再生水分类处理及精细化配置技术

秦国帅 刘静 陈晨 李新月 王彦东 吴良满 房凯

摘 要： 为推进污水资源化利用、提高再生水利用配置水平，针对目前再生水利用配置过程存在的问题，提出了包含再生水用户市场调查、再生水水质综合评估、确定分类处理技术、制定精细化配置方案的再生水分类处理及精细化配置技术框架，并以江苏省宿迁市为例进行分析。根据宿迁市中心城区再生水用户利用需求、污水处理厂出水水质调查结果，按照工业用水、城市杂用、景观环境和灌溉用水的利用途径提出了符合宿迁市实际情况的再生水分类处理技术，制定了针对典型污水处理厂的精细化配置方案。研究成果可为宿迁市推动再生水利用配置试点工作提供支撑，对国内其他城市再生水利用配置具有一定的借鉴意义。

关键词：再生水；分类处理；精细化配置；技术框架

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：2095-1795（2024）01-0127-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.01.022

0 引言

受气候变化及人类活动的影响，水资源短缺已成为制约全球可持续发展的重要因素，再生水作为城市的“第2 水源”，提高再生水利用水平被认为是解决水资源短缺的有效途径[1-3]。为推进污水再生利用，国家发展改革委于2021 年印发《关于推进污水资源化利用的指导意见》，要求以城镇生活污水资源化利用为突破口，以工业利用和生态补水为主要途径，推动我国污水資源化利用实现高质量发展。2023 年印发的《水利部 国家发展改革委关于加强非常规水源配置利用的指导意见》提出，统筹将再生水用于工业生产、城市杂用、生态环境和农业灌溉等领域；有条件的缺水地区，按照农田灌溉用水水质标准要求，稳妥推动再生水用于农业灌溉。再生水利用配置主要以污水处理厂为基础，通过输配管网将深度处理后的再生水按照就近利用、优水优用、分质用水的原则供给不同类型的用户使用[4-5]。再生水利用配置过程中，实现再生水生产企业与用水户之间的精准匹配是提高再生水利用量的关键，也是目前再生水利用配置的难点，需要深入了解供水企业和用水户的需求，结合实际情况制定分类处理和精细化配置方案，提高再生水利用配置水平[6]。

再生水利用配置过程中，由于污水处理厂执行的排放标准低于再生水利用的水质标准，往往需要对污水处理厂出水进行深度处理[7-8]。再生水处理技术方面，目前的主要工艺可以分为混凝沉淀过滤（老三段）技术、生物处理技术、膜处理技术、湿地处理技术及消毒技术[5，8]。单独使用某项单元技术较难满足用户对水质的要求，一般采用组合处理工艺，并且需要综合考虑当地社会经济发展水平、用户需求、水质状态和利用标准等因素。目前再生水处理技术方案的优化选择方面还缺乏相关的技术标准，在一定程度上影响再生水利用配置试点工作的推进[9-10]。再生水配置方面，研究人员将传统水资源配置领域的研究方法应用于再生水配置领域，在研究和实践方面取得了一定的进展，针对再生水生产企业和用户之间精细化配置的研究还比较欠缺，再生水利用配置“最后一公里”的问题依然比较突出[11-13]。

本研究针对再生水利用配置过程存在的问题，提出再生水利用分类处理和精细化配置的技术框架体系，以江苏省宿迁市为例进行分析，为宿迁市再生水利用配置试点工作提供参考，对于国内类似地区再生水利用配置具有一定的借鉴意义。

1 再生水利用分类处理及精细化配置技术框架

再生水处理技术工艺的确定需要根据再生水用户水量水质需求和污水处理厂出水水质现状，综合考虑经济水平、基础条件、利用成本等因素选取合理的再生水处理技术工艺和精细化配置方案。再生水利用分类处理及精细化配置技术框架，如图1 所示。

1.1 用户市场调查

对再生水用户市场进行系统调查和评估，了解再生水利用现状，掌握再生水生产企业与再生水用户之间的供需特征，明确不同类型再生水用户利用潜力和需求，合理预测未来一个时期的再生水利用规模。

1.2 水质综合评估

针对有再生水利用配置需求的污水处理厂出水水质进行补充监测和分类分级评估，全面掌握污水处理厂出水水质状态，对比水质和利用标准，识别影响利用的关键水质参数。

1.3 确定分类处理技术

根据再生水不同利用途径及影响利用的关键水质参数，综合考虑再生水用户需求、当地经济水平、再生水处理基础条件、投资成本和效益等因素，按照工业用水、城市杂用水、景观环境用水、灌溉用水和补充水源水等用途确定再生水分类处理技术工艺。

1.4 制定精细化配置方案

根据不同用水户水量水质需求、污水处理厂位置和污水处理现状，以及再生水管网分布情况提出合理的再生水利用配置方案，以污水处理厂为单元实现再生水从污水处理厂到再生水用户之间的精细化配置。

