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摘要:为解决某沿海生态城淡水资源紧缺问题，拟在生态城科教园区某学院内建设中水回用系统工程，介绍了该中水工程的设计要点及设计参数等。该工程处理规模1550 m3/d，采用毛发过滤、管式混合、混凝沉淀、曝气生物滤池、连续反冲洗砂滤、二氧化氯消毒处理工艺，其出水可以用来冲厕、绿化浇灌以及构建绿地淡水层。
关键词:中水回用、曝气生物滤池、处理工艺、系统设计
Abstract： In order to solve the shortage of fresh water in one coastal Eco-city, a reclaimed water reuse system is planned to build up in a college located in the Scientific and Educational Parks. This paper introduces the main design points and values of design parameters. The treatment ability of this project is 1500 m3/d. Hair filter, tube mixer, coagulating sedimentation, biological aerated filter (BAF), continuous reverse wash sand filter, and chlorine dioxide disinfection are adopted for treatment. The outflow can be used to flush toilets, irrigate landscaping, and build greenbelt fresh water layer.
Key words：Reclaimed water reuse; Biological aerated filter; Treatment technology; System design
中图分类号：F205 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1 工程概述
学院位于唐山市某沿海生态城内的滨海新城高校示范园区内，校区总用地面积约109.6公顷，规划师生人数约为16320人。生态城处于沿海咸水地带，淡水资源匮乏，地表水水量有限且污染严重，地下水水位不断下降，属于干旱高盐环境。为了使有限的淡水资源得到最大化循环利用，打造节约型生态校园，在该校建立中水回用系统，设置中水处理站，将校园内灰水就地处理，达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T18920）标准后回用。
2 设计水量与水质
2.1设计水量
校园建筑采用灰水、黑水分类收集排水体制，黑水包括尿液、粪便及冲洗水，污染程度高，经化粪池处理后直接排入市政下水道；灰水主要为洗涤废水，水量充裕稳定，污染物浓度低，选择作为本系统的原水。处理后的中水回用于冲厕和绿化浇灌，进行水量平衡计算如表1所示。
表1：水量平衡表（单位：m3/月）
Tab. 1 Water balance table (Units: m3/month)
水量平衡计算，必须考虑学校的特性，寒暑假以及国家法定假日期间，校内人员数量将发生改变。表格中灰水产生量定额夏季为125L/(人·d)，春秋季为95L/(人·d)，冬季为65L/(人·d)。冲厕用水量按40L/(人·d)计。校园内绿化植物生长所需要的水量一部分来自降雨，降雨量根据暴雨强度公式以及绿化面积计算，剩余部分由中水供应，植物灌溉需水量由CROPWAT模型模拟计算得到。
根据水量平衡计算，本工程采用灰水作为原水建设校园分散式中水回用系统是可行的，盈余中水通过地下水回灌和补充地表水用于在干旱多盐的校园环境中构建绿地淡水层，改善校园生态环境，并在生态城中形成示范作用。
中水回用系统的设计规模Qr=1550m3/d=64.6 m3/h，回用中水中37%用于冲厕、23%用于浇灌绿地、40%用于构建绿地淡水层，并采用自来水作为补充水源。
2.1 设计水质
进水水质参照《建筑中水设计规范》GB50336-2002[1]，并结合该地区的实测资料确定，出水水质满足《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T18920）[2]，主要设计进、出水水质见表2。
