城市污水處理廠達標尾水再生利用的可行性分析

張 云 宋建軍 徐帥斌

(1.江蘇省水文水資源勘測局南通分局，江蘇 南通 226006；2.江蘇省水文水資源勘測局鎮(zhèn)江分局，江蘇 鎮(zhèn)江 212011)

隨著經濟社會的發(fā)展、人口的增長和城市化進程的加快，城市用水量和污水排放量不斷增加，水資源短缺和水污染加劇所構成的水危機已成為21世紀最嚴峻的問題之一[1]。據統(tǒng)計，2020年我國城市污水排放量已達571億m3，其中大部分污水經處理但未經有效利用，直接排入江河湖海[2-3]，導致部分城市缺水嚴重，且浪費了大量的可利用資源。城市污水再生利用具有不受氣候影響、水源可靠、保證率高等優(yōu)點，是開源節(jié)流、減輕水體污染、改善生態(tài)環(huán)境、解決城市缺水問題的有效途徑之一，已成為當今世界各國解決缺水問題的共識。本文分析了南通市洪江排水有限公司再生水經熱能提取后，回用于城區(qū)河道的生態(tài)補水方案，并進行了影響分析，以實現(xiàn)“一水多用”，本文研究對于促進區(qū)域水生態(tài)的良性循環(huán)具有重要意義，對于平原水網地區(qū)再生水利用具有較好的示范作用。

1 研究區(qū)域概況

1.1 水系概況

南通市位于江蘇省東南部，地處長江、淮河流域尾閭，屬于典型的平原水網地區(qū)，境內河流眾多，主要河道包括流域性河道長江以及區(qū)域內河。長江南通段全長87.00km，多年平均徑流量9454億m3，水資源豐富，干流河段水質良好，是南通市的主要供水水源，也是南通市對外開放、內聯(lián)外引的重要渠道。區(qū)域主要骨干河道有如海運河、九圩港河等12條一級河道，總長729.88km；二級河道105條，總長1760.58km；另外，還有眾多三、四級河道，交織成網，相互溝通，成為調節(jié)各級河網的樞紐。南通本地多年平均地表徑流量25.6億m3，降水入滲補給量14.3億m3，水資源總量31.5億m3，不足全國水資源人均占有量的1/5，水資源短缺仍是南通市經濟社會高質量發(fā)展的重要制約因素之一[4]。

圖1 南通市水系

主城區(qū)緊鄰長江，河網水系屬長江干流下游蘇北沿江水系；五山片區(qū)瀕臨長江，屬沿江低水系，總面積11.9km2，除濱江公園、園博園等園內景觀水面外，片區(qū)內河道縱橫交錯，構成片區(qū)河道網絡，主要通過城山河南段、西山河南段及永紅河等河道匯流后，由涵閘入江排放，區(qū)內共有三、四級河道34條段，總長37.00km。

1.2 評價區(qū)域水環(huán)境概況

南通市洪江排水有限公司(以下簡稱洪江排水公司)周邊主要河流有城山河、西山河，屬主城區(qū)城市景觀河道，在《江蘇省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃》[5]中未進行水功能區(qū)劃，水質管理目標按照用水功能參照執(zhí)行《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)[6]中Ⅳ類水標準。根據《南通市主城區(qū)100平方公里河道水質周報》(2021年)[7]以及現(xiàn)狀水質調查，城山河、西山河總體水質為Ⅳ～Ⅴ類水，主要超標因子為NH3-N、TP；園博園、民博園水面總體水質為Ⅳ類水。

2 南通市城市污水及再生水利用現(xiàn)狀

2.1 污水處理廠建設現(xiàn)狀

據統(tǒng)計，截至2020年，南通市有主城區(qū)及各縣(市)區(qū)污水處理廠25座，污水處理能力為138.05萬m3/d，鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠37座，污水處理能力為2.00萬m3/d，污水排放標準執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準[8]。全市污水處理設施的建設，為再生水集中利用提供了可靠水源。

2.2 污水再生利用現(xiàn)狀

“再生水”是指城市污水或生活污水經過處理后達到一定水質標準可在一定范圍內重復使用的非飲用雜用水，水質介于上水和下水之間，可以回用于工業(yè)用水、市政雜用水、農業(yè)灌溉等[9-11]。南通市是國家級節(jié)水型城市，按照“優(yōu)水優(yōu)用、分質供水、注重實效、就近利用”的原則，為加大再生水利用力度，先后建成洪江排水公司再生水利用工程(4.60萬m3/d)、南通能達水務有限公司再生水利用工程(1.75萬m3/d)等一批再生水利用示范工程。據統(tǒng)計，2020年南通市城鎮(zhèn)污水處理廠再生水利用量為0.48億m3，主要回用于城市景觀環(huán)境、道路澆灑、工業(yè)企業(yè)冷卻循環(huán)等，再生水利用率達14.8%。

