北京是我国的首都，全国的政治和文化中心。随着工农业生产迅猛发展和人民生活水平的逐年提高，对水资源的需求量日益增大。由于北京位于华北平原的北端，属半干旱季风地区，降雨量年度变化大，时空分布极不均匀，人均年水资源量仅300 m3左右，为全国人均值的1/8，世界人均值的1/32，是一个严重缺水的城市。根据最近的研究报告，目前北京市水资源开发利用已达到可供水资源量的自然极限，水资源严重短缺和水污染加重已成为制约北京市社会经济发展的重要因素之一。
为了实现北京市国民经济可持续发展和生态环境一流的国际大都市发展目标，缓解面临21世纪城市发展与水资源利用的矛盾，将城市污水处理厂的处理水作为城市第二水源尽早实现城市污水资源化，势在必行。
1 北京市城市污水处理现状与发展规划
1.1 北京市城市污水处理现状
根据1996年统计资料，北京市市区污水总排放量为235万m3/d，其中生活污水量138万m3/d，占市区污水总量58.7%；工业废水量97万m3/d，占市区污水总量41.3%。
1996年之前，北京市市区投入运行的城市污水处理厂有4座，分别为高碑店污水处理厂（一期）、方庄污水处理厂、北小河污水处理厂和酒仙桥污水处理厂（一级处理），处理厂的规模和运行情况见表1。可见，至1996年北京市城市污水处理厂处理能力为60万m3/d，城市污水集中处理率为25.5%。1999年10月高碑店污水处理厂二期工程（50万m3/d）竣工投产，北京市城市污水处理厂处理能力增至110万m3/d。根据北京市污水量预测资料，2000年北京市区城市污水总排放量为264万m3/d，城市污水处理率达到41.7%，预计酒仙桥污水处理厂一期工程（20万m3/d）于今年年底投入运行，届时北京市城市污水处理率将达到50%左右。
（1） 高碑店污水处理厂
北京高碑店污水处理厂位于北京市广渠门以东8 km的高碑店村，设计规模为100万m3/d，占地1020亩。分两期建设，一期工程50万m3/d，于1993年10月竣工投产，二期工程50万m3/d，于1999年10月竣工投产。
该处理厂污水采用前置缺氧生物选择器活性污泥法工艺处理，其目的在于改善活性污泥性能，防止污泥膨胀，二期工程将25万m3/d规模曝气池改为缺氧/好氧工艺，提高出水水质回用于华能热电厂等用户。污泥采用两级厌氧消化、机械脱水工艺处理，产生的沼气用于发电。一期工程已连续运行近7年，二期工程亦连续运行近1年，处理效果均比预计良好。
高碑店污水处理厂的工艺流程为：原污水®进水闸井®格栅间（栅渣经压榨机压榨后外运处置）®进水泵房®出水井®计量槽®曝气沉砂池（沉砂经砂水分离机分离后外运处置）®初沉池®曝气池®二沉池（属于污泥回流到初沉池）®接触池（加氯气）®出水。污泥处理流程为：初沉池污泥®污泥浓缩池®污泥泵房®一级消化池（生成的沼气经沼气柜，供沼气发电机）®二级消化池®污泥脱水机房®污泥堆置棚®脱水污泥外运处置。原污水水质为BOD5 180～220 mg/L、COD 400～500 mg/L、SS 300～400 mg/L；处理出水相应值为8～11 mg/L、25～35 mg/L、11～20 mg/L。
（2） 北小河污水处理厂
北小河污水处理厂位于北京市北郊，北小河北岸，占地6 ha，流域面积1639 ha，一期工程处理规模为4万m3/d，于1990年9月投入运行。
北小河污水处理厂是北京市第一座二级城市污水处理厂，其处理工艺流程为：原污水®格栅间（栅渣外运处置）®进水泵房®出水井®计量槽®曝气沉砂池（沉砂外运处置）®初沉池®曝气池®二沉池（剩余污泥回流到初沉池）®接触池（加氯气）®出水。污泥处理流程为：初沉池®污泥浓缩池®污泥泵房®污泥消化池®污泥脱水机房®污泥堆置棚®脱水污泥外运处置。原污水水质为BOD5 164mg/L、COD 276 mg/L、SS 413 mg/L；处理出水相应值为13 mg/L、35 mg/L、13 mg/L。