表2 主要设计进、出水水质
Tab. 2Design influent and effluent quality
3 工艺流程
由于采用灰水作为中水原水，其污染程度较低，可生化性好，结合出水设计水质，经技术经济比较后，确定以曝气生物滤池（BAF）为主体的处理工艺[3]，工艺流程如图1所示。
图1：中水回用处理工藝流程
Fig. 1Flow chart of reclaimed water reuse process
由灰水收集管网集中汇集而来的灰水首先进入调节池中，以均化水质和水量，保障后续处理构筑物连续稳定运行。由于灰水以洗涤废水为主，在进行处理之前，必须经由毛发过滤器去除其中的毛发、纤维等杂物，以免堵塞管道和处理装置。原水加入混凝剂在管式混合器中充分混合后，进入混凝沉淀池中，去除水中的悬浮物杂质。由于混凝沉淀池出水的浊度较低，为灰水进入曝气生物滤池提供了保障，进一步降低悬浮物、COD及BOD5[3]浓度。最后通过砂滤设备进行深度处理后，在中水池中进行消毒以备回用。
4 处理工艺设计参数
4.1 调节池
由于校园内灰水水质、水量变化较大，调节容积按8h处理时间计算，有效容积为517m3，尺寸为20 m×12.9m×3m。调节池采用地下式，灰水重力流入，池内设置潜污泵2台，一用一备。
经潜污泵提升后灰水通过设置在水泵出水管上的毛发过滤器和管式混合器后进入混凝沉淀池中处理。
4.2 混凝沉淀池
絮凝池和沉淀池合建，采用垂直轴流式机械絮凝池，灰水经机械搅拌絮凝后由池下部的穿孔墙进入上向流斜管沉淀池。斜管采用优质乙丙共聚蜂窝斜管，六角内切圆直径25mm，安装角度60°。沉淀池采用钢制穿孔集水槽集水，出水经进水孔淹没出流进入集水槽后汇流进入集水总渠。混凝沉淀池的主要设计参数如表3所示。
表3 混凝沉淀池的主要设计参数
Tab. 3 Main design parameters of coagulation sedimentation tank
4.4 曝气生物滤池
采用上向流曝气生物滤池，滤池总容积202m3，水力停留时间3h，2格并联，单格尺寸为6.4m×6.4m。滤池采用长柄滤头均匀布水，滤池中设置轻质陶粒滤料，粒径2.5~3.0mm，滤料高度2.5m。曝气采用微孔曝气管，设有鼓风机2台。滤池采用“气反冲洗5min—气水联合反冲洗5min—水反冲洗8min”的反冲洗形式，设置1台反冲洗鼓风机。曝气生物滤池的主要设计参数如表4所示。
表4 曝气生物滤池的主要设计参数
Tab. 3 Main design parameters of BAF
4.5 连续反冲洗砂率设备
砂滤的表面水力负荷为23 m3/（m2·h），选用2座成套设备，每座设备的过滤面积为1.5m2。连续反冲洗砂滤设备不需要设置反洗泵，且反洗滤砂时无需停机，性能较传统式砂滤机更为稳定。在连续反洗的过程中，滤砂处于流动状态中，避免了滤料结块情况，因此不需要换砂。连续放冲洗砂滤设备的反冲洗水量为处理水量的5%左右，大大少于传统式的过滤器，反冲洗废水排入调节池中，过滤后的澄清水贮存于清水池中。
4.6 中水池
中水池用于贮存处理后的中水，其容积应满足校园最大用水量。中水池的平均进水流量Q1=64.6 m3/h，最大灌溉用水量Q2=140 m3/h，最大冲厕用水量Q3=54m3/h，水力停留时间按4h计，则中水池的有效容积为V=（Q2+ Q3- Q1）×HRT=517.6 m3。为节省占地面积，中水池设置在调节池上部，则设计尺寸为16.42 m×12.90m×2.55m。
消毒过程也在中水池中完成，消毒剂采用二氧化氯，由设置在消毒间的二氧化氯发生器产生后由管道输送至中水池中。中水池中设置导流墙，二氧化氯与处理后中水在池中充分接触，完成消毒。
4.7 贮泥池
贮存混凝沉淀池由SS转化产生的非生物污泥，污泥量为81.375 kg/d，污泥含水率按95%计。设置潜污泵，将剩余污泥提升至校园污水管网中。贮泥池设置在调节池上层，与中水池共壁，设计尺寸为4.50 m×1.58m×2.55m。
4.8 水泵室
为便于中水回用工程集中管理，回用水泵以及反冲洗水泵集中设置在处理站内。设计尺寸为8.00 m×3.18m×2.55m，位于调节池上层，与中水池共壁，所有水泵均能采用自灌式充水。水泵室内设置反冲洗水泵两台，一用一备，供曝气生物滤池放冲洗；回用变频泵两台，一用一备，供中水回用于校园。
5 系统经济分析
