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城市污水处理回用工艺分析
RSS 打印 复制链接 发布时间:2017-12-27 18:54:08

 [摘要]

为了明确城市污水处理回用工艺的影响因素,通过对我国典型城市再生水厂的回用工艺与运行现状进行系统调研,对不同地区不同回用对象的典型工艺进行归类总结和影响要素分析,从影响城市污水处理回用工艺选择的技术、经济、政策和社会等4方面要素进行了评估和剖析,明确了工艺选择的关键要素。

[关键词]

污水回用;再生水;关键要素

1概述

我国的城市污水回用作为再生水的技术研究起步较晚,但近10年发展得比较快,且起点较高。在国家和地方政府的政策支持下,工艺技术不断进步,工程应用不断扩大。根据住建部《中国城市建设统计年鉴(2013)》数据显示,2013年,我国城市再生水生产能力达到1760.7×104m3/d,再生水利用量354181×104m3,再生水管道长度7193km。截止“十二五”末期,城镇再生利用规模将达3886×104m3/d。再生水主要用于景观环境、工业生产、农林牧业、城市非饮用水和地下水回灌,各类用水所占比重分别为45.4%、23.7%、23.4%、6.7%、0.8%[1]。再生水成为很多城市的“第二水源”,人们增加了对再生水的重视程度,但是我国的再生水仍然具有非常大的发展空间。从现在的发展状况来看,发达国家再生水利用率占污水处理量的比例高达70%,而在我国,再生水利用率只有10%,可以看出我国的再生水利用率还具有非常大的发展空间。从发展水平看,受水资源条件、经济发展水平的限制,全国各地区城市污水处理回用发展不均衡[2]。北方缺水地区的城市污水处理回用发展较快,而在南方水资源相对丰富的地区,城市污水处理回用工作相对滞后。“十二五”期间,我国将投入304亿元新建2675×104m3/d的再生水处理能力,投资增速高达198.04%,年均复合增长率为24.41%,远高于行业每年5.30%的增速[3]。其间,全国城镇再生水利用率将从目前的不足10%提升至15%[4]。本文通过对我国典型城市再生水厂的回用工艺与运行现状进行的系统调研,对不同地区不同回用对象的典型工艺进行归类总结和影响要素分析,从城市污水处理回用的技术要素、经济要素、政策要素和社会要素等方面进行评估和剖析,甄选出影响城市污水处理回用工艺的关键要素。

2关键要素分析

2.1技术要素

2.1.1回用途径目前,再生水回用主要应用于工业、景观环境、市政杂用、农业及地下水回灌等领域,由于回用对象的不同,其水质标准与技术手段也不同。再生水回用到工业时主要考虑防止结垢、腐蚀、生物孳生等,重点关注COD、SS、氯离子、TDS、总硬度、嗅味、盐度、氨氮和色度等指标。再生水回用到景观环境用水时,主要控制营养盐、色度、嗅味、有毒有害有机物、SS等指标[5,6]。再生水作为市政杂用水时,应重点关注SS、大肠杆菌、余氯、色度、臭味、有毒有害有机物等指标。再生水用于农田灌溉应确保卫生安全,并防止土壤退化或盐碱化等。含盐量是污水回用于农业灌溉的最重要的水质指标之一,同时也应防止重金属及有害物质在土壤中富集,并通过食物积累于农作物中。再生水用于地下水回灌时应重点关注重金属、粪大肠菌群数、氨氮、浊度、COD等指标。

