再生水分類處理及精細化配置技術

秦國帥 劉靜 陳晨 李新月 王彥東 吳良滿 房凱

摘 要： 為推進污水資源化利用、提高再生水利用配置水平，針對目前再生水利用配置過程存在的問題，提出了包含再生水用戶市場調查、再生水水質綜合評估、確定分類處理技術、制定精細化配置方案的再生水分類處理及精細化配置技術框架，并以江蘇省宿遷市為例進行分析。根據宿遷市中心城區再生水用戶利用需求、污水處理廠出水水質調查結果，按照工業用水、城市雜用、景觀環境和灌溉用水的利用途徑提出了符合宿遷市實際情況的再生水分類處理技術，制定了針對典型污水處理廠的精細化配置方案。研究成果可為宿遷市推動再生水利用配置試點工作提供支撐，對國內其他城市再生水利用配置具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：再生水；分類處理；精細化配置；技術框架

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）01-0127-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.01.022

0 引言

受氣候變化及人類活動的影響，水資源短缺已成為制約全球可持續發展的重要因素，再生水作為城市的“第2 水源”，提高再生水利用水平被認為是解決水資源短缺的有效途徑[1-3]。為推進污水再生利用，國家發展改革委于2021 年印發《關于推進污水資源化利用的指導意見》，要求以城鎮生活污水資源化利用為突破口，以工業利用和生態補水為主要途徑，推動我國污水資源化利用實現高質量發展。2023 年印發的《水利部 國家發展改革委關于加強非常規水源配置利用的指導意見》提出，統籌將再生水用于工業生產、城市雜用、生態環境和農業灌溉等領域；有條件的缺水地區，按照農田灌溉用水水質標準要求，穩妥推動再生水用于農業灌溉。再生水利用配置主要以污水處理廠為基礎，通過輸配管網將深度處理后的再生水按照就近利用、優水優用、分質用水的原則供給不同類型的用戶使用[4-5]。再生水利用配置過程中，實現再生水生產企業與用水戶之間的精準匹配是提高再生水利用量的關鍵，也是目前再生水利用配置的難點，需要深入了解供水企業和用水戶的需求，結合實際情況制定分類處理和精細化配置方案，提高再生水利用配置水平[6]。

再生水利用配置過程中，由于污水處理廠執行的排放標準低于再生水利用的水質標準，往往需要對污水處理廠出水進行深度處理[7-8]。再生水處理技術方面，目前的主要工藝可以分為混凝沉淀過濾（老三段）技術、生物處理技術、膜處理技術、濕地處理技術及消毒技術[5，8]。單獨使用某項單元技術較難滿足用戶對水質的要求，一般采用組合處理工藝，并且需要綜合考慮當地社會經濟發展水平、用戶需求、水質狀態和利用標準等因素。目前再生水處理技術方案的優化選擇方面還缺乏相關的技術標準，在一定程度上影響再生水利用配置試點工作的推進[9-10]。再生水配置方面，研究人員將傳統水資源配置領域的研究方法應用于再生水配置領域，在研究和實踐方面取得了一定的進展，針對再生水生產企業和用戶之間精細化配置的研究還比較欠缺，再生水利用配置“最后一公里”的問題依然比較突出[11-13]。

本研究針對再生水利用配置過程存在的問題，提出再生水利用分類處理和精細化配置的技術框架體系，以江蘇省宿遷市為例進行分析，為宿遷市再生水利用配置試點工作提供參考，對于國內類似地區再生水利用配置具有一定的借鑒意義。

1 再生水利用分類處理及精細化配置技術框架

再生水處理技術工藝的確定需要根據再生水用戶水量水質需求和污水處理廠出水水質現狀，綜合考慮經濟水平、基礎條件、利用成本等因素選取合理的再生水處理技術工藝和精細化配置方案。再生水利用分類處理及精細化配置技術框架，如圖1 所示。

