简介： 分析了我国水资源危机的原因,国内外中水的各种处理工艺，以北京市的中水应用为例,阐述了发展城市中水应用的必要性和重要性,提出应对水资源危机的主要对策，还有最为典型的SBR工艺在中水回用工程应用的具体实例。
关键字：水资源 危机 中水回用 SBR
1.水资源危机原因
联合国早在1977年2月就向全世界发出警告“水不久将成为一个重要的全球性危机”。如今,全世界面临水资源危机,产生的原因主要包括用水量急剧增加、水污染、水资源开发不合理、浪费严重等几个方面。
随着社会的迅速发展和文明的不断进步,特别是人口的急剧增加,人类对水的依赖程度越来越高,世界用水量急剧增加。而且,我国用水浪费严重,水资源利用效率较低。目前,我国农业用水利用率仅为40%～50%,灌溉用水有效利用系数只有0.4左右。工业方面,工业用水重复利用率低,仅为20%～40%,单位产品用水定额高。城市生活用水方面,供水管网和卫生设备的漏水是形成浪费的主要原因,我国城市供水管网的漏水量约占全部供水量的10%左右。
此外,我国产业结构不合理,高耗水量行业发展集中,生产管理水平低,生产用水浪费严重;人们思想认识模糊,缺乏危机感,节水意识差,城市生活用水、家庭用水浪费现象普遍;缺少全局控制,违反生态规律发展,出现掠夺式开发、浪费式利用、混乱式管理;水的重复利用率低,相关法律、制度不健全,都是我国水资源危机出现的原因。
应对水资源危机的主要对策:
1)转变观念,水不是取之不尽,用之不竭的,水是一种资源,淡水更是一种极其有限的资源,需要给予足够的重视和保护。加强环境教育,培养个人良好的节水习惯,避免用水浪费。另外控制世界人口的增长,也是缓解人类对水需求紧张形势的必然选择。
2)改善生态环境,提高水资源的可利用率,植树造林,扩大森林覆盖率,可提高水源涵养量。在充分考虑生态环境影响的前提下兴修水利,拦洪蓄水,可趋利避害,并加强水体保护、水土保护,ＰＥ线的电位升高、可能达到几千伏(取决于接地电阻的大小),通过ＰＥ线可使户外的灯具外壳电压大大超过安全电压,在高压断路器规定的未跳间时间内,人触及灯具外壳时,将造成触电事故。
建筑中水中所谓的中水是相对于上水（给水）和下水（排水）而言的。建筑中水系统是指民用建筑或建筑小区使用后的各种污废水经处理，回用于建筑或建筑小区作为杂用水。中水回用是解决城市缺水的有效途径,是污水资源化的一个重要方面。
北京赢得了2008年奥运会的举办权,按照“绿色奥运,人文奥运,科技奥运”的精神,一大批场馆设施建设在即;北京市危房改造工作已启动;推行分质用水,实现污水资源化是一项十分紧迫的任务,大力推广中水的使用是城市节水的重要内容。
2.我国建筑中水处理工艺：
我国建筑中水处理工艺分为以下几种：当以优质杂排水和杂排水为中水水源时因中水浓度较低，处理目的主要是去除原水中的悬浮物和少量有机物，降低水的浊度和色化学处理为主度，可采用以物理工艺流程或采用生物处理和物化处理相结合的处理工艺。如下图：
当利用生活排水为中水水源时，因中水原水中有机物和悬浮物浓度都很高，中水处理的目的是同时去除水中的有机物和悬浮物，可采用二段生物处理，或生物处理与物化处理相结合的处理工艺。如下图：
当利用污水处理厂二级生物处理出水作为中水水源时，处理目的主要是去除水中残留的悬浮物，降低水的浊度和色度，应选用物理化学处理（或三级处理），工艺流程如下图：
污水厂二级出水为中水水源的水处理流程
除了以上方法以外，根据国内外水处理技术的发展状况，还有一些典型的中水处理工艺流程。下表所列即为国内常用的典型工艺流程。表中第1、4和7是以物理化学处理为主的处理流程，处理方法主要有混凝沉淀或气浮、化学氧化法二氧化氯、臭氧、次氯酸钠、氯、碘化钾）、活性炭吸附法。具有流程简单、占地少、设备密闭性好、无臭味、易管理的特点。第2、3、5和6是以生化处理为主的处理流程。以优质杂排水和杂排水为中水水源时，采用生化处理的目的是去除水中的洗涤剂。过去常采用生物转盘法，因室内臭味问题一直未能解决，所以成功实例不多，目前，多采用接触生物膜法。以生活排水为中水水源，采用二级生化处理时，多采用A/O法和A2/O。第8为物化与生化处理相结合的处理流程。其中，第7和8流程中含有滤膜装置，具有装置小型简单、可以间断运行和无污泥的特点。