2 案例分析

2.1 研究区域概况

宿迁市位于江苏省北部（117°56 ′～ 119°10 ′E，33°8′～34°25′N），多年人均水资源量545 m3，不足全国平均水平的1/4，是黄淮平原典型的缺水城市。宿迁市现辖宿城区、宿豫区、沭阳县、泗阳县和泗洪县，中心城区包括宿豫区和宿城区，总面积2 154 km2。宿迁市目前已建成部分以污水处理厂为节点的再生水输配管网，对部分水质较好的再生水进行回用，为推进再生水利用配置试点工作打下良好基础。

2.2 再生水用户市场调查

通过资料收集、现场调查和发放问卷等形式对宿迁市中心城区再生水用户市场进行评估，明确再生水利用现状、利用途径及需求潜力。据统计，宿迁市中心城区2021 年污水处理量12 562 万t、再生水利用量约2 597 万t、利用率约20.7%，主要利用途径为景观环境用水、工业生产及城市杂用，还未用于农林灌溉，如图2 所示。其中景观环境再生水利用量2 000 万t，占比约77.0%；工业再生水利用量440 万t，占比约16.9%；城市杂用再生水利用量157 万t，占比约6.1%。

宿迁市中心城区农林灌溉用水占总用水量60% 以上，在水质满足要求的前提下开发灌溉用水方面的利用需求，对于缓解水资源矛盾、提高再生水利用率具有重要意义。根据利用需求调查结果，预计到2025 年，宿迁市中心城区再生水需求总量可达4 469 万t，主要包括景观环境、工业生产、城市杂用和农林灌溉4 个领域，不同领域再生水需求量占比如图2 所示。其中，景观环境用水需求仍然最大，占总需求量的69.9%；工业生产再生水需求上升22.0%；农林灌溉领域开展再生水利用试点，需求占比1.2%。

2.3 再生水水质综合评估

根据现行的GB/T 18919—2002《城市污水再生利用分类》，再生利用途径可以分为农林牧渔业用水、城市杂用水、工业用水、环境用水和补充水源水。宿迁市中心城区再生水主要用于工业生产、城市杂用、景观环境和农林灌溉等领域，相关标准有《城市污水再生利用工业用水水质》《城市污水再生利用城市杂用水水质》《城市污水再生利用景观环境用水水质》《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》《农田灌溉水质标准》和《城市污水再生利用绿地灌溉水质标准》等。本研究利用2021 年1—12 月污水处理厂水质监测数据和2022 年3—6 月补充监测数据对中心城区主要污水处理厂出水水质进行评估。结果表明，宿迁市中心城区污水处理厂出水水质整体较好，均优于一级A标准，能够满足污水处理厂排放标准。再生水利用方面，工业用水对水质要求较高，浊度是影响利用的关键指标，部分污水处理厂溶解性总固体和氯化物需要进行深度处理。城市杂用对粪大肠菌群、大肠埃希氏菌等卫生指标要求较高，污水处理厂出水在利用前还需要进行消毒处理，部分污水处理厂也需要对浊度进行处理。景观环境用水水质要求相对较低，除了个别污水处理厂浊度和五日生化需氧量略高于标准外，大部分污水处理厂出水可直接作为景观环境用水。对于农林灌溉用水，除个别污水处理厂出水溶解性总固体和氯化物高于农业灌溉和绿地灌溉标准限值，大部分污水处理厂出水可直接用于灌溉。

2.4 确定分类处理技术

结合宿迁市中心城区再生水主要利用途径进行分析。再生水作为工业用水主要用于冷却用水、洗涤用水及工艺与产品用水等，主要影响指标为浊度、悬浮物、溶解性总固体和氯化物等。当污水处理厂出水达到利用标准时，进行消毒处理即可利用；在溶解性总固体、氯离子含量满足要求的情况下，采用混凝沉淀过滤技术对浊度、悬浮物等指标进行处理即可达到工业冷却用水的要求；光伏、电子等行业工艺与产品用水对水质要求较高，针对部分污水处理厂溶解性总固体、氯化物较高的问题，可以采用膜处理、离子交換、电渗析等技术进行深度处理。

再生水用于城市杂用主要包括冲厕、车辆冲洗、城市绿化、道路清扫、消防和建筑施工等。城市绿化、道路清扫、消防和建筑施工等要求浊度<10 NTU，用于冲厕和车辆冲洗的水质标准要求<5 NTU，除此之外还对粪大肠菌群等指标有相应要求。根据水量水质情况可灵活选用混凝沉淀/微絮凝+过滤的处理技术，生物处理技术适用于处理水量较大、有脱氮需求的污水处理厂，膜处理技术一般应用于水质要求更高的再生水利用途径，要充分考虑效益与投资运行成本。消毒技术的选取要结合污水处理厂实际情况进行考虑，有补氯需求情况下宜采用次氯酸钠消毒，出水氯离子含量较高的情况下可以采用紫外消毒。