1.1 用戶市場調查

對再生水用戶市場進行系統調查和評估，了解再生水利用現狀，掌握再生水生產企業與再生水用戶之間的供需特征，明確不同類型再生水用戶利用潛力和需求，合理預測未來一個時期的再生水利用規模。

1.2 水質綜合評估

針對有再生水利用配置需求的污水處理廠出水水質進行補充監測和分類分級評估，全面掌握污水處理廠出水水質狀態，對比水質和利用標準，識別影響利用的關鍵水質參數。

1.3 確定分類處理技術

根據再生水不同利用途徑及影響利用的關鍵水質參數，綜合考慮再生水用戶需求、當地經濟水平、再生水處理基礎條件、投資成本和效益等因素，按照工業用水、城市雜用水、景觀環境用水、灌溉用水和補充水源水等用途確定再生水分類處理技術工藝。

1.4 制定精細化配置方案

根據不同用水戶水量水質需求、污水處理廠位置和污水處理現狀，以及再生水管網分布情況提出合理的再生水利用配置方案，以污水處理廠為單元實現再生水從污水處理廠到再生水用戶之間的精細化配置。

2 案例分析

2.1 研究區域概況

宿遷市位于江蘇省北部（117°56 ′～ 119°10 ′E，33°8′～34°25′N），多年人均水資源量545 m3，不足全國平均水平的1/4，是黃淮平原典型的缺水城市。宿遷市現轄宿城區、宿豫區、沭陽縣、泗陽縣和泗洪縣，中心城區包括宿豫區和宿城區，總面積2 154 km2。宿遷市目前已建成部分以污水處理廠為節點的再生水輸配管網，對部分水質較好的再生水進行回用，為推進再生水利用配置試點工作打下良好基礎。

2.2 再生水用戶市場調查

通過資料收集、現場調查和發放問卷等形式對宿遷市中心城區再生水用戶市場進行評估，明確再生水利用現狀、利用途徑及需求潛力。據統計，宿遷市中心城區2021 年污水處理量12 562 萬t、再生水利用量約2 597 萬t、利用率約20.7%，主要利用途徑為景觀環境用水、工業生產及城市雜用，還未用于農林灌溉，如圖2 所示。其中景觀環境再生水利用量2 000 萬t，占比約77.0%；工業再生水利用量440 萬t，占比約16.9%；城市雜用再生水利用量157 萬t，占比約6.1%。

宿遷市中心城區農林灌溉用水占總用水量60% 以上，在水質滿足要求的前提下開發灌溉用水方面的利用需求，對于緩解水資源矛盾、提高再生水利用率具有重要意義。根據利用需求調查結果，預計到2025 年，宿遷市中心城區再生水需求總量可達4 469 萬t，主要包括景觀環境、工業生產、城市雜用和農林灌溉4 個領域，不同領域再生水需求量占比如圖2 所示。其中，景觀環境用水需求仍然最大，占總需求量的69.9%；工業生產再生水需求上升22.0%；農林灌溉領域開展再生水利用試點，需求占比1.2%。

2.3 再生水水質綜合評估

根據現行的GB/T 18919—2002《城市污水再生利用分類》，再生利用途徑可以分為農林牧漁業用水、城市雜用水、工業用水、環境用水和補充水源水。宿遷市中心城區再生水主要用于工業生產、城市雜用、景觀環境和農林灌溉等領域，相關標準有《城市污水再生利用工業用水水質》《城市污水再生利用城市雜用水水質》《城市污水再生利用景觀環境用水水質》《城市污水再生利用農田灌溉用水水質》《農田灌溉水質標準》和《城市污水再生利用綠地灌溉水質標準》等。本研究利用2021 年1—12 月污水處理廠水質監測數據和2022 年3—6 月補充監測數據對中心城區主要污水處理廠出水水質進行評估。結果表明，宿遷市中心城區污水處理廠出水水質整體較好，均優于一級A標準，能夠滿足污水處理廠排放標準。再生水利用方面，工業用水對水質要求較高，濁度是影響利用的關鍵指標，部分污水處理廠溶解性總固體和氯化物需要進行深度處理。城市雜用對糞大腸菌群、大腸埃希氏菌等衛生指標要求較高，污水處理廠出水在利用前還需要進行消毒處理，部分污水處理廠也需要對濁度進行處理。景觀環境用水水質要求相對較低，除了個別污水處理廠濁度和五日生化需氧量略高于標準外，大部分污水處理廠出水可直接作為景觀環境用水。對于農林灌溉用水，除個別污水處理廠出水溶解性總固體和氯化物高于農業灌溉和綠地灌溉標準限值，大部分污水處理廠出水可直接用于灌溉。