表1 典 型 处 理 流 程
序号 | 处 理 流 程 |
1 | 格栅→调节池→混凝沉淀（气浮）→化学氧化→消毒 |
2 | 格栅→调节池→一级生化处理→过滤→消毒 |
3 | 格栅→调节池→一级生化处理→沉淀→二级生化处理→沉淀→过滤→消毒 |
4 | 格栅→调节池→絮凝沉淀（气浮）→过滤→活性炭→消毒 |
5 | 格栅→调节池→一级生化处理→混凝沉淀→过滤→活性炭→消毒 |
6 | 格栅→调节池→一级生化处理→二级生化处理→混凝沉淀→过滤→消毒 |
7 | 格栅→调节池→絮凝沉淀→膜处理→消毒 |
8 | 格栅→调节池→生化处理→膜处理→消毒 |
在国外日本80年代初总结了8种标准处理流程，如下图表2所示，其中前4种是以生化处理为主的流程，后4种是以物化处理为主的流程。随着水处理机理研究的不断深入，新的处理方法、新的构筑物、新的处理装置和新的工艺流程会不断出现。
3.中水工程在北京的实施
北京市将在以下方面改进中水利用的管理工作:
1)加强立法,完善中水利用的地方性法规;
2)建立完整的水价体系,用经济手段推动中水利用的实施;
3)将推行使用中水纳入城市规划;
4)改革中水设施的管理体制;
5)加强中水利用研究,推动中水设计、建设、运行管理有序进行。
为解决北京市水资源严重紧缺的局面,北京市总体规划提出“节流、开源与保护水资源并重”的方针,确定了利用有限水资源满足城市发展是必由之路的总体思路,大范围、大规模的污水处理回用被纳入城市总体规划。根据总体规划要求,北京市将建设10余座城市污水处理厂,在解决污水处理、保护环境的同时,加大再生水的回用力度,开发城市第二水源,缓解北京的缺水状况。在当前集中污水处理厂投资大、回用难度大的情况下,作为总体回用工程的补充,加强区域性中水处理回用及居民小区中水联建工作显得尤为重要。
事实证明,建筑物中水回用、区域中水回用、城市污水再生回用的多种回用系统形式相结合的技术可行,经济合理,有利于中水回用政策的贯彻实施,符合城市污水资源化发展的方向。并寄希望于更多关心和爱护人类生存环境的人们在各自的领域中多作贡献,共同推动环境保护工程朝着更加健康、科学的方向发展。
目前,国内城市污水经二级处理后再生回用于工业循环冷却系统的并不多。华能北京热电厂设计容量为654/770ＭＷ,其工业用水和循环冷却系统补充水源为高碑店污水处理厂的二级处理出水,具体再生流程见图1。经深度处理后的回用水质为BOD<5mg/l、SIO2<18.4mg/l、CL-<180mg/l、SS<10mg/l、碱度<300mg/l,已达到循环冷却水的水质标准。
图1
此外,河北邯郸热电厂、山西侯马热电厂利用石灰深度处理城市二级出水,也成功地回用到冷却系统。
4．SBR工艺在中水回用工程中实例分析
SBR工艺最为典型，该工艺设备简单,占地少,运行方便。下面我介绍一下活性污泥工艺(SBR)处理学校洗浴废水的工程实例。
该工艺对洗浴废水中COD,BOD,SS及LAS有较高的去除率,处理后出水用于学生公寓冲厕,其水质符合《城市污水再生利用 城市杂用水水质标准》(GB/T18920-2002)。
间歇式活性污泥法简称ＳＢＲ,是近年来在国内外被引起广泛重视和研究日趋增多的一种废水生物处理工艺,并在中水回用工程中得到了大量的应用。
4.1.1工程概况
石家庄铁道学院在2002年利用国家财政部的专项资金进行校园污水管网改造工程中,采用了SBR工艺处理洗浴废水并回用于学生公寓的冲厕。中水原水为优质杂排水,处理后出水水质执行《城市污水再生利用 城市杂用水水质标准》(GB/T18920-2002)。该工程主要包括建设中水处理站和改造三栋学生公寓的室内外中水供水管网,其中室内外中水管网改造在2002年学院寒假期间完成,中水处理站于2003年8月建成并投入正式运行。
