水循環(huán)處理系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)方案研究
——以楊凌區(qū)天海智慧水電項(xiàng)目區(qū)為例

張 波，梁 怡，閆曉娟

(1.陜西省桃曲坡水庫灌溉中心，陜西 銅川 727100；2.陜西誠和水利工程項(xiàng)目咨詢有限公司，陜西 西安 710004；3.陜西省延安市宜川縣水利工作隊(duì)，陜西 延安 716200)

我國水資源總量為2.8萬億 m3，居世界第六位，人均占有量為2 240 m3，約為世界人均的1/4，居世界第109位。中國已被列入全世界人均水資源13個(gè)貧水國家之一。作為西部大省的陜西水資源總量423億 m3，人均水資源量為1 234 m3，僅占全國平均水平的55%。楊凌區(qū)作為中國唯一的農(nóng)科城，楊凌區(qū)水資源總量4 998萬 m3，人均水資源量為250 m3，僅占全國平均水平的11%，占全省平均水平20%。水資源不足成為制約楊凌區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的“瓶頸”因素，通過實(shí)施水循環(huán)利用項(xiàng)目解決水資源短缺問題是未來必然的趨勢。

1 楊凌區(qū)水資源量狀況

1.1 水資源量

楊凌區(qū)多年平均降水量6 223萬 m3，多年平均徑流深37.4 mm、多年平均地表水資源量為505萬 m3，全區(qū)地下水資源量為1 173萬 m3，全區(qū)多年平均水資源總量為1 678萬 m3，單位面積水資源量12.4萬 m3/km2，全省單位面積水資源量20.4萬 m3/km2，從水資源量來看，楊凌區(qū)單位面積水資源量僅為全省的60%。由于區(qū)內(nèi)缺乏地表水?dāng)r蓄利用工程，自產(chǎn)徑流多以洪流直接排入河流或渠道，基本未能利用。水資源開發(fā)利用以地下水為主，可利用量不高。

1.2 水資源利用現(xiàn)狀

2020年全區(qū)總用水量3 820萬 m3。其中農(nóng)業(yè)用水量(包括農(nóng)、林、園、牧地灌溉和魚塘補(bǔ)水及畜禽用水)為1 891萬 m3。其中農(nóng)田和菜田灌溉用水量為939萬 m3(地下水934.7萬 m3)；林果灌溉和牲畜用水總量為952萬 m3(地下水942萬 m3)。農(nóng)業(yè)用水中地表水量只有14.3萬 m3，占灌溉用水量的0.8%；工業(yè)用水量總計(jì)為525萬 m3，其中規(guī)模以上工業(yè)用水量中，除了火電行業(yè)283萬 m3用水量全部為中水利用外，新鮮水量為206 m3；規(guī)模以下為36萬 m3。新鮮水量按水源分為自來水236萬 m3，地下水6萬 m3；城鎮(zhèn)公共用水量為232萬 m3，全部為石頭河引水工程的供水量。全區(qū)城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民用水分別為825和139萬 m3，總用水量為964萬 m3。全區(qū)生態(tài)環(huán)境用水量為208萬 m3，主要為城鎮(zhèn)環(huán)境用水。

圖1 2020年楊凌區(qū)國民經(jīng)濟(jì)部門用水結(jié)構(gòu)圖

2 楊凌區(qū)水處理循環(huán)利用設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀和潛力分析

(1)楊凌區(qū)規(guī)模以上企業(yè)119個(gè)，居民小區(qū)85個(gè)，2020年全區(qū)污水處理回用量為283萬 m3，僅占總用水量的7.4%，水資源重復(fù)利用率及非常規(guī)水源利用率低。目前，全區(qū)工業(yè)企業(yè)和居民小區(qū)大多為一次性用水，還沒有以企業(yè)或居民小區(qū)為單元建設(shè)水處理循環(huán)利用設(shè)施，更談不上排放的污水量和水質(zhì)的在線監(jiān)測，用水的重復(fù)利用率較低，效率不高，主要因?yàn)閰^(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)和居民小區(qū)自身沒有污廢水處理設(shè)施。同時(shí)，城鎮(zhèn)人均生活用水量偏高，特別是大專院校水資源浪費(fèi)現(xiàn)象較為突出，雖然污水處理廠已啟用，但是經(jīng)過處理的污水大多直接排走，中水利用率不高，再生水利用量還有很大潛力。進(jìn)一步探索非常規(guī)水利用途徑，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的空間十分巨大。

