高速公路服務區(qū)水資源循環(huán)利用經(jīng)濟性運營方案探索

李 宏

（山西交通控股集團有限公司 晉中高速公路分公司，山西 晉中 030600）

0 引言

近年來隨著我國經(jīng)濟水平的迅速發(fā)展，我國高速公路建設的發(fā)展非常迅猛，高速公路從原來的幾條發(fā)展到如今縱橫交錯的全國交通網(wǎng)，大大便利了貨運交流和人員往來。高速公路上每隔60～80 km設有一個服務區(qū)，其設施包括餐飲、廁所、商場、加油站和休息區(qū)等，以便于司機及乘客休息補充精力，保證貨運和旅客出行安全[1]。高速公路服務區(qū)不同于傳統(tǒng)的住宅小區(qū)、學校、公共建筑，在中水回用的利用率上較難有大的提升，服務區(qū)一般的主要污水來源和去向均為過往人員的沖廁，并且在中水資源過剩的情況下，服務區(qū)還有大面積的綠化需要澆灌，所以服務區(qū)能達到更高的中水回用率和更好的經(jīng)濟效益。

高速公路服務區(qū)地處偏遠，產(chǎn)生的廢水難以并入城市管網(wǎng)進行處理，并且我國多個省市區(qū)均嚴重缺水。雖然目前服務區(qū)在一定程度上都配置了污水處理裝置，但運行維護的能力不足，即使處理出水達到地方有關部門的標準可以外排，也造成了一定量水資源的浪費，所以中水回用的意義就尤為巨大。本文就高速公路中水回用的價值和其經(jīng)濟性進行研究并從控制、效益、策略3個方面探索運營方案的優(yōu)化。

1 水處理工藝

平遙服務區(qū)中水回用系統(tǒng)是平遙服務區(qū)水資源循環(huán)利用試點工程項目中的一個子系統(tǒng)，該項目為交通運輸部首批水資源循環(huán)利用試點工程。包括150 m3/d雨水收集再利用系統(tǒng)、220 m3/d中水回用系統(tǒng)、綠化噴淋系統(tǒng)等。本文將以220 m3/d中水回用系統(tǒng)進行經(jīng)濟化運營的方案探索。

平遙服務區(qū)采用的中水處理工藝為AO+MBR工藝，具備占地小、效率高、易控制、出水保障好的特點，是目前大中小型中水回用工藝采用的主流方案，工藝流程圖見圖1[2]。

圖1 AO+MBR中水處理工藝流程圖

MBR（Membrane Bio-Reactor，膜生物反應器）系統(tǒng)地加入替代了傳統(tǒng)工藝中效率底下的二次沉淀池，通過孔徑在0.03μm左右的中空纖維膜過濾掉污水中的雜質，并且對微生物、細菌、大分子有機物都有一定的去除作用，出水濁度極低，對回用管道的負荷小。深度處理采用氯消毒加紫外線消毒，其中紫外線消毒具有效率高、能耗低、無副產(chǎn)品的優(yōu)點，匹配氯消毒可進一步保障消毒效果，比單純氯消毒的消耗量也大幅減少。

系統(tǒng)出水達到了《城市污水再生利用 城市雜用水水質》（GB 18920—2002）中對沖廁、綠化以及消防的相關標準，可直接用于服務區(qū)的沖廁和場區(qū)綠化，代替自來水的使用，為服務區(qū)節(jié)約用水資本。

2 中水回用經(jīng)濟性優(yōu)化方案

傳統(tǒng)的中水回用方案存在利用率不高、能耗大、水價高、投資回收周期長、維護保養(yǎng)困難等不足，如加強服務區(qū)的中水回用，能將中水回用率提高到70%以上，遠高于傳統(tǒng)行業(yè)不足60%的情況；同時對于設備的運行維護，采用了目前先進的MBR工藝后，現(xiàn)場對污水處理的控制能力大幅提高，維護保養(yǎng)也更容易做到位。對于能耗大、水價高、投資回收周期的問題將從控制、效益、策略3個方面進行優(yōu)化和分析。

