高碑店污水处理厂回用方案研究

简介： 高碑店污水处理厂污水回用工程于1999年列入北京市政府《关于北京市环境污染治理目标与对策》（京政办函〔1999〕）十大研究课题中，1999年3月至8月完成该项目的前期研究工作并完成了可行性研究，1999年10月完成项目立项和审批；2000年1月完成该工程的初步设计和审批工作，2月完成施工图设计，4月开始施工，目前该工程施工已基本完成，预计今年上半年将正式启用。该工程是将高碑店污水处理厂二级出水提升用于河道取水的工业用水，替代清洁水源、改善河道景观，并将部分二级出水经深度处理后用于市政杂用（如道路喷洒、绿地浇灌等），替代自来水，达到城市污水资源化和改善河道水质的目的。回用水涉及的区域范围，东至公路一环，西至西三环，南至南四环，北至长安街。地区面积为141km2。回用水用户涉及到工业、公园绿化和河湖补水、道路喷洒等。本文主要分析该工程的技术方案和研究成果。
关键字：高碑店污水处理厂 城市污水 污水回用
1 前言
　　北京位于华北平原的北端，地处中国水资源十分贫乏的北方，是一个严重缺水的城市。北京人均占有水资源量仅300m3左右，为全国人均水资源占有量的1/8，世界人均水资源量的1/32。平水年水资源量约42亿m3，其中地下水24亿m3，地表水18亿m3，枯水年水资源约33亿m3。目前年用水量已达到平水年水资源量。迄今为止，地下水已严重超采，市区范围内形成了1000多km2的漏斗区，地下水位连年下降，为此对地下水已经限采。
　　根据北京市国民经济和社会发展远景目标纲要和城市总体规划，对北京市生活、工业、农业和城市河湖环境需水量进行预测，2020年全市需水量将达到60多亿m3，年缺水约20亿m3。因此，城市水资源供需不平衡和水资源短缺已成为制约北京社会经济发展的重要因素。为了实现北京市国民经济可持续发展战略，缓解北京市面临的21世纪城市发展和可利用水资源的矛盾，北京市政府决定开发城市污水资源作为城市第二水源。
　　高碑店污水处理厂污水回用工程于1999年列入北京市政府《关于北京市环境污染治理目标与对策》（京政办函〔1999〕）十大研究课题中，1999年3月至8月完成该项目的前期研究工作并完成了可行性研究，1999年10月完成项目立项和审批；2000年1月完成该工程的初步设计和审批工作，2月完成施工图设计，4月开始施工，目前该工程施工已基本完成，预计今年上半年将正式启用。该工程是将高碑店污水处理厂二级出水提升用于河道取水的工业用水，替代清洁水源、改善河道景观，并将部分二级出水经深度处理后用于市政杂用（如道路喷洒、绿地浇灌等），替代自来水，达到城市污水资源化和改善河道水质的目的。回用水涉及的区域范围，东至公路一环，西至西三环，南至南四环，北至长安街。地区面积为141km2。回用水用户涉及到工业、公园绿化和河湖补水、道路喷洒等。本文主要分析该工程的技术方案和研究成果。
2 高碑店污水处理厂情况
　　高碑店污水处理厂是目前我国最大的污水处理厂，一期工程于1993年10月24日竣工投产，一期工程处理能力50万m3/d。二期工程于1999年年底竣工投产。目前处理能力为100万m3/d。高碑店污水处理厂污水系统流域面积96平方公里，服务人口240万人，汇集北京市南部城区的大部分生活污水、东郊工业区、使馆区和化工路的全部污水。该处理厂采用前置缺氧段活性污泥法工艺，即在推流式曝气池前设置缺氧段，其目的是改善污泥性质，防止污泥膨胀。
　　目前高碑店污水处理厂二级出水直接排入通惠河下游，除每年约5500万m3用于农业灌溉外，剩余的处理水每年超过3亿m3没有得到利用，根据我们对该厂出水的几次实测和该厂提供的1999年出水水质分析结果，其出水达到设计要求，出水水质水量稳定，其二级出水多数参数已接近相关的回用水水质标准.但高碑店污水处理厂二级出水中氨氮和磷的含量还偏高，主要是该厂立项较早，当时在国家城市污水处理厂排放标准中还没有除氮脱磷的要求。因此该厂一期处理工艺中未设除磷脱氮设施。
3 可能应用对象分析
3.1潜在工业用户
3.1.1 高碑店污水处理厂内部用水
　　高碑店污水处理厂已建规模为1万m3/d的厂内回用水工程，主要用于污泥脱水冲洗滤布、检修、喷洒、浇洒绿地、洗车用水水源等，该用水应优先保证。