（3） 方庄污水处理厂
方庄污水处理厂位于北京南郊左安门外，占地4.14 ha。该处理厂主要处理来自方庄住宅小区的全部生活污水，处理厂规模为4万m3/d，服务人口8万人。
该处理厂设计采用污水全部回用的深度处理工艺，其处理工艺流程为：原污水®格栅间（栅渣外运处置）®进水泵房®曝气沉砂池（沉砂外运处置）®初沉池®A/O曝气池®二沉池（剩余污泥回流到初沉池）®大波纹板反应池®沉淀池®双阀滤池（加氯处理）®清水池®清水泵房®用户。污泥处理流程为：初沉池、沉淀池®贮泥池®污泥泵房®好氧消化池®污泥浓缩池®污泥脱水机房®污泥堆置棚®脱水污泥外运作农肥处置。原污水水质为BOD5 250 mg/L、SS 300 mg/L；二级处理出水相应值为20 mg/L、30 mg/L；深度处理出水的相应值为8 mg/L、5 mg/L。
深度处理出水回用于下列用户：（1）方庄住宅小区，0.5万m3/d，用于喷洒马路、浇灌花木及冲洗厕所；（2）宋家庄热电厂，1.6万m3/d，用于循环冷却水的补充和冲灰水；（3）南郊工业区部分工厂，1.9万m3/d，主要用于工业冷却水。由于当时对住宅小区投资商没有相应的约束和优惠政策，造成此项回用工程未能实施，致使深度处理后出水经雨水管道排入凉水河，造成大量水资源浪费。
（4） 酒仙桥污水处理厂
酒仙桥污水处理厂位于北京市东北郊酒仙桥地区，为一级处理厂，处理规模2万m3/d，流域面积273 ha，1956年建成投产，是北京市第一座污水处理厂。其处理工艺流程为：原污水®格栅间（栅渣外运处置）®进水泵房®沉砂池（沉砂外运处置）®双层沉淀池（污泥直接或消化后送污泥干化场，泥饼外运）®出水。原污水水质为BOD5 198 mg/L、COD 387 mg/L、SS 478 mg/L；处理出水相应值为108 mg/L、215 mg/L、161 mg/L。
1.2 北京市城市污水处理发展规划
（1） 北京市城市污水量预测
根据《北京市城市总体规划》用水量预测，2000年市区生活用水量为7.05亿m3，工业用水量为4.55亿m3（不含电力工业用水量）；2010年市区生活用水量为8.66亿m3，工业用水量为5.2亿m3（不含电力工业用水量），相应得出2000年生活污水量为5.99亿m3（164万m3/d），工业废水量为3.64亿m3，（99.7万m3/d），2010年生活污水量为7.78亿m3（213万m3/d），工业废水量为4.16亿m3（114万m3/d）。
（2） 北京市城市污水处理厂发展规划
根据“北京城市总体规划”，考虑环境保护，就近利用城市污水处理厂出水，建立分流制下水道系统等要求和地形、河流、位置、工程经济性条件，将北京划分为16个污水处理系统，每个系统建设一座污水处理厂，全市共有16座污水处理厂。其中10万m3/d以上大型污水处理厂8座，其它小型污水处理厂8座。全部于2010年前建成。
16座污水处理厂中，除高碑店污水处理厂（一、二期共100万m3/d）、北小河污水处理厂一期工程（4万m3/d）、方庄污水处理厂（4万m3/d）已建成投产外，酒仙桥污水处理厂一期工程（20万m3/d），将于2000年底竣工投产，上述污水处理厂全部投入之外后，处理能力达128万m3/d，污水处理率可达48.5%。其余污水处理厂按工程建设优先顺序，近期将规划建设清河污水处理厂一期工程、吴家村污水处理厂、卢沟桥污水处理厂、小红门污水处理厂（含郑王坟污水处理厂系统）和肖家河污水处理厂。届时北京市城市污水处理能力达240万m3/d，污水处理率可达90%左右。
