4　污水再生利用工程

水是自然界中唯一不可替代，也是唯一可以再生的資源。在城市污水中，污染物質只占0.1%左右，遠低于海水中3.5%的量值，且就近可得，易于回收，經過適當再生處理，可以重復利用，對保障城市安全供水具有重要的意義。

污水再生利用的目的和意義可以歸納為以下幾點：（a）解決了水資源短缺和水危機問題；（b）城市污水再生處理回用，實現污水資源化，減少了向水域的排污量；（c）以污水為原水的再生處理廠的制水成本低于甚至遠遠低于以自然水為原水的自來水廠。

城市污水再生利用是緩解水資源短缺、保護生態環境、實現污水資源化的有效途徑。再生水作為一種潛在水資源的價值已經日益得到人們的重視。城市污水越來越多地在統一的規劃和控制之下，有目的、有規律、安全地重復利用。目前我國已制定并實施的污水再生利用標準有：

《城市污水再生利用 分類》（GB/T 18919—2002）

《城市污水再生利用 城市雜用水水質》（GB/T 18920—2002）

《城市污水再生利用 景觀環境用水水質》（GB/T 18921—2002）

《城市污水再生利用 工業用水水質》（GB/T 19921—2005）

《城市污水再生利用 地下水回灌水質》（GB/T 19772—2005）

《城市污水再生利用 農田灌溉用水水質》（GB 20922—2007）

《城市污水再生利用 綠地灌溉水質》 （GB/T 25499—2010）

《污水再生利用工程設計規范》（GB 50335—2002）

《工業循環冷卻水處理設計規范》（GB 50050—2007）

4.1　污水再生利用的途徑

污水再生利用的主要途徑包括工業、景觀環境、綠地灌溉、農田灌溉、城市雜用和地下水回灌等。

（1）工業用水　城市污水再生后是工業用水的重要來源。經適當深度處理的城市污水，只要控制好出水中的懸浮物、氨氮和硬度3項指標就可比較容易地達到《工業循環冷卻水處理設計規范》（GB 50050—2007）的要求，作為冷卻用水。通過采取進一步的處理措施，再生水還可作為水源供給不同行業作為生產用水，如工藝與產品用水、洗滌用水、鍋爐補給水等。

（2）景觀環境用水　由于城市用水量逐漸增大，原有城市河流湖泊常出現缺水、斷流現象，影響城市景觀和居民生活。污水再生利用于景觀水體可彌補水源的不足。再生水作為景觀環境水體補水應考慮人體接觸的健康風險和水體富營養化的風險，注意再生水的氮磷含量，在氮磷含量較高時應通過控制水體的停留時間和投加化學藥劑保證其景觀功能的實現。并同時應關注再生水中的病原微生物和持久性有機污染物對人體健康和生態環境的危害。

（3）綠地灌溉　污水再生利用于綠地灌溉，水質應滿足《城市污水再生利用 綠地灌溉水質》（GB/T 25499—2010）要求。完全對公眾開放的綠地，如公園、居民區及校園綠地等人口密集地區，這些地區灌溉的再生水在二級處理后，還需過濾和消毒，嚴格控制病原微生物、濁度、有毒有害有機物及色度、嗅味等；對限制公眾進入的綠地，如高速公路綠化隔離帶等少人地區，這些地區的水質要求則相對低一些，主要關注再生水的濁度和嗅味等。利用再生水灌溉綠地，應保證不會對操作人員、游人、行人等的健康造成不良影響；污水二級處理出水溶解性總固體（TDS）較高時，應注意使用量和使用頻次，或增加相應除鹽措施。

（4）農田灌溉　污水再生利用于農田灌溉已被廣泛重視。合理的農田灌溉既能滿足農業對水的部分需要，節約水資源，又使污水中含有大量氮、磷等植物所需營養物質得到充分利用。當然其中也存在污染土壤和影響農作物品質的可能，但是污水處理廠出水經過適當的深度處理后，對灌溉作物的這種危害及其隨后生態鏈危害會大大降低。在《城市污水再生利用 農田灌溉用水水質》（GB 20922—2007）中對不同類型的作物，COD_Cr、BOD₅、SS等都提出了較詳盡的要求，這些水質指標普通的二級污水處理廠很容易就能達到。因此，選用適宜的灌溉方法合理利用再生水，減輕至消除對農作物的品質影響完全可以實現。

