烏魯木齊市居民小區(qū)生活污水再生利用經(jīng)濟(jì)性分析

王維紅，董星遼，劉倩倩，王燕杉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052)

社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促進(jìn)了城市化進(jìn)程，烏魯木齊市居民生活用水總量增加較快，一方面造成了城市水資源短缺，另一方面也導(dǎo)致生活污水的排放量劇增。同時(shí)，文明城市建設(shè)對綠化環(huán)境的要求，加大了城市綠化用水量，增加了飲用水與綠化用水間的矛盾。在人口相對集中的生活小區(qū)建立小型污水站，將小區(qū)生活污水進(jìn)行回收利用亦成為解決烏魯木齊市綠化水資源緊缺矛盾行之有效的節(jié)水途徑[1]。城市生活污水處理后回用于工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市綠化，既能減少新鮮水的取水量，又能使環(huán)境免受污染[2]。為了節(jié)約用水，提高再生水利用率，烏魯木齊市已經(jīng)先后建立了一系列的中水回用工程，且主要以區(qū)域集中式為主，輔以建筑小區(qū)、學(xué)校、機(jī)關(guān)、醫(yī)院等生活污水就地收集就地利用的回用模式，取得了很好的環(huán)境及節(jié)水效益。烏魯木齊市作為嚴(yán)重缺水城市，干旱且降水少，小區(qū)污水再生回用的現(xiàn)實(shí)意義巨大，用再生水取代自來水用于綠化，節(jié)約了優(yōu)質(zhì)水源的同時(shí)也緩解了夏季用水高峰的供需矛盾。

小區(qū)生活污水回用工程在減輕市政給水和城市污水廠雙重壓力的同時(shí)，改善了水環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了污水資源化，提高了水資源利用率，具有顯著的社會效益、環(huán)境效益及良好的經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。用于分散性污水處理的技術(shù)很多，不能盲目照搬、套用，而應(yīng)因地制宜、合理借鑒[5]。本文對烏魯木齊市小區(qū)生活污水處理的主流工藝及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析，為小區(qū)生活污水處理及回用技術(shù)的選擇提供參考依據(jù)。

1 烏魯木齊市生活污水的特點(diǎn)

小區(qū)污水主要來源于住宅建筑內(nèi)廚房排水、沖廁、沐浴、盥洗等的混合生活污水。因地域、居民生活水平、飲食習(xí)慣、氣候條件等差異，烏魯木齊住宅小區(qū)污水污染物總體濃度較高。表1為對烏魯木齊市小區(qū)生活污水水質(zhì)指標(biāo)的檢測值。

表1 烏魯木齊市小區(qū)生活污水水質(zhì)Tab.1 Quality of Residential Sewage in Urumqi

根據(jù)居住小區(qū)的污水特征和使用要求，出水水質(zhì)若滿足《城市污水再生利用—城市雜用水》(GB/T 18920—2002)[6]中的綠化灌溉標(biāo)準(zhǔn)或《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T 18921—2002)[7]，就可以用于小區(qū)綠化或者水景。

2 烏魯木齊市小區(qū)生活污水處理工藝

近年來，烏魯木齊市污水處理環(huán)境工程公司的技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)驗(yàn)積累以及政府相關(guān)部門的重視，推動了小型污水處理工程和小區(qū)生活污水處理及回用適宜技術(shù)的發(fā)展。據(jù)調(diào)研，烏魯木齊市小區(qū)生活污水處理工程采用了多種處理工藝，已經(jīng)建成的項(xiàng)目中成功運(yùn)行案例逐漸增加。

對烏魯木齊市已建的小型生活污水處理站逐一進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，所調(diào)查的污水處理站基本涵蓋了烏魯木齊市現(xiàn)有的所有工藝類型，處理規(guī)模在100～2 000 m3/d，處理工藝及占比如圖1所示。