(2)隨著楊凌人口的增加和城市化進(jìn)程的加快，一方面水的需求量越來越大，而在節(jié)約用水方面還存在諸多問題，一是行業(yè)用水結(jié)構(gòu)不合理，農(nóng)業(yè)用水比重偏大，占總用水量的60%，用水效率不高，節(jié)水潛力較大。二是在農(nóng)田灌溉方面，雖然政府推進(jìn)節(jié)水灌溉的工程措施，但大仍然存在大水漫灌的現(xiàn)象，用水方式粗放、用水浪費(fèi)嚴(yán)重。三是節(jié)約用水的法律監(jiān)督機(jī)制不健全，全面節(jié)水管理還缺乏法律依據(jù)，監(jiān)督力度更無從談起。正因?yàn)楝F(xiàn)在的水價(jià)便宜，管理松散，才導(dǎo)致了這些問題，因此，通過實(shí)施水循環(huán)利用項(xiàng)目，利用價(jià)格杠桿，促進(jìn)人們節(jié)約用水。

(3)楊凌區(qū)排水口量大面廣，采用傳統(tǒng)的人工處理方式，不僅無法滿足水質(zhì)資源管理的數(shù)據(jù)更新、快速準(zhǔn)確的瀏覽查詢、決策統(tǒng)計(jì)分析的需要。如果水資源取水口水量信息標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化工作不到位，將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)混亂等問題，嚴(yán)重影響取用水戶水量實(shí)時(shí)監(jiān)測管理等單一系統(tǒng)信息的有效支撐，更為嚴(yán)重的是從單一應(yīng)用系統(tǒng)向水資源綜合管理應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展中，產(chǎn)生新的信息平靜和障礙，影響信息資源共享，制約水資源管理水平的提高，因此，通過實(shí)施水循環(huán)利用項(xiàng)目，是提高水資源管理水平的有效措施。

3 水循環(huán)利用實(shí)施技術(shù)方案分析

本次研究選取位于楊凌示范區(qū)自貿(mào)大道西段路南師范學(xué)院初中部西側(cè)的天海智慧水電項(xiàng)目，該項(xiàng)目包括辦公研發(fā)綜合樓、生產(chǎn)廠房和商業(yè)綜合體，結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)際，對水處理循環(huán)利用實(shí)施技術(shù)和智能化進(jìn)行研究。

3.1 實(shí)施地點(diǎn)

天海智慧水電項(xiàng)目其一期建設(shè)中的工業(yè)區(qū)、辦公區(qū)以及二期建設(shè)中的商業(yè)綜合體。

3.2 實(shí)施內(nèi)容

本項(xiàng)目實(shí)施的水循環(huán)處理節(jié)水智能化研究項(xiàng)目的主要內(nèi)容：收集、處理和資源化工業(yè)區(qū)、辦公區(qū)日常運(yùn)營過程中的生產(chǎn)廢水和生活污水，以及項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)收集的自然降水(雨水和雪水)，通過生化處理技術(shù)、先進(jìn)深度水處理技術(shù)結(jié)合線上監(jiān)控、實(shí)時(shí)調(diào)控等信息化、智能化的水資源管理系統(tǒng)的方式，達(dá)到循環(huán)使用項(xiàng)目內(nèi)的生產(chǎn)廢水、生活污水以及自然降水、零排放項(xiàng)目內(nèi)的生產(chǎn)廢水和生活污水、智慧管理水資源的目的，以減輕城市供水壓力、探索企業(yè)運(yùn)營過程中節(jié)水、凈水、水資源循壞利用以及節(jié)能減排的新道路。

