城市污水处理厂达标尾水再生利用的可行性分析

张 云 宋建军 徐帅斌

(1.江苏省水文水资源勘测局南通分局，江苏 南通 226006；2.江苏省水文水资源勘测局镇江分局，江苏 镇江 212011)

随着经济社会的发展、人口的增长和城市化进程的加快，城市用水量和污水排放量不断增加，水资源短缺和水污染加剧所构成的水危机已成为21世纪最严峻的问题之一[1]。据统计，2020年我国城市污水排放量已达571亿m3，其中大部分污水经处理但未经有效利用，直接排入江河湖海[2-3]，导致部分城市缺水严重，且浪费了大量的可利用资源。城市污水再生利用具有不受气候影响、水源可靠、保证率高等优点，是开源节流、减轻水体污染、改善生态环境、解决城市缺水问题的有效途径之一，已成为当今世界各国解决缺水问题的共识。本文分析了南通市洪江排水有限公司再生水经热能提取后，回用于城区河道的生态补水方案，并进行了影响分析，以实现“一水多用”，本文研究对于促进区域水生态的良性循环具有重要意义，对于平原水网地区再生水利用具有较好的示范作用。

1 研究区域概况

1.1 水系概况

南通市位于江苏省东南部，地处长江、淮河流域尾闾，属于典型的平原水网地区，境内河流众多，主要河道包括流域性河道长江以及区域内河。长江南通段全长87.00km，多年平均径流量9454亿m3，水资源丰富，干流河段水质良好，是南通市的主要供水水源，也是南通市对外开放、内联外引的重要渠道。区域主要骨干河道有如海运河、九圩港河等12条一级河道，总长729.88km；二级河道105条，总长1760.58km；另外，还有众多三、四级河道，交织成网，相互沟通，成为调节各级河网的枢纽。南通本地多年平均地表径流量25.6亿m3，降水入渗补给量14.3亿m3，水资源总量31.5亿m3，不足全国水资源人均占有量的1/5，水资源短缺仍是南通市经济社会高质量发展的重要制约因素之一[4]。

图1 南通市水系

主城区紧邻长江，河网水系属长江干流下游苏北沿江水系；五山片区濒临长江，属沿江低水系，总面积11.9km2，除滨江公园、园博园等园内景观水面外，片区内河道纵横交错，构成片区河道网络，主要通过城山河南段、西山河南段及永红河等河道汇流后，由涵闸入江排放，区内共有三、四级河道34条段，总长37.00km。

1.2 评价区域水环境概况

南通市洪江排水有限公司(以下简称洪江排水公司)周边主要河流有城山河、西山河，属主城区城市景观河道，在《江苏省地表水(环境)功能区划》[5]中未进行水功能区划，水质管理目标按照用水功能参照执行《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[6]中Ⅳ类水标准。根据《南通市主城区100平方公里河道水质周报》(2021年)[7]以及现状水质调查，城山河、西山河总体水质为Ⅳ～Ⅴ类水，主要超标因子为NH3-N、TP；园博园、民博园水面总体水质为Ⅳ类水。

2 南通市城市污水及再生水利用现状

2.1 污水处理厂建设现状

据统计，截至2020年，南通市有主城区及各县(市)区污水处理厂25座，污水处理能力为138.05万m3/d，乡镇污水处理厂37座，污水处理能力为2.00万m3/d，污水排放标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准[8]。全市污水处理设施的建设，为再生水集中利用提供了可靠水源。

2.2 污水再生利用现状

“再生水”是指城市污水或生活污水经过处理后达到一定水质标准可在一定范围内重复使用的非饮用杂用水，水质介于上水和下水之间，可以回用于工业用水、市政杂用水、农业灌溉等[9-11]。南通市是国家级节水型城市，按照“优水优用、分质供水、注重实效、就近利用”的原则，为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(4.60万m3/d)、南通能达水务有限公司再生水利用工程(1.75万m3/d)等一批再生水利用示范工程。据统计，2020年南通市城镇污水处理厂再生水利用量为0.48亿m3，主要回用于城市景观环境、道路浇洒、工业企业冷却循环等，再生水利用率达14.8%。

