高碑店污水處理廠回用方案研究

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簡介： 高碑店污水處理廠污水回用工程于1999年列入北京市政府《關(guān)于北京市環(huán)境污染治理目標(biāo)與對策》（京政辦函〔1999〕）十大研究課題中，1999年3月至8月完成該項目的前期研究工作并完成了可行性研究，1999年10月完成項目立項和審批；2000年1月完成該工程的初步設(shè)計和審批工作，2月完成施工圖設(shè)計，4月開始施工，目前該工程施工已基本完成，預(yù)計今年上半年將正式啟用。該工程是將高碑店污水處理廠二級出水提升用于河道取水的工業(yè)用水，替代清潔水源、改善河道景觀，并將部分二級出水經(jīng)深度處理后用于市政雜用（如道路噴灑、綠地澆灌等），替代自來水，達(dá)到城市污水資源化和改善河道水質(zhì)的目的。回用水涉及的區(qū)域范圍，東至公路一環(huán)，西至西三環(huán)，南至南四環(huán)，北至長安街。地區(qū)面積為141km2?；赜盟脩羯婕暗焦I(yè)、公園綠化和河湖補(bǔ)水、道路噴灑等。本文主要分析該工程的技術(shù)方案和研究成果。
關(guān)鍵字：高碑店污水處理廠 城市污水 污水回用

1 前言

　　北京位于華北平原的北端，地處中國水資源十分貧乏的北方，是一個嚴(yán)重缺水的城市。北京人均占有水資源量僅300m³左右，為全國人均水資源占有量的1/8，世界人均水資源量的1/32。平水年水資源量約42億m³，其中地下水24億m³，地表水18億m³，枯水年水資源約33億m³。目前年用水量已達(dá)到平水年水資源量。迄今為止，地下水已嚴(yán)重超采，市區(qū)范圍內(nèi)形成了1000多km²的漏斗區(qū)，地下水位連年下降，為此對地下水已經(jīng)限采。
　　根據(jù)北京市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要和城市總體規(guī)劃，對北京市生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市河湖環(huán)境需水量進(jìn)行預(yù)測，2020年全市需水量將達(dá)到60多億m³，年缺水約20億m³。因此，城市水資源供需不平衡和水資源短缺已成為制約北京社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。為了實現(xiàn)北京市國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，緩解北京市面臨的21世紀(jì)城市發(fā)展和可利用水資源的矛盾，北京市政府決定開發(fā)城市污水資源作為城市第二水源。
　　高碑店污水處理廠污水回用工程于1999年列入北京市政府《關(guān)于北京市環(huán)境污染治理目標(biāo)與對策》（京政辦函〔1999〕）十大研究課題中，1999年3月至8月完成該項目的前期研究工作并完成了可行性研究，1999年10月完成項目立項和審批；2000年1月完成該工程的初步設(shè)計和審批工作，2月完成施工圖設(shè)計，4月開始施工，目前該工程施工已基本完成，預(yù)計今年上半年將正式啟用。該工程是將高碑店污水處理廠二級出水提升用于河道取水的工業(yè)用水，替代清潔水源、改善河道景觀，并將部分二級出水經(jīng)深度處理后用于市政雜用（如道路噴灑、綠地澆灌等），替代自來水，達(dá)到城市污水資源化和改善河道水質(zhì)的目的?；赜盟婕暗膮^(qū)域范圍，東至公路一環(huán)，西至西三環(huán)，南至南四環(huán)，北至長安街。地區(qū)面積為141km²?；赜盟脩羯婕暗焦I(yè)、公園綠化和河湖補(bǔ)水、道路噴灑等。本文主要分析該工程的技術(shù)方案和研究成果。

2 高碑店污水處理廠情況

　　高碑店污水處理廠是目前我國最大的污水處理廠，一期工程于1993年10月24日竣工投產(chǎn)，一期工程處理能力50萬m³/d。二期工程于1999年年底竣工投產(chǎn)。目前處理能力為100萬m³/d。高碑店污水處理廠污水系統(tǒng)流域面積96平方公里，服務(wù)人口240萬人，匯集北京市南部城區(qū)的大部分生活污水、東郊工業(yè)區(qū)、使館區(qū)和化工路的全部污水。該處理廠采用前置缺氧段活性污泥法工藝，即在推流式曝氣池前設(shè)置缺氧段，其目的是改善污泥性質(zhì)，防止污泥膨脹。
　　目前高碑店污水處理廠二級出水直接排入通惠河下游，除每年約5500萬m³用于農(nóng)業(yè)灌溉外，剩余的處理水每年超過3億m³沒有得到利用，根據(jù)我們對該廠出水的幾次實測和該廠提供的1999年出水水質(zhì)分析結(jié)果，其出水達(dá)到設(shè)計要求，出水水質(zhì)水量穩(wěn)定，其二級出水多數(shù)參數(shù)已接近相關(guān)的回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).但高碑店污水處理廠二級出水中氨氮和磷的含量還偏高，主要是該廠立項較早，當(dāng)時在國家城市污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)中還沒有除氮脫磷的要求。因此該廠一期處理工藝中未設(shè)除磷脫氮設(shè)施。