2.4 確定分類處理技術

結合宿遷市中心城區再生水主要利用途徑進行分析。再生水作為工業用水主要用于冷卻用水、洗滌用水及工藝與產品用水等，主要影響指標為濁度、懸浮物、溶解性總固體和氯化物等。當污水處理廠出水達到利用標準時，進行消毒處理即可利用；在溶解性總固體、氯離子含量滿足要求的情況下，采用混凝沉淀過濾技術對濁度、懸浮物等指標進行處理即可達到工業冷卻用水的要求；光伏、電子等行業工藝與產品用水對水質要求較高，針對部分污水處理廠溶解性總固體、氯化物較高的問題，可以采用膜處理、離子交換、電滲析等技術進行深度處理。

再生水用于城市雜用主要包括沖廁、車輛沖洗、城市綠化、道路清掃、消防和建筑施工等。城市綠化、道路清掃、消防和建筑施工等要求濁度<10 NTU，用于沖廁和車輛沖洗的水質標準要求<5 NTU，除此之外還對糞大腸菌群等指標有相應要求。根據水量水質情況可靈活選用混凝沉淀/微絮凝+過濾的處理技術，生物處理技術適用于處理水量較大、有脫氮需求的污水處理廠，膜處理技術一般應用于水質要求更高的再生水利用途徑，要充分考慮效益與投資運行成本。消毒技術的選取要結合污水處理廠實際情況進行考慮，有補氯需求情況下宜采用次氯酸鈉消毒，出水氯離子含量較高的情況下可以采用紫外消毒。

再生水作為景觀環境用水主要包括河道、湖泊、濕地等景觀環境用水，其中湖泊水質標準高于河道、濕地。宿遷市中心城區污水處理廠出水基本可以滿足河道、濕地類景觀環境用水要求，作為湖泊類景觀環境用水需對濁度進一步處理。當水質較差、處理水量較大的情況下可以優先選用混凝沉淀過濾的處理技術；當湖泊水景類用水對濁度、有機污染物、總氮等指標處理要求較高時，可采用適度超前的反硝化濾池進行處理；當水質相對較好、處理水量較少且空間允許情況下可選用人工濕地處理技術，兼顧水質提升和生態環境效益。

再生水作為灌溉用水主要包括農業灌溉及綠地灌溉。農業灌溉用水具有用水量大、水質要求相對較高的特點，在宿遷市以往的實踐中還未將再生水用于農業灌溉，在缺水形勢日益嚴重的情況下，大量穩定的再生水可作為灌溉用水的重要補充水源，并且再生水灌溉可以增加土壤養分，同時減輕再生水廠營養鹽去除壓力[14]。水質綜合評估結果表明，宿遷市中心城區大部分污水處理廠出水水質相對較好，經消毒處理后可直接用于農業灌溉。因此，宿遷市農業灌溉領域再生水利用存在較大的潛力。綠地灌溉用水對濁度、溶解性總固體、氯化物和糞大腸菌群等指標的要求較高，限制性綠地要求水質滿足景觀環境用水需求可進行利用，非限制性綠地還要求糞大腸菌群≤200 個/L。濁度、糞大腸菌群等指標可采用混凝沉淀過濾+消毒的處理技術，溶解性總固體、氯離子等指標需要通過納濾/反滲透工藝進行去除，但是成本較高，一般不專門用于灌溉用水的處理。