目前，洪江排水公司再生水利用工程為南通市新城小區(qū)冷熱暖“三聯(lián)供”項目供水，利用達標尾水為“三聯(lián)供”污水源熱泵提供源水，并通過污水源熱泵為小區(qū)建筑提供能源，滿足夏季制冷、冬季制暖的需求。經熱交換利用后的再生水，通過管道回送至洪江排水公司現(xiàn)有入江排放口排放[12]。

3 洪江排水公司達標尾水再生水利用可行性分析

3.1 污水處理工藝

洪江排水公司是主城區(qū)以處理生活污水為主(占比90.0%)的污水處理廠，現(xiàn)有污水處理能力為24.80萬m3/d，分三期建成。其中，一期(4.80萬m3/d)工程采用A2O生化處理工藝，二期(10.00萬m3/d)、三期(10.00萬m3/d)工程采用改進型五溝式氧化溝工藝。A2O處理工藝及五溝式氧化溝工藝均屬二級強化處理工藝，是《城鎮(zhèn)污水再生利用技術指南(試行)》推薦的主流工藝，二級處理后的廢水經“高速加砂沉淀池+濾布濾池”深度處理后，出水水質可達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。

3.2 出水水質與污水再生利用可行性分析

3.2.1 出水水質

根據洪江排水公司2020年1—12月運行數(shù)據，出水水質中CODCr、NH3-N等指標優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準以及《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質》(GB/T 18921—2019)標準，達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅲ～Ⅳ類水標準，主要是因為洪江排水公司接收的廢水以生活污水為主，可生化性較好，污水處理工藝成熟穩(wěn)定。出水水質與相關標準對比情況見表1。

表1 出水水質與相關標準對比情況

3.2.2 新城小區(qū)“三聯(lián)供”項目出水水質

據統(tǒng)計，現(xiàn)有再生水經新城小區(qū)冷熱暖“三聯(lián)供”項目熱交換利用后，通過管道回送至洪江排水公司現(xiàn)有入江排放口排放。出水水質除水溫略有變化(夏季略有提高，冬季略有降低)外，CODCr等其他指標與洪江排水公司出水水質相比，無明顯變化，達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅲ～Ⅳ類水標準，優(yōu)于《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質》(GB/T 18921—2019)要求。2020年新城小區(qū)“三聯(lián)供”項目出水水質見表2。

表2 2020年新城小區(qū)“三聯(lián)供”項目出水水質

3.2.3 再生水利用方案

綜合考慮再生水利用的安全性、合理性、經濟性等因素，根據再生水水質，結合區(qū)域規(guī)劃以及管網布設，按照“經濟合理、安全可靠、就近利用”的原則，洪江排水公司擬對用于新城小區(qū)冷熱暖“三聯(lián)供”項目熱交換的再生水，采用雙點補水方案，用于主城區(qū)景觀河道城山河、西山河以及五山地區(qū)水網的生態(tài)補水。再生水補水方案見表3，補水點具體位置見圖2。

表3 再生水補水方案

4 再生水利用的影響分析

4.1 對區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的影響分析

4.1.1 再生水水溫對區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的影響

a.擴散方程。洪江排水公司再生水補給水體城山河、西山河為寬淺河道，河道生態(tài)補水采用岸邊排放，補水點下游形成的均勻流二維熱量擴散方程如下[13-15]：

(1)

定解條件：

(2)

式中：T為坐標點的溫升值，℃；x、y為平面點坐標，m；t為時間坐標，s；u為已知均勻流場流速，m/s；Ex、Ey分別為縱向、橫向擴散系數(shù)，m2/s；ΔTs為垂向混合后排放口溫升值，℃；K為溫度衰減速率系數(shù)。

K由下式確定：

(3)

式中：H為水深，m；Ks為水面綜合散熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

Ks由經驗公式確定，當固定源強S=qT0時，由下式計算：

(4)

式中：q為生態(tài)補水流量，m3/s；T0為出水溫升，℃；Δx為排放口所在節(jié)點寬度,m。

式(1)～(4)有解析解(恒定)。

(5)

(6)