3 可能應(yīng)用對象分析

3.1潛在工業(yè)用戶
3.1.1 高碑店污水處理廠內(nèi)部用水
　　高碑店污水處理廠已建規(guī)模為1萬m³/d的廠內(nèi)回用水工程，主要用于污泥脫水沖洗濾布、檢修、噴灑、澆灑綠地、洗車用水水源等，該用水應(yīng)優(yōu)先保證。
3.1.2 華能熱電廠
　　華能熱電廠位于高碑店污水處理廠對面。高碑店污水處理廠至華能熱電廠之間鋪設(shè)了兩條直徑800mm的管道，同時該廠內(nèi)部的深度處理站也已經(jīng)建成。華能熱電廠提供的最新數(shù)據(jù)表明，該廠現(xiàn)計劃四臺機(jī)組冷卻補(bǔ)水全部使用高碑店污水處理廠二級出水作為水源，并通過本廠深度處理站處理后再利用，以保證冷卻水水質(zhì)。該廠實際可利用高碑店污水處理廠二級出水為7.68萬m³/d，該用水應(yīng)優(yōu)先保證。
3.1.3 北京市第一熱電廠
　　北京市第一熱電廠是一座高溫高壓熱電廠，位于通惠河北側(cè)，距離高碑店污水處理廠僅幾公里。該廠共有循環(huán)泵4臺，每臺循環(huán)水量為4.15 立方米/秒，循環(huán)泵房設(shè)在通惠河北岸，冷卻水是開放式循環(huán)，正常生產(chǎn)情況下有三臺泵運(yùn)行，所需水量約12 m³/s（即104萬m³/d）。其補(bǔ)水量約26 - 34.6萬m³/d，平均補(bǔ)水量30.3萬m³/d。
　　考慮到目前河道水質(zhì)現(xiàn)況，為保持河道水質(zhì)上游仍需來水，北京市第二熱電廠部分慣流退水仍能用于第一熱電廠，在近期方案中第一熱電廠回用高碑店污水處理廠處理水用水量僅考慮為20萬m³/d。在遠(yuǎn)期工程方案中，第二熱電廠采用封閉式循環(huán)冷卻方式運(yùn)轉(zhuǎn)，耗水量將大大減少，第二熱電廠不再有慣流退水供第一熱電廠使用。因此，在遠(yuǎn)期工程方案中第一熱電廠回用高碑店污水處理廠處理水用水量將在近期方案規(guī)?；A(chǔ)上擴(kuò)大10萬m³/d。
3.1.4 北京市水源六廠
　　北京市水源六廠距高碑店污水處理廠僅幾公里,此廠是為工業(yè)提供用水的河水廠，廠內(nèi)建有規(guī)模為17萬m³/d的深度處理設(shè)施。而1998水源六廠供水情況僅為4.7萬m³/d，其中化工實驗廠1.5萬m³/d，有機(jī)化工廠0.6萬m³/d，化工二廠0.7萬m³/d，蒸汽廠0.3萬m³/d，焦化廠1.6萬m³/d。該廠進(jìn)水取自通惠河。高碑店污水處理廠二級出水可直接供水源六廠使用。在近期方案中，東郊工業(yè)區(qū)和焦化廠利用高碑店污水處理廠處理水的水量為5萬m³/d，市政雜用水5萬m³/d。在遠(yuǎn)期方案中，水源六廠再擴(kuò)大7萬m³/d。
3.1.5 通州工廠用水
　　通州距高碑店污水處理廠約八公里。通州現(xiàn)有工廠120多家，包括化工、機(jī)械、紡織、造紙和食品等行業(yè)，用水量較大的工廠有造紙七廠、東方化工廠、通州氮肥廠和北京日用化學(xué)二廠等。通州的工廠共可使用再利用水量7萬m³/d。
3.2 市政雜用水
　　城市雜用用水在北京市污水綜合利用研究中一直未引起人們的重視，本研究中我們調(diào)查了沿通惠河、南護(hù)城河主要公園綠化面積、城市綠化、城市道路的噴灑用水量等，并多次走訪了市園林和環(huán)衛(wèi)管理部門，具體調(diào)查結(jié)果如下：
3.2.1 公園綠化及河湖用水
