尚巍，鄭興燦
（國家城市給水排水工程技術研究中心，天津 300074）

1 研究背景

　　我國人均水資源占有量為2260m³，雖然水資源總量占世界第6位，但平均水資源量較少，約占世界平均水平的1/4，排在世界第128位，是全球13個貧水國家之一^[1]。據2002年的統計數據，我國共有市級以上城市668個，其中缺水城市400多個，嚴重缺水城市136個，涉及到18個省、自治區及直轄市，其中就包括天津^[1]。天津市人均占有水資源量約為160m³,為全國人均占有水資源量的1/15，加上外調水源，人均占有水資源量約為380m³，遠遠低于國際人均占有水資源量600m³嚴重缺水的警界線。是全國人均水資源占有量最少的省市，屬重度缺水地區^[2]。
　　與此同時，天津市有著豐富的污水資源，市內分為六大污水系統：紀莊子、咸陽路、雙林、趙沽里、張貴莊、北倉，天津市已建成紀莊子和東郊污水處理廠，處理能力共66萬m³/d，市區污水集中處理率已接近50%。目前，天津市日排放污水120～150萬m³/d。據預測，2005年全市可提供再生水水源149萬m³/d，2010年為169萬m³/d，2015年將達到199萬m³/d。可見天津市污水資源豐富，污水再生利用還有很大的發展空間，前景廣闊。
　　一方面城市面臨嚴重缺水的現狀，另一方面經過處理的水白白排放到天然水體，為緩解城市缺水局面，充分利用污水資源，建設節水型城市，天津市委、市政府對再生水的利用給予了高度重視，結合天津市實際情況，于2000年3月提出在梅江生態居住區實施“紀莊子污水回用梅江居住區示范工程”，并于2001年4月正式批復可研。在項目實施過程中，得到了國家計委的高度重視和大力支持，將其列入全國五個城市污水回用試點項目之一，擴大了工程規模和服務范圍，并將工程更名為“天津市紀莊子污水回用工程”，該工程的實施對于天津市乃至全國的污水資源化起到了推進和示范作用。
　　同時，在國家十五課題“城市污水再生利用政策、標準和技術研究與示范”中，為了研究污水深度處理的關鍵與核心技術，集成開發安全可靠、高效、低能耗、低投資的城市污水再生利用工藝技術及配套設備，確定該工程為大規模污水再生利用示范工程，在該工程建設和運行的基礎上進行深入研究，便于實現污水再生利用的產業化發展。

2 示范工程簡介

　　天津紀莊子污水再生水廠自2001年正式開工，2002年工程竣工，同年9月完成設備安裝，11月投入設備調試和試運行階段，2002年12月正是通過驗收。圖1為整個工程的平面圖。工程總投資1.1億元人民幣，包括一座日處理能力為50000m³的再生水廠一座，以及DN150-DN450的再生水輸水管網52km。

2.1 示范工程規模
　　為保證再生水廠設計出水水質，根據2000年的紀莊子二級出水小試結果，確定采用居住區與工業區分質供水的方案。再生水廠分兩個系統，其中一個為膜法處理系統，工程規模為20000m³/d，生產高水質再生水供居住區生活雜用水，景觀用水及綠化用水；另一系統為混凝－沉淀－過濾工藝，工程規模為30000m³/d，其再生水質低于膜法系統生產的再生水，但可以滿足工業用水水源標準的要求，如有對水質特殊要求的工業，可在工廠內部再針對其生產要求進行更高的水處理。
2.2 工程處理目標
　　再生水廠設計進水水質按照紀莊子污水處理廠設計出水水質考慮，主要指標如下^[3]：

表1 再生水廠設計進水水質

項目

水質指標

項目

水質指標

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將直接回用于居住區，所生產的再生水水質除了應滿足國家標準外還應與居民不斷提高的生活水平相適應，因此供居住區再生水水質按高于國家標準執行，其中色度、嗅味、pH、大腸桿菌等指標是參考飲用水標準擬訂的；對于工業用水不同企業的要求各不相同，為降低整個工程的投資，供工業區再生水水質按低于供居住區再生水水質考慮，對于個別水質要求高的企業，建議進行終端處理。
　　再生水廠設計出水指標詳見表2、表3。

