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资源。在城市污水中，污染物质只占0.1%左右，远低于海水中3.5%的量值，且就近可得，易于回收，经过适当再生处理，可以重复利用，对保障城市安全供水具有重要的意义。

污水再生利用的目的和意义可以归纳为以下几点：（a）解决了水资源短缺和水危机问题；（b）城市污水再生处理回用，实现污水资源化，减少了向水域的排污量；（c）以污水为原水的再生处理厂的制水成本低于甚至远远低于以自然水为原水的自来水厂。

城市污水再生利用是缓解水资源短缺、保护生态环境、实现污水资源化的有效途径。再生水作为一种潜在水资源的价值已经日益得到人们的重视。城市污水越来越多地在统一的规划和控制之下，有目的、有规律、安全地重复利用。目前我国已制定并实施的污水再生利用标准有：

《城市污水再生利用 分类》（GB/T 18919—2002）

《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T 18920—2002）

《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB/T 18921—2002）

《城市污水再生利用 工业用水水质》（GB/T 19921—2005）

《城市污水再生利用 地下水回灌水质》（GB/T 19772—2005）

《城市污水再生利用 农田灌溉用水水质》（GB 20922—2007）

《城市污水再生利用 绿地灌溉水质》 （GB/T 25499—2010）

《污水再生利用工程设计规范》（GB 50335—2002）

《工业循环冷却水处理设计规范》（GB 50050—2007）

4.1　污水再生利用的途径

污水再生利用的主要途径包括工业、景观环境、绿地灌溉、农田灌溉、城市杂用和地下水回灌等。

（1）工业用水　城市污水再生后是工业用水的重要来源。经适当深度处理的城市污水，只要控制好出水中的悬浮物、氨氮和硬度3项指标就可比较容易地达到《工业循环冷却水处理设计规范》（GB 50050—2007）的要求，作为冷却用水。通过采取进一步的处理措施，再生水还可作为水源供给不同行业作为生产用水，如工艺与产品用水、洗涤用水、锅炉补给水等。

（2）景观环境用水　由于城市用水量逐渐增大，原有城市河流湖泊常出现缺水、断流现象，影响城市景观和居民生活。污水再生利用于景观水体可弥补水源的不足。再生水作为景观环境水体补水应考虑人体接触的健康风险和水体富营养化的风险，注意再生水的氮磷含量，在氮磷含量较高时应通过控制水体的停留时间和投加化学药剂保证其景观功能的实现。并同时应关注再生水中的病原微生物和持久性有机污染物对人体健康和生态环境的危害。

（3）绿地灌溉　污水再生利用于绿地灌溉，水质应满足《城市污水再生利用 绿地灌溉水质》（GB/T 25499—2010）要求。完全对公众开放的绿地，如公园、居民区及校园绿地等人口密集地区，这些地区灌溉的再生水在二级处理后，还需过滤和消毒，严格控制病原微生物、浊度、有毒有害有机物及色度、嗅味等；对限制公众进入的绿地，如高速公路绿化隔离带等少人地区，这些地区的水质要求则相对低一些，主要关注再生水的浊度和嗅味等。利用再生水灌溉绿地，应保证不会对操作人员、游人、行人等的健康造成不良影响；污水二级处理出水溶解性总固体（TDS）较高时，应注意使用量和使用频次，或增加相应除盐措施。

（4）农田灌溉　污水再生利用于农田灌溉已被广泛重视。合理的农田灌溉既能满足农业对水的部分需要，节约水资源，又使污水中含有大量氮、磷等植物所需营养物质得到充分利用。当然其中也存在污染土壤和影响农作物品质的可能，但是污水处理厂出水经过适当的深度处理后，对灌溉作物的这种危害及其随后生态链危害会大大降低。在《城市污水再生利用 农田灌溉用水水质》（GB 20922—2007）中对不同类型的作物，COD_Cr、BOD₅、SS等都提出了较详尽的要求，这些水质指标普通的二级污水处理厂很容易就能达到。因此，选用适宜的灌溉方法合理利用再生水，减轻至消除对农作物的品质影响完全可以实现。

（5）城市杂用　再生水作为城市杂用的用途有冲厕、道路清扫、车辆冲洗等。不同的水源特性、不同的使用目的对处理工艺提出了不同的要求。对于城市污水处理厂的二级出水，只要经过较为简单的混凝、沉淀、过滤、消毒就能达到绝大多数城市杂用水的要求。进一步提高杂用水水质，可考虑采用臭氧氧化和臭氧或紫外与氯的复合消毒等工艺，以增加再生水回用的可靠性。当原水为建筑物排水或生活小区排水，尤其包含粪便污水时，应考虑生物处理和消毒工艺的选择。