圖1 不同處理工藝占比Fig.1 Proportion of Different Treatment Processes

在調(diào)查的32個(gè)小型污水處理站中，生物接觸氧化工藝工程16個(gè)(其中一體化設(shè)備工程1個(gè))，占總數(shù)的50%；膜反應(yīng)器(membrane bio-reactor，MBR)工藝工程7個(gè)，占總數(shù)的22%；三相污水處理器工藝工程3個(gè)，占總數(shù)的10%；“CASS+曝氣生物濾池(SBF)”工藝工程3個(gè)，占總數(shù)的9%；SBR工藝1個(gè)，“CASS+接觸氧化法”工藝1個(gè)，“AO+MBR膜反應(yīng)器”工藝1個(gè)，各占調(diào)查總數(shù)的3%。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)：烏魯木齊市的小區(qū)生活污水處理以生物接觸氧化法工藝使用率最高，應(yīng)用最廣泛，出水可作為綠化用水；MBR膜反應(yīng)器工藝使用率較高，其余工藝使用率低；三相污水處理器工藝出水水質(zhì)無法達(dá)到《城市污水再生利用—城市雜用水》(GB/T 18920—2002)[6]中的綠化灌溉標(biāo)準(zhǔn)，為淘汰工藝。

本次調(diào)查中，“AO+MBR 膜反應(yīng)器”為深度處理工藝，出水水質(zhì)達(dá)到《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T 18921—2002)[7]要求，雖然出水好，但工藝復(fù)雜，投資過大，用在處理規(guī)模1 000 m3/d以內(nèi)的工程不夠經(jīng)濟(jì)?！癈ASS+接觸氧化法”和SBR 處理工藝出水除TP外，其余指標(biāo)均能滿足城市景觀用水的要求，建議此類工藝用于高標(biāo)準(zhǔn)回用水處理工程，但其為集中式中水處理站且占比少，不作為考察工藝。

本次采用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，部分水質(zhì)檢測統(tǒng)一采用國家環(huán)境保護(hù)總局[8]規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法。將不同工藝的出水水質(zhì)連續(xù)取6個(gè)月進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，烏魯木齊冬季水溫在8 ℃左右，春秋季節(jié)水溫在13～14 ℃，夏季水溫在20 ℃左右，采樣季節(jié)主要在夏秋兩個(gè)季節(jié)，具體如表2所示。

表2 各工藝出水水質(zhì)Tab.2 Effluent Quality of Each Process

由表2可知：“CASS+曝氣生物濾池”出水水質(zhì)除TP外，其余均滿足《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T 18921—2002)[7]要求，建議此類工藝用于高標(biāo)準(zhǔn)回用水處理工程。接觸氧化法和MBR膜反應(yīng)器工藝出水水質(zhì)只能達(dá)到《城市污水再生利用—城市雜用水》(GB/T 18920—2002)[6]中的綠化灌溉標(biāo)準(zhǔn)，建議用于僅滿足綠化用水的回用工程。

3 處理工藝經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 各種工藝的單方水投資及占地指標(biāo)分析

由于現(xiàn)已建成的再生水處理站采用的工藝多樣，為了篩選出經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良的處理工藝，統(tǒng)計(jì)分析并比較不同處理工藝單方水的處理投資和占地指標(biāo)，如表3所示。

表3 各工藝單位投資及占地指標(biāo)Tab.3 Unit Investment and Land Quota for Each Process

整體建設(shè)模式：房產(chǎn)公司或區(qū)政府委托有設(shè)計(jì)資質(zhì)的設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)，由政府相關(guān)部門進(jìn)行方案審核后備案，主要是由環(huán)境工程公司承擔(dān)的EPC模式。房產(chǎn)公司再移交給物業(yè)公司由其進(jìn)行日常運(yùn)行管理，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用由物業(yè)公司承擔(dān)。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中的費(fèi)用由造價(jià)建設(shè)合同得到。投資差距主要是工程中所用設(shè)備質(zhì)量及自動化配制水平的差別。