表2 供居住區再生水水質指標

項目

指標

項目

指標

濁度 (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

游離余氯

0.2

嗅味

無異味

陰離子合成洗滌劑

≤0.5

BOD₅ (mg/L)

≤10

TP (mg/L)

≤1.0

COD_cr (mg/L)

≤50

揮發酚 (mg/L)

≤0.1

NH₃-N (mg/L)

≤10

石油類 (mg/L)

≤1.0

總硬度(CaCO₃計) (mg/L)

≤300

細菌總數 (個/mL)

≤100

TDS (mg/L)

≤1000

總大腸菌群 (個/L)

≤3

污染指數SDI

<3

　 　

表3 供工業區再生水水質指標

項目

指標

項目

指標

濁度

≤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

總硬度(CaCO₃計) (mg/L)

≤300

嗅

無不愉快感覺

Cl^- (mg/L)

≤300

BOD₅ (mg/L)

≤10

Fe (mg/L)

≤0.3

COD_cr (mg/L)

≤50

Mn (mg/L)

≤0.1

游離余氯 (mg/L)

管網末端不小于0.2

總大腸菌群 (個/L)

≤3

石油類 (mg/L)

≤5

　 　

2.3 工程服務區域
　　再生水廠位于天津市河西區與西青區交界處區紀莊子污水處理廠內東南角，毗鄰紫金山路，與梅江居住區隔河相望，總占地2.6公頃。再生水輸水管網分布在河西區、西青區、南開區。工程區域位置為北至郁江道、南至外環線、西至紅旗南路、東至大沽南路。服務對象主要是梅江、梅江南、衛南洼、城市別墅、仁愛豪景莊園、安全局干警宿舍等居住區以及奧林匹克中心體育場和陳塘莊工業區，再生水主要用于居住區內居民沖廁、園林綠化、道路噴灑、景觀水體補充和陳塘莊工業區造紙總廠、陳塘莊熱電廠等工廠企業的冷卻循環和生產工藝用水。工程總服務面積約2450公頃，服務規劃人口約15.8萬人。