2 城市污水资源化的必要性和可行性
2.1 必要性
北京市人均水资源占有量仅为全国的1/8，世界的1/32，水资源短缺和生态环境恶化已成为制约北京市可持续发展的主要问题。水资源是有限的，但目前产生的水资源短缺和不足并不是天然资源已达到极限，而是供水与需水之间相对不平衡。为解决这种不平衡，除了需要进行合理的社会经济布局，调整城市产业结构和用水结构，改变水的用途和供水方向以外，污水资源化再利用是一种简单易行的解决办法。
水资源包括量与质两个方面，除了水资源数量外，还应包括水环境保护、污水处理与回用等。城市污水量大，水质稳定，受季节和气候影响小，就近可取，是一种即可靠又经济的十分宝贵的水资源，常被称为城市第二水源。
根据预测北京市市区2010年平水年（75%）需水量为22.27亿m3，供水量为15.70亿m3，缺水量6.57亿m3，而2010年城市污水二级处理出水量可达11.94亿m3，如按60%再生回用，替代城市优质水源，就可解决用水与供水不平衡的矛盾，同时也减轻了环境污染，促进生态良性循环。
因此，城市污水资源化再利用是十分必要的，是消除缺水危机和解决环境最有效的途径之一。
2.2 可行性
目前许多国家都致力于将污水单纯净化改变为以污水为原料生产再生水研究，把城市污水开辟为一种新的水源，这是一个重大而可喜的转变。例如：美国城市污水回用量达9.37×108m3/a（258万m3/d），其中灌溉用水量159万m3/d，约占62%，工业回用81万m3/d（其中工艺用水25万m3/d，冷却水53.5万m3/d，锅炉用水2.5万m3/d），回灌地下水13.0万m3/d，其它回用（娱乐、养殖、野生植物等）5.0万m3/d。美国马里兰州巴尔的摩（Baltimore）的伯利恒钢铁厂将城市污水回用工业冷却水已有半个世纪的历史，回用量达40.5万m3/d。日本从60年代开始就大力研究和开发推广城市污水回用技术。污水再生原主要回用于冲洗厕所、工业冷却、农田灌溉、景观用水、市政杂用等，据有关文献报导，1990年已建成1369座中水工程，回用水量达22.8万m3/d。并在住宅区设置了“上水与中水双管道系统”和制定了“下水处理水再利用技术指针”。以色列属半干旱国家，污水已成为重要水资源之一。100%的生活污水和72%城市污水已经回用，建造了200多个污水回用工程（多数规模在5000～10000m3/d），处理后用于农灌占42%，回灌地下水约29%，排海水量约29%。
其它国家如法国将城市污水回用作为海滨水域管理的一项措施，沙特阿拉伯制定了废水回用的强制政策，2000年11%用水来源于回用水；南非从70年代开始将污水回用于农灌、景观、电厂冷却和工业用水等。荷兰、阿根廷、巴西、科威特、墨西哥等国均在污水回用方面有成功的业绩和相关政策。
国内大连春柳河污水处理厂已建成1万m3/d日用水工程，用于工业循环冷却水；青岛海泊河污水处理厂回用水已用于厂区内绿化、清扫，将用于附近热电厂等工业企业；太原北郊污水处理厂将1万m3/d回用水用于太原钢厂直流高炉冷却水，北京高碑店污水处理厂1万m3/d深度处理后出水用于厂内冲洗滤布、绿化及杂用等。其它如西安、天津、济南等城市也都正在进行城市污水回用工程的研究。
2.3 城市污水回用技术经济分析
（1） 城市污水回用经济性
城市污水采用分区集中处理后将处理水作为新水源与开发其它水源比较，在经济上具有明显优势。
远距离引水：国内一些城市为解决水源不足，采用远距离引水，如天津“引滦入津工程”引水距离234 km，青岛“引黄入青工程”引水距离297 km等，均花费巨额投资，而城市污水深度处理就近回用于低质用水用户，替代优质水，可节省大量基建投资和运行费用。