2.1.2主要技术手段为了保证上述回用水质指标,当前应用的技术手段主要为物化~过滤吸附法、生物处理法、膜处理工艺、自然生物处理技术和组合工艺联用技术等。物化~过滤吸附法是再生水处理中使用最广泛、机理研究较为清楚的方法,具有处理效果稳定、工艺流程简单、操作管理方便等特点,主要技术形式有天铁冶金集团有限公司热轧废水处理与再生回用工程[7]等采用的V型滤池;成都沙河再生水厂[8]采用的D型滤池;天津市津南区双桥再生水工程[9]等采用的滤布滤池等。生物处理法主要利用生物代谢作用将水中的各种污染物去除,其中生物的种类和数量对污染物去除起关键作用。再生水回用工艺中常用的生物处理工艺有:如南昌大学前湖校区中水回用工程[10]等采用的曝气生物滤池;无锡惠山再生水厂[11]等采用的反硝化滤池;深圳中心城水厂二期工程[12]等采用的生物活性炭滤池等。膜分离技术广泛应用于污水处理领域,形成了新的再生水回用处理方法,包括微滤、超滤、膜生物反应器、反渗透等。再生水回用工艺中常用的膜处理工艺有:如天津市团泊新城再生水厂[13]采用的膜生物反应器(MBR);淮北再生水厂工程[14]采用的超滤/微滤(UF/MF)工艺;北京亦庄经济开发区污水回用工程[15]采用的反渗透工艺等。污水自然生物处理技术主要是依靠自然生物净化功能使污水得到净化的技术。主要包括人工湿地、稳定塘、土地处理系统等,如冀州市再生水厂[16]采用的湿地处理系统可以有效地处理水质达到城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)一级A标准。

2.1.3技术要素关注点1)再生水厂进水指标。对于再生水厂而言,污水处理厂二沉池出水的水质指标在很大程度上决定了后续再生水厂的工艺选择。再生水厂的主体工艺会根据进水水质特性选择,对于需要重点提升的水质指标选择相应的工艺,一般以满足再生水出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准或城市污水再生利用相关标准。工艺类型以传统水处理工艺为主,部分采用膜处理工艺。2)再生水回用对象用水水质需求。再生水回用的工艺选择同样需要考虑回用对象用水的水质需求。这类需求对水质指标的需求往往高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准或城市污水再生利用相关标准,需要进一步采取相应工艺处理。

2.2经济要素

2.2.1再生水成本与工程投资项目投资建设成本即再生水厂总建设费用,包括征地费用、设备购置费、建筑工程费、安装工程费、预备费用、建设期贷款利息和铺底流动资金等[17]。不同工艺之间的吨水投资和运行成本不尽相同,最大相差近10倍。不同工艺的吨水投资和运行成本与建设规模也有关系[18]。地方的经济发展程度对工艺的选择也很重要[19]。具有较高的经济实力,且属于严重资源型缺水的城市,对再生水需求量较大,同时政府支持力度大的,多采用高标准的再生水工艺。否则,采用中、低标准的再生工艺[20-23]。

2.2.2再生水价格再生水的价格由再生水的生产成本和输送成本及再生水生产和运营企业的利润构成,生产期间成本用于补偿再生水生产过程中设备的投入建设,所耗费的药剂、电力、人工等的投入,以及运营、管理等的费用;输送成本主要是建设输水管网和提升泵站、增压设备等所消耗的费用以及管网和泵站的运营、维护和管理等所需的费用。利润部分则是再生水生产和经营企业按照国家的有关规定计取的法定利润[24]。

2.2.3经济要素关注点1)投资成本和运行成本。投资成本和运行成本是再生水工艺选择的关键要素。各种单元工艺吨水投资从700~2800元不等,吨水运行成本从0.68~2.50元不等。投资和运行成本从小到大分别为:“老三段”及其改进工艺<生物滤池工艺<膜工艺。2)地方经济水平。地方的经济发展程度也是工艺选择的影响因素,如北京、天津等地人均GDP较高,具有较高的经济实力,通常选择高标准的处理工艺,如采用膜工艺或组合工艺。郑州、西安等城市人均GDP处于全国中等水平,城市污水处理回用工艺可采用“老三段”这种投资较低、运行较可靠的工艺。对于人均GDP较低的边远地区,可以优先考虑在污水处理厂中增加深度处理工艺提标到一级B或A标准[25]。3)再生水价与再生水价格的差价。再生水价和再生水价格的差价也是制约再生水工艺选择的要素之一。对于再生水厂而言,在满足水质需求的前提下,工艺的不同决定了再生水生产成本的差异性。再生水厂虽然存在政府的扶持,但如果不考虑差价因素将会影响再生水厂的可持续运行。