（5）城市雜用　再生水作為城市雜用的用途有沖廁、道路清掃、車輛沖洗等。不同的水源特性、不同的使用目的對處理工藝提出了不同的要求。對于城市污水處理廠的二級出水，只要經過較為簡單的混凝、沉淀、過濾、消毒就能達到絕大多數城市雜用水的要求。進一步提高雜用水水質，可考慮采用臭氧氧化和臭氧或紫外與氯的復合消毒等工藝，以增加再生水回用的可靠性。當原水為建筑物排水或生活小區排水，尤其包含糞便污水時，應考慮生物處理和消毒工藝的選擇。

（6）地下水回灌　污水處理再生后回灌到地下含水層，主要目的是補充地下水，防止因過量開采地下水而造成的地面沉降和海水入侵。作為再生水回用水質保障處理技術，再生水的衛生學保障消毒技術均已比較成熟，并已在國內外得到了廣泛的應用，這些技術的發展和應用為再生水回灌的水質指標要求提供了極大的保障。

4.2　污水再生利用的處理對象和典型工藝

4.2.1　污水再生利用的處理目標

運行正常的二級污水處理廠出水中的污染物可分為有機物、無機物、顆粒狀固體和病原微生物4類。污水再生利用時的處理對象就是這4類物質，為了進一步去除二級處理未能完全去除的污水中雜質，達到不同用途的再生水水質要求，需要將各種污水深度處理單元技術進行有機組合。常用的深度處理單元技術功能及特點如表1-4-1所示。

4.2.2　污水再生利用的典型工藝

城市污水再生利用工藝有多種，以下為典型的污水再生利用工藝，其中圖1-4-1～圖1-4-6為常規深度處理工藝，圖1-4-7～圖1-4-15為高新技術深度處理工藝。

（1）直接過濾

（2）微絮凝過濾

（3）沉淀（澄清、氣浮）過濾

（4）活性炭吸附

（5）臭氧氧化

（6）活性炭吸附與臭氧氧化聯合處理

（7）膜分離

（8）慢濾

（9）土地處理

4.3　單元處理工藝及設計要點

城市污水再生利用主要依靠三級處理（又稱深度處理、高級處理）工藝，單元處理技術的組合原則主要考慮以下幾個因素：（a）污水中的污染物的特性；（b）處理后污水的用途；（c）單元處理技術相互之間的兼容性；（d）經濟可行性。

4.3.1　混凝

混凝單元主要具有去除懸浮顆粒和化學除磷兩個作用，化學除磷是通過混凝劑與污水中的磷酸鹽反應，生成難溶的化合物，使污水中的磷分離出來。

（1）石灰混凝　石灰具有除磷和混凝的雙重作用，能同時去除多種污染物。

①除磷　由于羥基磷灰石［Ca₅（OH）（PO₄）₃］是難溶固體，污水中的磷與石灰中的鈣反應，形成［Ca₅（OH）（PO₄）₃］沉淀，其反應方程式如下：

pH值是影響除磷效果的主要因素，羥基磷灰石的溶解度隨pH值增加而迅速降低，要保持較高的除磷率，需要將pH值提高到9.5以上。要達到一個給定的磷酸鹽的去除率，所需的石灰用量與污水中的堿度成正比，而與水中的含磷濃度關系不大。采用石灰作為絮凝劑除磷時，宜用鐵鹽作為助凝劑，石灰用量與鐵鹽用量宜通過試驗確定。

②改善水體的感官指標　投加石灰可去除色度、嗅味、提高水體的澄清度。

③殺菌　由于投加石灰之后水中的pH值往往高達10.5以上，對大腸桿菌等菌類有很強的殺滅效果，有助于降低后續消毒工藝的加氯量。

④去除有機物　利用石灰的混凝作用以及Ca（OH）₂與污水中HC結合生成CaCO₃的絮凝作用，降低出水的COD_Cr、BOD₅等指標。

⑤去除鈣、鎂、硅及氟化物　Ca²⁺+F^- CaF₂↓

⑥去除某些金屬及非金屬離子　包括Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Mn²⁺、Al³⁺、Ag⁺、Cr、Pb²⁺、Mo、B₄等。

（2）鋁鹽、鐵鹽除磷

①鋁鹽除磷　當使用硫酸鋁作為混凝劑除磷時，其反應的化學方程式為：

鋁鹽除磷的最佳pH值約為6。

除硫酸鋁外，除磷使用的鋁鹽還有聚合氯化鋁（PAC）等。聚合氯化鋁與磷產生的反應與硫酸鋁相同。反應形成的絮凝體宜通過重力沉淀加以去除。

②鐵鹽除磷　鐵鹽中的鐵離子有二價和三價，三價鐵離子與磷的反應和鋁離子與磷的反應相同，形成難溶的磷酸鐵。二價鐵離子與磷的反應要復雜一些，需要對二價鐵離子加以氧化。當pH值為5時，FePO₄的溶解度最小。常用的鐵鹽絮凝劑有硫酸亞鐵、氯化硫酸鐵和三氯化鐵。