(1)小區(qū)生活污水處理規(guī)模一般小于1 000 m3/d，接觸氧化法、MBR膜反應(yīng)器、“CASS+曝氣生物濾池”3種工藝對處理水量小于1 000 m3/d的工程較為經(jīng)濟(jì)，可作為小規(guī)模工程的適宜工藝。

(2)通過整理調(diào)查數(shù)據(jù)，比較各工藝的單方水平均投資，在水質(zhì)滿足城市雜用水要求時(shí)，接觸氧化法要比MBR工藝更經(jīng)濟(jì)。當(dāng)要求水質(zhì)達(dá)到景觀環(huán)境用水水質(zhì)時(shí)，“CASS+曝氣生物濾池”工藝要優(yōu)于其他工藝。

(3)“CASS+曝氣生物濾池”占地面積約為0.60～1.78 m2/m3，接觸氧化法占地面積最小，為0.30～1.00 m2/m3；調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，MBR工藝對水質(zhì)前處理要求較高，水力停留時(shí)間長，導(dǎo)致占地面積要高于接觸氧化法。

3.2 處理規(guī)模的變化與單方水投資及占地指標(biāo)之間的變化關(guān)系

由調(diào)查可知，接觸氧化法工藝和MBR膜反應(yīng)器用于小型污水處理工藝其效能和經(jīng)濟(jì)性較好，應(yīng)用比例較高，以烏魯木齊市使用率最高的兩種工藝接觸氧化法工藝和MBR膜反應(yīng)器為例，考察分析處理規(guī)模變化與單方水投資和占地指標(biāo)間的對應(yīng)關(guān)系。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和占地指標(biāo)主要來源于調(diào)查、建設(shè)合同價(jià)和現(xiàn)場計(jì)量。

生物接觸氧化法工藝是在活性污泥法的曝氣池中加入填料，供微生物棲息，是介于活性污泥法和生物濾池之間的生物處理法，是具有活性污泥特點(diǎn)的生物膜法，兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)[9-10]。該工藝在烏魯木齊市小區(qū)中水回用項(xiàng)目中使用率最高。膜生物反應(yīng)器是由生物處理單元與膜分離單元組成的一種新型水處理技術(shù)，具有出水水質(zhì)好、處理效率高、占地面積小、運(yùn)行管理簡單等優(yōu)點(diǎn)，對各種高濃度有機(jī)廢水與難降解廢水中的COD、NH3-N等都能達(dá)到良好的去除效果[11-12]。

圖2為接觸氧化法處理工藝和MBR工藝單方水投資隨處理規(guī)模變化而變化的情況；圖3為兩工藝單方水占地隨處理規(guī)模變化的情況統(tǒng)計(jì)。

圖2 單位投資隨處理規(guī)模的變化Fig.2 Change of Unit Investment with Treatment Capacity

圖3 單位面積隨處理規(guī)模的變化Fig.2 Change of Unit Area with Treatment Capacity

由圖2和圖3可以得出以下結(jié)論。

(1)以生物接觸氧化法作為中水回用處理工藝，處理量在500 m3/d以下時(shí)，隨著處理規(guī)模的增加，投資成本逐漸降低；當(dāng)處理量在500 m3/d時(shí)，單方水造價(jià)最低(3 700元/m3)，此時(shí)的占地指標(biāo)為0.63 m2/m3；當(dāng)處理規(guī)模超過500 m3/d時(shí)，投資明顯升高，在1 000 m3/d處投資成本最高。生物接觸氧化法處理單方水的占地指標(biāo)相對較穩(wěn)定，對經(jīng)濟(jì)性影響不大。

(2)以MBR膜反應(yīng)器為中水回用處理工藝時(shí)，隨著處理規(guī)模的增加，單方水造價(jià)和處理單方水的占地面積明顯降低。處理量在100 m3/d時(shí)單方水投資和占地指標(biāo)均為最大值，分別為9 000元/m3和1.2 m2/m3；在1 000 m3/d時(shí)，單方水投資和占地指標(biāo)達(dá)到最小值，分別為5 750元/m3和0.63 m2/m3。