目前，洪江排水公司再生水利用工程为南通市新城小区冷热暖“三联供”项目供水，利用达标尾水为“三联供”污水源热泵提供源水，并通过污水源热泵为小区建筑提供能源，满足夏季制冷、冬季制暖的需求。经热交换利用后的再生水，通过管道回送至洪江排水公司现有入江排放口排放[12]。

3 洪江排水公司达标尾水再生水利用可行性分析

3.1 污水处理工艺

洪江排水公司是主城区以处理生活污水为主(占比90.0%)的污水处理厂，现有污水处理能力为24.80万m3/d，分三期建成。其中，一期(4.80万m3/d)工程采用A2O生化处理工艺，二期(10.00万m3/d)、三期(10.00万m3/d)工程采用改进型五沟式氧化沟工艺。A2O处理工艺及五沟式氧化沟工艺均属二级强化处理工艺，是《城镇污水再生利用技术指南(试行)》推荐的主流工艺，二级处理后的废水经“高速加砂沉淀池+滤布滤池”深度处理后，出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。

3.2 出水水质与污水再生利用可行性分析

3.2.1 出水水质

根据洪江排水公司2020年1—12月运行数据，出水水质中CODCr、NH3-N等指标优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准以及《城市污水再生利用 景观环境用水水质》(GB/T 18921—2019)标准，达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅲ～Ⅳ类水标准，主要是因为洪江排水公司接收的废水以生活污水为主，可生化性较好，污水处理工艺成熟稳定。出水水质与相关标准对比情况见表1。

表1 出水水质与相关标准对比情况

3.2.2 新城小区“三联供”项目出水水质

据统计，现有再生水经新城小区冷热暖“三联供”项目热交换利用后，通过管道回送至洪江排水公司现有入江排放口排放。出水水质除水温略有变化(夏季略有提高，冬季略有降低)外，CODCr等其他指标与洪江排水公司出水水质相比，无明显变化，达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅲ～Ⅳ类水标准，优于《城市污水再生利用 景观环境用水水质》(GB/T 18921—2019)要求。2020年新城小区“三联供”项目出水水质见表2。

表2 2020年新城小区“三联供”项目出水水质

3.2.3 再生水利用方案

综合考虑再生水利用的安全性、合理性、经济性等因素，根据再生水水质，结合区域规划以及管网布设，按照“经济合理、安全可靠、就近利用”的原则，洪江排水公司拟对用于新城小区冷热暖“三联供”项目热交换的再生水，采用双点补水方案，用于主城区景观河道城山河、西山河以及五山地区水网的生态补水。再生水补水方案见表3，补水点具体位置见图2。

表3 再生水补水方案

4 再生水利用的影响分析

4.1 对区域水生态环境的影响分析

4.1.1 再生水水温对区域水生态环境的影响

a.扩散方程。洪江排水公司再生水补给水体城山河、西山河为宽浅河道，河道生态补水采用岸边排放，补水点下游形成的均匀流二维热量扩散方程如下[13-15]：

(1)

定解条件：

(2)

式中：T为坐标点的温升值，℃；x、y为平面点坐标，m；t为时间坐标，s；u为已知均匀流场流速，m/s；Ex、Ey分别为纵向、横向扩散系数，m2/s；ΔTs为垂向混合后排放口温升值，℃；K为温度衰减速率系数。

K由下式确定：

(3)

式中：H为水深，m；Ks为水面综合散热系数，W/(m2·℃)。

Ks由经验公式确定，当固定源强S=qT0时，由下式计算：

(4)

式中：q为生态补水流量，m3/s；T0为出水温升，℃；Δx为排放口所在节点宽度,m。

式(1)～(4)有解析解(恒定)。

(5)

(6)