4.1.2中水原水及水量平衡
该中水回用工程的原水采用学院浴室排放的洗浴废水,水源单一,原水中有机物污染浓度较低,实测BOD=45.4mg/l,COD=93mg/l,属于优质杂排水。学院浴室每天开放5h(14:00～19:00),共有160个红外传感淋浴喷头,经实测每个淋浴器平均用水量为450l/h,该浴室每天的用水量为360mg/d。此理论计算结果与浴室总水表的每天实测用水量基本一致。考虑损耗,水量折减系数取0.85,本工程中水原水量ＱＹ按306mg/d计算。
处理后的中水主要用于学院9#,10#,11#三栋学生公寓的冲厕,每天供水时间为6:00～23:00。学生公寓冲厕用水不均匀,流量变化较大,因此采用变频泵供水。其中9#为6层男生公寓,每层3个厕所;10#为5层男生公寓,每层2个厕所;11#为5层女生公寓,每层2个厕所。三栋学生公寓共有男生2700余人,女生800余人。所需中水冲厕水量QZ计算如下:
(1)蹲便器每天冲洗用水量Qz1:每天冲厕次数n=2700人×2次/(男生·ｄ)+ 800人×4次/(女生·ｄ)=8600次/ｄ,高水箱蹲便器冲洗用水量q1=10L/次,则 Qz1=nq1=86mg/d。
(2)小便池每天冲洗用水量Qz2:小便池多孔管小时用水定额为q2=160Ｌ/(m·h),供水时间t=17h。每个男厕内小便池多孔管实测长度为2.5ｍ,总长度L=70m,则Qz2=q2tL=190.4m3/d
以上两项用水量总计为:QZ=QZ1+QZ2=276.4m3/d。中水回用冲厕水量QZ与中水处理水量QY相近,QY≈1.1QZ利于实现水量平衡,其多余水量可利用室外中水管网上已预留好的地下给水栓浇洒绿地。
4.1.3 工艺流程
中水处理工艺流程:洗浴废水→毛发截留井→调节池→提升泵→ＳＢＲ反应池→滗水器→重力式过滤罐→消毒→中水池→冲厕。
该工程的处理构筑物包括毛发截留井、调节池、ＳＢＲ反应池及中水池均为埋地半封闭式联体设置,工艺布局紧凑,主体为钢筋混凝土结构,地面绿化。只有过滤罐和消毒装置设置于地上砖混结构的设备间内,管理人员只需在设备间内便可完成操作和管理,工程总占地面积为144.6平方米。洗浴废水经原有排水管道汇集后,截流引入毛发截留井,以去除原水中的毛发纤维及塑料固形物。调节池用于均衡原水水质水量,内设4台提升泵(2用2备),由时间继电器控制启泵,SBR反应池内的液位传感器控制高水位停泵。SBR反应池共设2座,每座SBR反应池设2台水下自吸式射流曝气机,1台浮筒式滗水器。射流曝气机直接安装于池底,进气管顶端设消音器,设备运行时噪音很小,传质效果较好,充氧效率可达到16%～22%。浮筒式滗水器通过四组滑轮固定于两端的导轨上,在滗水器内水泵压力排水(扬程8m)的过程中,利用水的浮力,滗水器本身随水位变化沿导轨上下移动,其收水口始终淹没于水面下20cm处。出水管采用波纹管实现变形,撇水最低水位处设固定支架,防止已沉淀的活性污泥排出。
该工程处理设备由电气自控系统程序化周期运行,设计每天运行4个周期,每周期6h。第一个SBR反应池第一周期开始时间定为5:00,第二个SBR反应池第一周期开始时间延后1h。各过程的历时和相应的设备运行均按事先编制并可调整的程序,由继电器集中自动控制。在每个周期中,提升泵进水约1h左右停止,在进水阶段采用限制曝气,以利于提高反应阶段混合液的基质浓度和抑制丝状菌污泥膨胀,同时维持缺氧 厌氧状态,促进聚磷菌释放磷;反应阶段连续曝气3h,活性污泥在好氧状态下充分降解有机物、硝化和摄取磷;沉淀阶段1h,此时的SV(污泥沉降比)达到15%左右,不易发生污泥膨胀;出水和闲置阶段共1h。中水池贮存处理后出水,用于中水水量调节,同时起到消毒接触池的作用,以保证消毒接触时间大于30min。中水池内设2台潜污泵,变频控制向学生公寓供水,并设自来水紧急补水管道,以备假期浴室关闭或设备检修时向中水池补水。浸于水中的机械设备均安装自耦装置,以利于提升检修。