3 處理工藝

　　紀莊子污水再生水廠中采用了兩種工藝，生產兩種水質的再生水，分別供應給居民區和工業區。兩種工藝之間相互聯系，又相對獨立，各自具有不同的特點。

3.1 膜處理工藝　
　　圖2為整個膜工藝流程圖，二級出水首先經過混凝沉淀，然后進入CMF處理裝置，CMF出水經過臭氧氧化和加氯消毒后經送水泵房輸送到居民區，用于沖廁、綠化等。整個工藝中最具特點的，也是最重要的兩個工序是CMF工序和臭氧氧化工序。
3.1.1 CMF工序
　　紀莊子污水再生水廠采用微濾膜來處理混凝沉淀池出水。我國國產微濾膜技術研究始于80年代，盡管起步較晚，但發展速度非常快。我國微濾技術已在醫藥除菌、過濾、純水制備、飲用水處理等領域得到廣泛應用。無機微濾膜也已開始進入產業化。但是，與國外水平相比，我國有些微孔濾膜產品，其生產工藝控制方面仍不完善，不能很好地控制平均孔徑、孔徑分布，產品質量也有待穩定和提高。而且由于與其配套的密封、裝配技術相對落后，影響了其總體水平的提高，國內應用領域的開發還很不夠。因此，該廠采用國外公司生產的連續微濾膜裝置(CMF)。
　　CMF（Contious Microfiltration）即連續微過濾技術。該系統由中空纖維微濾膜組件、反沖洗系統、膜完整性測試系統以及自控系統所組成。每個微濾膜體的直徑為120mm，高度為1500mm，內裝的中空纖維外徑為550mm，內徑為300mm，壁孔徑0.2mm，膜表面積為15m²，20℃時單根微濾膜柱水通量為1.26m³/h。CMF系統的操作由PLC自動控制，水由中空纖維膜外向膜內滲透，正常工作壓力很低，工作范圍為30～100kPa，最高可達到200kPa。一般17～50min用壓縮空氣反沖一次，反沖時，壓縮空氣由中空纖維膜內吹向膜外，反沖壓力為600kPa(相當于6kg/m²)，時間1～2min，反沖洗水量（反沖洗水采用原水）為進水量的8~10%。系統一般工作14~30 d化學清洗一次。此外，膜的完整性是保證過濾性能和過濾質量的關鍵，通過膜在線完整性測試系統，可以實現膜工作狀況的在線連續跟蹤檢測，及時發現膜泄漏或斷裂的模塊，并從缺陷模塊的上萬根中空纖維中準確找出泄漏、斷裂纖維所在，然后采用pin-repair的方式修補，從而保證膜的處理能力。
　　本工程選用10臺108M10C型CMF處理設備（分為兩列），日處理污水廠二級出水為30000 m³。CMF進水泵共三臺(二用一備)，每列一臺CMF供給泵，每臺CMF進水泵由一臺變頻器控制。變頻器由總PLC因集水池水位、進流壓力和過膜壓差(TMP)控制，水泵故障時報警，并啟動備用泵。 每列CMF總流量由一臺流量計監控，并設有pH計、ORP 計、總氯計、自由氯計、濁度計、壓力計和溫度計以監測進水水質情況。待處理水進入CMF前經過一個自動清洗粗濾器(500μm)以去除較大顆粒的懸浮物質，減輕CMF的運行負荷。 粗濾器反沖洗是按壓差或時間自動運行的。　　
　　CMF裝置自2002年底通過驗收之后，經過近1年的試運行，已經確定裝置主要工藝參數為：
　　●進水溫度： 15℃
　　●產水通量： 每套膜裝置80m³/h(冬季)，100m³/h(夏季)
　　●反沖洗周期：40min
　　●反沖洗時間：2.5min
　　●化學清洗中：堿洗周期10天，酸洗周期50天，5次堿清洗之后進行1次酸清洗
　　●堿清洗液： Memclean濃液和45%的氫氧化鈉按照1︰2.125的比例混合，使用時稀釋至2%
　　●酸清洗液： 0.5%的檸檬酸溶液
　　反沖洗可以清洗膜表面附著的懸浮雜質，堿性清洗液用于清洗微濾膜上附著的微生物粘泥和有機物，酸性清洗液用于清洗堿性清洗無法去除的金屬離子和一些無機物。目前，反沖洗和化學清洗程序是通過時間來控制的，也就是說，在PLC中預設最高運行時間限定值，當達到這一時間限定值之后，系統開始進入反沖洗狀態；當運行時間達到化學清洗規定的限定值后，系統進入化學清洗狀態；如果未達到預定時間限定值時，系統過膜壓差超過了最高限值，也要進入反沖洗和化學清洗狀態。每經過1次反沖洗，TMP就會下降一定數值，但是總的趨勢是上升的，經過一定運行時間后，應進行堿性化學清洗，TMP值會急劇下降，但是仍比新膜的TMP值稍高一些。
　　表4為CMF裝置正常運行后的進出水水質的平均值，從中可以看出，CMF對于懸浮顆粒、BOD、COD和微生物的去除率較高。無論進水水質如何波動，CMF出水水質總是在較為穩定的范圍內，從而保證了供水穩定性。

表4 進出水水質匯總表

日期

水質指標

COD(mg/L)

BOD(mg/L)

TP(mg/L)

濁度(NTU)

總大腸桿菌群(MPN/L)

細菌總數(cfu/100mL)

2002.