式中：V2为水面以上2m处的风速(考虑到计算结果的安全性，风速取0)；T为各网格计算温升加上环境水温,℃。

b.影响分析。综上，洪江排水公司再生水经新城小区“三联供”项目热能提取后，回用于河道生态补水，补水点局部河段的水温将有所变化，结果见表4，但仍满足《地面水环境质量标准》(GB 3838—2002)中对Ⅰ～Ⅴ类水域温度规定要求：人为造成的环境水温变化应限制在夏季周平均最大温升不大于1℃，冬季周平均最大温降不大于2℃。洪江排水公司应加强对再生水利用管理，根据季节性变化通过及时调整再生水水量、水位等措施降低极端天气下出水水位变化，进一步降低对水生态环境的影响。

表4 再生水水温对补水河道生态环境的影响

4.1.2 再生水水质对区域水生态环境的影响

根据洪江排水公司2020年运行数据，采用《环境影响评价技术导则 地表水环境》(HJ 2.3—2018)[16]进行混合过程段水环境影响预测，混合过程段水质预测采用河流平面二维连续稳定排放模型，预测模型如下：

(7)

式中：C(x,y)为纵向距离x点、横向距离y点的污染物浓度，mg/L；m为污染物排放速率，g/s；Ch为河流上游污染物浓度，mg/L；Ey为污染物横向扩散系数，m2/s；u为断面流速，m/s；k为污染物的衰减系数，d-1;h为水深，m。

混合过程段主要污染物变化情况见表5。由表5可知，洪江排水公司再生水经新城小区“三联供”项目热能提取后，回用于城山河、西山河以及五山地区水网中，除CODCr、TN浓度略有增加外，其余NH3-N、TP浓度略有减小，但总体变化幅度不大，不会改变五山地区河网水系现状水环境质量。同时，再生水利用项目实施后，促进了水体流动，提高了区域水体自净能力[14,17]。

表5 正常工况下补水河段混合过程段主要污染物变化 单位：mg/L

4.2 对区域防洪除涝的影响分析

根据容蓄曲线计算，在正常水位、不考虑水面蒸发以及河道输漏损失条件下，洪江排水公司再生水利用仅使评价区域内河道水位抬升0.02m，抬升幅度相对较小，不会引起区域水利工程频繁调度，也不会导致区域防洪除涝标准的降低，与区域防洪除涝控制水位相适应。

补水河道城山河、西山河河床底质以砂性土为主，据相关研究，对砂性土不冲流速应控制在0.12～0.40m3/s。洪江排水公司再生水利用工程采用双点补水方案，2处补水点折算平均补水流量为0.27m3/s，为不冲流速，满足要求，不会导致河床冲淤明显变化以及河道岸坡受冲失稳，对区域河道岸坡稳定影响较小[18]。

4.3 对城市景观环境用水的影响分析

城山河、西山河为城市景观河道，区域河道水系主要为观赏性环境景观用水。根据洪江排水公司运行数据，达标尾水基本无臭味，出水水质明显优于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅳ类水标准，对城市观赏型景观环境用水的影响较小。

4.4 对第三市合法水事权益的影响分析

再生水回用区域涉及的河道为城市河道，主要功能为城市景观、防洪除涝等，无通航要求，评价范围内除雨水排放口外，无工业、生活取水口，无码头等其他工农业生产和城市生活设施，对其他第三市合法水事权益影响较小。

综上所述，洪江排水公司再生水利用工程经新城小区“三联供”项目热交换利用后，回用于城山河、西山河及五山地区水网的河道生态补水，对区域河流水生态环境、区域防洪除涝安全以及第三市用水户的影响均较小，再生水水量和水质均可满足区域水系生态补水需要，方案总体可行。再生水利用项目的实施，将有效提升南通市再生水利用水平，缓解区域水资源供需矛盾，促进区域水生态环境良性循环。洪江排水公司应加强污水处理设施运行管理，杜绝事故排放。

5 结 语

再生水回用是一项复杂的系统工程，既可减少水环境污染，又可有效缓解资源型和水质型缺水的双重压力，是经济社会高质量发展的必然趋势。各级政府部门在加强再生水回用宣传、提高节水意识的同时，要根据“高质高用、低质低用”的原则，制定切实可行的分质供水方案和再生水回用规划，加强政策支持，培育再生水回用市场，为建设“强富美高”新南通提供水资源保障。