　　沿河道主要公園有龍?zhí)逗珗@、北京游樂園、天壇公園、陶然亭公園、大觀園和萬壽公園，主要公園合計面積約267萬m²，公園綠化用水量約0.534萬m³/d。除外，上述公園河湖補(bǔ)水用水約2.3萬m³/d，沖廁用水約460 m³/d。所以主要公園總用水量約2.88萬m³/d。
3.2.2 城市綠化用水
　　在回用水供水范圍內(nèi)有多處城市集中綠地，由于位置較為分散，在目前狀況下很難嚴(yán)格計算出回用于城市綠化的水量。故重點(diǎn)考慮集中在道路兩旁隔離帶和沿河道兩岸較集中的綠地，按北京市總體規(guī)劃估算城市綠化用水量約0.2萬m³/d 。
3.2.3 道路路面噴灑用水
　　據(jù)北京市規(guī)劃路網(wǎng)指標(biāo)，其主干路和次干路的道路面積約5868萬平方米。目前可噴灑3389萬平方米，目前城市道路噴灑由市和區(qū)環(huán)衛(wèi)部門負(fù)責(zé)，水源全部為自來水，取水點(diǎn)為固定的自來水消火栓。但按環(huán)衛(wèi)部門道路噴灑水車取水半徑，并非所有可噴灑道路都能用高碑店污水處理廠處理水來代替。在方案中，城市雜用水將在水源六廠進(jìn)行深度處理，深度處理后的出水用管道自水源六廠沿護(hù)城河輸送到西便門和廣安門。若在原有水源六廠供水管網(wǎng)中加設(shè)取水口，則可用高碑店污水處理廠處理水來噴灑的道路東至公路一環(huán)，西至西三環(huán)以西，東西長約23.5km。按環(huán)衛(wèi)部門道路噴灑水車取水半徑3km計，南北長可達(dá)6km，可噴灑的地區(qū)面積為141km²。按北京市城市規(guī)劃設(shè)計研究院1992年《北京市總體規(guī)劃》研究成果，公路一環(huán)內(nèi)道路用地率在1991年前為3.82%，到2010年將達(dá)13.43%。若在近期方案中道路用地率按10%計，則用高碑店污水處理廠處理水噴灑道路面積約14.1km²，根據(jù)環(huán)衛(wèi)部門提供的噴灑道路的用水指標(biāo),每立方米水可噴灑2500 m²道路面積，則一天一次噴灑道路的需水量為0.564萬m³/d。目前北京市許多路面一天噴灑兩次。按市政府治理大氣環(huán)境污染，減少城市空氣灰塵量的要求，未來北京市路面噴灑要求達(dá)到一天三次。為此，在近期方案中按每天噴灑道路兩次考慮，則需水量約為1.13萬m³/d。
3.2.4 近期方案市政雜用水規(guī)模
　　上述市政雜用水合計約4.21萬m³/d，其中城市綠化及道路噴灑用水量為1.33萬m³/d；公園用水為2.88萬m³/d?？紤]到不可預(yù)見水量和管網(wǎng)漏失率，近期方案中市政雜用水規(guī)模為5萬m³/d。
3.3 農(nóng)業(yè)灌溉用水
　　高碑店污水處理廠農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)包括東南郊、朝陽、雙橋和通州四個灌區(qū)，分布在朝陽和通州通惠河兩岸的14個鄉(xiāng)和2個農(nóng)場，現(xiàn)況灌溉面積20.21萬畝。農(nóng)作物以糧、菜為主，其中糧田面積16.9萬畝，占83%；菜田面積1.72萬畝，占9%；林果及其它作物面積1.59萬畝，占8%。農(nóng)業(yè)灌溉需用水量約48萬m³/d，目前從官廳和密云兩大水庫供給指標(biāo)水及工業(yè)退水水量約10萬m³/d，采用地下水約19萬m³/d，從通惠河取水水量約19萬m³/d。
3.4 高碑店閘下游河道補(bǔ)水
　　通惠河下游高碑店閘至北運(yùn)河蒸發(fā)滲漏、一年八次換水和河道兩側(cè)綠化需水量約3.6萬m³/d。

