，且布局時(shí)考慮躲避穿過廠區(qū)上方的高壓線。

③ 廠內(nèi)現(xiàn)有管線復(fù)雜。

④ 污水處理廠處理水質(zhì)季節(jié)變化明顯。

⑤ 工藝運(yùn)行要求靈活，可實(shí)現(xiàn)多種供水方式，可實(shí)現(xiàn)比例混兌。

⑥ 需要設(shè)置一定的進(jìn)水調(diào)節(jié)池容。

⑦ 考慮濃鹽水的適當(dāng)處理。

⑧ 考慮原濾池的反沖洗用水。

3 工藝設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

超濾(UF)收水率≥90%；反滲透(RO)收水率不小于75%；系統(tǒng)脫鹽率≥97%，雙膜系統(tǒng)產(chǎn)水能力不小于12 500 m3/d。

3.2 進(jìn)水緩沖池

考慮到生化工藝為CAST工藝，且進(jìn)水日變化系數(shù)較大，為了膜系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且滿足濾池反沖洗用水，設(shè)計(jì)了進(jìn)水緩沖池。其有效池容為1 140 m3，緩沖井設(shè)有溢流裝置，可以直接出水至受納水體。

3.3 超濾系統(tǒng)

超濾系統(tǒng)產(chǎn)水能力，Q1=1 042 m3/h；設(shè)計(jì)通量，44 L/(m2·h)；跨膜壓差，0.05～0.10 MPa。

設(shè)計(jì)5套超濾膜組，配套進(jìn)水、反沖洗、化學(xué)清洗、自清洗過濾系統(tǒng)和其它。

3.4 超濾產(chǎn)水池

超濾產(chǎn)水池用于暫存超濾產(chǎn)水，并作為超濾反洗水池使用。設(shè)計(jì)有效池容為750 m3，設(shè)有可以進(jìn)入清水池的溢流裝置。

3.5 反滲透系統(tǒng)

反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水能力，Q2=521 m3/h；設(shè)計(jì)通量，19 L/(m2·h)；有效反滲透壓力，1.2 MPa。

設(shè)計(jì)4套反滲透膜組，配套進(jìn)水、加壓、反沖洗、化學(xué)清洗、加藥系統(tǒng)及清洗過濾裝置和其它。

3.6 清水池

將原有2座總調(diào)節(jié)池容為3 000 m3的清水池作為再生水調(diào)節(jié)水池，利用舊有設(shè)備。

3.7 供水泵站

經(jīng)校核，現(xiàn)有的水泵滿足供水要求，利用舊有設(shè)備。

3.8 濃鹽水的處理

根據(jù)計(jì)算，產(chǎn)生的最大濃鹽水量約為4 200 m3/d?？紤]到反滲透膜對(duì)污染物的富集作用，需要對(duì)濃鹽水進(jìn)行處理。

設(shè)計(jì)利用廠區(qū)未使用的雨水緩沖池作為反應(yīng)池，內(nèi)設(shè)固定式脫氮填料，下設(shè)曝氣器。從現(xiàn)有鼓風(fēng)系統(tǒng)引入壓縮空氣進(jìn)行生化處理，有效池容為800 m3，折合水力停留時(shí)間為4.57 h，處理出水與未利用一級(jí)A出水一起排入水體。

3.9 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

① 設(shè)計(jì)考慮多種組合方式供應(yīng)再生水

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可采用“反滲透出水+一級(jí)A出水”、“超濾出水+反滲透出水”、“一級(jí)A出水+超濾出水”、“一級(jí)A出水+反滲透出水+超濾出水”等多種組合供水方式。

② 充分考慮檢修、通風(fēng)與安全問題

由于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了雙層設(shè)計(jì)，檢修設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)充分考慮了各種設(shè)備的檢修與更換問題，包括吊裝。下層通風(fēng)也較為重要，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了通風(fēng)設(shè)計(jì)，避免死角，并在可能產(chǎn)生不良?xì)怏w的地方設(shè)置空氣監(jiān)測(cè)器。

③ 優(yōu)化布局，克服諸多不利因素

受可利用占地和空間所限，采用了一體化布局的思路，對(duì)車間采用了上、下層分層布置及池子與設(shè)備間合建的方式，最大限度減少了設(shè)施占地，見圖1、圖2。左側(cè)上部有高壓線通過，在設(shè)計(jì)中考慮設(shè)置調(diào)節(jié)池作為避讓條件。