（6）地下水回灌　污水处理再生后回灌到地下含水层，主要目的是补充地下水，防止因过量开采地下水而造成的地面沉降和海水入侵。作为再生水回用水质保障处理技术，再生水的卫生学保障消毒技术均已比较成熟，并已在国内外得到了广泛的应用，这些技术的发展和应用为再生水回灌的水质指标要求提供了极大的保障。

4.2　污水再生利用的处理对象和典型工艺

4.2.1　污水再生利用的处理目标

运行正常的二级污水处理厂出水中的污染物可分为有机物、无机物、颗粒状固体和病原微生物4类。污水再生利用时的处理对象就是这4类物质，为了进一步去除二级处理未能完全去除的污水中杂质，达到不同用途的再生水水质要求，需要将各种污水深度处理单元技术进行有机组合。常用的深度处理单元技术功能及特点如表1-4-1所示。

4.2.2　污水再生利用的典型工艺

城市污水再生利用工艺有多种，以下为典型的污水再生利用工艺，其中图1-4-1～图1-4-6为常规深度处理工艺，图1-4-7～图1-4-15为高新技术深度处理工艺。

（1）直接过滤

（2）微絮凝过滤

（3）沉淀（澄清、气浮）过滤

（4）活性炭吸附

（5）臭氧氧化

（6）活性炭吸附与臭氧氧化联合处理

（7）膜分离

（8）慢滤

（9）土地处理

4.3　单元处理工艺及设计要点

城市污水再生利用主要依靠三级处理（又称深度处理、高级处理）工艺，单元处理技术的组合原则主要考虑以下几个因素：（a）污水中的污染物的特性；（b）处理后污水的用途；（c）单元处理技术相互之间的兼容性；（d）经济可行性。

4.3.1　混凝

混凝单元主要具有去除悬浮颗粒和化学除磷两个作用，化学除磷是通过混凝剂与污水中的磷酸盐反应，生成难溶的化合物，使污水中的磷分离出来。

（1）石灰混凝　石灰具有除磷和混凝的双重作用，能同时去除多种污染物。

①除磷　由于羟基磷灰石［Ca₅（OH）（PO₄）₃］是难溶固体，污水中的磷与石灰中的钙反应，形成［Ca₅（OH）（PO₄）₃］沉淀，其反应方程式如下：

pH值是影响除磷效果的主要因素，羟基磷灰石的溶解度随pH值增加而迅速降低，要保持较高的除磷率，需要将pH值提高到9.5以上。要达到一个给定的磷酸盐的去除率，所需的石灰用量与污水中的碱度成正比，而与水中的含磷浓度关系不大。采用石灰作为絮凝剂除磷时，宜用铁盐作为助凝剂，石灰用量与铁盐用量宜通过试验确定。

②改善水体的感官指标　投加石灰可去除色度、嗅味、提高水体的澄清度。

③杀菌　由于投加石灰之后水中的pH值往往高达10.5以上，对大肠杆菌等菌类有很强的杀灭效果，有助于降低后续消毒工艺的加氯量。

④去除有机物　利用石灰的混凝作用以及Ca（OH）₂与污水中HC结合生成CaCO₃的絮凝作用，降低出水的COD_Cr、BOD₅等指标。

⑤去除钙、镁、硅及氟化物　Ca²⁺+F^- CaF₂↓

⑥去除某些金属及非金属离子　包括Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Mn²⁺、Al³⁺、Ag⁺、Cr、Pb²⁺、Mo、B₄等。

（2）铝盐、铁盐除磷

①铝盐除磷　当使用硫酸铝作为混凝剂除磷时，其反应的化学方程式为：

铝盐除磷的最佳pH值约为6。

除硫酸铝外，除磷使用的铝盐还有聚合氯化铝（PAC）等。聚合氯化铝与磷产生的反应与硫酸铝相同。反应形成的絮凝体宜通过重力沉淀加以去除。

②铁盐除磷　铁盐中的铁离子有二价和三价，三价铁离子与磷的反应和铝离子与磷的反应相同，形成难溶的磷酸铁。二价铁离子与磷的反应要复杂一些，需要对二价铁离子加以氧化。当pH值为5时，FePO₄的溶解度最小。常用的铁盐絮凝剂有硫酸亚铁、氯化硫酸铁和三氯化铁。

