污水回用处理工艺应用于热电配套项目的可行性分析

葛新杰，殷 洁

(北京京能新能源有限公司，北京 100028)

我国水资源相对匮乏，随着水资源的不断开采,我国的可利用水资源越来越少。燃煤发电项目不仅工业用水量大，同时产生大量的生产和生活污水，随着水资源的日益紧张和环保要求的日趋严格，燃煤电厂的节水减污势在必行。但受各种条件限制，目前污水回用处理技术基建投资较高，出水水质较差，水质不稳定，处理设施占地面积大，常规回用技术设备不宜小型化，或设备化后难于稳定运行。因此，开发与燃煤发电项目相配套的基建投资少、占地面积小、宜设备化、运行管理简便并符合项目回用水质要求的污水回用工艺和设备意义重大。

1 项目概况

河北京安热电项目北邻首都南大门，地处河北省固安县永定河畔。项目配套建设员工公寓、招待所、活动中心、固体废物综合处理工业园等生产及生活设施，这些配套设施受场地位置限制，相对独立，距城市污水处理厂较远，且预测污水产生量较大，治理程度较低，会存在水资源浪费和环境污染等问题。因此，在项目可研阶段开展了配套项目污水回用的分析，研究了一种基建投资少、占地面积小、运行管理简便的污水回用技术工艺，将热电配套项目产生的污水回用为配套项目水源之一，降低项目配套工程水耗、减少污水排放量，降低运行成本。

2 污水回用水质情况

2.1 污水水质

配套项目研究的污水回用技术工艺的水源为分布式轻度污水源，主要是配套建设员工公寓、招待所、活动中心等生活设施所产生的轻度污水和部分厂区内工业污水，如洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、厕所排水等，各种排水水质见表1。该种水源受条件限制既不能随污水管网进行集中收集规模处理，随意排放又会对环境造成污染。

表1 中水原水的水质 mg/L

住宅BODCODSS招待所BODCODSS办公楼BODCODSS厕所200～260300～360250250300～360200300360～480250厨房500～800900～1 350250洗浴50～60120～13510040～50120～15080洗衣60～7090～12020070150～18015070～80120～150200

注：水样取自某运行热电配套项目；表中BOD为五日化学需氧量，COD为重铬酸钾法化学需氧量，SS为悬浮性固体。

2.2 用水水质标准

根据《城市中水设施管理暂行办法》，中水可用于厕所冲洗、绿地树木浇灌、道路清洁、车辆冲洗、基建施工、喷水池以及可以接受其水质标准的其他用水，如冷却水、景观用水、消防用水[1]。达到上述用水要求，需要满足用水水质标准[2]，即CJ/T 48-1999《生活杂用水水质标准》，见表2。

表2 用水水质标准

项目厕所冲洗和城市绿化洗车和扫除浊度/NTU105溶解性固体TDS/(mg·L-1)1 2001 000SS/(mg·L-1)105色度/度3030臭味无不快感觉无不快感觉pH6.5～9.06.5～9.0BOD5/(mg·L-1)1010重铬酸钾法化学需氧量CODCr/(mg·L-1)5050氨氮(以N计)/(mg·L-1)2010总硬度(以CaCO3计)/(mg·L-1)450450氯化物/(mg·L-1)350300阴离子表面活性剂LAS/(mg·L-1)1.00.5铁/(mg·L-1)0.40.4锰/(mg·L-1)0.10.1总大肠菌群/(个·L-1)33

3 污水回用处理工艺的确定

污水回用技术可以采用生化污水回用处理工艺、物化污水回用处理工艺和膜生物反应器污水处理工艺。以生化处理为主的污水回用技术工艺适宜处理有机物含量较高的生活污水。以物化处理为主的污水回用技术工艺包括二级物化处理，前级以混凝或沙滤为主，后级为深度物化处理，适宜处理城市生活优质杂排水。膜生物反应器污水处理工艺由于存在膜分离组件会发生污染堵塞和膜生物反应器动力消耗过高的问题使该工艺在具体应用中受到限制。传统的污水回用处理工艺系统流程长，设备繁多，不易实现自动化，容积负荷低，出水水质波动大，占地面积大，对周围环境影响较大。膜生物反应器污水处理工艺应用过程中，膜污染严重、水处理成本过高[3]。

针对上述各处理工艺的特点，结合京安热电配套项目实际情况，研究采用生化处理为主的处理方法，辅以膜组件的高效分离技术，通过对工艺控制参数的优化，使出水在满足《生活杂用水水质标准》的基础上，提高处理效率，降低动力消耗，延长膜分离组件的使用寿命，减小占地面积，降低水处理成本，简化工艺流程，改善操作管理自动化程度。