本项目总占地面积620 m2，其中建筑物占地面积390 m2，其他面积进行绿化。总投资438.7万元，其中土建投资175.6万元，设备及安装等投资263.1万元，中水处理成本包括日常运转费（电费、药剂费等）和设备维修费等[4~5]。
①电费：当地电费以0.52元/(kW·h)计，耗电量为823(kW·h)/d，则电费为155600元/a。
②人工费：定员为2人，每人每月工资按2000元计，则人工费为48000元/a。
③药剂費：包括混凝剂和消毒剂的费用，36100元/a。
④检修维护费用：包括大修费用以及日常维护费用，按照总投资的13%计算为291800元/a。
⑤折旧费：按照20年计算为352000元/a。
项目的中水处理量为1550m3/d，则吨水造价为1.56元，吨水运行成本为0.94元，由此可以看出混凝沉淀-曝气生物滤池工艺占地面积小，吨水投资低的特点。与使用自来水冲洗厕所、绿化浇灌相比，每年可节水33.9万t ，节约资金约14.9万元 ，且多余的处理水可用于校区绿地淡水层的构建。
6 结论
（1）中水回用系统以可持续发展为设计原则，特别是在沿海生态城这样一个干旱多盐的环境，最大程度地减少自来水的使用量，并有助于创造良好的淡水环境，使淡水资源的使用效率最大化。
（2）本中水回用系统的设计建立在建筑物灰水、黑水分类收集的排水体制上。水质较差的黑水经城市排水管网进入污水处理厂集中处理，有效地降低污排污量，减轻城市排水系统的负担；灰水作为中水原水，降低了处理的难度和处理设施的造价，并能有效地保障中水的水质。这种基于源分离理念的排水体制在重视节能减排以及可持续发展的今天具有良好的发展前景
（3）采用混凝沉淀-曝气生物滤池-砂滤工艺进行中水处理，工艺流程简单，自动化程度高，处理效果稳定。中水处理站布置紧凑，占地面积小，最大程度地降低了处理设施对校区环境的印象。
参考文献：
[1] GB50336-2002, 建筑中水设计规范[S].
[2] G B/T18920 , 城市污水再生利用 城市杂用水水质标准[S].
[3] 王白杨, 胡兆吉等.南昌大学前湖校区中水回用工程设[J]. 中国给水排水, 2007, 23(6): 39-40.
[4] 刘建斌,王飘扬,范飞.北京师范大学中水处理站设计与运行[J]. 中国给水排水, 2004, 20(9): 82-83.
[5] 王勇.宿州市中水回用工程设计[J]. 中国给水排水, 2007, 23(10): 43-46.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:中水回用、曝气生物滤池、处理工艺、系统设计
Abstract： In order to solve the shortage of fresh water in one coastal Eco-city, a reclaimed water reuse system is planned to build up in a college located in the Scientific and Educational Parks. This paper introduces the main design points and values of design parameters. The treatment ability of this project is 1500 m3/d. Hair filter, tube mixer, coagulating sedimentation, biological aerated filter (BAF), continuous reverse wash sand filter, and chlorine dioxide disinfection are adopted for treatment. The outflow can be used to flush toilets, irrigate landscaping, and build greenbelt fresh water layer.
Key words：Reclaimed water reuse; Biological aerated filter; Treatment technology; System design
中图分类号：F205 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1 工程概述
