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城市污水再生利用于市政景观环境的典型工程实践

发布时间:2011-02-24 14:07 来源:中国水工业网 编辑:蔺洁 点击:348次

作者:鞠宇平,郑兴灿,孙永利,尚巍,廖飞凤
(国家城市给水排水工程技术研究中心,天津 300074)

1 前言

将污水作为一种资源再生后加以利用,是社会、经济持续发展的必然选择,其目的在于增加可供水量、抵抗干旱,增加供水可靠性,保护受纳水体,改善公共卫生条件,保护自然生态环境。我国的"国民经济和社会发展第十个五年计划纲要"已明确规定:重视水资源的可持续利用,坚持开展人工增雨、污水处理再生利用、海水淡化,多渠道开源,建设一批骨干水源工程。发达国家在水环境问题上,也已开始对总体战略目标进行调整,即由控制水、开发水、利用水,转变为对受污染水体功能进行全面修复与恢复,从根本上实现水生态环境的良性循环,从而保障水资源的可持续利用和人类社会的可持续发展。

随着城市化和工业化的发展,原本清洁的河流和湖泊由于生活污水或工业废水的排入渐渐失去了其观赏价值,变成难闻的污水沟,极大地影响了环境和生活,因此市政景观环境再用作为城市污水资源再利用的重要组成部分在世界范围内正广泛开展。国内最早的城市污水景观环境再用研究始于"七五"国家科技攻关计划,此后,天津、北京、泰安、青岛、石家庄等城市的市政景观环境再用相继开展起来。但总体而言,国内的市政景观环境再用工程从规模、技术和处理效果等方面与美国、日本等发达国家相比尚有较大的差距。1932年美国在加利福尼亚州的旧金山建立了世界上第一个将污水处理厂出水再利用为公园湖泊观赏用水,到1947年为公园湖泊和景观灌溉供水已达3.8万m3/d,占公园需水量的四分之一[1],至此,开始了真正意义上的城市污水景观环境再用。此后美国、日本、澳大利亚、以色列、阿拉伯等国家相继开展起城市污水景观环境再用工程,这其中又以美国、日本的再用工程居多。下面较为详细的介绍国内外城市污水景观环境再用的情况。

2 国内市政景观环境再用

据2002年的统计数据,中国共有市级以上城市668个,其中缺水城市400多个,严重缺水城市136个,严重缺水城市涉及到18个省、自治区及直辖市[2][3]。因此开展城市污水资源再利用在我国具有更重要的意义。

2.1 科研进展

"七五"期间,国家就安排了城市污水资源化的研究课题,天津、北京、大连、太原、西安等缺水城市相继开始污水再生工艺,再生技术及经济政策等方面的研究工作,天津制定了地方性标准《天津市景观河道水质质量标准》,并开始尝试将纪庄子污水处理厂二级处理出水引入景观河道的景观环境再用实践。

"八五"期间"污水净化与资源化技术",以天津、泰安、燕山石化、大连等城市为依托,开展了工程性试验,与"七五"国家科技攻关计划相比,"八五"的成果在理论上的创新和实践的开展方面有了长足的进步,同时在泰安建立城市污水再生利用于景观环境的示范工程,并对相关的水质标准值进行长时间的试验研究,取得了较好的示范效果[4]。
  "十五"期间"城市污水再生利用政策、标准和技术研究与示范"课题研究全面展开,在北京、天津、青岛等城市建立起一批景观环境再用示范工程,为景观环境再用的推广奠定了基础。

2.2 工程进展

随着城市化进程的加快与可持续发展战略的实施,国内很多城市都对那些流过城区、因污染严重已变得黑臭的河道、湖泊进行了整治工作,但往往在投入巨额资金实施了污水截流、河道清淤、河底硬化、堤岸砌石等治理工程之后,原有河道、湖泊因城市周边可利用的地表水资源匮乏变成了无水河。为改变此局面,部分城市在河道、湖泊中设置多道橡皮坝截流或引流蓄水,甚至从深井汲水或放入原本就十分缺乏的自来水来维持治理后的河道、湖泊,然而截流水体经过一段时间后水质会逐渐恶化,需重新蓄水,这无疑是极大的浪费。近年来北京、天津、石家庄等城市在建设了大型城市污水处理厂后,将污水处理厂的出水进一步处理后作为这些干涸景观河道、湖泊的补给水,节省了新鲜水资源,使以前直接排出的处理后的城市污水得到再利用,取得了可观的经济和环境效益,这些工程对我国再生水用于景观环境起到了积极的推动作用。