3.1.2 华能热电厂
　　华能热电厂位于高碑店污水处理厂对面。高碑店污水处理厂至华能热电厂之间铺设了两条直径800mm的管道，同时该厂内部的深度处理站也已经建成。华能热电厂提供的最新数据表明，该厂现计划四台机组冷却补水全部使用高碑店污水处理厂二级出水作为水源，并通过本厂深度处理站处理后再利用，以保证冷却水水质。该厂实际可利用高碑店污水处理厂二级出水为7.68万m3/d，该用水应优先保证。
3.1.3 北京市第一热电厂
　　北京市第一热电厂是一座高温高压热电厂，位于通惠河北侧，距离高碑店污水处理厂仅几公里。该厂共有循环泵4台，每台循环水量为4.15 立方米/秒，循环泵房设在通惠河北岸，冷却水是开放式循环，正常生产情况下有三台泵运行，所需水量约12 m3/s（即104万m3/d）。其补水量约26 - 34.6万m3/d，平均补水量30.3万m3/d。
　　考虑到目前河道水质现况，为保持河道水质上游仍需来水，北京市第二热电厂部分惯流退水仍能用于第一热电厂，在近期方案中第一热电厂回用高碑店污水处理厂处理水用水量仅考虑为20万m3/d。在远期工程方案中，第二热电厂采用封闭式循环冷却方式运转，耗水量将大大减少，第二热电厂不再有惯流退水供第一热电厂使用。因此，在远期工程方案中第一热电厂回用高碑店污水处理厂处理水用水量将在近期方案规模基础上扩大10万m3/d。
3.1.4 北京市水源六厂
　　北京市水源六厂距高碑店污水处理厂仅几公里,此厂是为工业提供用水的河水厂，厂内建有规模为17万m3/d的深度处理设施。而1998水源六厂供水情况仅为4.7万m3/d，其中化工实验厂1.5万m3/d，有机化工厂0.6万m3/d，化工二厂0.7万m3/d，蒸汽厂0.3万m3/d，焦化厂1.6万m3/d。该厂进水取自通惠河。高碑店污水处理厂二级出水可直接供水源六厂使用。在近期方案中，东郊工业区和焦化厂利用高碑店污水处理厂处理水的水量为5万m3/d，市政杂用水5万m3/d。在远期方案中，水源六厂再扩大7万m3/d。
3.1.5 通州工厂用水
　　通州距高碑店污水处理厂约八公里。通州现有工厂120多家，包括化工、机械、纺织、造纸和食品等行业，用水量较大的工厂有造纸七厂、东方化工厂、通州氮肥厂和北京日用化学二厂等。通州的工厂共可使用再利用水量7万m3/d。
3.2 市政杂用水
　　城市杂用用水在北京市污水综合利用研究中一直未引起人们的重视，本研究中我们调查了沿通惠河、南护城河主要公园绿化面积、城市绿化、城市道路的喷洒用水量等，并多次走访了市园林和环卫管理部门，具体调查结果如下：
3.2.1 公园绿化及河湖用水
　　沿河道主要公园有龙潭湖公园、北京游乐园、天坛公园、陶然亭公园、大观园和万寿公园，主要公园合计面积约267万m2，公园绿化用水量约0.534万m3/d。除外，上述公园河湖补水用水约2.3万m3/d，冲厕用水约460 m3/d。所以主要公园总用水量约2.88万m3/d。
3.2.2 城市绿化用水
　　在回用水供水范围内有多处城市集中绿地，由于位置较为分散，在目前状况下很难严格计算出回用于城市绿化的水量。故重点 考虑集中在道路两旁隔离带和沿河道两岸较集中的绿地，按北京市总体规划估算城市绿化用水量约0.2万m3/d 。
3.2.3 道路路面喷洒用水
　　据北京市规划路网指标，其主干路和次干路的道路面积约5868万平方米。目前可喷洒3389万平方米，目前城市道路喷洒由市和区环卫部门负责，水源全部为自来水，取水点为固定的自来水消火栓。但按环卫部门道路喷洒水车取水半径，并非所有可喷洒道路都能用高碑店污水处理厂处理水来代替。在方案中，城市杂用水将在水源六厂进行深度处理，深度处理后的出水用管道自水源六厂沿护城河输送到西便门和广安门。若在原有水源六厂供水管网中加设取水口，则可用高碑店污水处理厂处理水来喷洒的道路东至公路一环，西至西三环以西，东西长约23.5km。按环卫部门道路喷洒水车取水半径3km计，南北长可达6km，可喷洒的地区面积为141km2。按北京市城市规划设计研究院1992年《北京市总体规划》研究成果，公路一环内道路用地率在1991年前为3.82%，到2010年将达13.43%。若在近期方案中道路用地率按10%计，则用高碑店污水处理厂处理水喷洒道路面积约14.1km2，根据环卫部门提供的喷洒道路的用水指标,每立方米水可喷洒2500 m2道路面积，则一天一次喷洒道路的需水量为0.564万m3/d。目前北京市许多路面一天喷洒两次。按市政府治理大气环境污染，减少城市空气灰尘量的要求，未来北京市路面喷洒要求达到一天三次。为此，在近期方案中按每天喷洒道路两次考虑，则需水量约为1.13万m3/d。