学院位于唐山市某沿海生态城内的滨海新城高校示范园区内，校区总用地面积约109.6公顷，规划师生人数约为16320人。生态城处于沿海咸水地带，淡水资源匮乏，地表水水量有限且污染严重，地下水水位不断下降，属于干旱高盐环境。为了使有限的淡水资源得到最大化循环利用，打造节约型生态校园，在该校建立中水回用系统，设置中水处理站，将校园内灰水就地处理，达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T18920）标准后回用。
2 设计水量与水质
2.1设计水量
校园建筑采用灰水、黑水分类收集排水体制，黑水包括尿液、粪便及冲洗水，污染程度高，经化粪池处理后直接排入市政下水道；灰水主要为洗涤废水，水量充裕稳定，污染物浓度低，选择作为本系统的原水。处理后的中水回用于冲厕和绿化浇灌，进行水量平衡计算如表1所示。
表1：水量平衡表（单位：m3/月）
Tab. 1 Water balance table (Units: m3/month)
水量平衡计算，必须考虑学校的特性，寒暑假以及国家法定假日期间，校内人员数量将发生改变。表格中灰水产生量定额夏季为125L/(人·d)，春秋季为95L/(人·d)，冬季为65L/(人·d)。冲厕用水量按40L/(人·d)计。校园内绿化植物生长所需要的水量一部分来自降雨，降雨量根据暴雨强度公式以及绿化面积计算，剩余部分由中水供应，植物灌溉需水量由CROPWAT模型模拟计算得到。
根据水量平衡计算，本工程采用灰水作为原水建设校园分散式中水回用系统是可行的，盈余中水通过地下水回灌和补充地表水用于在干旱多盐的校园环境中构建绿地淡水层，改善校园生态环境，并在生态城中形成示范作用。
中水回用系统的设计规模Qr=1550m3/d=64.6 m3/h，回用中水中37%用于冲厕、23%用于浇灌绿地、40%用于构建绿地淡水层，并采用自来水作为补充水源。
2.1 设计水质
进水水质参照《建筑中水设计规范》GB50336-2002[1]，并结合该地区的实测资料确定，出水水质满足《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T18920）[2]，主要设计进、出水水质见表2。
表2 主要设计进、出水水质
Tab. 2Design influent and effluent quality
3 工艺流程
由于采用灰水作为中水原水，其污染程度较低，可生化性好，结合出水设计水质，经技术经济比较后，确定以曝气生物滤池（BAF）为主体的处理工艺[3]，工艺流程如图1所示。
图1：中水回用处理工藝流程
Fig. 1Flow chart of reclaimed water reuse process
由灰水收集管网集中汇集而来的灰水首先进入调节池中，以均化水质和水量，保障后续处理构筑物连续稳定运行。由于灰水以洗涤废水为主，在进行处理之前，必须经由毛发过滤器去除其中的毛发、纤维等杂物，以免堵塞管道和处理装置。原水加入混凝剂在管式混合器中充分混合后，进入混凝沉淀池中，去除水中的悬浮物杂质。由于混凝沉淀池出水的浊度较低，为灰水进入曝气生物滤池提供了保障，进一步降低悬浮物、COD及BOD5[3]浓度。最后通过砂滤设备进行深度处理后，在中水池中进行消毒以备回用。
4 处理工艺设计参数
4.1 调节池
由于校园内灰水水质、水量变化较大，调节容积按8h处理时间计算，有效容积为517m3，尺寸为20 m×12.9m×3m。调节池采用地下式，灰水重力流入，池内设置潜污泵2台，一用一备。
经潜污泵提升后灰水通过设置在水泵出水管上的毛发过滤器和管式混合器后进入混凝沉淀池中处理。
4.2 混凝沉淀池
絮凝池和沉淀池合建，采用垂直轴流式机械絮凝池，灰水经机械搅拌絮凝后由池下部的穿孔墙进入上向流斜管沉淀池。斜管采用优质乙丙共聚蜂窝斜管，六角内切圆直径25mm，安装角度60°。沉淀池采用钢制穿孔集水槽集水，出水经进水孔淹没出流进入集水槽后汇流进入集水总渠。混凝沉淀池的主要设计参数如表3所示。
表3 混凝沉淀池的主要设计参数
Tab. 3 Main design parameters of coagulation sedimentation tank
4.4 曝气生物滤池
采用上向流曝气生物滤池，滤池总容积202m3，水力停留时间3h，2格并联，单格尺寸为6.4m×6.4m。滤池采用长柄滤头均匀布水，滤池中设置轻质陶粒滤料，粒径2.5~3.0mm，滤料高度2.5m。曝气采用微孔曝气管，设有鼓风机2台。滤池采用“气反冲洗5min—气水联合反冲洗5min—水反冲洗8min”的反冲洗形式，设置1台反冲洗鼓风机。曝气生物滤池的主要设计参数如表4所示。