4 回用技術(shù)方案

4.1用戶用水優(yōu)化分配
　高碑店污水處理廠處理水優(yōu)先保證廠內(nèi)回用水1萬m³/d、華能熱電廠冷卻用水7.68萬m³/d、市政雜用水5萬m³/d、通過水源六廠供東郊工業(yè)區(qū)和焦化廠用水量5萬m³/d和第一熱電廠20萬m³/d，共計38.68萬m³/d。
　　在遠(yuǎn)期工程實施前，剩余的高碑店污水處理廠處理水除用于高碑店閘至北運(yùn)河兩側(cè)綠化和河道補(bǔ)水3.6萬m³/d外，還可以用于農(nóng)業(yè)灌溉48萬m³/d，最后用于通州工廠7萬m³/d,總計97.28萬m³/d。
　　在遠(yuǎn)期工程方案實施后，第一熱電廠擴(kuò)大用水量10萬m³/d，水源六廠擴(kuò)大用水量7萬m³/d；剩余的高碑店污水處理廠處理水用于高碑店閘至北運(yùn)河兩側(cè)綠化和河道補(bǔ)水3.6萬m³/d、農(nóng)業(yè)灌溉40.72萬m³/d,總計100萬m³/d。
4.2 工程規(guī)模
　　本工程方案主要考慮高碑店閘上游的回用水用戶，通過近期工程方案實施后才能利用高牌店污水處理廠處理水的用戶對象為：第一熱電廠20萬m³/d，市政雜用水5萬m³/d，通過水源六廠供東郊工業(yè)區(qū)和焦化廠用水量5萬m³/d。因此，近期工程方案規(guī)模為30萬m³/d。
　　遠(yuǎn)期工程方案規(guī)模將由近期工程方案規(guī)模30萬m³/d擴(kuò)大到47萬m³/d。主要增加的用戶對象為：第一熱電廠用水規(guī)模擴(kuò)大10萬m³/d，水源六廠擴(kuò)大用水量7萬m³/d。
4.3 工程方案
　　高碑店污水處理廠二沉池出水經(jīng)新建泵站（規(guī)模47萬m³/d）提升后用兩條管道分別輸送到高碑店湖（規(guī)模30萬m³/d）和水源六廠（規(guī)模17萬m³/d）。送至高碑店湖的處理水供北京第一熱電廠用水；送至水源六廠的處理水在該廠進(jìn)行深度處理后，一部分通過水源六廠現(xiàn)有供水系統(tǒng)供給東郊工業(yè)區(qū)和焦化廠；一部分通過新建管道輸送到西便門和東便門。在水源六廠現(xiàn)有供水管道和新建管道沿線設(shè)取水口，供市政雜用取水。

5 回用水水質(zhì)技術(shù)保障措施

5.1 高碑店污水處理廠改造
　　由于高碑店污水處理廠出水中氮和磷的含量較高會直接影響回用水水質(zhì)，必須對該廠進(jìn)行技術(shù)改造，進(jìn)一步提高該廠出水水質(zhì)。2000年5月完成了該廠改造工程可行性研究。改造規(guī)模為50萬m³/d，即對高碑店污水處理廠一期工程（50萬m³/d）進(jìn)行改造。該改造工程分兩步進(jìn)行。第一步改造后使出水水質(zhì)優(yōu)于目前第一熱電廠冷卻水取水水源高碑店湖的水質(zhì)，出水中BOD、COD、總磷和氨氮分別達(dá)到10mg/l、40mg/l、1mg/l和10mg/l。第二步改造使該廠50萬m³/d滿足高碑店湖Ⅳ類水體的水質(zhì)要求。
　　主要改造工作量包括曝氣池改造和污泥處理系統(tǒng)的改造。原曝氣池為1/12為厭氧區(qū)，其余為好氧區(qū)，改造后將原池2/9為缺氧區(qū)及厭氧區(qū)（水力停留時間共為2h），其中進(jìn)水端分出一停留時間為15min的強(qiáng)化吸附區(qū)。其余仍為好氧區(qū)（水力停留時間7.25h）。原污泥系統(tǒng)中剩余污泥泵入初沉池，其混合污泥再進(jìn)污泥濃縮池濃縮后消化脫水，因濃縮污泥池停留時間太長（3d），處于厭氧狀態(tài)，磷又被釋放出來，通過上清液回到污水中，因此達(dá)不到除磷的目的。改造后，原有濃縮池改為濃縮酸化池，濃縮酸化池上清液做為碳源排入水處理系統(tǒng)；將消化池上清液和脫水機(jī)濾液及沖洗水收集后進(jìn)行化學(xué)除磷。
　　目前高碑店污水處理廠改造方案正在審批過程中，市政府將對改造工程單獨(dú)立項，其投資（約2511萬元）也不列入污水回用工程。
5.2 深度處理措施
　　高碑店污水處理廠二級出水水質(zhì)水量穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計要求，但還不能滿足市政雜用水標(biāo)準(zhǔn)，而綠化用水和道路噴灑等市政雜用水水質(zhì)對人類健康和城市環(huán)境會產(chǎn)生影響，因此，市政雜用水必須在回用前進(jìn)行深度處理，以滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。
　　在方案確定中通過不同廠址比較，將深度處理選擇在水源六廠。水源六廠現(xiàn)有日處理能力17萬m³/d的深度處理設(shè)施，主要采用機(jī)械加速澄清、砂濾和消毒等工藝處理過程。根據(jù)該廠提供的出水水質(zhì)，其出水可滿足相應(yīng)用戶要求。由于北京市工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，目前該廠平均實際供水量不足5萬m³/d，尚有12萬m³/d處理能力沒有得到利用。另外，水源六廠離市政雜用水用戶較近,市政雜用水深度處理設(shè)在水源六廠利用其剩余處理能力，可滿足市政雜用水近、遠(yuǎn)期規(guī)模需求，在該廠深度處理后的水質(zhì)能滿足市政雜用水水質(zhì)要求。