綜上所述，宿遷市中心城區再生水分類處理技術方案如表1 所示。

2.5 制定精細化配置方案

選取宿遷市中心城區工業生產、城市雜用、景觀環境和農林灌溉等利用途徑的典型污水處理廠進行分析。

2.5.1 污水處理廠A

污水處理廠A 污水設計處理能力6 萬t/d，2021 年處理量3.69 萬t/d，其中70% 為生活污水、30% 為工業污水。再生水用戶市場調查表明，污水處理廠附近的XQ 玻璃和NG 軋鋼兩個企業有較大的再生水需求，周邊馬河、黑龍江河、嘉陵江河等河道具有較大的生態補水需求，除此之外還存在部分城市綠化、道路清掃等市政雜用需求。目前，污水處理廠A 出水水質能夠滿足生態補水需求，影響作為工業用水的關鍵指標為濁度，另外針對城市雜用還需要進行消毒處理。

污水處理廠A 目前采用曝氣沉砂+水解酸化+A2O強化脫氮+二沉池+高效池+V 型濾池+消毒池的處理工藝。由于水質超出標準限值較少，綜合考慮現有工藝及污水處理廠實際情況，不再單獨增加深度處理設施，可以在高效池和V 型濾池工藝階段采取優化操作管理、提高過濾效率等措施，并且在廠區西側空地增加清水池、提升泵站、加氯間進行消毒，使水質滿足工業用水和城市雜用的需求。配置方面，由于兩企業距離較近，在原有輸配管網基礎上新鋪設部分管道即可為企業供水，同時在污水處理廠周邊新建再生水取水站來滿足道路清掃、綠化等城市雜用需求。生態補水方面，可直接利用管道將再生水輸配至馬河，通過閘壩調蓄為馬河、黑龍江河和嘉陵江河進行生態補水。污水處理廠A 再生水處理和利用配置方案如圖3 所示。

2.5.2 污水處理廠B

污水處理廠B 設計污水處理能力1.5 萬t/d，2021年處理量0.86 萬t/d，其中70% 來源為工業污水、30%來源為生活污水。再生水用戶市場調查表明，污水處理廠附近的電廠為主要再生水用戶，利用途徑為循環冷卻用水。目前污水處理廠出水水質距離循環冷卻用水標準還存在一定的差距，主要影響指標為濁度、溶解性總固體、氯離子等。

污水處理廠B 目前采用預處理+一體化MBR 組合池+次氯酸鈉消毒的處理工藝，已初步建有再生水處理系統，利用微濾技術對污水處理廠出水進行處理，由于溶解性總固體、氯離子等指標難以通過微濾系統去除。因此，建議在微濾基礎上增加反滲透工藝，將現有技術作為反滲透工藝的預處理階段。通過微濾+反滲透+紫外消毒的處理技術可滿足電廠冷卻用水要求。配置方面，通過污水處理廠至電廠之間已建成的輸配管道直接為電廠供水。污水處理廠B 再生水處理和利用配置方案如圖4 所示。

2.5.3 污水處理廠C

污水處理廠C 設計日處理能力10 萬t/d，2021 年實際處理量9.17 萬t/d，處理能力接近飽和狀態，其中生活污水和工業污水各占50%。再生水用戶市場調查表明，污水處理廠附近西民便河具有較大的景觀環境用水需求，除此之外還有部分城市雜用需求。水質監測結果表明，對于景觀環境用水，濁度是影響利用的關鍵指標；對于市政雜用，除濁度外，還需要對糞大腸菌群等衛生指標進行消毒處理。