再生水作为景观环境用水主要包括河道、湖泊、湿地等景观环境用水，其中湖泊水质标准高于河道、湿地。宿迁市中心城区污水处理厂出水基本可以满足河道、湿地类景观环境用水要求，作为湖泊类景观环境用水需对浊度进一步处理。当水质较差、处理水量较大的情况下可以优先选用混凝沉淀过滤的处理技术；当湖泊水景类用水对浊度、有机污染物、总氮等指标处理要求较高时，可采用适度超前的反硝化滤池进行处理；当水质相对较好、处理水量较少且空间允许情况下可选用人工湿地处理技术，兼顾水质提升和生态环境效益。

再生水作为灌溉用水主要包括农业灌溉及绿地灌溉。农业灌溉用水具有用水量大、水质要求相对较高的特点，在宿迁市以往的实践中还未将再生水用于农业灌溉，在缺水形势日益严重的情况下，大量稳定的再生水可作为灌溉用水的重要补充水源，并且再生水灌溉可以增加土壤养分，同时减轻再生水厂营养盐去除压力[14]。水质综合评估结果表明，宿迁市中心城区大部分污水处理厂出水水质相对较好，经消毒处理后可直接用于农业灌溉。因此，宿迁市农业灌溉领域再生水利用存在较大的潜力。绿地灌溉用水对浊度、溶解性总固体、氯化物和粪大肠菌群等指标的要求较高，限制性绿地要求水质满足景观环境用水需求可进行利用，非限制性绿地还要求粪大肠菌群≤200 个/L。浊度、粪大肠菌群等指标可采用混凝沉淀过滤+消毒的处理技术，溶解性总固体、氯离子等指标需要通过纳滤/反渗透工艺进行去除，但是成本较高，一般不专门用于灌溉用水的处理。

综上所述，宿迁市中心城区再生水分类处理技术方案如表1 所示。

2.5 制定精细化配置方案

选取宿迁市中心城区工业生产、城市杂用、景观环境和农林灌溉等利用途径的典型污水处理厂进行分析。

2.5.1 污水处理厂A

污水处理厂A 污水设计处理能力6 万t/d，2021 年处理量3.69 万t/d，其中70% 为生活污水、30% 为工业污水。再生水用户市场调查表明，污水处理厂附近的XQ 玻璃和NG 轧钢两个企业有较大的再生水需求，周边马河、黑龙江河、嘉陵江河等河道具有较大的生态补水需求，除此之外还存在部分城市绿化、道路清扫等市政杂用需求。目前，污水处理厂A 出水水质能够满足生态补水需求，影响作为工业用水的关键指标为浊度，另外针对城市杂用还需要进行消毒处理。

污水处理厂A 目前采用曝气沉砂+水解酸化+A2O强化脱氮+二沉池+高效池+V 型滤池+消毒池的处理工艺。由于水质超出标准限值较少，综合考虑现有工艺及污水处理厂实际情况，不再单独增加深度处理设施，可以在高效池和V 型滤池工艺阶段采取优化操作管理、提高过滤效率等措施，并且在厂区西侧空地增加清水池、提升泵站、加氯间进行消毒，使水质满足工业用水和城市杂用的需求。配置方面，由于两企业距离较近，在原有输配管网基础上新铺设部分管道即可为企业供水，同时在污水处理厂周边新建再生水取水站来满足道路清扫、绿化等城市杂用需求。生态补水方面，可直接利用管道将再生水输配至马河，通过闸坝调蓄为马河、黑龙江河和嘉陵江河进行生态补水。污水处理厂A 再生水处理和利用配置方案如图3 所示。

2.5.2 污水处理厂B

污水处理厂B 设计污水处理能力1.5 万t/d，2021年处理量0.86 万t/d，其中70% 来源为工业污水、30%来源为生活污水。再生水用户市场调查表明，污水处理厂附近的电厂为主要再生水用户，利用途径为循环冷却用水。目前污水处理厂出水水质距离循环冷却用水标准还存在一定的差距，主要影响指标为浊度、溶解性总固体、氯离子等。

污水处理厂B 目前采用预处理+一体化MBR 组合池+次氯酸钠消毒的处理工艺，已初步建有再生水处理系统，利用微滤技术对污水处理厂出水进行处理，由于溶解性总固体、氯离子等指标难以通过微滤系统去除。因此，建议在微滤基础上增加反渗透工艺，将现有技术作为反渗透工艺的预处理阶段。通过微滤+反渗透+紫外消毒的处理技术可满足电厂冷却用水要求。配置方面，通过污水处理厂至电厂之间已建成的输配管道直接为电厂供水。污水处理厂B 再生水处理和利用配置方案如图4 所示。