采用铝盐或铁盐作为絮凝剂除磷时，药剂投加量为去除1mol磷至少需要1mol铁（Fe）或1mol铝（Al），并应乘以2～3倍的系数，该系数宜通过试验确定。

（3）设计要点　混凝单元的设计应根据深度处理流程的竖向水力衔接条件来选择工艺，当深度处理前设置提升泵站时，可采用水泵混合、静态混合等方式。当流程水力衔接的水头较小时，首先考虑采用桨板式机械混合装置，而尽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响出水水质。

在反应单元的设计中，同样应首先选用机械絮凝池和水力旋流絮凝池，而尽量避免采用隔板式絮凝池、折板絮凝池、网格栅条絮凝池。

4.3.2　固液分离

污水中含有的悬浮物，其粒径从数十毫米至1μm以下的胶体颗粒是多种多样的，经二级处理后，在处理水中残留的悬浮物是以粒径从数毫米至10μm的生物絮凝体和未被凝聚的胶体颗粒，二级处理水BOD₅值的50%～80%都来源于这些颗粒。去除这些颗粒可提高二级处理水的稳定度，也是提高脱氮除磷效果的必要条件。

去除二级处理水中的悬浮物采用的处理技术要根据悬浮物的状态和粒径而定。粒径在1μm以上的颗粒，一般采用砂滤去除；粒径从几十纳米到几十微米的颗粒，采用微滤技术去除；粒径在100nm至零点几纳米的颗粒，应采用反渗透法加以去除；呈胶体状的颗粒，则采用混凝沉淀法去除。

（1）混凝沉淀　混凝沉淀是污水深度处理常用的一种技术。混凝沉淀工艺去除的对象是污水中呈胶体的和微小悬浮状态的有机和无机污染物，从而去除污水的色度和浊度。混凝沉淀还可以去除污水中某些溶解性物质，如砷、汞等，也能有效地去除导致水体富营养化的氮、磷等。

城市污水二级处理水中残余的生物絮体沉淀性能较差，宜采用混凝沉淀单元技术。混凝剂的正确选用是混凝沉淀技术的关键环节，一般需要通过试验才能选定出适当的混凝剂种类和投加的剂量。

采用混凝工艺去除污水中的有机污染物效果良好，投药量以硫酸铝计算往往需要50～100mg/L，并且会产生大量含水率较高的污泥。

混凝反应过程形成的絮凝体的分离，除沉淀外，还可以用澄清池加以分离。给水处理工程已有成熟经验，在污水深度处理领域都可以在考虑本身特点的基础上加以参考利用。

（2）气浮　活性污泥具有易流动、难沉淀的特性，而利用气浮工艺在深度处理系统中往往有较好的效果，另外，气浮工艺中的溶气过程还有利于提高处理水体的溶解氧值，避免水质恶化，所以目前在国内外的给水与污水处理过程中应用较为广泛，使用较为普遍的是部分回流压力溶气气浮流程。

设计中可参考采用如下参数：（a）溶气水回流比为10%～20%；（b）气浮池表面负荷为3.6～5.4m³/（m²·h），上升流速1.0～1.5mm/s；（c）停留时间20～40min，聚合氯化铝投药量为20～30mg/L。

（3）过滤　过滤能去除生化过程和化学沉淀中未能去除的颗粒和胶体物质，还能作为水质把关单元保证后续工序的正常运转。

二级处理水过滤处理的主要去除对象是生物处理工艺残留在水中的生物污泥絮体。过滤处理技术的设计要点如下。

a.虽然处理水中的絮凝体具有良好的可滤性，但由于水中的胶体污染物难于去除，滤后水的浊度去除效果不佳，所以应考虑投加一定的化学药剂。如处理水中含有溶解性有机物，还应考虑采用活性炭去除。

b.因二级处理水中的悬浮物多是生物絮凝体，在滤料层表面易形成一层滤膜，致使水头损失迅速上升，过滤周期大为缩短。絮体贴在滤料表面，不易脱离，因此需要辅助冲洗，即加表面冲洗或用气水共同冲洗。空气强度为20L/（m²·s），冲洗水强度为10L/（m²·s）。

c.滤料应适当加大颗粒，以加大单位体积滤料的截泥量。

有关过滤设备的构造、作用原理以及设计计算等内容，在本书的相关章节中已有阐述。一般情况下，用于水处理的过滤设备和各种滤料都适用于二级处理水的深度处理。

4.3.3　活性炭吸附

利用活性炭吸附可以除臭、脱色、去除微量的元素以及放射性污染物质，而且还能吸附多种类型的有机物。通过活性炭吸附，可以去除一般的生化和物化处理单元难以去除的微量污染物。

