天津经济技术开发区“双膜法”污水再生回用示范工程

李健　李会元　关代宇　褚一威　陈双星

（天津经济技术开发区污水处理厂 天津泰达新水源科技开发有限公司）

　　摘要：本文对天津开发区污水回用项目进行了简要介绍，根据开发区污水水质特性，通过可研论证并结合中试，确定了开发区污水集中回用采用连续流微滤与反渗透组合工艺；描述了工艺特点、工程建设情况以及对出水水质的分析比较；论述了在我国打破传统工艺，第一次大规模实施污水脱盐深度处理对于减少污染、开发水资源、分质回用、规范回用等方面促进区域经济可持续发展的重大意义。本项目已被列入国家“十五”科技攻关计划课题“城市污水再生利用政策、标准和技术研究与示范”的子课题，该子课题名称为“天津开发区污水再生利用综合研究与工程示范”。

　　天津经济技术开发区（以下简称天津开发区）于1984年12月6日经国务院批准建立，是中国首批国家级开发区之一。天津开发区占地面积33平方公里，区内共有中外企业3000余家，2000年实现工业产值732亿元。工业产值占天津市的1/3，外贸出口占47％，是天津市的新经济增长点。根据“十五”计划，在未来的5～10年，天津开发区经济将以每年20％的速度增长。

　　随着天津开发区经济的飞速发展，城市污水、工业废水和其他污染物的排放显著增加，对周边环境和渤海湾的排放污染也日益增加。天津市政府、开发区管委会和各级环保部门十分重视环境保护基础设施的建设工作。1997年动工兴建的天津开发区污水处理厂工程，是国家“保护渤海湾碧海行动”的第一个项目，被列入天津市政府改善人民生活的重点工程，为了保护环境、进一步减少污染，天津开发区管委会在污水处理厂刚刚投产运行时就立即组织力量，开展污水回用、污水资源化的前期工作，其目的在于：进一步大幅度削减污水污染物的排放，努力趋进“零排放”；开发新水源，缓解本地区淡水资源紧缺的局面，促进本地区经济可持续发展。

　　1.　污水处理厂及污水的特性

　　天津开发区污水回用水源为污水处理厂二级出水。

　　天津开发区污水处理厂位于南海路与第十二大街交口处，占地6.71公顷，总投资l.5亿元人民币，设计规模为10万立方米/日，其中工业废水占60％～80％。污水处理系统采用SBR工艺的连续进水、间歇出水、双池串联的DAT-IAT工艺。

　　1999年12月建成污水处理厂，2000年5月投入运行后，各项处理指标均达到设计要求，运行稳定，2000年8月顺利通过天津市环保局“环保设施评价验收” ，2001年被评为国家优质工程银奖，也为开发区污水资源化工作奠定了坚实的基础。 

　　天津开发区位于渤海之滨，是在原来盐碱滩上开发建设而成的，地下水含盐量高且水位高，排水管网不可避免地渗入了地下苦咸水。在实施了排水管网的“切、堵、截”等工程措施后，开发区污水氯离子含量和全盐量在旱季分别为1220mg/L和2290mg/L；在雨季分别为2250mg/L和5075mg/L。这种情况下，污水处理厂二级出水采用常规的方法进行深度处理很难达到回用的要求。只有对出水采用深度脱盐处理，才能使处理后的水质满足未来回用水用户的要求。因此，开发区污水回用的核心工艺是脱盐工艺。脱盐工艺在技术上的可行性、经济上的合理性，将直接决定和制约开发区污水回用工程的实施。

　　2.　污水回用项目的组成

　　由于天津开发区污水处理厂出水含盐量高，这就决定了必须采取适合本地区污水性质的污水回用工程方案和技术路线。

　　经过可行性研究阶段的反复论证，基本确定开发区污水回用项目由三个部分组成。

　　2.1　休闲娱乐区景观湖用水。

　　2.2　分散回用。

　　分散回用指的是以工业企业、大型公建以及生活小区排水为回用水源，经过必要的深度处理后通过管道或其他输水设备就近回用于绿化、杂用的回用方式。分散回用规模小、不便于统一管理，但其输水距离短，不需脱盐处理，因而运行成本相对较低。