工艺流程为进水经过滤网过滤后，由泵打入储水箱，储水箱出水再由泵打入生化反应器，污水在反应内经过生化反应后，采用中空纤维膜组件进行泥水分离，膜组件出水即为系统出水。

4 试验分析

4.1 试验设备

试验用各设备及其连接示意见图1。

图1 试验设备及连接示意

4.2 监测分析方法

试验项目的监测因子有COD、BOD、NH3-N、大肠杆菌、SS、色度等，CODCr、BOD5、NH3-N、LAS、SS、色度的监测分析方法主要采用CJ/T 49-1999《生活杂用水标准检验法》中规定的方法，CODCr和BOD5还使用HACHCOD快速测定仪进行分析监测，大肠杆菌采用GB 5750-1985《生活饮用水标准检验法》的规定进行监测。

4.3 工艺参数控制

4.3.1 生化反应流态的确定

生化反应器采用完全混合式活性污泥法，工艺研究导流结构采用折流板形式，有利于减小水流阻力，提高能源利用效率。采用隔流板时，膜稳态通量稳定控制在0.12 m3/(m2·d)，气水比在160∶1～230∶1，连续运行110 d未洗膜。

对有折流板的效果与无折流板情况和文献[4]、文献[5]研究结果进行比较。将该试验采用折流板时的气体消耗指标设定为1，该项研究无折流板气体消耗指标为1.91，文献[4]所采用工艺的气体消耗指标为4.57、文献[5]为6.57，采用折流板结构比无折流板结构的反应工艺节约气体用量47%，与相比文献[4]、文献[5]所用工艺节约用气量78%～85%，因此采用折流板结构的工艺，可大大节约能源。

4.3.2 膜生物反应器类型的确定

从处理设施运行费用的角度考虑，一体式膜生物反应器具有较低的动力消耗，运行费用较低，因此一体式膜生物反应器是本次研究的工艺基础。

4.3.3 试验参数的确定

生化反应器的容积，应该由其承担的去除有机负荷来决定[6]，生化反应器的污泥负荷率为：

Ns=Q·(S0-Se)/(V·X)

(1)

式中：V为生化反应器的有效容积；X为污泥体积质量；S0为反应器进水有机物的体积质量；Se相当于反应器出水有机物的体积质量；Q为生化反应器处理的日处理水量。

膜分离组件的分离性能以实际膜稳态通量表示，即

Jv=Q/A

(2)

式中：Jv为实际运行时的膜的稳态通量；A为膜分离组件的膜面积。

由式(1)和式(2)可得

V=A·Jv·(S0-Se)/(Ns·X)

(3)

由于实际运行时膜的通量是不稳定的，因此生化反应器需要有一定的调节能力，以防止水位过高而溢出，需要对反应器的有效容积进行调整，所以以V=φ·A·Jv·(S0-Se)/(Ns·X)表示，其中φ>1。

试验设计处理水量：72 L/d，根据上述参数的要求，反应器的有效容积确定为13.7 L，考虑到膜分离组件的水量调节，取容积为15 L。水力停留时间为4.6 h。

4.4 试验结果

4.4.1 有机物的去除

启动时，由于污泥体积质量较低，仅为750 mg/L，进水COD为440 mg/L，出水COD为50 mg/L，COD去除率为88.64%。随着污泥体积质量的提高，进水COD变化范围为205～480 mg/L，变化幅度达±40.1%时，出水COD也逐步下降，并稳定在14～30 mg/L，优于《生活杂用水水质标准》，COD的去除率在90.2%～94.9%，COD的去除率的变化幅度仅为±2.5%，说明污泥体积质量的升高有利于有机物的去除，并且膜生物反应器具有耐COD冲击负荷的优点。

BOD的去除效果与COD类似，进水BOD在130～263 mg/L，变化幅度达±33.8%，而出水BOD为3.2～6.9 mg/L，去除效率为95.8%～97.9%，去除效率的变化幅度仅为±1.1%，比COD的去除率更加稳定，完全达到了《生活杂用水水质标准》。

4.4.2 氨氮的去除

膜生物反应器处理技术对氨氮的去除效果好于常规的活性污泥法，氨氮负荷也高于传统的活性污泥法。根据常规的监测，生活污水中氨氮的体积质量一般为17～55 mg/L，出水氨氮的体积质量为2.8～8 mg/L，氨氮的去除率在94%～97%，比传统活性污泥法高出近一倍。

4.4.3 监测结果

在以上生化工艺参数的优化控制下，该工艺试验处理效果的监测结果见表3。

表3 试验处理效果的监测结果

进水 出水去除效率标准指数1标准指数2pH6.5～96.5～9-CODCr/(mg·L-1)29210.696.40.210.21BOD/(mg·L-1)2306.097.40.600.60NH3-N/(mg·L-1)55.78.8584.10.440.86LAS4.660.31393.30.310.63浊度/度501-0.100.20色度/度-8-0.270.27溶解性固体/(mg·L-1)-600-总硬度(以CaCO3计)/(mg·L-1)-420-总大肠菌群/(个·L-1)>24 000未检出-臭味-无不快感觉-流量/(L·d-1)72-