式中：V2為水面以上2m處的風速(考慮到計算結果的安全性，風速取0)；T為各網格計算溫升加上環(huán)境水溫,℃。

b.影響分析。綜上，洪江排水公司再生水經新城小區(qū)“三聯(lián)供”項目熱能提取后，回用于河道生態(tài)補水，補水點局部河段的水溫將有所變化，結果見表4，但仍滿足《地面水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)中對Ⅰ～Ⅴ類水域溫度規(guī)定要求：人為造成的環(huán)境水溫變化應限制在夏季周平均最大溫升不大于1℃，冬季周平均最大溫降不大于2℃。洪江排水公司應加強對再生水利用管理，根據季節(jié)性變化通過及時調整再生水水量、水位等措施降低極端天氣下出水水位變化，進一步降低對水生態(tài)環(huán)境的影響。

表4 再生水水溫對補水河道生態(tài)環(huán)境的影響

4.1.2 再生水水質對區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的影響

根據洪江排水公司2020年運行數(shù)據，采用《環(huán)境影響評價技術導則 地表水環(huán)境》(HJ 2.3—2018)[16]進行混合過程段水環(huán)境影響預測，混合過程段水質預測采用河流平面二維連續(xù)穩(wěn)定排放模型，預測模型如下：

(7)

式中：C(x,y)為縱向距離x點、橫向距離y點的污染物濃度，mg/L；m為污染物排放速率，g/s；Ch為河流上游污染物濃度，mg/L；Ey為污染物橫向擴散系數(shù)，m2/s；u為斷面流速，m/s；k為污染物的衰減系數(shù)，d-1;h為水深，m。

混合過程段主要污染物變化情況見表5。由表5可知，洪江排水公司再生水經新城小區(qū)“三聯(lián)供”項目熱能提取后，回用于城山河、西山河以及五山地區(qū)水網中，除CODCr、TN濃度略有增加外，其余NH3-N、TP濃度略有減小，但總體變化幅度不大，不會改變五山地區(qū)河網水系現(xiàn)狀水環(huán)境質量。同時，再生水利用項目實施后，促進了水體流動，提高了區(qū)域水體自凈能力[14,17]。

表5 正常工況下補水河段混合過程段主要污染物變化 單位：mg/L

4.2 對區(qū)域防洪除澇的影響分析

根據容蓄曲線計算，在正常水位、不考慮水面蒸發(fā)以及河道輸漏損失條件下，洪江排水公司再生水利用僅使評價區(qū)域內河道水位抬升0.02m，抬升幅度相對較小，不會引起區(qū)域水利工程頻繁調度，也不會導致區(qū)域防洪除澇標準的降低，與區(qū)域防洪除澇控制水位相適應。

補水河道城山河、西山河河床底質以砂性土為主，據相關研究，對砂性土不沖流速應控制在0.12～0.40m3/s。洪江排水公司再生水利用工程采用雙點補水方案，2處補水點折算平均補水流量為0.27m3/s，為不沖流速，滿足要求，不會導致河床沖淤明顯變化以及河道岸坡受沖失穩(wěn)，對區(qū)域河道岸坡穩(wěn)定影響較小[18]。

4.3 對城市景觀環(huán)境用水的影響分析

城山河、西山河為城市景觀河道，區(qū)域河道水系主要為觀賞性環(huán)境景觀用水。根據洪江排水公司運行數(shù)據，達標尾水基本無臭味，出水水質明顯優(yōu)于《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅳ類水標準，對城市觀賞型景觀環(huán)境用水的影響較小。

4.4 對第三市合法水事權益的影響分析

再生水回用區(qū)域涉及的河道為城市河道，主要功能為城市景觀、防洪除澇等，無通航要求，評價范圍內除雨水排放口外，無工業(yè)、生活取水口，無碼頭等其他工農業(yè)生產和城市生活設施，對其他第三市合法水事權益影響較小。

綜上所述，洪江排水公司再生水利用工程經新城小區(qū)“三聯(lián)供”項目熱交換利用后，回用于城山河、西山河及五山地區(qū)水網的河道生態(tài)補水，對區(qū)域河流水生態(tài)環(huán)境、區(qū)域防洪除澇安全以及第三市用水戶的影響均較小，再生水水量和水質均可滿足區(qū)域水系生態(tài)補水需要，方案總體可行。再生水利用項目的實施，將有效提升南通市再生水利用水平，緩解區(qū)域水資源供需矛盾，促進區(qū)域水生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)。洪江排水公司應加強污水處理設施運行管理，杜絕事故排放。

5 結 語

再生水回用是一項復雜的系統(tǒng)工程，既可減少水環(huán)境污染，又可有效緩解資源型和水質型缺水的雙重壓力，是經濟社會高質量發(fā)展的必然趨勢。各級政府部門在加強再生水回用宣傳、提高節(jié)水意識的同時，要根據“高質高用、低質低用”的原則，制定切實可行的分質供水方案和再生水回用規(guī)劃，加強政策支持，培育再生水回用市場，為建設“強富美高”新南通提供水資源保障。