污水處理廠C 目前采用預處理+A2O 反應池+高效沉淀池+轉盤濾池+接觸消毒的污水處理工藝，由于污水處理廠C 污水處理量較大，再生水處理技術宜選用工藝成熟、相對經濟的混凝沉淀過濾處理技術。除此之外，出水總氮濃度相對較高，可以在過濾環節采用反硝化濾池，達到去除濁度和總氮的雙重效果。消毒方面，目前污水處理廠C 采用次氯酸鈉進行消毒，建議在現有基礎上增加紫外消毒，進一步降低出水病原微生物濃度。再生水配置方面，污水處理廠距離西民便河較近，經過處理后的再生水可以直接用于西民便河景觀環境用水；其余再生水可以通過跨區域再生水輸配管網作為沿途道路清掃、城市綠化、車輛沖洗等城市雜用水。污水處理廠C 再生處理及利用配置方案如圖5 所示。

2.5.4 污水處理廠D

污水處理廠D 設計污水處理能力4.5 萬t/d，2021年實際處理量2.28 萬t/d，其中90% 來源為生活污水、10% 為工業污水。再生水用戶市場調查表明，再生水主要利用需求為二干渠生態補水，同時二干渠作為重要灌溉渠道可以為農田灌溉供水；綠地灌溉方面，附近高爾夫球場綠地灌溉具有較大用水需求；市政雜用方面，道路清掃和園林綠化具有一定再生水利用需求。水質監測結果表明，污水處理廠D 出水水質較好，可以滿足河道生態補水及農田灌溉標準，二干渠周邊灌區用水主要取自駱馬湖和中運河，將污水處理廠D 處理后的再生水部分用于農田灌溉，可以為生產生活置換出大量優質水源；對于城市雜用，濁度略大于沖廁和車輛沖洗用水標準；當用于非限制性綠地灌溉用水時，除濁度略大于相關標準外，還需要對糞大腸菌群進行處理。

污水處理廠D 目前采用預處理+A2O 生化池+高密度沉淀池+濾布濾池+消毒的處理工藝，水質較好，并且污水處理廠正在實施系統升級改造對生活和工業污水進行分類處理，后期水質能得到進一步提升。綜合考慮后，建議在消毒階段增加藥劑投放量，采用多級氧化塘+濕地系統的技術工藝對污水處理廠出水進行深度處理。配置方面，污水處理廠緊鄰二干渠，通過建設2.7 km 輸配管道可以為二干渠實施生態補水，同時作為干渠沿線農田灌溉用水；污水處理廠至高爾夫球場的供水管道已鋪設完成，經濕地處理后可作為高爾夫球場綠地灌溉用水；城市雜用方面，在再生水輸配主管道沿線設置再生水取水站為道路清掃和城市綠化供水。污水處理廠D 再生水處理及利用配置方案如圖6 所示。

3 結束語

加強再生水利用配置對于促進污水資源化利用，緩解水資源短缺、保護水環境水生態具有重要的意義。針對再生水利用配置過程中存在的問題，提出了包含再生水用戶市場調查、再生水水質綜合評估、確定處理分類技術、制定精細化配置方案的再生水利用配置技術框架體系，以宿遷市中心城區為例進行分析。研究主要得出以下結論。

（1）宿遷市中心城區再生水主要利用途徑為工業生產、景觀環境用水、城市雜用和農林灌溉。其中景觀環境用水需求最大，占總需求量的69.9%；農林灌溉領域具有較大的再生水利用潛力。

（2）宿遷市中心城區污水處理廠出水水質整體較好，基本上能夠滿足生態環境和農林灌溉用水需求。用于市政雜用需要對濁度、糞大腸菌群等指標作進一步處理，用于工業生產還需要對溶解性總固體等指標進行處理。

（3）結合中心城區污水處理廠出水水質狀況，針對工業用水、城市雜用、景觀環境和灌溉用水等利用途徑制定了符合宿遷市實際情況的再生水分類處理技術工藝。

（4）針對典型污水處理廠和再生水用戶進行分析，提出了以污水處理廠為單元的宿遷市中心城區再生水利用精細化配置方案，為推動再生水利用配置試點工作提供支撐。