3.3 項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)方案

水循環(huán)處理節(jié)水智能化研究項(xiàng)目結(jié)合天海智慧水電項(xiàng)目其一期建設(shè)中的工業(yè)區(qū)、辦公區(qū)以及二期建設(shè)中的商業(yè)綜合體所服務(wù)的總?cè)藬?shù)和總生產(chǎn)生活需求，先后規(guī)劃建設(shè)污水收集系統(tǒng)、污水預(yù)水處理系統(tǒng)、人工濕地污水處理系統(tǒng)、深度水處理系統(tǒng)、回用水貯存池等，以達(dá)到對項(xiàng)目區(qū)內(nèi)所收集雨水和污水的深度凈化處理、水回用為生活生產(chǎn)、綠化景觀用水以及市政補(bǔ)給用水等的目的。并同時(shí)應(yīng)用先進(jìn)水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備搭建水質(zhì)智能監(jiān)測和智慧水務(wù)信息化平臺，配合污水處理系統(tǒng)中設(shè)置的信息化和反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測水質(zhì)信息、根據(jù)實(shí)際處理需求和污水信息調(diào)節(jié)、優(yōu)化污水處理各單元的工作壓力分配，建立水處理技術(shù)信息數(shù)據(jù)庫，以到達(dá)智能化、信息化管理項(xiàng)目內(nèi)水資源的目的。應(yīng)按照水循環(huán)系統(tǒng)建設(shè)，水循環(huán)系統(tǒng)信息化、智能化管理的技術(shù)路線和方法予以開展。

3.3.1 水循環(huán)系統(tǒng)建設(shè)

1)總體布置

水循環(huán)系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于天海智慧水電項(xiàng)目其一期建設(shè)中的工業(yè)區(qū)、辦公區(qū)以及二期建設(shè)中的商業(yè)綜合體。由污水收集系統(tǒng)、污水預(yù)水處理系統(tǒng)(包括初級過濾單元、原水增加裝置等)、人工濕地污水處理系統(tǒng)(包括新型同步脫氮除磷生態(tài)濕地、氮磷回收單元等)、深度水處理系統(tǒng)(主要包括臭氧氧化單元、超濾過濾單元、紫外光光催化氧化處理單元)、回用水貯存池等組成。同時(shí)搭建水質(zhì)智能監(jiān)測和智慧水務(wù)信息化平臺，配合污水處理系統(tǒng)中設(shè)置的信息化和反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測水質(zhì)信息、根據(jù)實(shí)際處理需求和污水信息調(diào)節(jié)、優(yōu)化污水處理各單元的工作壓力分配，建立水處理技術(shù)信息數(shù)據(jù)庫，以到達(dá)智能化、信息化管理項(xiàng)目內(nèi)水資源的目的。

2)水循環(huán)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)該項(xiàng)目內(nèi)企業(yè)的運(yùn)營方式和經(jīng)營規(guī)模等實(shí)際情況，水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大水處理量為120 m3/d，建設(shè)4 023 m3地下雨污收集池，雨污收集池地上濕地占地面積約900 m2。最大水處理量設(shè)定依據(jù)該項(xiàng)目服務(wù)的一期辦公及企業(yè)生產(chǎn)用水、二期商業(yè)綜合體的商戶和流動(dòng)人口800人*150 L/d=120 000 L=120 m3的需求以及廠區(qū)工業(yè)廢水處理利用的需求而設(shè)定。目標(biāo)出水水質(zhì)(單位 mg/L，注：僅包含部分主要指標(biāo))見表1。

表1 水循環(huán)處理系統(tǒng)出水水質(zhì)主要參數(shù)數(shù)值(含其他不同項(xiàng)目國家標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)數(shù)值) mg/L

3)水循環(huán)處理系統(tǒng)技術(shù)路線

水循環(huán)處理系統(tǒng)一期的設(shè)計(jì)主要處理技術(shù)包括生物厭氧處理、新型同步脫氮除磷生態(tài)濕地以及以農(nóng)業(yè)或工業(yè)廢棄物為基礎(chǔ)的有機(jī)物、重金屬去除濾床；水循環(huán)處理系統(tǒng)二期另設(shè)計(jì)添加以高級氧化技術(shù)(AOP)為基礎(chǔ)的深度處理過程。水循環(huán)處理系統(tǒng)技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 水循環(huán)處理系統(tǒng)技術(shù)路線圖

在水循環(huán)處理系統(tǒng)一期的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，項(xiàng)目將應(yīng)用的新型同步脫氮除磷生態(tài)濕地可協(xié)調(diào)土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物之間的物理、化學(xué)和生物作用，對污水進(jìn)行凈化處理，去除污水中的氮、磷、有機(jī)物、重金屬和懸浮物等污染物。另外，該水循環(huán)處理系統(tǒng)將創(chuàng)新使用生態(tài)濾床，將農(nóng)業(yè)或工業(yè)廢棄物(如礦石廢物、工業(yè)生產(chǎn)加工中的副產(chǎn)物、秸稈等)資源化，并作為水處理可循環(huán)再生材料使用。