海水淡化：城市污水杂质含量一般＜0.1%，可采用普通生化、物化法去除；而海水含有约3.5%的溶解盐类和有机物，需采用复杂的预处理和反渗透等膜处理技术，基基建投资和运行成本远高于污水回用。
新建自来水厂：污水回用提供新水源同时可减少自来水用量，从而缩减自来水厂建设规模，节省工程投资。
缩减水污染治理费用：污水回用可减少污水外排量，不仅有利于实行污染物总量控制，而且减少了污染征收费用。
（2） 城市污水回用的技术性分析
一般情况下，任何污水都可以采用不同的工艺进行处理，达到各类用户对水质的要求。目前国内外城市污水二级处理水主要回用于工业、农业、市政和生活杂用、景观河道等方面，除市政和生活杂用对水质要求较高，须经混凝沉淀、过滤、消毒等深度处理后才可回用外，城市污水处理厂二级处理水基本可满足其它用户对水质的要求。
为了推动城市污水回用的进程，国内外相继制定了一些城市污水回用的规范和标准，例如1998年世界卫生组织颁布的《污水回用农业的微生物含量标准》；同年10月我国颁布了《生活杂用水水质标准》（GJ25.1－89）；1992年美国国家环保局修订了《污水回用综合规范》，涉及到污水回用于非饮用的市政、生活杂用、工业、农业等方面的水质标准；1995年由中国工程建设标准化协会颁布了《城市污水回用设计规范》等。这此规范和标准为污水回用提供了可靠依据，现以北京高碑店污水处理厂二级出水和深度处理出水水质为代表与各种回用水水质进行比较，分析北京市城市污水再生利用在技术上的可行性。
1）污水回用于工业
在工业用水冷却水用量所占的比例最大，而且对水质要求不高。表3为高碑店污水处理厂二级出水与工业冷却水水质对照表，可以看出，高碑店污水处理厂二级出水基本上达到《城市污水回用设计规范》中工业冷却水的建议水质标准。但是对于要求较高的冷却设备，为防止腐蚀和结垢，一般应投加水质稳定剂，对循环冷却水水质进行稳定处理。
2）污水回用于农业
未经处理的城市污水直接灌溉农田，不仅会造成农作物产品质量下降，还会引起土壤恶化，污染地下水。为了合理利用污水灌溉，1992年我国颁布了《农田灌溉水质标准》（GB 5084－92），高碑店污水处理厂二级出水与农灌水质标准对照，高碑店污水处理厂二级出水水质能够满足农灌水质的要求。
3）污水回用景观河道补充水
北京市区河道均为季节性河流，没有补充水源。《北京城市总体规划》规定：“位于城市上游的莲花河、清河（清河闸上）、凉水河（大红门闸上）等风景观赏河道，因无水源保证，为维持河道景观，需用经处理后的污水解决补水问题；位于城市下游的清河（清河闸下）、坝河（酒仙桥以下）、凉水河（大红门闸下）、通惠河（高碑店闸下）等河道，是城市的排水尾闾，水体要求低一些，可结合污水厂建设补充河道水源，逐步改善河道水质”。因此，采用污水回用水补充河道是十分必要的。
根据《地表水环境质量标准》（GHZB 1－1999），北京市主要河道分别属于Ⅳ类和Ⅴ类河道。城市污水二级处理后必须进行深度处理，才能达到相应的地面水体标准，这与当前北京市的经济状况是不相符的。因此考虑其可行性采用《城市污水回用设计规范》中规定的市区景观河道用水建议水质标准，与高碑店二级出水进行比较，可以看出，高碑店污水处理厂二级出水基本可满足要求。
4）污水回用市政和生活杂用
市政和生活杂用水在使用中有可能与人体直接或间接接触，因此对水质要求较高，一般应经过深度处理后才能使用。高碑店二级出水经混凝、沉淀、过滤、消毒等深度处理后，可满足市政、生活杂用和中水水质要求。
综上所述，城市污水处理厂二级出水水质已经达到一般工业冷却水和景观河道用水水质标准，如果再经适当深度处理，将可达到更高要求的水质标准。因此，城市污水再生回用于一些非饮用性、低质用水的用户在技术上是完全可行的，国内外许多成功的经验也证明了这一点。