2.2.1 北京

北京是国内较早开展城市污水再生利用于景观环境的,也是全国再生量最大的城市之一。目前几个主要污水处理厂即高碑店污水处理厂、酒仙桥污水处理厂、清河污水处理厂、北小河污水处理厂、方庄污水处理厂等已经投入运行,总污水处理能力可达148万m3/d,再生水的景观环境再用达到近30万m3/d。北京市水再生管线于2002年初在北京市中心和城东地区铺设完工,目前已完成高碑店污水处理厂至通惠河、水源六厂以及水源六厂经右安门到西便门和东便门共20公里的3条主干线的建设,及大观园、陶然亭、龙潭湖、天坛共10公里的4条景观环境用水管线建设。高碑店污水处理厂的部分出水(约3万m3/d)沿着南护城河分配到龙潭湖公园、北京游乐园、天坛公园、陶然亭公园、大观园和万寿公园,合计面积267万平方米的观赏湖泊和休闲水域[5]。

市区原有的四大自然排水系统清河、坝河、通惠河及凉水河由于沿岸垃圾倾倒,河道内排洪减污能力逐渐下降,成了又脏又臭、水环境严重污染的河道,影响了两岸居民的生活质量。2000年开始的一期治理工程对安河闸至下清河闸的10.16公里河段进行疏挖护砌和改扩建,通过分段设闸,形成大面积观赏水面,两岸已建起了亲水休闲设施,开辟了绿化带。在两岸铺设了污水管线,建设清河污水处理厂(20万m3/d),以便收集处理污水,改善水体质量。目前清河污水处理厂已经建成运行,处理后的再生水开始回到清河,不再由京密引水渠供水。城市污水处理厂的再生水利用于景观水体后,京城的高碑店湖、昆玉河、南护城河、京密引水渠已经成为市民观赏、休闲的景观湖泊、河道,大大提高了北京的总体水环境质量,改善了市民的生活环境,提升了该区的旅游价值。

2.2.2 天津

天津市是一个严重的资源型缺水的城市,人均淡水占有量处于国内最低水平,引滦入津工程虽然在一定程度上缓解了水资源的紧缺,但仍无法改变水资源持续匮乏的实际问题。将污水再生处理后变为第二水源,是解决水资源短缺的有效途径之一。目前天津市运行的污水处理厂主要有纪庄子污水处理厂、东郊污水处理厂、咸阳路污水处理厂,共可处理污水110万m3/d,这为污水再生利用提供了可靠的水源。

从"七五"开始天津市就已组织有关科研院所对污水资源化进行研究,2000年市政府决定以纪庄子污水处理厂出水作为再生水源建设纪庄子污水资源化工程,该工程也被列为全国5个污水再利用重点示范工程之一, 2002年底该再生工程正式运行。纪庄子污水处理厂现有处理能力为26万m3/d,扩建完成后处理能力将达到54万m3/d(2003年可完成扩建),再生水主要用于补充生态小区的景观水体、公建与住宅的冲厕、家庭杂用水、喷洒道路、园林绿化、工业区冶金、化工、造纸、电子等60余家工厂企业的冷却水和工艺用水。为保证再生水厂设计出水水质,根据中试结果确定采用居住区与工业区分质供水方案,工程总供水能力为5万m3/d,其中供生态小区2万m3/d,采用CMF+臭氧工艺;供工业区3万m3/d,采用混凝沉淀过滤消毒工艺流程[6]。目前补充生态小区的景观水体工程已经开始运行,确为周围居民创造了良好的生活环境,受到居民和专家一致的认可。同时纪庄子污水处理厂二级处理出水将部分再利用于市内的卫津河,以补充该水体的蒸发损失。鉴于这些再生项目的成功,天津市在近期还将实施双林再生水工程(2万m3/d)、北仓再生水工程(2万m3/d)及东郊再生水工程(2.5万m3/d),这些再生项目均考虑了一定的景观环境再用,预计项目完全实施后,天津的景观水体将可有极大的改善,可以改变目前市内海河、卫津河等河流的缺水状况。