圖1 綜合車間下層平面布置Fig.1 Layout of lower layer of the composite workshop

圖2 綜合車間上層平面布置Fig.2 Layout of upper layer of the composite workshop

4 運(yùn)行效果

雙膜系統(tǒng)建設(shè)完成后，經(jīng)過1個(gè)多月完成了設(shè)施和系統(tǒng)自動(dòng)控制調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了各種組合運(yùn)行模式的功能。

由于初期再生水用戶需求量約為8 000 m3/d，濃鹽水出水與一級(jí)A出水混合后仍可滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，因此濃鹽水處理設(shè)施暫未調(diào)試運(yùn)行。

進(jìn)水電導(dǎo)率在1 500～2 000 μS/cm，“雙膜法”工藝出水電導(dǎo)率穩(wěn)定達(dá)到10 μS/cm以下。

但在實(shí)際運(yùn)行中也出現(xiàn)了一些問題，總結(jié)如下：

① 針對(duì)超濾進(jìn)水提升泵工藝參數(shù)選擇，一般選擇泵揚(yáng)程按照最不利狀況考慮，但在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)運(yùn)行曲線與泵的能效曲線偏離較大的問題，后期通過更換合適揚(yáng)程的泵得到解決。

② 管道連接問題，在管道布置時(shí)應(yīng)考慮熱脹冷縮引起的變形，采取必要措施。后期增加伸縮節(jié)并增設(shè)防震墊，問題得到解決。

③ 運(yùn)行中出現(xiàn)了水力沖擊，分析原因是未采用緩閉式止回閥，以及管道防振動(dòng)措施設(shè)置不足。后期更換為緩閉式止回閥，綜合管道增加防沖擊振動(dòng)措施，該問題得到明顯改善。

④ 運(yùn)行1年后超濾與反滲透膜出現(xiàn)較為嚴(yán)重的污堵，分析原因?yàn)橹虚g水池微生物孳生造成。后期改造成雙格，定期清理中間水池，并對(duì)水池用次氯酸鈉溶液進(jìn)行浸泡消毒處理。

5 建議

針對(duì)雙膜法再生利用工藝提出如下幾點(diǎn)建議：

① 設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分做好項(xiàng)目前期調(diào)研與分析，掌握設(shè)計(jì)工況與實(shí)際工況的差異性。

② 在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員適當(dāng)多考慮靈活性，兼顧設(shè)計(jì)與實(shí)際工況，從而增強(qiáng)工程實(shí)施的適用性與實(shí)用性。

③ 充分考慮運(yùn)行維護(hù)、安全等要求，合理做好空間布局與分配。

④ 后期運(yùn)行維護(hù)非常重要，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，前期多摸索，綜合分析出現(xiàn)的問題，做好應(yīng)對(duì)預(yù)案，并可根據(jù)需要進(jìn)行必要的技術(shù)改造。

⑤ 采用“雙膜法”開展污水處理再生利用時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)副產(chǎn)物濃鹽水采取妥善的處理措施，以滿足相應(yīng)的排放指標(biāo)要求。

⑥ 再生水規(guī)模對(duì)最終再生水生產(chǎn)成本的影響較大，特別是考慮濃鹽水的處理與處置費(fèi)用，因此須確定合理的再生水規(guī)模。

6 結(jié)論

① 做好設(shè)計(jì)布局至關(guān)重要，采用雙層設(shè)計(jì)且與原水池、中間水池合建，可在很大程度上節(jié)省占地，節(jié)約造價(jià)。

② 雙層設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮底層通風(fēng)與設(shè)備檢修，否則會(huì)在后期運(yùn)行中出現(xiàn)嚴(yán)重問題。

③ 雙膜法在污水再生利用中已有較多的案例，是生產(chǎn)高品質(zhì)再生水的重要方法。

④ 再生水可以根據(jù)原水水質(zhì)和用戶要求進(jìn)行合理的比例混兌，節(jié)約生產(chǎn)成本。

⑤ 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，濃鹽水主要污染在于COD與TN，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮并采取措施。