(3)由此可見，不同的處理工藝有其經(jīng)濟(jì)的處理規(guī)模范圍。當(dāng)處理規(guī)模在100～500 m3/d時(shí)，接觸氧化法的單方水投資及占地指標(biāo)要低于MBR膜反應(yīng)器工藝，因此，接觸氧化法工藝在小規(guī)模項(xiàng)目中更占優(yōu)勢，規(guī)模在500 m3/d以內(nèi)推薦使用；當(dāng)處理規(guī)模在800～1 000 m3/d時(shí)，MBR膜反應(yīng)器的單方水投資及占地指標(biāo)要低于接觸氧化法工藝，更具經(jīng)濟(jì)性，因此，處理規(guī)模大于800 m3/d，建議使用MBR工藝作為推薦工藝。

4 以接觸氧化法(AO)典型工藝實(shí)例分析

接觸氧化法工藝是在國內(nèi)各城市和烏魯木齊市再生水處理工程中應(yīng)用最多的工藝。為了掌握接觸氧化法(AO)典型工藝的運(yùn)行情況，于2014年7月18日對新疆烏魯木齊市龍庭華清園小區(qū)再生水處理站進(jìn)行了調(diào)研，收集相關(guān)資料并獲悉污水處理工程的實(shí)際運(yùn)行情況，分析了其工藝原理及特點(diǎn)，按設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

4.1 工藝概況

龍庭華清園小區(qū)位于烏魯木齊市醫(yī)學(xué)院附近，項(xiàng)目于2010年建成。再生水來源為小區(qū)生活污水，該再生水站的處理水量為200 m3/d，出水水質(zhì)達(dá)到《城市污水再生利用—城市雜用水》(GB/T 18920—2002)[6]，運(yùn)行至今，出水一直穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

4.2 工藝流程

由于污水排放要求較高，采用一般的化糞池工藝不能達(dá)到排放要求，考慮采用常規(guī)的“厭氧+好氧”處理工藝來處理本項(xiàng)目污水。在污水總管上設(shè)置一個(gè)分流井，采用泵定量提升污水到處理系統(tǒng)(圖4)。

圖4 中水回用工藝流程Fig.4 Process Flow Chart of Reclaimed Water Reuse

污水在分流井內(nèi)通過泵提升進(jìn)入?yún)捬跽哿靼宸磻?yīng)器(anaerobic baffled reactor，ABR)，池內(nèi)掛有生物填料并加入大量厭氧菌附著生長，廢水中的固體物質(zhì)和膠體物質(zhì)迅速被截留吸附，并水解為溶解性物質(zhì)；同時(shí)，在產(chǎn)酸菌的作用下將大分子、難于降解的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可生物降解的小分子物質(zhì)，重新釋放于廢水中；最后，在產(chǎn)甲烷菌的作用下產(chǎn)生的甲烷、二氧化碳等更簡單的細(xì)胞物質(zhì)，易被好氧微生物利用，使廢水中的COD減少，利于后續(xù)好氧反應(yīng)；出水自流入生物接觸氧化池，通過投加的高效微生物菌種的新陳代謝作用，在充氧條件下徹底降解COD、BOD5，經(jīng)二沉池固液分離后，水質(zhì)得到進(jìn)一步凈化，達(dá)標(biāo)外排；二沉池的污泥可通過污泥泵抽取，從檢查井中直接排入城市管網(wǎng)。

4.3 工藝說明

(1)集水井。設(shè)雙層格網(wǎng)，在同時(shí)發(fā)生堵塞時(shí)可以分片沖洗。設(shè)隔油板，防止油污流入處理系統(tǒng)。設(shè)計(jì)進(jìn)水流量為200 m3/d，即6.7 m3/h；有效容積為20 m3；水力停留時(shí)間(HRT)為3 h。內(nèi)設(shè)污水提升泵，40PU2.25，Q=7 m3/h，H=5 m，N=0.25 kW，2臺，1用1備；井內(nèi)設(shè)浮球液位控制1套，自動控制泵的啟停。過濾后的污水由該井泵入ABR池。