采用鋁鹽或鐵鹽作為絮凝劑除磷時，藥劑投加量為去除1mol磷至少需要1mol鐵（Fe）或1mol鋁（Al），并應乘以2～3倍的系數，該系數宜通過試驗確定。

（3）設計要點　混凝單元的設計應根據深度處理流程的豎向水力銜接條件來選擇工藝，當深度處理前設置提升泵站時，可采用水泵混合、靜態混合等方式。當流程水力銜接的水頭較小時，首先考慮采用槳板式機械混合裝置，而盡量避免采用隔板混合池，以防止因隔板上大量滋生生物膜而影響出水水質。

在反應單元的設計中，同樣應首先選用機械絮凝池和水力旋流絮凝池，而盡量避免采用隔板式絮凝池、折板絮凝池、網格柵條絮凝池。

4.3.2　固液分離

污水中含有的懸浮物，其粒徑從數十毫米至1μm以下的膠體顆粒是多種多樣的，經二級處理后，在處理水中殘留的懸浮物是以粒徑從數毫米至10μm的生物絮凝體和未被凝聚的膠體顆粒，二級處理水BOD₅值的50%～80%都來源于這些顆粒。去除這些顆粒可提高二級處理水的穩定度，也是提高脫氮除磷效果的必要條件。

去除二級處理水中的懸浮物采用的處理技術要根據懸浮物的狀態和粒徑而定。粒徑在1μm以上的顆粒，一般采用砂濾去除；粒徑從幾十納米到幾十微米的顆粒，采用微濾技術去除；粒徑在100nm至零點幾納米的顆粒，應采用反滲透法加以去除；呈膠體狀的顆粒，則采用混凝沉淀法去除。

（1）混凝沉淀　混凝沉淀是污水深度處理常用的一種技術。混凝沉淀工藝去除的對象是污水中呈膠體的和微小懸浮狀態的有機和無機污染物，從而去除污水的色度和濁度。混凝沉淀還可以去除污水中某些溶解性物質，如砷、汞等，也能有效地去除導致水體富營養化的氮、磷等。

城市污水二級處理水中殘余的生物絮體沉淀性能較差，宜采用混凝沉淀單元技術。混凝劑的正確選用是混凝沉淀技術的關鍵環節，一般需要通過試驗才能選定出適當的混凝劑種類和投加的劑量。

采用混凝工藝去除污水中的有機污染物效果良好，投藥量以硫酸鋁計算往往需要50～100mg/L，并且會產生大量含水率較高的污泥。

混凝反應過程形成的絮凝體的分離，除沉淀外，還可以用澄清池加以分離。給水處理工程已有成熟經驗，在污水深度處理領域都可以在考慮本身特點的基礎上加以參考利用。

（2）氣浮　活性污泥具有易流動、難沉淀的特性，而利用氣浮工藝在深度處理系統中往往有較好的效果，另外，氣浮工藝中的溶氣過程還有利于提高處理水體的溶解氧值，避免水質惡化，所以目前在國內外的給水與污水處理過程中應用較為廣泛，使用較為普遍的是部分回流壓力溶氣氣浮流程。

設計中可參考采用如下參數：（a）溶氣水回流比為10%～20%；（b）氣浮池表面負荷為3.6～5.4m³/（m²·h），上升流速1.0～1.5mm/s；（c）停留時間20～40min，聚合氯化鋁投藥量為20～30mg/L。

（3）過濾　過濾能去除生化過程和化學沉淀中未能去除的顆粒和膠體物質，還能作為水質把關單元保證后續工序的正常運轉。

二級處理水過濾處理的主要去除對象是生物處理工藝殘留在水中的生物污泥絮體。過濾處理技術的設計要點如下。

a.雖然處理水中的絮凝體具有良好的可濾性，但由于水中的膠體污染物難于去除，濾后水的濁度去除效果不佳，所以應考慮投加一定的化學藥劑。如處理水中含有溶解性有機物，還應考慮采用活性炭去除。

b.因二級處理水中的懸浮物多是生物絮凝體，在濾料層表面易形成一層濾膜，致使水頭損失迅速上升，過濾周期大為縮短。絮體貼在濾料表面，不易脫離，因此需要輔助沖洗，即加表面沖洗或用氣水共同沖洗。空氣強度為20L/（m²·s），沖洗水強度為10L/（m²·s）。

c.濾料應適當加大顆粒，以加大單位體積濾料的截泥量。

有關過濾設備的構造、作用原理以及設計計算等內容，在本書的相關章節中已有闡述。一般情況下，用于水處理的過濾設備和各種濾料都適用于二級處理水的深度處理。

4.3.3　活性炭吸附

利用活性炭吸附可以除臭、脫色、去除微量的元素以及放射性污染物質，而且還能吸附多種類型的有機物。通過活性炭吸附，可以去除一般的生化和物化處理單元難以去除的微量污染物。