　　2.3　集中回用。

　　集中回用在天津开发区污水回用项目中工作量最大，工艺路线最复杂。本文主要介绍采用膜法技术污水脱盐处理集中回用的工艺路线和工程建设。

　　3.　国外采用膜技术实现污水再生回用技术水平与发展动态

　　笔者尚未看到国内采用膜技术实现城市污水再生回用的研究与报道。

　　3.1　美国

　　再生水作为供水资源并不是新生事物。在美国的若干地区实施使用20多年之久。在美国南加利福尼亚州的桔城水区的第21世纪水厂，自1976年以来就将处理过的污水经膜技术处理提炼出的高质量的再生水注入到地面水中。美国佛吉尼亚州的UOSA污水厂自1978年就将再生水排放到奥柯昆（OCCOQUAN）水库。该水库是华盛顿周边地区100多万人口的供水源。

　　再生水在美国及全世界正趋于增长趋势。目前，美国有几个城际规模的再生水项目正在规划或建设中。其中两个项目位于佐治亚州的亚特兰大城附近的格尼特（GWINNETT），和位于亚立桑那州的菲尼克斯城附近的斯柯戴尔（SCOTTSDALE）。

　　在美国，普遍采用这种被称为“可规划的间接再生回用”方式。

　　3.2　新加坡

　　新加坡于1998年开始再生水研究（“新水研究”Newater）。由新加坡公共事业局与国家环保部共同发起倡导并形成理念。其最初目的是确定新水作为自然生水源弥补新加坡自身供水的可能性。所谓新水就是对使用过的水通过先进的双膜（微滤和反渗透）及紫外线工艺进行严格的净化及处理。新水可与水库水混合，再进行常规处理后作为饮用水。

　　为达到可规划的间接适于饮用的再生水目的，新加坡再生水研究的策划与设计包括以下三大主要因素：

　 ·评估高科技双膜（微滤及反渗透）和紫外线灯技术日产10000吨先进再生水示范厂的设计，建设，试运行和营运。证明其可连续性的生产高质量新水的可靠性；

　　·进行取样与监测，对再生水进行物理，化学及微生物的全面分析，新水作为自然水源来进行饮用的可行性。

　　·进行健康影响测试，确定再生水的安全性。包括新水与来自BEDOK水库水源进行对比性的毒素方面的评估。对动物标本进行短期和长期健康影响的监测（如老鼠和鱼），同时也对鱼进行雌性激素（繁殖与发展）方面的评估。

　　从1999年，由新加坡本土及国外的有关工程学，化学及水技术领域的专家组建成专家组，向公共事业局和国家环保部就新水研究提供独立研究报告。

　　新水厂采用双膜及紫外线消毒处理工艺日产新水10000吨。该厂位于BEDOK再生水厂（既前BEDOK污水处理厂）的下流的密集地带。

　　所以选定BEDOK再生水厂作为其示范新水厂，是因为该厂的废水收水95%以上来自于新加坡国内。第二个是使用多重物理屏障来去除污水中的微生物病原体及化学污染物。

　　新水厂于2000年5月开始运行，一直运转良好，其状态始终处于设计期望值范围内。下表展示了自2000年5月以来原水厂设计标准与实际水厂运作结果（月平均数）。

　　新水厂的平均单位功率消耗一直在0.7～ 0.9kWh/m³范围内保持不变.远远低于原设计所规定的1.2 kWh/m³.

　　按照US EPA国家初级和二级饮用水标准，以及WHO（世界卫生组织）饮用水质量指针中所列出的饮用水参数，研究小组进行了全部的,大约190种与水质量有关的物理学的,化学的及微生物学的参数进行了分析.经资料分析与整理于2002年6月提交了“新加坡再生水研究”报告。

　　2002年6月专家组对报告及数据进行评估, 达成如下结论:

　　(A) 通过2年对新水物理学,化学及微生物学上的分析, 新水可以作为饮用的再生水. 新水的质量标准始终达到了美国环保局（US EPA）国家一级和二级饮用水标准和世界卫生组织（WHO）的饮用水质量标准.

　　(B) 基于下列原因,新加坡必须采取间接饮用的(IPR)方法:

　　·与水库水相混合,弥补在RO 工艺中去除的微量矿物, 有益于健康和饮水口味;

　　·可提供更多的安全性;

　　·民众的接受与认可.

　　该方法与美国采用的可规划间接饮用方法相似.