3.2.4 近期方案市政杂用水规模
　　上述市政杂用水合计约4.21万m3/d，其中城市绿化及道路喷洒用水量为1.33万m3/d；公园用水为2.88万m3/d。考虑到不可预见水量和管网漏失率，近期方案中市政杂用水规模为5万m3/d。
3.3 农业灌溉用水
　　高碑店污水处理厂农业灌溉区包括东南郊、朝阳、双桥和通州四个灌区，分布在朝阳和通州通惠河两岸的14个乡和2个农场，现况灌溉面积20.21万亩。农作物以粮、菜为主，其中粮田面积16.9万亩，占83%；菜田面积1.72万亩，占9%；林果及其它作物面积1.59万亩，占8%。农业灌溉需用水量约48万m3/d，目前从官厅和密云两大水库供给指标水及工业退水水量约10万m3/d，采用地下水约19万m3/d，从通惠河取水水量约19万m3/d。
3.4 高碑店闸下游河道补水
　　通惠河下游高碑店闸至北运河蒸发渗漏、一年八次换水和河道两侧绿化需水量约3.6万m3/d。
4 回用技术方案
4.1用户用水优化分配
　高碑店污水处理厂处理水优先保证厂内回用水1万m3/d、华能热电厂冷却用水7.68万m3/d、市政杂用水5万m3/d、通过水源六厂供东郊工业区和焦化厂用水量5万m3/d和第一热电厂20万m3/d，共计38.68万m3/d。
　　在远期工程实施前，剩余的高碑店污水处理厂处理水除用于高碑店闸至北运河两侧绿化和河道补水3.6万m3/d外，还可以用于农业灌溉48万m3/d，最后用于通州工厂7万m3/d,总计97.28万m3/d。
　　在远期工程方案实施后，第一热电厂扩大用水量10万m3/d，水源六厂扩大用水量7万m3/d；剩余的高碑店污水处理厂处理水用于高碑店闸至北运河两侧绿化和河道补水3.6万m3/d、农业灌溉40.72万m3/d,总计100万m3/d。
4.2 工程规模
　　本工程方案主要考虑高碑店闸上游的回用水用户，通过近期工程方案实施后才能利用高牌店污水处理厂处理水的用户对象为：第一热电厂20万m3/d，市政杂用水5万m3/d，通过水源六厂供东郊工业区和焦化厂用水量5万m3/d。因此，近期工程方案规模为30万m3/d。
　　远期工程方案规模将由近期工程方案规模30万m3/d扩大到47万m3/d。主要增加的用户对象为：第一热电厂用水规模扩大10万m3/d，水源六厂扩大用水量7万m3/d。
4.3 工程方案
　　高碑店污水处理厂二沉池出水经新建泵站（规模47万m3/d）提升后用两条管道分别输送到高碑店湖（规模30万m3/d）和水源六厂（规模17万m3/d）。送至高碑店湖的处理水供北京第一热电厂用水；送至水源六厂的处理水在该厂进行深度处理后，一部分通过水源六厂现有供水系统供给东郊工业区和焦化厂；一部分通过新建管道输送到西便门和东便门。在水源六厂现有供水管道和新建管道沿线设取水口，供市政杂用取水。
5 回用水水质技术保障措施
5.1 高碑店污水处理厂改造
　　由于高碑店污水处理厂出水中氮和磷的含量较高会直接影响回用水水质，必须对该厂进行技术改造，进一步提高该厂出水水质。2000年5月完成了该厂改造工程可行性研究。改造规模为50万m3/d，即对高碑店污水处理厂一期工程（50万m3/d）进行改造。该改造工程分两步进行。第一步改造后使出水水质优于目前第一热电厂冷却水取水水源高碑店湖的水质，出水中BOD、COD、总磷和氨氮分别达到10mg/l、40mg/l、1mg/l和10mg/l。第二步改造使该厂50万m3/d满足高碑店湖Ⅳ类水体的水质要求。