注：标准指数1中的标准为厕所冲洗类标准，标准指数2中的标准为洗车类标准。

对比表2和表3可以看出，试验工艺的出水水质达到了《生活杂用水水质标准》，各项指标的标准污染指数均小于1。系统出水无需消毒处理，该工艺技术进行分布式污水源的污水回用处理是可行的，可以直接作为热电配套项目中的生活杂用水。

4.5 影响因素

4.5.1 膜分离过程对微生物性状的影响

膜分离对生化反应器内的活性污泥生物性状有着重要的影响，会导致生物的组成和生物活性等产生许多新的特性。由于膜分离组件的高效截流作用，使得微生物菌胶团得到完全截流，因此生化反应器中的污泥体积质量可以维持较高的水平。在进水有机负荷一定的情况下，混合液中底物消耗殆尽，混合液中的活细胞数量较少，只有少数细胞才能分裂繁殖，维持混合液的生态平衡。

4.5.2 pH值对氨氮硝化效果的影响

硝化反应的最佳pH值为7.5～8.5，当pH值低于7时，硝化反应速率明显降低，当低于6和高于9.6时，硝化反应将无法进行。由于进水氨氮体积质量较高，随着碱度补充的加大，出水氨氮有下降的趋势，并在碱度补充体积质量大于320 mg/L时，出水氨氮体积质量能达到《生活杂用水水质标准》。

5 经济效益分析

该配套项目水处理工艺与常用水处理工艺的经济比较见表4。

表4 3种中水处理工艺的经济比较

项目两级生化+过滤消毒管式膜生物反应器该项目工艺主要构筑物基建投资/万元36.719.316.91主要设备、材料基建投资/万元25.9018.2613.69总基建投资/万元62.6127.5720.6膜组件投资/万元05031单位处理水量的基建投资/(元·m-3·d-1)2 087919686.67单位处理水量的膜组件投资/(元·m-3·d-1)01 666.671 033.33单位处理水量的电力消耗/(kWh·m-3)0.652.360.924单位处理水量的药剂消耗/(元·m-3)0.380.050.20单位处理水量的其他费用/(元·m-3) 0.1500单位处理水量的处理成本/(元·m-3)1.541.811.322

注：膜的费用计入运行费用。

由表4可以看出，本工艺的吨水投资为1 720元，两级生化+过滤消毒工艺的吨水投资为2 087元，管式膜生物膜反应器工艺的吨水投资为2 585.67元，因此该工艺的吨水总投资比两级生化+过滤消毒工艺降级了17.6%，比管式膜生物反应器工艺降低了33.5%。

从污水的处理成本方面看，该工艺水处理成本为1.322元/m3，比两级生化+过滤消毒工艺降低14.2%，与京安热电项目所在地生活用水水价1.98元/m3相比，采用该工艺处理后，回用水可节约支出33.3%，经济效益显著。将该处理工艺应用于京安热电配套项目后，以节水23×104m3/a测算，年可节约水费45.54万元，经济效益明显。

6 结论

a. 生化处理为主、辅以膜组件的高效分离技术处理的一般生活污水可达到《生活杂用水水质标准》要求。

b. 京安热电配套生活具有应用该污水回用处理工艺的可行性，可以采用用该工艺将配套工程中生活设施所产生的洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、厕所排水进行处理后用于厕所冲洗、绿化浇灌、道路清洁、车辆冲洗、基建施工、喷水池、冷却水、景观用水和消防用水等。

c. 该工艺可以推广到居民小区、宾馆、饭店、学校、车站、高速公路服务器等场所的厕所冲洗、绿化、洗车、冷却等用水。

参考文献：

[1] 中华人民共和国建设部以建城字第〔1995〕713号,城市中水设施管理暂行办法[S].

[2] CJ/T 48-1999,生活杂用水水质标准[S].

[3] 何义亮.膜生物反应器技术处理生活污水的特性研究[C]∥谢绳武.第二届全国环境化学学术报告会论文集.上海：上海交通大学中国化学会,2004．

[4] 郑 祥,樊耀波.膜生物反应器运行条件的优化及膜污染的控制[J].给水排水，2001，27(4)：41-44.

[5] 王 猛,柴晓利.膜生物反应器处理生活污水的工艺及膜材料的选择[J].环境科学与技术,2001，24(3)：1-4.

[6] 罗 虹,顾 平,杨造燕.投加粉末活性碳对膜阻力的影响研究[J].中国给水排水,2001，16(3)：5-8.