6 主要工程內(nèi)容和投資

　　本工程總投資33668萬元（不包括高碑店污水處理廠改造費(fèi)用），其中征地拆遷費(fèi)10000萬元,工程費(fèi)用為19260萬元，工程建設(shè)內(nèi)容主要為：
　　（1）高碑店污水處理廠內(nèi)47萬m³/d的泵站一座。
　?。?）高碑店污水處理廠至高碑店湖輸水管：DN1800mm，長1480m。
　　（3）高碑店污水處理廠至水源六廠管道：DN1400mm，長4766m。
　　（4）市政雜用水配水管：DN1200mm，長6791m；DN1000mm，長1431m；DN800mm，長4615m；DN600mm，長2845m；D=500mm，長2880m。
　?。?）水源六廠改造：包括蓄水池清淤和護(hù)砌、污泥池擴(kuò)建、水泵改造、進(jìn)出水口的改造、增加自控和電氣設(shè)備等。
　　園林供水支線管道。

7 工程經(jīng)濟(jì)效益分析

　　本工程總投資33668萬元，其中10000萬元為政府撥款，其余為貸款（公司融資）。在考慮污水資源費(fèi)0.20元/m³和水源六廠原有資產(chǎn)成本與利稅0.73元/m³的條件下，水價計算分析結(jié)果為：第一熱電廠用水水價0.31元/m³，市政雜用用水水價1.92元/m³，東郊工業(yè)區(qū)用水水價1.21元/m³。
　　本工程完成后每年可節(jié)約清潔水資源16673萬m³，節(jié)約自來水3650萬m³/a，相當(dāng)于節(jié)約了建設(shè)一座10萬m³/d的自來水廠的投資4億元。該工程能達(dá)到開源節(jié)流的目的，能為北京市城市綠化面積擴(kuò)大和道路噴灑壓塵創(chuàng)造條件，對環(huán)境綜合治理具有較大的作用，環(huán)境的改善還會帶來了周圍地區(qū)的土地增值。

8 結(jié)論和討論

　　(1) 北京市是一個嚴(yán)重缺水型城市，合理利用高碑店污水處理廠處理水資源，對實現(xiàn)北京市國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展、緩解北京市面臨的21世紀(jì)城市發(fā)展和可利用水資源的矛盾具有重要意義。
　　(2) 高碑店污水處理廠回用工程方案充分考慮了北京市城市水系、園林、道路及工業(yè)布局現(xiàn)狀，具有可實施性。
　　(3) 高碑店污水處理廠污水回用工程能達(dá)到開源節(jié)流的目的，可以在一定程度上緩解北京城市水資源緊缺的局面，能為北京市城市綠化面積的擴(kuò)大和道路噴灑壓塵創(chuàng)造條件，對環(huán)境綜合治理具有較大的作用。
　　(4) 本工程總投資33668萬元,工程費(fèi)用為19260萬元。按政府投資1億元，其余為公司融資計算，在考慮水資源費(fèi)0.20元/m³和水源六廠制水成本條件下，則回用水水價為：供第一熱電廠售水水價為0.31元/m³，供市政雜用售水水價為1.92元/m³,供東郊工業(yè)區(qū)售水水價為1.21元/m³。
　　(5) 建議制定有關(guān)法規(guī)和政策，促進(jìn)城市污水回用設(shè)施的發(fā)展。應(yīng)盡快編制北京市回用水設(shè)施發(fā)展規(guī)劃，以便在相應(yīng)的市政工程中鋪設(shè)回用水管道等設(shè)施，使城市污水回用設(shè)施逐步完善。