2.2.3 青岛

青岛市是全国严重的资源型缺水城市之一。按人均占有水量计,目前青岛市水资源人均占有量为375立方米,不到全国人均占有量的1/6。引黄济青工程投产通水以来,青岛市供水紧张状况有所缓解。但随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高,用水量不断增加,且黄河断流期不断延长,水资源短缺已成为制约青岛城市发展的一个不容忽视的问题,城市供水频频出现严重危机。因此,在节水的同时,必须发展节水型经济,积极开辟利用其他水资源,大力提倡污水再生,这比南水北调的浩大工程和海水淡化工程在经济上合理得多。同时鉴于严重缺水情况的存在,青岛市政府决定将污水资源化研究与开发列为市社会发展领域重点攻坚项目之一,并纳入市科技发展"九五"计划和2010年长期规划,这推动了青岛水再生事业的发展。

青岛市海泊河污水处理厂再生工程就是在此基础上建成的,该再生工程也是全国五大重点水再生示范工程之一。海泊河污水处理厂建于1993年,二级处理工艺为AB法即两段活性污泥法,目前日处理污水8万立方米。该再生工程以二级处理后的出水为原水水源,于 1999年2月试运行[7]。再生工程处理规模为4×104 m3/d,再生水主要用于景观环境用水、工业冷却、电厂冲灰和生活杂用。青岛市海泊河污水处理厂水再生工程建成后,每年可为城市提供1460万m3再生水,为青岛市污水资源化开辟了新的道路,目前再生水大部分再利用于市区内海泊河流域,为海泊河、李村河的综合整治创造了良好的条件,取得了较大的环境效益。

2.2.4 石家庄

石家庄市也是较早开展的将景观环境再用的城市之一。该市水资源极为匮乏,是全国严重资源型缺水城市之一,年缺水量达1.4×108m3。同时该市水污染也越来越严重,全市排放污水近90×104m3/d,而处理率只有20%左右。缺水和水污染已严重制约了全市经济发展,给人们的生存环境带来严重危害。

石家庄市在1993年9月建成了处理规模为16×104m3/d的桥西污水处理厂,桥西污水处理厂主要承接市区京广铁路以西、石津灌区以南建城区的污水综合处理任务,汇水面积为40平方公里,规划为50×104人口当量的污水,处理工艺为普曝法,出水水质完全达到国家二级排放标准。桥西污水处理厂前后进行过两次污水再生的尝试,第一次是在1999年,将处理后的再生水提升到市区"民心河"作为景观水体用水。民心河围绕市区呈环状,民心河改造是石家庄市政府为改善市区环境,提高市民生活质量而投资兴建的大型"民心"工程,由于没有直接水源,所以需人工注水。二级处理出水在经过简单消毒后,加压输送到民心河西线,使用之初产生了很好的社会效益。但使用后发现,由于水中的氮、磷没有被有效去除,产生大量的藻类和微生物,严重影响水的色度,并且产生臭味。这样在使用一个月后,被迫停用,再生水又转作农业灌溉。第二次污水再生始于2000年,该厂投资3500万元改造原有工艺,增加快速混凝沉淀池,强化了污水中的氮和磷去除效果,二级处理出水经过混凝沉淀过滤消毒深度处理后,出水水质达到景观环境用水标准,目前已通过6公里长的管线重新注入民心河西线和沿线的公园,高峰用水量约10×104m3/d,该工程的实施起到节约水资源和美化城市环境的作用,同时可以明显减轻水环境的污染程度,为彻底治理海河水系和保护渤海湾创造了有利条件[8]。

2.2.5 合肥

合肥位于安徽省中部,是较为典型的水质型缺水和资源型缺水城市之一,市内主要河流包河、银河等污染极为严重,又无外来流域对其进行补水,而市内王小郢污水处理厂每日约30万立方米的二级处理水白白流出,为此,合肥市政府决定,将污水处理厂的二级处理出水进行再利用,除将5万m3/d再生水用于合肥钢厂的工业冷却之外,另有约5万m3/d的再生水经过混凝、过滤、消毒后作为包河、银河、雨花塘、黑池坝补充水。目前王小郢污水处理厂有约5万m3/d规模的再生工程已经建成,且已将部分再生水用于补充包河、银河,大大改善了城区河道总体污染状况,增加了城市整体环境效益。