(2)ABR反應(yīng)器。ABR池污水自流進(jìn)入接觸氧化池，ABR反應(yīng)器的預(yù)處理，大大提高了水力有效負(fù)荷，減少了占地面積。有效容積為80 m3，HRT為12 h。鋼筋砼結(jié)構(gòu)，池內(nèi)特種填料。

(3)接觸氧化池。設(shè)計(jì)參數(shù)：反應(yīng)器容積負(fù)荷為1.5 kg COD/(m3·d)，有效容積為40 m3；HRT為6 h，氣水比為15∶1，風(fēng)量為2 m3/min。鋼筋砼結(jié)構(gòu)，池內(nèi)設(shè)組合填料，池底安裝曝氣器40只。

(4)二沉池。該池采用平流式沉淀池，鋼筋砼結(jié)構(gòu)。利用重力將廢水中懸浮物分離出來，可降低最終出水的SS，使出水達(dá)到較好的水質(zhì)，確保出水達(dá)標(biāo)。池內(nèi)設(shè)置泥斗，作為污泥沉降區(qū)，池底污泥定期抽取到污水管網(wǎng)處理。HRT為3.0 h，有效容積為20 m3。池內(nèi)設(shè)兩個(gè)泥斗，便于放置污泥泵，上設(shè)檢查井，用于抽取污泥。

(5)過濾設(shè)備及清水池。在設(shè)備間(車庫內(nèi))設(shè)壓力過濾器，在二沉池通過水泵提升至該設(shè)備，主要是提高進(jìn)水壓力(一般工作壓力可達(dá)0.45 MPa)，強(qiáng)制通過較為細(xì)密的濾料來濾除雜質(zhì)。當(dāng)需要清理雜質(zhì)時(shí)，通過反沖洗回流到二沉池。清水池設(shè)在車庫內(nèi)，通過不同功率的管道泵連接綠化管線(該管線須有接入污水管網(wǎng)的接口，便于不灌溉時(shí)多余的水排入污水管網(wǎng))，用于小區(qū)綠化。設(shè)計(jì)HPT為3.0 h，有效容積為20 m3。鋼筋砼結(jié)構(gòu)，池內(nèi)設(shè)回用水泵一臺11 kW，三臺5.5 kW，由水位控制器控制泵的啟停。

4.4 投資及運(yùn)行成本

對于處理工藝的選擇，運(yùn)行成本是一重要因素。本課題調(diào)研烏魯木齊的居住小區(qū)生活污水處理，各小區(qū)管理維護(hù)水平相當(dāng)。本工程處理規(guī)模為200 m3/d，處理站及配套設(shè)施工程直接投資93萬元，單位投資成本為4 650元/ m3，總裝機(jī)容量為40 kW，運(yùn)行功率為32 kW。費(fèi)用構(gòu)成[13-15]如下。

(1)直接運(yùn)行成本包括：電費(fèi)、工資福利費(fèi)、藥劑費(fèi)、泥渣外運(yùn)費(fèi)[16]。

(2)單位經(jīng)營成本包括：直接運(yùn)行成本、大修理費(fèi)、無形資產(chǎn)和遞延資產(chǎn)攤銷費(fèi)、日常檢修維護(hù)費(fèi)、管理及其他費(fèi)用、流動資金利息[17]。

(3)單位總成本包括：直接運(yùn)行成本、固定資產(chǎn)基本折舊費(fèi)、大修理費(fèi)、無形資產(chǎn)和遞延資產(chǎn)攤銷費(fèi)、日常檢修維護(hù)費(fèi)、管理及其他費(fèi)用、流動資金利息[14]。

(4)直接運(yùn)行費(fèi)中電費(fèi)價(jià)格取民用電價(jià)格0.8元/(kW·h)。工程使用期限15年，年運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為180 d，固定資產(chǎn)綜合基本折舊率為5%，固定資產(chǎn)大修基金提存率為2%，檢修維護(hù)費(fèi)率為1%，接觸氧化法工藝無形資產(chǎn)和遞延資產(chǎn)產(chǎn)值按工程資產(chǎn)投資的50%計(jì)，成本計(jì)算中為考慮利潤。