　　主要改造工作量包括曝气池改造和污泥处理系统的改造。原曝气池为1/12为厌氧区，其余为好氧区，改造后将原池2/9为缺氧区及厌氧区（水力停留时间共为2h），其中进水端分出一停留时间为15min的强化吸附区。其余仍为好氧区（水力停留时间7.25h）。原污泥系统中剩余污泥泵入初沉池，其混合污泥再进污泥浓缩池浓缩后消化脱水，因浓缩污泥池停留时间太长（3d），处于厌氧状态，磷又被释放出来，通过上清液回到污水中，因此达不到除磷的目的。改造后，原有浓缩池改为浓缩酸化池，浓缩酸化池上清液做为碳源排入水处理系统；将消化池上清液和脱水机滤液及冲洗水收集后进行化学除磷。
　　目前高碑店污水处理厂改造方案正在审批过程中，市政府将对改造工程单独立项，其投资（约2511万元）也不列入污水回用工程。
5.2 深度处理措施
　　高碑店污水处理厂二级出水水质水量稳定，达到设计要求，但还不能满足市政杂用水标准，而绿化用水和道路喷洒等市政杂用水水质对人类健康和城市环境会产生影响，因此，市政杂用水必须在回用前进行深度处理，以满足相应标准。
　　在方案确定中通过不同厂址比较，将深度处理选择在水源六厂。水源六厂现有日处理能力17万m3/d的深度处理设施，主要采用机械加速澄清、砂滤和消毒等工艺处理过程。根据该厂提供的出水水质，其出水可满足相应用户要求。由于北京市工业结构的调整，目前该厂平均实际供水量不足5万m3/d，尚有12万m3/d处理能力没有得到利用。另外，水源六厂离市政杂用水用户较近,市政杂用水深度处理设在水源六厂利用其剩余处理能力，可满足市政杂用水近、远期规模需求，在该厂深度处理后的水质能满足市政杂用水水质要求。
6 主要工程内容和投资
　　本工程总投资33668万元（不包括高碑店污水处理厂改造费用），其中征地拆迁费10000万元,工程费用为19260万元，工程建设内容主要为：
　　（1）高碑店污水处理厂内47万m3/d的泵站一座。
　　（2）高碑店污水处理厂至高碑店湖输水管：DN1800mm，长1480m。
　　（3）高碑店污水处理厂至水源六厂管道：DN1400mm，长4766m。
　　（4）市政杂用水配水管：DN1200mm，长6791m；DN1000mm，长1431m；DN800mm，长4615m；DN600mm，长2845m；D=500mm，长2880m。
　　（5）水源六厂改造：包括蓄水池清淤和护砌、污泥池扩建、水泵改造、进出水口的改造、增加自控和电气设备等。
　　园林供水支线管道。
7 工程经济效益分析
　　本工程总投资33668万元，其中10000万元为政府拨款，其余为贷款（公司融资）。在考虑污水资源费0.20元/m3和水源六厂原有资产成本与利税0.73元/m3的条件下，水价计算分析结果为：第一热电厂用水水价0.31元/m3，市政杂用用水水价1.92元/m3，东郊工业区用水水价1.21元/m3。
　　本工程完成后每年可节约清洁水资源16673万m3，节约自来水3650万m3/a，相当于节约了建设一座10万m3/d的自来水厂的投资4亿元。该工程能达到开源节流的目的，能为北京市城市绿化面积扩大和道路喷洒压尘创造条件，对环境综合治理具有较大的作用，环境的改善还会带来了周围地区的土地增值。
8 结论和讨论
　　(1) 北京市是一个严重缺水型城市，合理利用高碑店污水处理厂处理水资源，对实现北京市国民经济可持续性发展、缓解北京市面临的21世纪城市发展和可利用水资源的矛盾具有重要意义。
　　(2) 高碑店污水处理厂回用工程方案充分考虑了北京市城市水系、园林、道路及工业布局现状，具有可实施性。
　　(3) 高碑店污水处理厂污水回用工程能达到开源节流的目的，可以在一定程度上缓解北京城市水资源紧缺的局面，能为北京市城市绿化面积的扩大和道路喷洒压尘创造条件，对环境综合治理具有较大的作用。
　　(4) 本工程总投资33668万元,工程费用为19260万元。按政府投资1亿元，其余为公司融资计算，在考虑水资源费0.20元/m3和水源六厂制水成本条件下，则回用水水价为：供第一热电厂售水水价为0.31元/m3，供市政杂用售水水价为1.92元/m3,供东郊工业区售水水价为1.21元/m3。
　　(5) 建议制定有关法规和政策，促进城市污水回用设施的发展。应尽快编制北京市回用水设施发展规划，以便在相应的市政工程中铺设回用水管道等设施，使城市污水回用设施逐步完善。