該項(xiàng)目二期的設(shè)計(jì)方案中，以高級氧化技術(shù)和高效率膜技術(shù)為基礎(chǔ)的先進(jìn)深度水處理將用于水循環(huán)處理系統(tǒng)的二期深度處理，降解水中可能存在的有機(jī)微污染物(如持久性有機(jī)物、內(nèi)分泌干擾素等)、有機(jī)物講解過程中的有毒副產(chǎn)物等。該水處理系統(tǒng)所需主要設(shè)備包括儲(chǔ)水水罐、提升水泵、臭氧發(fā)生器、臭氧分析和檢測儀、曝氣裝置、紫外光反應(yīng)器、水質(zhì)檢測傳感器。

3.3.2 水循環(huán)處理系統(tǒng)的信息化和智能化管理

在水循環(huán)處理系統(tǒng)應(yīng)用過程中，以陜西天海智慧水電科技有限公司已開發(fā)利用并上市銷售的水資源管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開發(fā)和應(yīng)用與水循環(huán)處理系統(tǒng)相對應(yīng)的智慧化水資源管理系統(tǒng)。通過應(yīng)用自動(dòng)化操控技術(shù)、傳感技術(shù)等途徑，在線監(jiān)測和收集生產(chǎn)廢水、生活污水以及自然降水的水量和水質(zhì)等信息，數(shù)據(jù)化水循環(huán)處理系統(tǒng)處理能力與待處理污水的量化關(guān)系，根據(jù)水質(zhì)、水量以及用水需求等信息，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)預(yù)測處理量需求，實(shí)時(shí)調(diào)控系統(tǒng)的處理方式，高效、低能耗的完成水處理任務(wù)，并將已處理水合理分配供給到項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)各個(gè)水需求單位，以達(dá)到水循環(huán)處理系統(tǒng)應(yīng)用過程中智慧管理的目的。該水處理系統(tǒng)的水處理過程中，首先通過增壓水泵將污水送入污水收集罐，經(jīng)沉淀池流入過濾罐，過濾后進(jìn)入凈水器；通過凈水器信息收集器將水質(zhì)數(shù)據(jù)傳入云平臺，平臺進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)分析顯示到監(jiān)控終端。通過恒壓水泵向辦公樓及廠房提供恒定水壓，同時(shí)可根據(jù)水壓狀況，進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)約用電。在凈水器、臭氧發(fā)生器、曝氣裝置、紫外燈反應(yīng)器終端，安裝信息采集器，將實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控室，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)循環(huán)節(jié)水系統(tǒng)用水狀態(tài)在線監(jiān)測。

在該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，一期設(shè)計(jì)的出水可滿足用于供給項(xiàng)目內(nèi)生活、生產(chǎn)用水、綠化用水、清潔用水、景觀用水等要求，可達(dá)到零排放循壞利用；二期設(shè)計(jì)中的出水可達(dá)到國家II類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)，可用于補(bǔ)充廠區(qū)和辦公區(qū)的自來水甚至是飲用水。

圖3 水表監(jiān)控平臺監(jiān)測面板

圖4 天海智慧水電項(xiàng)目水循環(huán)布置圖

圖5 水處理系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)語

通過對天海智慧水電項(xiàng)目其一期建設(shè)中的工業(yè)區(qū)、辦公區(qū)以及二期建設(shè)中的商業(yè)綜合體實(shí)施水循環(huán)處理系統(tǒng)后的效果來看，在深度使用該技術(shù)后，企業(yè)年日節(jié)水量為120 m3、年節(jié)水量為43 800 m3，而所在區(qū)域自來水單價(jià)為3.5元/m3，污水排放單價(jià)為1.4元/m3，從而預(yù)估通過該系統(tǒng)每日節(jié)約企業(yè)成本約490元、年節(jié)約企業(yè)成本約214 620元。實(shí)施后的廢水可達(dá)到零排放，無任何污染，改善環(huán)境，回收循環(huán)利用，除了澆灌綠地和水生植物之外，還可以養(yǎng)殖魚類等。因此，在全區(qū)大力推進(jìn)實(shí)施水循環(huán)利用項(xiàng)目是提高水資源管理水平的有效措施，可以為實(shí)施水資源剛性約束制度，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。