4.1.4 调试运行及处理效果
该工程于2003年3月开工,到4月底完成了全部土建施工及处理设备的安装,随后进行活性污泥培养。接种污泥取自石家庄市桥西污水处理厂污泥脱水机房的干化污泥,含水率60%左右,每座SBR反应池投加干污泥1200kg,注入原水后进行连续曝气。其间用100ml量筒取水样观测SV,当SBR反应池内混合液中出现少量活性污泥絮体时,停止曝气,静置沉淀后上清液排至室外污水管道,然后重新进水、曝气。约1个月左右,观测到混合液的SV达到8%～12%。此后按设计运行时间3h曝气,沉淀1h,滗水器出水经过过滤器排出,投加消毒剂,检测此时的出水水质。8月初各项出水水质指标均达到设计要求,通过验收并正式投入中水冲厕回用。
4.1.5运行管理
由于该工程的主要处理构筑物均为地埋式钢筋混凝土结构,因此一定要做好土建工程的主体防水,并做好水下处理设备的预埋件,特别是调节池池底提升泵基础支座,SBR池内曝气机及滗水器导轨固定支座等,严禁凿洞后补,以免池体漏水。
调节池、SBR反应池及中水池均应合理设置各自的溢流管道,以确保系统能够安全运行。
过滤器应及时进行反冲洗。本工程在正式运行20多天后,发现出水水质下降,主要是悬浮物增多,及时反洗后水质重新达标。且过滤器的反冲洗排水应设置固定的排放管路,本工程利用处理后中水作为反冲洗水源,排水接入调节池,二次加压水泵兼做反冲洗水泵,降低了设备投资。
该工程的毛发截留井起初按标准图集98S7只做了一道滤网,在调试运行中出现了调节池提升泵和SBR反应池内曝气机堵塞现象,后又增设两道空隙宽度为2mm细格栅,截留效果较好,但要及时进行人工清理。
由于该校寒暑假期间浴室基本关闭,每周只开放一天,在此期间(约40d)中水处理站需隔天运行一个处理周期。经过今年一个暑假的间歇运行表明,基本维持了SBR反应池内活性污泥的生物活性,暑期结束后2～3d能迅速达到连续运行的条件。
4.1.6结语
(1)SBR工艺处理洗浴废水,由于原水中有机物浓度较低,但是BOD/COD=0.48左右,其可生化性尚好,因此关键是确定好反应阶段的曝气时间和溶解氧浓度。本工程设计曝气时间为3h,需氧量为1.5～2.5kgO2/kgBOD,控制好氧工序DO在2.5mg/l左右,并选择合适的曝气机。
(2)根据学校类建筑用水的特点:中水原水(洗浴废水)在某一时段内(5h)集中连续排放,而SBR反应池进水并不连续,属于低负荷间歇进水方式,因此调节池的容积要根据水量平衡计算确定(见图1),本工程调节池容积为原水日处理水量的2/3。
(3)冲厕用水量在时间上也存在很大的不均衡,而SBR出水并不连续,因此本工程设计SBR的出水阶段在用水高峰时段之前。由于夜间停止用水,因此可利用SBR夜间的2个反应周期的出水,为第二天早晨的用水最高峰时段贮备充足的水量(见图2),使SBR反应池的实际运行方式更接近实际需要和废水排放情况,同时中水的供应采用定压变流量变频供应。系统自控采用继电器控制与人工控制来实现,一般为自动运行,出现问题时自动报警,故障排除后仍按照设计时段自动运行。
(4)学校每年寒暑假期间,原水水量较小且不连续排放,应安排合理的运行以维持污泥的活性。
参考文献
1、王增长主编，《建筑给排水工程》，北京：中国建筑工业出版社，2002年。
2、席建红著，《中水工程系统分析》，北京轻工业学院，2000年硕士毕业论文。
3、曾翔著，《浅谈建筑中水及其处理工艺》，出自《城市公用事业》，2002年第16卷第3期。
4、汪大军,雷乐成编，《SBR工艺设计与运行若干问题探讨》，北京化学工业出版社， 1998年。
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