3 北京市城市污水回用方案设想
3.1 回用原则、对象及回用水需求量
根据国内外经验，城市污水二级处理后，优先回用于农业。虽然农田灌溉季节性强，但农田面积大，用水量多，水质要求不高，是符合我国国情，易于实现的回用途径。相对于农灌，工业及市政杂用需水量较为稳定，所产生的资源效益较高，也是重点回用对象之一。在工业回用中，应首先选择回用于工业冷却，其次是工艺低质用水和厂内杂用水。
根据北京市污水处理厂规划和污水灌溉对地下水的影响，近期回用农灌的主要地区为朝阳区和丰台区，有效灌溉面积约22.7万亩，需水量约1亿m3/a，远期可扩大至通州区、大兴县等地，总需水量为1450万m3/a。
近期工业回用对象主要在东郊工业区，垡头工业区、南郊工业区、石景山工业区和西三旗工业区等，需深度处理可回用水量为29万m3/d，远期考虑原有地区增加水量及新建各工业边缘地区需水量，可回用水量约50万m3/d。
市政杂用（包括冲洗道路及浇洒绿地等），近期需水量5.8万m3/d，远期约8.7万m3/d。
景观河道补水主要考虑河湖蒸发，渗漏及定期更新水质等因素，近期补水量约18万m3/d，远期约66万m3/d（其中Ⅳ类水体换水量为8.9万m3/d）。
住宅小区杂用水包括冲洗厕所、公建及市政杂用水等，近期建设两个试点小区，其需水量为7400m3/d，远期拟建10个边缘集团，总需水量约24万m3/d。
3.2 污水回用方案设想
从上述分析可以看出，需要深度处理（包括工业、Ⅳ类水体河道换水及住宅杂用水等）的回用水量，近期约37万m3/d，远期为86万m3/d，结合北京市近、远期拟建污水处理厂的布局，确定深度处理厂地点及规模。
3.3 水资源供需平衡分析
“北京城市总体规划”近期（2000年）平水年（50%）需水量19.3亿m3/a，可用水资源量18.67亿m3/a，缺水0.67亿m3/a；远期（2010年）平水年需水量25.08亿m3/a，可用水资源量16.77亿m3/a，缺水2.34亿m3/a，前述污水回用方案实施后，近、远期分别可提供回用水2.63亿m3/a和5.97亿m3/a，除枯水年稍有欠缺外，均可补足用水量供需不平衡缺口，大大缓解北京市水资源不足的危机。
3.4 高碑店污水处理厂一期工程回用方案
高碑店污水处理厂一期工程投产后，出水水质稳定达标且优于设计目标值，其中1万m3/d二级出水经深度处理后用于厂内杂用，另有7.68万m3/d二级出水供给华能热电厂，再经深度处理后用于工业冷却，除此以外，绝大部分均用于农灌或排入通惠河闸下。
为此，市政府决定开发利用高碑店污水处理厂二级出水，代替清洁水，回用于工业，市政杂用及河道景观等，达到城市污水资源化目的，解决北京市水资源短缺现状。
经多种方案比选，推荐方案如下：
建设一座规模50万m3/d回用水泵站，近期水泵安装规模30万m3/d。
近期由回用水泵站提升20万m3/d回用水，经输水管向北送至高碑店湖，供给第一热电厂冷却用水；远期该回用水量增至30万m3/d。
近期由回用水泵站提升10万m3/d回用水，经输水管线向南送至北京市水源六厂（已建工业用水的河水处理厂），利用原有处理设施潜力，经混凝、沉淀、过滤及消毒后，其中5万m3/d回用于东郊工业区，另5万m3/d送至南护城河沿岸，用于公园、道路两岸绿地、喷洒道路及河湖补水等；远期该回用水量可达17万m3/d。
其余尚有20万m3/d二级出水可用于通惠河下游两岸绿化、景观及农灌用水。
上述工程正在建设中，规模30万m3/d的高碑店污水处理厂回用工程可望今年年底投产运行，届时将会发挥巨大的社会、经济及环境效益。
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