（1）活性炭的類型　活性炭一般有粉狀、粒狀和塊狀三種，以粉狀活性炭和粒狀活性炭較為常見。但是粉狀炭和粒狀炭的使用方法及吸附裝置完全不同，粉狀活性炭常與混凝劑聯合使用，投加于絮凝單元中，粒狀活性炭則往往作為濾料使用。污水深度處理多使用粒狀活性炭。

（2）吸附裝置　在活性炭吸附裝置中，使用最多的是濾床類吸附裝置。濾床類吸附裝置又可分為固定床、移動床和流化床等，固定床的構造、工作方式、反沖洗方式等都與普通快濾池十分相似，只是將砂濾層換成了粒狀活性炭。移動床和流化床的工作方式類似于水質軟化的離子交換裝置。

（3）吸附試驗　當選用粒狀活性炭吸附處理工藝時，應進行靜態選炭及炭柱動態試驗，根據被處理水水質和再生水水質要求，確定用炭量、接觸時間、水力負荷與再生周期等有關設計參數。活性炭的吸附能力不僅取決于自身的品質，也取決于水中污染物的組分構成。通常吸附試驗應比較兩種以上的活性炭產品；對濾床設計，還應進行比較3種以上的濾速。

（4）設計要點　在無試驗資料時，活性炭吸附罐宜采用下列設計參數。

①接觸時間　通常可根據活性炭的柱容來計算接觸時間。對于深度處理，當出水要求的COD為20～30mg/L時，接觸時間可采用20～30min；要求出水COD為5～10mg/L時，則接觸時間為30～50min。

②吸附濾速　活性炭床的吸附濾速與砂濾池相似，濾速一般為6～15m/h。

③操作壓力　操作壓力通常為每30cm碳層厚不大于7.0kPa，相當于采用3m高碳柱時，操作壓力不超過71kPa。

④碳層厚度　一般為4～8m，單柱炭床的碳層厚度一般為1.2～2.4m，炭床多為串聯工作，運行時依次順序沖洗、再生，一組串聯床數通常不多于4個。并聯組數不應少于兩組，以便活性炭再生或維修時，不至于停產影響水質。

⑤反沖洗　經常性沖洗強度為15～20L/（m²·s），沖洗歷時10～15min，沖洗周期3～5d，沖洗膨脹率為30%～40%；除經常性沖洗外，還應定期采用大流量沖洗；沖洗水可用砂濾水或炭濾水，沖洗水濁度<5NTU。

⑥預處理及其他　在活性炭吸附處理之前，應對原水進行必要的預處理，以延長活性炭的使用壽命。吸附裝置中由于有微生物存活，部分有機物被微生物所分解，能夠顯著地提高去除溶解性有機物的功能。

4.3.4　臭氧氧化

臭氧既是一種強氧化劑，也是一種有效的消毒劑。利用臭氧氧化可以去除水中的臭、味、色度，提高和改善水的感官性狀；降低高錳酸鹽指數，使難降解有機物得到氧化、降解；殺滅水中的病毒、細菌和病原微生物等。臭氧與活性炭去除有機物的機理不同，去除的有機污染物組分也有所差異。活性炭主要側重于吸附溶解性有機物，而臭氧則主要側重于氧化難降解的高分子有機物。

（1）臭氧接觸裝置　臭氧接觸裝置是保證臭氧氧化效果的關鍵單元設備，為保證接觸裝置設計合理、可靠應通過模擬試驗確定設計參數。由于在深度處理中使用臭氧側重于對有機物的氧化功能，并且介質中的有機物濃度和細菌總數也都高于一般的地面水，因此在設計中按深度處理的水質條件來確定臭氧投加量和接觸時間，并根據這一特點來選擇適宜的氣液接觸裝置。