(5)成本計(jì)算。直接運(yùn)行費(fèi)用E1為0.44元；固定資產(chǎn)基本折舊：固定資產(chǎn)原值×綜合基本折舊率(5%)，E2=0.09元；大修費(fèi)：固定資產(chǎn)原值×大修基金提存率(2%)，E3=0.04元；無形資產(chǎn)和遞延資產(chǎn)攤銷：無形資產(chǎn)和遞延資產(chǎn)產(chǎn)值×年攤銷率(8%)，E4=0.14元；日常檢修維護(hù)費(fèi)：固定資產(chǎn)原值×檢修維護(hù)費(fèi)率(1%)，E5=0.02元；管理和其他費(fèi)用：E6=(E1+E2+E3+E4)×15%=0.11元/m3；單位經(jīng)營成本：Ec=E1+E3+E4+E5+E6=0.75元/m3；單位總成本：Ac=Ec+E2=0.84元/m3；

(6)在考慮實(shí)際出水量與設(shè)計(jì)水量的差異和企業(yè)利潤的情況下，其修正單位經(jīng)營成本為1.15元/m3，單位總成本為1.32元/m3；如果實(shí)行退還0.5元/m3的補(bǔ)償政策，單位經(jīng)營成本為0.65元/m3，單位總成本為0.82元/m3；如果實(shí)行退還0.5元/m3補(bǔ)償政策的同時(shí)，財(cái)政再補(bǔ)貼0.2元/m3，則單位經(jīng)營成本為0.45元/m3，單位總成本為0.62元/m3。

5 結(jié)論

(1)通過實(shí)際調(diào)查分析，生物接觸氧化法、“CASS+曝氣生物濾池”、MBR膜反應(yīng)器是烏魯木齊市中水回用工程采用的主流工藝。從經(jīng)濟(jì)性和處理效能考慮，推薦生物接觸氧化法作為綠化用水的主流工藝；“CASS+曝氣生物濾池”常作為景觀用水的使用工藝。

(2)以生物接觸氧化法和MBR膜反應(yīng)器作為綠化用水工藝時(shí)，隨著處理規(guī)模的變化，兩者的單方水投資和占地指標(biāo)也隨之變化。生物接觸氧化法工藝更適合處理規(guī)模在500 m3/d以內(nèi)的工程項(xiàng)目；處理規(guī)模在800～1 000 m3/d時(shí)，推薦采用MBR工藝。

(3)所有應(yīng)用的工藝處理規(guī)模在100 m3/d時(shí)，投資較高，最不經(jīng)濟(jì)；當(dāng)處理規(guī)模達(dá)到300 m3/d以上時(shí)，單方投資及占地指標(biāo)明顯下降。因此，建議小區(qū)盡量不再投資建設(shè)處理量300 m3/d及以下的單獨(dú)再生處理站，而采用多小區(qū)共建再生水站或者區(qū)域統(tǒng)一規(guī)劃，將可以連片的區(qū)域建成一定規(guī)模的處理站，較為經(jīng)濟(jì)。

(4)通過龍庭華清園小區(qū)中水回用工藝接觸氧化法(AO)典型實(shí)例工藝流程的介紹，成本組成的分析。項(xiàng)目單位經(jīng)營成本為0.75元/m3，單位總成本為0.84元/m3，給出各成本預(yù)算及補(bǔ)貼方案，為烏魯木齊中水回用技術(shù)提供借鑒。

隨著技術(shù)的發(fā)展，將來可能會有更多更好的處理工藝應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中。就目前烏魯木齊的發(fā)展來看，接觸氧化法工藝存在著自身的優(yōu)勢。小區(qū)中水回用技術(shù)可有效提高烏魯木齊市的水資源利用率，改善城市用水緊缺的現(xiàn)狀，具有顯著的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，具有廣闊的發(fā)展前景和潛力。