表4 曝气生物滤池的主要设计参数
Tab. 3 Main design parameters of BAF
4.5 连续反冲洗砂率设备
砂滤的表面水力负荷为23 m3/（m2·h），选用2座成套设备，每座设备的过滤面积为1.5m2。连续反冲洗砂滤设备不需要设置反洗泵，且反洗滤砂时无需停机，性能较传统式砂滤机更为稳定。在连续反洗的过程中，滤砂处于流动状态中，避免了滤料结块情况，因此不需要换砂。连续放冲洗砂滤设备的反冲洗水量为处理水量的5%左右，大大少于传统式的过滤器，反冲洗废水排入调节池中，过滤后的澄清水贮存于清水池中。
4.6 中水池
中水池用于贮存处理后的中水，其容积应满足校园最大用水量。中水池的平均进水流量Q1=64.6 m3/h，最大灌溉用水量Q2=140 m3/h，最大冲厕用水量Q3=54m3/h，水力停留时间按4h计，则中水池的有效容积为V=（Q2+ Q3- Q1）×HRT=517.6 m3。为节省占地面积，中水池设置在调节池上部，则设计尺寸为16.42 m×12.90m×2.55m。
消毒过程也在中水池中完成，消毒剂采用二氧化氯，由设置在消毒间的二氧化氯发生器产生后由管道输送至中水池中。中水池中设置导流墙，二氧化氯与处理后中水在池中充分接触，完成消毒。
4.7 贮泥池
贮存混凝沉淀池由SS转化产生的非生物污泥，污泥量为81.375 kg/d，污泥含水率按95%计。设置潜污泵，将剩余污泥提升至校园污水管网中。贮泥池设置在调节池上层，与中水池共壁，设计尺寸为4.50 m×1.58m×2.55m。
4.8 水泵室
为便于中水回用工程集中管理，回用水泵以及反冲洗水泵集中设置在处理站内。设计尺寸为8.00 m×3.18m×2.55m，位于调节池上层，与中水池共壁，所有水泵均能采用自灌式充水。水泵室内设置反冲洗水泵两台，一用一备，供曝气生物滤池放冲洗；回用变频泵两台，一用一备，供中水回用于校园。
5 系统经济分析
本项目总占地面积620 m2，其中建筑物占地面积390 m2，其他面积进行绿化。总投资438.7万元，其中土建投资175.6万元，设备及安装等投资263.1万元，中水处理成本包括日常运转费（电费、药剂费等）和设备维修费等[4~5]。
①电费：当地电费以0.52元/(kW·h)计，耗电量为823(kW·h)/d，则电费为155600元/a。
②人工费：定员为2人，每人每月工资按2000元计，则人工费为48000元/a。
③药剂費：包括混凝剂和消毒剂的费用，36100元/a。
④检修维护费用：包括大修费用以及日常维护费用，按照总投资的13%计算为291800元/a。
⑤折旧费：按照20年计算为352000元/a。
项目的中水处理量为1550m3/d，则吨水造价为1.56元，吨水运行成本为0.94元，由此可以看出混凝沉淀-曝气生物滤池工艺占地面积小，吨水投资低的特点。与使用自来水冲洗厕所、绿化浇灌相比，每年可节水33.9万t ，节约资金约14.9万元 ，且多余的处理水可用于校区绿地淡水层的构建。
6 结论
（1）中水回用系统以可持续发展为设计原则，特别是在沿海生态城这样一个干旱多盐的环境，最大程度地减少自来水的使用量，并有助于创造良好的淡水环境，使淡水资源的使用效率最大化。
（2）本中水回用系统的设计建立在建筑物灰水、黑水分类收集的排水体制上。水质较差的黑水经城市排水管网进入污水处理厂集中处理，有效地降低污排污量，减轻城市排水系统的负担；灰水作为中水原水，降低了处理的难度和处理设施的造价，并能有效地保障中水的水质。这种基于源分离理念的排水体制在重视节能减排以及可持续发展的今天具有良好的发展前景
（3）采用混凝沉淀-曝气生物滤池-砂滤工艺进行中水处理，工艺流程简单，自动化程度高，处理效果稳定。中水处理站布置紧凑，占地面积小，最大程度地降低了处理设施对校区环境的印象。
参考文献：
[1] GB50336-2002, 建筑中水设计规范[S].
[2] G B/T18920 , 城市污水再生利用 城市杂用水水质标准[S].
[3] 王白杨, 胡兆吉等.南昌大学前湖校区中水回用工程设[J]. 中国给水排水, 2007, 23(6): 39-40.
[4] 刘建斌,王飘扬,范飞.北京师范大学中水处理站设计与运行[J]. 中国给水排水, 2004, 20(9): 82-83.
[5] 王勇.宿州市中水回用工程设计[J]. 中国给水排水, 2007, 23(10): 43-46.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。