2.1 控制——智能化系統(tǒng)運行

傳統(tǒng)的污水處理工藝一般采用機械化控制和邏輯化控制的模式，即固定的時間運行模式和采用PLC進行邏輯編程的控制模式。但是對于水質水量均隨人流量、季節(jié)、節(jié)假日變化量明顯的服務區(qū)而言，其運行模式單一，對能耗基本不作考慮。

智能化的系統(tǒng)運行模式依然基于PLC系統(tǒng)，但通過PLC系統(tǒng)的強大拓展能力，通過增加更多的輸入、輸出以及記憶設備，完善了系統(tǒng)感知能力和反饋能力。簡而言之，就是系統(tǒng)可通過更多的傳感器獲得當前水質、水量及供水需求信息，然后通過預先在記憶體中錄入的應對方案對污水處理系統(tǒng)進行調控，達到更好的效能，工作模式見圖2。

圖2 智能化水處理控制系統(tǒng)結構

通過對污水處理系統(tǒng)的優(yōu)化，在平遙服務區(qū)的中水處理中，針對不同水量時，系統(tǒng)呈現(xiàn)出了平滑的功率過度曲線，見圖3。

圖3 智能化水處理和傳統(tǒng)水處理能耗變化圖

服務區(qū)的用水量基本呈現(xiàn)以周為單位的循環(huán)變化，即周末人多，進入周一后逐步減少，進入低谷后于周五再次出現(xiàn)人流高峰。以平遙服務區(qū)為例，可直觀地反應在圖形曲線上（此處不考慮節(jié)假日等特殊情況），見圖 4。

圖4 以每周為周期的用水量變化

通過對設備能耗曲線和人流曲線的分析對比，對比非智能化的系統(tǒng)運行模式，智能化系統(tǒng)至少能節(jié)約40%的能耗。

2.2 效益——中水回用

整個水處理系統(tǒng)中中水回用是直接體現(xiàn)項目投資和收益的關鍵部分，中水的用量可以直接折合成收益對設備的投資進行回收。區(qū)別于傳統(tǒng)達標排放設備的建設，中水回用設備有更高的初期投資，針對平遙服務區(qū)采用的中水回用方案，投資主要體現(xiàn)在兩個方面即膜設備的投資和后期維護運行費用。

a）膜設備的投資 采用膜設備是目前中水回用的主流方案，可以節(jié)省部分三級處理的工藝流程也節(jié)約了占地面積，維護工作量也得到了優(yōu)化。其主要區(qū)別在于不采用傳統(tǒng)的二沉池和相關沉淀設備而直接使用中空纖維膜，在制造成本上，池體的建設區(qū)別不大，膜及配套管路和設備造價較高，以平遙服務區(qū)220 m3/d設計水量計算，該部分需增加用于中水回用的投資32萬元左右。

b）后期維護運行費用 后期維護運行的費用主要包括MBR設備的在線/離線清洗，消毒設備的加藥；其中MBR系統(tǒng)的深度清洗以每季度為一個周期，每日均進行在線加藥反洗，同時投加次氯酸鈉對產(chǎn)水進行消毒，考慮配套的人工費，能耗進行計算。水量以實際日均水量計算為110 m3/d，經(jīng)估算折合到每噸產(chǎn)水的費用包括：離線清洗費用0.33元/t，在線清洗及消毒費用折合0.86元/t，能耗折合0.74元/t，人工費折合0.48元/t，合計每噸水成本為2.41元，若水量進一步增大，費用會進一步降低。

以凈現(xiàn)值NPV為指標分析項目初期投資和中水回用效益之間的關系，按照基準收益率（ic），將項目壽命期內每年發(fā)生的凈現(xiàn)金流量折現(xiàn)到項目實施初期某基準年的現(xiàn)值之和。所以NPV是對項目進行動態(tài)評價的重要指標之一，其表達式為[3]：