2.3政策要素

2.3.1政策规划随着水环境治理力度加大和市政污水处理基础设施建设的加快,污水处理率越来越高,再生水利用量也越来越大,再生水的政策法规、利用风险、水价机制、利益相关者认知等焦点问题日益受到广泛关注,再生水发展面临着巨大的机遇和挑战,其中再生水政策是促进市再生水合理有效利用的保障和重要前提,也是影响再生水工艺选择的因素之一[26]。对于各地方而言,近年来北京、天津、沈阳、深圳、银川、昆明等主要城市政府相继推出《城市再生水管理办法》,细化和规范城市再生水的工程建设和运营管理。此外,北京、上海、西安、杭州等城市均出台了涉及本地区的再生水利用“十二五”规划。

2.3.2政策要素关注点由于我国各地区水资源状况及经济发展状况的不同,致使各地区对再生水产业采取不同的政策,从而也使得城市污水处理回用工艺的选择有着很大的不同。对于再生水需求量大、管理体系相对健全、优惠政策配套完备的地区,再生水产业发展良好,再生水处理技术得到长足发展,一些领衔的组合技术及集成工艺得到良好的应用。根据调研,我国目前运行、已建或计划待建的再生水厂不少都是政府政策导向的结果,特别是我国早期建设的一些污水处理回用示范工程和政府积极引导与保障措施密不可分[27]。

2.4社会要素城市污水再生利用具有很大的潜力,再生水对人体健康和环境的安全性影响也是再生水工艺选择时必须考虑的问题。各种因素的影响程度排列如下:再生水安全性>可能有异味或导致感官上不舒服>对污水再生的情况不了解>再生水成本可能很高>心理上难以接受[28]。

2.4.1再生水安全性分析

考虑到再生水的不同用途和污染物可能的影响途径,为了保证再生水水质安全,应考虑的因素有[29]:1)保护公众健康。这是评价水质安全性的首要目标。2)用水要求。工业或其他用水,对水质有特殊要求,与健康无关。应根据具体要求制定水质标准。3)灌溉影响。灌溉可能引起很多相关问题,如污染土壤、地下水、地表水,以及暴露人群的健康效应。4)环境安全。使用再生水区域以及周围地区的动植物、受纳水体等,都是保护对象。5)感观要求。对于较高要求的再生水,如冲洗厕所、绿地灌溉、娱乐用水等,在美学方面应和饮用水有相似的要求。6)切合实际。标准必须符合当前的政策、技术、经济状况。

2.4.2再生水风险评价目前,环境风险评价主要包括人体健康风险评价和生态风险评价两方面。针对再生水工艺的选择,应对该工艺出水的人体健康风险及生态风险两方面进行全方位的评价,保证再生水用户广泛的接受度。

2.4.3社会要素关注点为保障再生水对环境及人体健康方面的安全,再生水在工艺选择是要关注以下重点:1)再生水安全消毒技术与工艺。消毒是污水再生处理的必要环节,也是保证再生水生物安全的关键环节。再生水生物学指标应作为强制性指标严格进行监管,以保障再生水使用的健康和公共卫生安全。2)再生水有毒有害物质控制技术。再生水中有毒有害污染物组成十分复杂,仅对特定有毒有害化学物质进行评价和去除,难以有效保障再生水水质安全,以综合生物毒性(生物效应)削减为目标的再生水处理技术研究有待加强。3)再生水氮磷深度去除技术[30]。城市污水经二级生物处理后仍含有较高浓度的氮、磷等植物营养物质。含有高浓度营养物质的再生水回用于城市环境与景观水体,存在导致水华暴发、影响生态安全的风险。因此,开发以水华控制为目标,对再生水中氮、磷等营养物质进行深度去除的技术,对保障再生水利用,特别是环境、景观利用的生态安全是非常重要的。

3结论

再生水工艺的选择受到技术、经济、政策和社会等要素的影响,4个要素相辅相成,对再生水发展均有关键影响。1)再生水工艺选择的技术要素主要考虑回用对象的用水需求。2)再生水厂单元工艺吨水投资从700~2800元不等,吨水运行成本从0.68~2.50元不等,吨水投资和运行成本是工艺选择主要考虑的经济要素。3)再生水工艺的选择应充分考虑地方经济发展水平和水资源短缺的状况。4)再生水安全消毒、有毒有害物质控制和氮磷深度去除技术是社会关注重点,用户对再生水的水质和安全的要求对再生水工艺的选择有很大影响。

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