11.15-20

進水

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

進水

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

進水

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

進水

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

進水

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

進水

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

進水

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

進水

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

進水

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

進水

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

進水

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

進水

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

進水

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

進水

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
　　法國自來水研究機構在某次會議上總結了兩項消毒研究，得到的一項結論是：膜消毒能夠去除較為廣泛的懸浮物和微生物，也不會出現不受歡迎的副產物，但是膜裝置可能會出現滲漏、密封裝置的故障等缺點，應在后續工序中增加后消毒工藝，以保障供水安全性。而且本工程處理出水將要入戶，與居民接觸的幾率增加，為保證水質安全可靠，增加了臭氧消毒工序來處理CMF出水，這也是該工程的另一工藝特點。
　　臭氧的生物滅活作用是由其強氧化潛能和生物膜擴散能力所決定的。水中臭氧氧化反應有以下2個途徑：分子直接氧化；臭氧自身分解或與水中無機、有機化合物反應形成游離基的間接氧化；臭氧可與細菌細胞壁脂類雙鍵發生反應，穿入菌體內部，作用于脂蛋白和脂多糖，改變細胞的通透性，從而導致細胞溶解、死亡。臭氧在消毒的同時能去除色、嗅，降低水的渾濁度，去除水中的酚、鐵、錳等物質，使水中溶解氧增加，改善出水水質，并且操作方便。
　　本工程的臭氧處理工序包括臭氧發生間、臭氧接觸池和臭氧尾氣吸收池三部分。臭氧發生間內設有臭氧發生器5臺，單臺臭氧發生量為1kgO₃/h，O₃濃度為18g/m³；設有3座臭氧接觸池，內部裝填有108個微孔鈦板曝氣器，便于臭氧與待處理水均勻混合，充分接觸，以去除殘余色度、還原性物質、微生物等；設2座尾氣吸收池，從臭氧接觸池排出的尾氣首先和過濾水接觸，使臭氧濃度降低到允許排放的標準。
　　由于本工程臭氧與CMF聯合使用，使得膜后出水的色度和微生物指標已經可以達標，有關臭氧進出水的水質數據見表4。
3.1.3 預處理
　　從工藝流程圖中可以看出，二級出水在進入CMF工序之前，首先經過混凝沉淀處理，這是從兩方面因素考慮的。其一，微濾膜雖然對懸浮顆粒和細菌有很高的去除率，但是對水中磷的去除率不高，只能去除吸附在固體顆粒上的小部分磷；其二，二級出水的磷含量較高，不能滿足生活雜用或景觀環境用水的標準要求。因此，采用傳統工藝的混凝沉淀段工序，通過投加一定量的混凝劑，降低水中有機物、磷和懸浮物質的含量，減輕CMF的負荷，同時保證出水中磷含量滿足相關標準要求。
3.2 傳統工藝
　　本工程還采用了傳統的混凝－沉淀－過濾工藝，處理出水用于工業區用戶。圖3為工藝流程圖。

3.2.1混凝沉淀工序
　　兩種工藝的進水經過原水貯池后均首先進入混凝沉淀工序，在這里通過投加混凝劑和助凝劑對進水進行預處理。我們由紀莊子小試試驗可知混凝劑選擇為聚合硫酸鋁，助凝劑為單質氯。選擇氯作為助凝劑，不僅可以破壞水中的色度和有機物，減少混凝劑的投加量，而且還可以與二級出水中的氨氮結合形成氯化氨，抑制水中微生物的繁殖，減少CMF膜表面形成生物膜垢的幾率。加藥點選擇在混凝沉淀池的進水管道上。
　　投加聚鋁的目的有兩個，一是經過混凝反應，消除水中懸浮物質之間的靜電斥力，并且利用大分子上的活性基團的吸附作用吸附膠體顆粒，形成大而結實的礬花，以便于去除，礬花的形成和產生與進水中懸浮顆粒的種類、粒度和濃度、進水中的溶解離子的成分和濃度、混凝過程中水的pH值、水的溫度、混凝過程中攪拌的強度和時間等因素有關^[1]；此外，投加聚鋁后，鋁離子與水中的磷酸鹽形成沉淀，然后通過沉淀物的去除將磷從水中除去，這一過程不僅與混凝過程有關，而且與進水中的初始pH值、沉淀物的溶解度和水中溶解磷的濃度有關。
　　我們在十五課題研究中，進行了混凝劑投加量的試驗室研究和生產性研究，經過近2個月的試驗和近1年的運行數據收集，取得了該進水水質條件下，最佳混凝劑投加量的經驗數值，同時論證了混凝過程機理在給水處理和二級出水處理中的相同和不同之處。
3.2.2濾站處理工序
　　濾站由快濾池、反沖洗水泵和反沖洗風機三部分組成。其中快濾池為普通快濾池，其原理及操作方式與自來水廠濾池基本相同，但由于應用于再生水處理，設計參數應根據具體水質情況由試驗來確定。本廠采用單層均質石英砂濾料，氣水聯合反沖洗，反沖洗周期12～24h/d。快濾池設計數量為8組，采用小阻力排水系統，設計反沖洗水泵為4臺，3用1備，單臺流量Q=840m³/h，揚程為H＝15m；反沖洗風機放置于鼓風機房內，選用2臺，1用1備，設計流量為Q=40m³/min，風壓為P＝68.6kPa。
　　自動反沖洗有兩種控制方式：其一，預先設定的水頭損失值，當單臺濾池差壓變送器檢測到的信號超過設定值時自動進行反沖洗；其二，PLC根據預先設定的時間常數，定時對濾池進行反沖洗，此時間常數可調。反沖洗過程由下列步驟組成：關閉濾池進水閥，停止進水；待濾池水面降低至砂層頂面100~200mm時，關閉濾池出水閥，停止過濾；開啟反沖洗進水閥，并同時開啟一臺反沖洗水泵，開啟反沖洗進氣閥，進行氣水同時反沖洗3～5分鐘；(沖洗廢水自溢流管排出)關閉反沖洗進氣閥，再開啟2臺反沖洗水泵沖洗3－5分鐘；關閉反沖洗進水閥和水泵；開啟反沖洗排水閥，使濾池水位降至洗砂排水槽頂部；關閉反沖洗排水閥，開啟濾池進水閥，帶水面上升至砂面上1.0 m時，再開啟濾池出水閥，恢復過濾狀態。