（2）設計要點　深度處理的臭氧氧化單元可參考采用以下經驗參數設計。

①降解COD　（a）臭氧消耗量：降解1mg/L COD消耗4mg/L O₃（臭氧化氣）；（b）接觸時間：10～15min。

②消毒　（a）臭氧投加量：5～15mg/L水；（b）接觸時間：10～15min。

（3）尾氣處置與利用　在臭氧氧化接觸后排出的尾氣含有低濃度臭氧，會影響環境和人畜安全，難以達到排放要求，因而必須對尾氣進行進一步處理。

在污水深度處理中，當采用氧氣來制取臭氧時，可考慮將經過分解的臭氧氧化尾氣引入生化二級處理單元，提高其曝氣質量和系統的動力效率。

4.3.5　膜分離技術

深度處理中，采用膜分離技術去除的主要污染物是難降解、難分離的高分子有機污染物以及重金屬離子等，主要包括基于微濾和超濾的固液分離技術，以及基于反滲透的脫鹽及溶解性污染物去除技術。具體包括膜生物反應器（MBR）技術、微濾/超濾膜過濾技術；反滲透（RO）技術等。膜法城市污水深度處理是城市污水資源化的一種重要手段，主要流程為混凝沉淀、過濾、活性炭吸附等前處理過程，以及后續的膜分離技術。

（1）膜生物反應器及設計要點　將膜分離技術與活性污泥生物處理單元相結合，以膜過濾取代傳統二沉池的水處理技術，適用于以城市污水為水源的污水再生處理。常用組件類型主要有板式和中空纖維兩種，需進行定期在線清洗和離線清洗，膜組件采用中空纖維更換周期一般為3～5年，采用板式更換周期一般為5～8年。

以城市污水為處理對象，操作壓力宜小于0.05MPa，膜通量一般為10～20L/（m²·h），氣水比宜為10～30。出水COD_Cr<30mg/L，濁度<1NTU。

（2）微濾/超濾膜過濾及設計要點　利用微濾膜或超濾膜去除水中SS和膠體物質的處理技術，主要包括外置式和浸沒式兩種應用方式。常用組件類型主要有板式、管式和中空纖維三種，需定期進行在線和離線化學清洗，膜組件更換周期約為3～5年。適用于城市污水二級處理出水的深度處理，可替代常規的沉淀-過濾工藝。

設計運行參數與膜的過濾方式有關。外置式：操作壓力宜≤0.2MPa，膜通量宜為40～70L/（m²·h），反沖洗周期宜為30～60min；浸沒式：操作壓力宜≤0.05MPa，膜通量宜為30～50L/（m²·h），反沖洗周期宜為30～60min。COD_Cr去除率為5%～30%，濁度<0.2NTU，水回收率≥90%。

（3）反滲透技術及設計要點　利用只能透過水而不能透過溶質的反滲透膜進行水中溶解性物質去除的膜分離技術，多用于對溶解性無機鹽類和有機物含量有特殊要求的再生水生產。反滲透對預處理要求高，一般要求有超濾或微濾預處理，并使用一次性的保安過濾器（一般采用5μm濾元）；反滲透膜用于污水再生處理容易產生膜污染問題，每年需進行2～6次膜的化學清洗，3～5年需更換膜組件。

反滲透處理工藝的核心部件是半滲透膜，其中主要有醋酸纖維素膜和芳香聚酰胺膜。在形式上有管式、平板式、螺旋卷式和中空纖維式等。表4-1-2所列舉的是各種形式半滲透膜的各項技術特征。

以城市污水二級處理水為對象，進水污染指數（SDI15）<3，運行壓力≤2.0MPa，一級兩段反滲透產水率可大于70%，一級RO系統的脫鹽率可大于95%，二級RO的脫鹽率可大于97%。

4.3.6　常用消毒方法

城市污水經二級處理后，水質得到改善，細菌含量也大幅度減少，但細菌的絕對值仍很高，還可能存在病原微生物，因此消毒是再生水生產環節的必備單元。

污水消毒的主要方法是向污水中投加消毒劑。可以采用液氯、次氯酸鹽、二氧化氯、紫外線、臭氧等技術或其組合技術等消毒。當采用液氯消毒時，加氯量按衛生學指標和余氯量控制，宜連續投加，接觸時間應大于30min。

4.4　污水再生處理構筑物設計要點

a.污水再生處理構筑物的生產能力應按最高日供水量加自用水量確定，自用水量可采用平均日供水量的5%～15%。

b.各處理構筑物的個（格）數不應少于2個（格），并宜按并聯系列設計。任一構筑物或設備進行檢修、清洗或停止工作時，仍能滿足供水要求。

c.再生水廠應設清水池，清水池容積應按供水和用水曲線確定，一般不宜小于日供水量的10%。

d.再生水廠和工業用戶，應設置加藥間、藥劑倉庫。藥劑倉庫的固定貯備量可按最大投藥量的30d用量計算。

e.在寒冷地區，各處理構筑物應有防凍措施。