2.2.6 其他城市

此外国内其他城市如山东泰安、淄博,江苏徐州及浙江慈溪等地均有不同规模的景观环境再用(见表1)。再生水用于景观环境后,取得了很好的社会和环境效益,部分用量大的城市如石家庄在改善城市小气候方面也取得了一定的效果,节约了大量的自来水和地下水资源(部分城市用地下水补充景观水体),一些城市还在景观河道两侧设再生水泵站,抽取河水用作绿化灌溉或者是城市杂用,因此这种再利用值得提倡。

表1 国内其他城市市政景观环境再用工程一览表
序号项目名称再生规模所用工艺再生用途
1泰安市污水处理厂2万m3/d混凝沉淀过滤消毒景观河道/ 工业
2淄博市污水处理厂3万m3/d混凝沉淀过滤消毒景观河道
3浙江慈溪污水处理厂2万m3/d生物陶粒过滤消毒景观河道/ 工业
4徐州市污水处理厂2万m3/d强化二级处理景观河道

但是总体来讲,国内将经二级处理后的城市污水再利用于景观环境的实例并不多见,大量经二级处理后的污水直接排放,浪费了宝贵的水资源。对于已经开展景观环境再用的,也存在各种各样的问题,如景观水体的富营养化现象严重,藻类疯长,水体发绿甚至发臭;执行标准不一;使用工艺还很单一等现象。目前景观环境再用标准最严格的磷排放要求为1mg/L,而据文献介绍,当水体中磷的浓度低于0.02 mg/L时,水体的富营养化现象才可得到有效遏制。显然景观环境再用目前还无法执行如此严格的标准,这其中主要是经济的因素。众多学者对此也展开专门的研究,提出了一些切实可行的方法如在景观水体中使用曝气复氧、在水体中养殖吸收营养物的水生植物、二级出水经加药气浮处理等,这些方法都取得了一定的成效[9]。

3 国外市政景观环境再用

国外市政景观环境再用通常主要可以分为非限制性娱乐用水、限制性娱乐用水、观赏用水。非限制性娱乐用水即在再利用过程中,人与景观环境水有所接触,因此有必要对这样的水进行高级再生处理,如泳池用水等;限制性娱乐用水即在再利用过程中,人体与景观环境水不直接接触,这样的水通常只需二级处理即可,如钓鱼、划船等用水;观赏用水一般指观赏性景观环境再用。通常对人体频繁接触的景观环境水需严格控制大肠菌群浓度。

国外城市污水处理后作为河道、湖泊观赏用水的研究,早在19世纪30年代就已开始。美洲的美国、亚洲的日本、大洋洲的澳大利亚等是开展此项再生较多的几个国家,并建有很多世界知名的工程;非洲的南非也有这方面的实例;欧州各国的再生主要是用于城市绿化、景观灌溉、工业及市政杂用,且这些国家的河道和湖泊的水质较好,市政景观环境再用工程较少[11]。其他国家如沙特阿拉伯、以色列、墨西哥等国家也有这方面的研究与实践。总体而言国外开展的市政景观环境再利用,由于对排入景观水体的氮磷指标进行严格的限制,且污水处理厂绝大多数采用了深度处理工艺,部分再生水甚至使用活性炭过滤、臭氧消毒、加氯除氨等工艺,较好地控制了水体富营养化现象。