再生水應用研究

　　紀莊子再生水廠生產的再生水一部分用作居民小區的沖廁、綠化澆灌和景觀水體。目前，人們進行了大量有關再生水工藝和利用方式方面的研究，但是再生水用作沖廁、景觀水體時，應用現場對周圍環境影響的研究較少，本研究通過對再生水在使用過程中可能產生的氣體和氣溶膠進行了監測，從使用安全性和衛生性方面進行了論證。
　　本研究首先對某小區內以再生水為水源的景觀水體進行了再生水應用研究。該水體水面面積為28 500 m²，內設有水景2處，補充水源分別采用紀莊子再生水廠的再生水和市政管網供水。我們為了研究再生水對周圍環境造成的影響，考察再生水的使用安全性，進行了如下監測：
　　1. 在水體周圍按照功能分區的原則布設監測點^[4]，每日監測氨、硫化氫等產生惡臭的化合物和氣溶膠等指標，同時記錄當時氣象條件，如風向、風速、氣壓等；并且在附近小區布設監測點作為對照；
　　2. 水景內水流擾動較為劇烈，容易產生氣味和氣溶膠，而氣溶膠顆粒是病毒和細菌賴以生存的載體，因此在以再生水為水源的水景周圍按照氣象條件布設監測點，監測范圍涉及氨、硫化氫等產生惡臭的化合物和氣溶膠等衛生學指標，同時監測以自來水為水源的水景作為對照。
　　其次，考慮到再生水入戶后與人群直接接觸的幾率增加，針對這一情況，我們在某一未裝修的住戶家內進行了為期1周的監測活動，監測點分別布設在衛生間、臥室、客廳和有墩布池的廚房^[5]。當水源為再生水和市政供水時，分別監測室內空氣質量狀況。
　　監測工作進行了2周，通過兩個小區和兩種水源的水景監測數據對比，結果表明：有再生水存在的小區，大面積水域起到了凈化空氣的作用，其空氣質量不僅沒有受到再生水的影響，反而有所提高；而且以再生水為水源的水景，其周圍環境除了受水中氨的揮發影響濃度較高外，細菌、大腸桿菌等指標均優于以自來水為水源的水景環境。室內雜用水監測結果表明，無論使用再生水還是自來水，室內環境中的硫化氫含量均非常低；使用再生水清洗墩布時氨的濃度要略高于使用自來水的情況；氣溶膠的采樣結果表明，室內各房間的細菌和大腸桿菌數量都較為平均，使用再生水對衛生間和廚房的空氣環境并沒有明顯的變化。
　　與此同時，我們還在使用再生水的小區進行了有關再生水水質的用戶調查，調查結果表明：絕大多數用戶可以接受再生水用作低質水，甚至有的被調查者接受用于更高級的用途；絕大多數用戶認為，從外觀和嗅覺分辨不出再生水和自來水的區別，其水質可以接受。

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