2.5.3 污水处理厂C

污水处理厂C 设计日处理能力10 万t/d，2021 年实际处理量9.17 万t/d，处理能力接近饱和状态，其中生活污水和工业污水各占50%。再生水用户市场调查表明，污水处理厂附近西民便河具有较大的景观环境用水需求，除此之外还有部分城市杂用需求。水质监测结果表明，对于景观环境用水，浊度是影响利用的关键指标；对于市政杂用，除浊度外，还需要对粪大肠菌群等卫生指标进行消毒处理。

污水处理厂C 目前采用预处理+A2O 反应池+高效沉淀池+转盘滤池+接触消毒的污水处理工艺，由于污水处理厂C 污水处理量较大，再生水处理技术宜选用工艺成熟、相对经济的混凝沉淀过滤处理技术。除此之外，出水总氮浓度相对较高，可以在过滤环节采用反硝化滤池，达到去除浊度和总氮的双重效果。消毒方面，目前污水处理厂C 采用次氯酸钠进行消毒，建议在现有基础上增加紫外消毒，进一步降低出水病原微生物浓度。再生水配置方面，污水处理厂距离西民便河较近，经过处理后的再生水可以直接用于西民便河景观环境用水；其余再生水可以通过跨区域再生水输配管网作为沿途道路清扫、城市绿化、车辆冲洗等城市杂用水。污水处理厂C 再生处理及利用配置方案如图5 所示。

2.5.4 污水处理厂D

污水处理厂D 设计污水处理能力4.5 万t/d，2021年实际处理量2.28 万t/d，其中90% 来源为生活污水、10% 为工业污水。再生水用户市场调查表明，再生水主要利用需求为二干渠生态补水，同时二干渠作为重要灌溉渠道可以为农田灌溉供水；绿地灌溉方面，附近高尔夫球场绿地灌溉具有较大用水需求；市政杂用方面，道路清扫和园林绿化具有一定再生水利用需求。水质监测结果表明，污水处理厂D 出水水质较好，可以满足河道生态补水及农田灌溉标准，二干渠周边灌区用水主要取自骆马湖和中运河，将污水处理厂D 处理后的再生水部分用于农田灌溉，可以为生产生活置换出大量优质水源；对于城市杂用，浊度略大于冲厕和车辆冲洗用水标准；当用于非限制性绿地灌溉用水时，除浊度略大于相关标准外，还需要对粪大肠菌群进行处理。

污水处理厂D 目前采用预处理+A2O 生化池+高密度沉淀池+滤布滤池+消毒的处理工艺，水质较好，并且污水处理厂正在实施系统升级改造对生活和工业污水进行分类处理，后期水质能得到进一步提升。综合考虑后，建议在消毒阶段增加药剂投放量，采用多级氧化塘+湿地系统的技术工艺对污水处理厂出水进行深度处理。配置方面，污水处理厂紧邻二干渠，通过建设2.7 km 输配管道可以为二干渠实施生态补水，同时作为干渠沿线农田灌溉用水；污水处理厂至高尔夫球场的供水管道已铺设完成，经湿地处理后可作为高尔夫球场绿地灌溉用水；城市杂用方面，在再生水输配主管道沿线设置再生水取水站为道路清扫和城市绿化供水。污水处理厂D 再生水处理及利用配置方案如图6 所示。

3 结束语

加强再生水利用配置对于促进污水资源化利用，缓解水资源短缺、保护水环境水生态具有重要的意义。针对再生水利用配置过程中存在的问题，提出了包含再生水用户市场调查、再生水水质综合评估、确定处理分类技术、制定精细化配置方案的再生水利用配置技术框架体系，以宿迁市中心城区为例进行分析。研究主要得出以下结论。

（1）宿迁市中心城区再生水主要利用途径为工业生产、景观環境用水、城市杂用和农林灌溉。其中景观环境用水需求最大，占总需求量的69.9%；农林灌溉领域具有较大的再生水利用潜力。

（2）宿迁市中心城区污水处理厂出水水质整体较好，基本上能够满足生态环境和农林灌溉用水需求。用于市政杂用需要对浊度、粪大肠菌群等指标作进一步处理，用于工业生产还需要对溶解性总固体等指标进行处理。

（3）结合中心城区污水处理厂出水水质状况，针对工业用水、城市杂用、景观环境和灌溉用水等利用途径制定了符合宿迁市实际情况的再生水分类处理技术工艺。

（4）针对典型污水处理厂和再生水用户进行分析，提出了以污水处理厂为单元的宿迁市中心城区再生水利用精细化配置方案，为推动再生水利用配置试点工作提供支撑。