3.1 美国
美国的市政景观环境再用以加利福尼亚、佛罗里达州、俄勒冈、德克萨斯、内华达、亚利桑那等州的工程实践为多。

Padre Dam再生水厂位于加利福尼亚州圣地亚哥城,始建于1961年,为当时美国将城市污水再用于限制性娱乐用水(主要指钓鱼、划船、观赏湖泊用水等)的首例再生工程。再生水厂于1997年进行工艺改造。总再生量为1万m3/d,约4000m3/d的水用于补充Santee Lakes地区公园内的7个湖泊(共约190亩)的蒸发补充水,提供湖泊水域的娱乐用水,该公园同时为野生动物提供栖息地;另有约4000m3/d通过25英里长的管线接至整个区域内约140个回用点;其余部分水送至Santee Lakes 地区西南部的水库储存以备用。经过改造后的再生水厂采用Bardenpho工艺,与原先的普通活性污泥法相比,由于厌氧、缺氧、好氧环境的交替存在,极大地提高了生物脱氮除磷的效果。出水水质完全优于加州规定的限制性娱乐用水的标准,其中总大肠菌群小于2个/100mL,BOD5<15mg/L,SS<10 mg/L,最小余氯量一般保持稍高于1mg/L,这样的余氯量既可以保证一定的杀菌效果,又可以避免对野生动植物造成明显的影响。同时用再生水补充湖水,为该区的野生动物繁殖提供了良好的环境;改良的Bardenpho工艺有效降低了水中的氮磷营养物浓度,可以减缓湖区富营养化现象;减少排放海洋的淡水量,保持圣地亚哥附近区域的海洋生态环境;为城市提供再生水,节约了城市淡水资源;防止该地区进一步干旱化。从1961年以来,Santee Lakes地区的景观环境再用,从自然风景的观赏湖泊发展到夜餐划船等娱乐性湖泊,从季节性游戏式钓鱼发展到允许食用的钓鱼,至1965年6月,在湖泊的最上游建立了游泳区,该再生工程的成功,为全世界城市污水再生利用于景观娱乐用水树立了典范[11]。

Donald C.Tillman污水再生厂位于加州Van Nuys,Sepulveda Basin,该区属于半干旱地区,水资源缺乏。二级处理及再生规模为28万m3/d。再生水利用于2.25平方英里的Sepulveda Basin娱乐区,包括野餐、钓鱼、湖泊用水、225英亩的野生动物保护区用水,同时为6.5英亩的日本公园提供瀑布、景观灌溉、养鱼用水。污水经过格栅、沉砂、初沉初级处理之后,进入普通活性污泥法曝气池,出水经絮凝、砂滤、加氯消毒、脱氯后即可利用,达到了加州地区非限制娱乐用水水质标准。平均出水总大肠菌群小于2.2个/100 mL,单个水样的出水浊度小于2 NTU。该再生工程减少了向洛杉矶河的污染物排放量,减轻该河流的富营养化程度,节约了大量的新鲜水使用量。再生工程也极大地提高了该地区的休闲和娱乐价值,吸引众多游客前往Sepulveda Basin娱乐区和野生动物保护区,发展了当地的旅游经济。

德克萨斯州原水供水工程位于德克萨斯州欧文城Las Colina区,该区是一个面积达4800公顷的高级开发区,区内主要为高级住宅区、高档写字楼、豪华旅馆及高尔夫球场。再生工程于1987年6月起首次建成,再生水主要来自于中心污水处理厂的高级处理出水附近的Trinity河的河水,该工程规模为6.5万m3/d。中心污水处理厂的进水经格栅、沉砂池、初沉池、传统活性污泥工艺、二沉池、过滤、活性炭吸附(必要时使用)、加氯消毒处理后,即泵入Remle湖,该湖中的部分水提升至乡村高尔夫俱乐部的储水湖,部分用于高尔夫球场的灌溉,其余提升至Carolyn湖,在那里与来自Trinity河的河水相混合(混合比约为2?U1)。湖中同时设有多台中心管式曝气器,一方面可以提高湖的同化能力,另一方面可以使河水与高级处理水充分混合。Las Colinas区共有19个相连通的湖,河水与污水处理厂的出水在任何一个湖中混合时,可以通过控制湖的高度的方法使得混合水能够流至所需要的湖。经过中心污水处理厂高级处理后的再生水进入Remle湖,其BOD5和TSS分别低于10 mg/L、15 mg/L,总大肠菌群<3个/100 mL,浊度低于3 NTU,这些指标均能够达到德克萨斯州限制性景观、娱乐用水的要求[10]。该再生工程极大提高了当地景观湖泊的观赏性,同时部分湖水可用于附近的高尔夫球场或公园绿化的灌溉,获得一举两得的效果。