（1）活性炭的类型　活性炭一般有粉状、粒状和块状三种，以粉状活性炭和粒状活性炭较为常见。但是粉状炭和粒状炭的使用方法及吸附装置完全不同，粉状活性炭常与混凝剂联合使用，投加于絮凝单元中，粒状活性炭则往往作为滤料使用。污水深度处理多使用粒状活性炭。

（2）吸附装置　在活性炭吸附装置中，使用最多的是滤床类吸附装置。滤床类吸附装置又可分为固定床、移动床和流化床等，固定床的构造、工作方式、反冲洗方式等都与普通快滤池十分相似，只是将砂滤层换成了粒状活性炭。移动床和流化床的工作方式类似于水质软化的离子交换装置。

（3）吸附试验　当选用粒状活性炭吸附处理工艺时，应进行静态选炭及炭柱动态试验，根据被处理水水质和再生水水质要求，确定用炭量、接触时间、水力负荷与再生周期等有关设计参数。活性炭的吸附能力不仅取决于自身的品质，也取决于水中污染物的组分构成。通常吸附试验应比较两种以上的活性炭产品；对滤床设计，还应进行比较3种以上的滤速。

（4）设计要点　在无试验资料时，活性炭吸附罐宜采用下列设计参数。

①接触时间　通常可根据活性炭的柱容来计算接触时间。对于深度处理，当出水要求的COD为20～30mg/L时，接触时间可采用20～30min；要求出水COD为5～10mg/L时，则接触时间为30～50min。

②吸附滤速　活性炭床的吸附滤速与砂滤池相似，滤速一般为6～15m/h。

③操作压力　操作压力通常为每30cm碳层厚不大于7.0kPa，相当于采用3m高碳柱时，操作压力不超过71kPa。

④碳层厚度　一般为4～8m，单柱炭床的碳层厚度一般为1.2～2.4m，炭床多为串联工作，运行时依次顺序冲洗、再生，一组串联床数通常不多于4个。并联组数不应少于两组，以便活性炭再生或维修时，不至于停产影响水质。

⑤反冲洗　经常性冲洗强度为15～20L/（m²·s），冲洗历时10～15min，冲洗周期3～5d，冲洗膨胀率为30%～40%；除经常性冲洗外，还应定期采用大流量冲洗；冲洗水可用砂滤水或炭滤水，冲洗水浊度<5NTU。

⑥预处理及其他　在活性炭吸附处理之前，应对原水进行必要的预处理，以延长活性炭的使用寿命。吸附装置中由于有微生物存活，部分有机物被微生物所分解，能够显著地提高去除溶解性有机物的功能。

4.3.4　臭氧氧化

臭氧既是一种强氧化剂，也是一种有效的消毒剂。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状；降低高锰酸盐指数，使难降解有机物得到氧化、降解；杀灭水中的病毒、细菌和病原微生物等。臭氧与活性炭去除有机物的机理不同，去除的有机污染物组分也有所差异。活性炭主要侧重于吸附溶解性有机物，而臭氧则主要侧重于氧化难降解的高分子有机物。

（1）臭氧接触装置　臭氧接触装置是保证臭氧氧化效果的关键单元设备，为保证接触装置设计合理、可靠应通过模拟试验确定设计参数。由于在深度处理中使用臭氧侧重于对有机物的氧化功能，并且介质中的有机物浓度和细菌总数也都高于一般的地面水，因此在设计中按深度处理的水质条件来确定臭氧投加量和接触时间，并根据这一特点来选择适宜的气液接触装置。