式中：NPV為凈現(xiàn)值；CI為現(xiàn)金流入量；CO為現(xiàn)金流出量；（CI-CO）t為第t年的凈現(xiàn)金流量，即第t年中水回用方案的總效益與總費用之差；n為方案的計算期；ic為基準投資收益率。

其中，方案的計算期取目前膜產(chǎn)品的平均使用壽命即5年為計算期；基準投資收益率取8%；中水回用率以80%計算；每年節(jié)約的資本以同中水用水量的自來水購水價格計算，以山西省2018年水價為參考，經(jīng)營服務業(yè)用水為4元 /t，水處理費為1元/t，合價5元/t；現(xiàn)金流量以中水產(chǎn)水折合對應水價計算。

膜設備的平均壽命用5年計算，而到期后僅需更換膜片即可恢復設備狀態(tài)，以220 m3/d設計量的膜片更換費用為22.3萬，則10年周期投入的設備費為32+22.3=54.3萬元，故中水設備的投資費用將在項目交工驗收后第一次更換膜設備后實現(xiàn)盈利，而基于平遙服務區(qū)水處理系統(tǒng)主體建筑采用鋼混結構設計有效使用年限在50年以上，即中水回用的運行模式可為服務區(qū)帶來一定的經(jīng)濟效益。

2.3 策略——谷電重點使用策略

傳統(tǒng)的水處理系統(tǒng)采用的自動化控制運行方式，一般都是根據(jù)水量的變換自行調整運行效率。服務區(qū)的用水量自每日中午開始增加至晚上車流量減少時減少，這就造成了污水處理系統(tǒng)的運行模式也是每日中午開始運行至后半夜處理完污水后停止，而根據(jù)用電策略，這樣的運行方式經(jīng)濟性并不高，若能充分利用谷時（晚11點至次日7點）用電，可在一定程度上節(jié)約部分電費。

充分利用谷電的重點環(huán)節(jié)在于調節(jié)池，傳統(tǒng)的調節(jié)池有兩方面的不足無法滿足此策略的實行。一是調節(jié)池容量不足無法有效蓄水控制時間，二是調節(jié)池水位控制采用浮球方式不能準確地根據(jù)系統(tǒng)能力和負荷控制準確液位。

針對調節(jié)池容量問題，而平遙服務區(qū)在設計上的調節(jié)池有效容量達到了150 m3，150 m3的調節(jié)容量基本已經(jīng)達到了峰值用水的水平。而AO+MBR工藝的實際產(chǎn)水量是由MBR系統(tǒng)的產(chǎn)水量決定的，即MBR系統(tǒng)的工作效率就是整個污水處理系統(tǒng)的工作效率，該效率的設計處理量已經(jīng)達到220 m3/d，超過了目前的平均日最高用水量約25%，更是超過了日均最低用水的70%，可以滿足一定的調整空間。

針對液位控制問題，采用超聲波液位計，液位精度可以精確到0.01 m，并且由PLC采集數(shù)據(jù)，根據(jù)每日用水量的經(jīng)驗變化調整設備開始工作的水位點，盡可能地充分利用谷時用電時間段但又保證系統(tǒng)工作的富余量。

經(jīng)過計算，約有73 m3/d的處理能力可用于谷電策略，參考日均110 m3的水量，谷電0.35元/度，峰平電費均價0.7元/度，每年可進一步節(jié)約30%的用電費用，折合電費9 000元左右。

3 結語

本文從控制、效益、策略3個方面對平遙服務區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)進行了優(yōu)化和分析，在一定程度上克服了中水回用能耗大、水價高、投資回收周期長的不足。經(jīng)過優(yōu)化后的水處理系統(tǒng)采用了智能化運行控制和谷電重點使用策略，相比較粗狂式的污水處理系統(tǒng)對用電費用的優(yōu)化達到了50%以上[4]。同時通過對凈現(xiàn)值的計算，考慮了膜設備的更新周期，得出了設備投資的回收周期和收益情況，為建設高速公路服務區(qū)完善的水循環(huán)利用系統(tǒng)的設計和經(jīng)營提供了參考。