3.2 日本
日本国土狭小,四面环海,人均年降水量仅为世界平均降水量的1/5。是一个淡水资源极为匮乏的国家。早在1962年日本开始了污水再利用,70年代初见规模。日本的再生利用对象主要为景观河道用水、工业用水、冲厕用水。其中景观环境再用部分约占再生总量的10%。90年代初,日本在全国范围内对污水再生利用的可行性进行了深入研究,在严重缺水地区大力推广污水再生利用技术。在1991年日本的"造水计划中",明确将污水再生利用技术作为最主要的研究内容加以资助,并开发了很多污水深度处理工艺,在新型脱氮除磷技术、膜分离技术、膜生物反应器技术等方面取得了很大进展,建立起以赖沪内海地区为首的一批"污水再生厂"。日本从1985年到1996年用再生水复活了150多条城市小溪,改变了市区河道污染严重的局面。

日本大部分地区利用处理后的再生水恢复受污染的水体,修复和保护水资源,东京将部分城市污水处理后再输送至河流上游,作为城市河道景观用水。大阪市目前运转的十几个污水处理厂中有5个主要用于改善污水厂附近居民休闲场所的水环境。其中中滨污水处理厂的深度处理出水用于大阪市护城河的补充用水,并为水鸟繁殖提供了适宜的场所,平野污水处理厂向没有固定水源的市内河流今川、驹川、细江川提供经过深度处理的补充用水。

东京郊外的Nobidome河原本是一条美丽的河流,随着河流源头的迁移,1976年后完全干涸,随后演变成一个排水沟,严重影响河岸两边居民的生活。20世纪80年代,东京市利用Tamajyo污水处理厂的再生水重新恢复该河流的原状。污水处理厂采用A/O工艺,出水经过砂过滤再利用于Nobidome河流,一年内,虽然河流流量得到恢复,但带来了下列问题,如滋生蚊子,在漩涡和急流处产生泡沫,夏季藻类疯长,雨天或多云季节常有微臭的气味产生,河水带有绿色。鉴于这种情况,Tamajyo污水处理厂对三级处理工艺做了部分改进,增加了加氯消毒装置,此举有效控制了气味和色度的问题,然而,太多的余氯也破坏了小河的生态平衡。为此,在1989年该厂再次改进原有三级处理工艺,将化学絮凝、臭氧氧化补充到原有的砂滤工艺中,即组合成化学絮凝、砂滤、臭氧氧化工艺,其中化学絮凝投加聚铝10~15 mg/L,臭氧消毒的投量为5~10 mg/L(视水质进行调整),1992年该工艺的出水水质可达BOD5:1 mg/L,CODCr:7 mg/L,磷:0.4 mg/L,氨氮:6.9 mg/L,总氮:15.3 mg/L,大肠菌群:检测不出,完全达到景观环境再利用的要求[12]。运行多年来,Nobidome河流水质得到极大改善,恢复了原有生态。

3.3 其他国家
澳大利亚的Adelaide市将污水和屋顶雨水收集起来经过处理再利用于湖泊补给水、水景、景观灌溉、卫生间冲洗,以缓解该市Mawson湖区居民、大学及工业用水紧张的局面。冬季多余的再生水和雨水存储于地下含水层(同时可起到修复作用),以在夏季提供高峰灌溉期用水或作为景观水体蒸发的补充水[14]。
在南非,再生水在协调需水和可供水之间的矛盾方面起着关键性的作用。1956年的水法要求除再利用于有益的目的外,其余的处理水要返回到原河流,为满足此要求南非鼓励引进高水平的处理工艺。现在再生水已成为许多河流基本流量的稳定组成部分[14]。南非的Hsrtbeespoort水库,接纳了该区约50%的再生水,这些水将提供给Pretoria和Jihhannesburg,既作为观赏性湖泊用水,又可作为饮用水水源。

参考文献
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[3] 中国城市建设统计年报。 建设部。 2001
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[11] European Environment Agency. Sustainable Water Reuse in Europe. Environment Issue Report No.9, 2001.
[12] 郭茹, 贾海峰。 污水回用大势所趋?D?D关于北京市污水回用的思考。 北京水利, 200, 5: 42-44
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