（2）设计要点　深度处理的臭氧氧化单元可参考采用以下经验参数设计。

①降解COD　（a）臭氧消耗量：降解1mg/L COD消耗4mg/L O₃（臭氧化气）；（b）接触时间：10～15min。

②消毒　（a）臭氧投加量：5～15mg/L水；（b）接触时间：10～15min。

（3）尾气处置与利用　在臭氧氧化接触后排出的尾气含有低浓度臭氧，会影响环境和人畜安全，难以达到排放要求，因而必须对尾气进行进一步处理。

在污水深度处理中，当采用氧气来制取臭氧时，可考虑将经过分解的臭氧氧化尾气引入生化二级处理单元，提高其曝气质量和系统的动力效率。

4.3.5　膜分离技术

深度处理中，采用膜分离技术去除的主要污染物是难降解、难分离的高分子有机污染物以及重金属离子等，主要包括基于微滤和超滤的固液分离技术，以及基于反渗透的脱盐及溶解性污染物去除技术。具体包括膜生物反应器（MBR）技术、微滤/超滤膜过滤技术；反渗透（RO）技术等。膜法城市污水深度处理是城市污水资源化的一种重要手段，主要流程为混凝沉淀、过滤、活性炭吸附等前处理过程，以及后续的膜分离技术。

（1）膜生物反应器及设计要点　将膜分离技术与活性污泥生物处理单元相结合，以膜过滤取代传统二沉池的水处理技术，适用于以城市污水为水源的污水再生处理。常用组件类型主要有板式和中空纤维两种，需进行定期在线清洗和离线清洗，膜组件采用中空纤维更换周期一般为3～5年，采用板式更换周期一般为5～8年。

以城市污水为处理对象，操作压力宜小于0.05MPa，膜通量一般为10～20L/（m²·h），气水比宜为10～30。出水COD_Cr<30mg/L，浊度<1NTU。

（2）微滤/超滤膜过滤及设计要点　利用微滤膜或超滤膜去除水中SS和胶体物质的处理技术，主要包括外置式和浸没式两种应用方式。常用组件类型主要有板式、管式和中空纤维三种，需定期进行在线和离线化学清洗，膜组件更换周期约为3～5年。适用于城市污水二级处理出水的深度处理，可替代常规的沉淀-过滤工艺。

设计运行参数与膜的过滤方式有关。外置式：操作压力宜≤0.2MPa，膜通量宜为40～70L/（m²·h），反冲洗周期宜为30～60min；浸没式：操作压力宜≤0.05MPa，膜通量宜为30～50L/（m²·h），反冲洗周期宜为30～60min。COD_Cr去除率为5%～30%，浊度<0.2NTU，水回收率≥90%。

（3）反渗透技术及设计要点　利用只能透过水而不能透过溶质的反渗透膜进行水中溶解性物质去除的膜分离技术，多用于对溶解性无机盐类和有机物含量有特殊要求的再生水生产。反渗透对预处理要求高，一般要求有超滤或微滤预处理，并使用一次性的保安过滤器（一般采用5μm滤元）；反渗透膜用于污水再生处理容易产生膜污染问题，每年需进行2～6次膜的化学清洗，3～5年需更换膜组件。

反渗透处理工艺的核心部件是半渗透膜，其中主要有醋酸纤维素膜和芳香聚酰胺膜。在形式上有管式、平板式、螺旋卷式和中空纤维式等。表4-1-2所列举的是各种形式半渗透膜的各项技术特征。

以城市污水二级处理水为对象，进水污染指数（SDI15）<3，运行压力≤2.0MPa，一级两段反渗透产水率可大于70%，一级RO系统的脱盐率可大于95%，二级RO的脱盐率可大于97%。

4.3.6　常用消毒方法

城市污水经二级处理后，水质得到改善，细菌含量也大幅度减少，但细菌的绝对值仍很高，还可能存在病原微生物，因此消毒是再生水生产环节的必备单元。

污水消毒的主要方法是向污水中投加消毒剂。可以采用液氯、次氯酸盐、二氧化氯、紫外线、臭氧等技术或其组合技术等消毒。当采用液氯消毒时，加氯量按卫生学指标和余氯量控制，宜连续投加，接触时间应大于30min。

4.4　污水再生处理构筑物设计要点

a.污水再生处理构筑物的生产能力应按最高日供水量加自用水量确定，自用水量可采用平均日供水量的5%～15%。

b.各处理构筑物的个（格）数不应少于2个（格），并宜按并联系列设计。任一构筑物或设备进行检修、清洗或停止工作时，仍能满足供水要求。

c.再生水厂应设清水池，清水池容积应按供水和用水曲线确定，一般不宜小于日供水量的10%。

d.再生水厂和工业用户，应设置加药间、药剂仓库。药剂仓库的固定贮备量可按最大投药量的30d用量计算。

e.在寒冷地区，各处理构筑物应有防冻措施。