　　4.　天津开发区污水集中回用脱盐深度处理工艺及主要特点

　　4.1　工艺流程

　　由于在我国尚无污水脱盐处理的研究成果和工程实践，从2001年1月3日开始进行的污水脱盐深度处理中间试验，确定天津开发区污水脱盐深度处理工艺路线如下：

　　4.2　预处理选择连续式微滤膜技术（CMF）工艺。

　　每根微滤膜柱的直径为120mm，高度为1500mm，内装的中空纤维外径为550μm，内径为300μm，壁孔径0.2μm，单柱膜表面积为15m²，20^oC时单根膜柱水通量为1.26m³/h。CMF工艺系统的主要特点是：①采用错流式过滤，使处理效果不受进水水质的影响；②灵活的模块设计有利于膜组件的更换和增容；③专利的压缩空气对滤膜进行反冲洗，提高膜分离效果和膜组件的使用寿命；④在线膜完整性测试，在任何时间均能保证出水水质；⑤采用内含故障诊断，保证系统的全自动运行；⑥系统占地少，可以在现有建筑物内安装，安装费用低。

　　4.3　污水脱盐采用反渗透（RO）工艺。

　　反渗透膜选用美国DOW化学公司耐污染反渗透膜，该膜具有较好的脱盐效果和较强的耐污染特性，以保证得到良好的出水水质和稳定的运行效果。

　　4.4　天津开发区污水集中回用项目新水源一厂工程建设情况

　　4.4.1　基本情况

　　建设单位：天津泰达投资控股有限公司

　　          天津开发区污水处理厂

　　设计单位：中国市政工程华北设计院、天津市政工程设计研究院　　联合设计

　　设备供应商：US Filter（中国）公司提供主要工艺设备，并提供概念设计。

　　4.4.2　工程规模

　　    一期：连续流微滤（CMF）2.7～2.9万吨/日，反渗透（RO）1.0万吨/日。

　　4.5　进出水水质与处理效果分析

　　4.5.1　进水水质

　　天津开发区污水处理厂出水设计标准，即新水源一厂进水水质如下：

　　4.5.2　出水水质与分析

　　经过系统调试，天津开发区新水源一厂工艺设备运行基本稳定。污水经深度处理后用于回用的再生水水质指标，与世界卫生组织（WHO）、美国环保署（USEPA）颁布的饮用水水质标准相比较见下表。

　　经过比较，经上述工艺处理的出水水质远好于WHO和美国所颁布的饮用水标准，再生水可广泛回用于工业纯水、工业冷却水、工业工艺、园林绿化以及市政生活杂用水。

　　4.6　工程进度与经济初步分析

　　天津开发区新水源一厂于2001年9月动工兴建，2002年9月建成通水。经过一个多月的调试，目前基本达到稳定运行的阶段。

　　该项工程总投资约6000万元，运行成本正在测算中。经开发区财政局、五州会计事务所测算，再生水综合制水成本近期2.49元/m³；远期1.77元/m³。

　　5.　天津开发区水资源综合利用总体目标与再生水回用方向

　　开发区水资源综合利用规划和总体目标

　　按照“开源节流并重，节流先行”的原则，开发区淡水资源综合利用总体规划和“十五”计划确定了“以外调淡水为主要水源，污水再生回用为重要支撑，苦咸水淡化、海水淡化为必要补充，合理开发利用近海滩涂地下水，形成与经济发展相协调的天津开发区淡水资源优化配置的科学体系”的总体思路。

　　天津开发区采用“双膜”工艺（连续流微滤——反渗透）实现污水再生回用。在去除盐分的同时，去除了水中所有的细菌、病毒、重金属和有机污染物等。简单说：目前市场上销售的纯净水，最理想、最合适的方法就是采用反渗透工艺。经过反渗透工艺处理后，再生水是理想的“工业纯净水”。按照“物尽其用”的基本原则，本地区再生水主要回用目标和方向是：

　　5.1　工业用水

　　以天津开发区出口加工区的开发为契机，把该区建成节水区和再生水回用的示范区，以此推动本地区再生水工业回用的工作力度，工业回用的主要方向有：电子、纺织、机械制造、化工、轻工等行业的工业工艺用水和工业冷却用水。特别应该指出，尽管用于工业冷却，由于含盐量低，“工业纯净水”与其它水源相比，投加阻垢剂少、循环率高、补水少，其运行成本显著降低。

　　5.2　热源厂锅炉用水

　　天津开发区5#热源厂正在建设中，一期工程用水7200m³/d。

　　再生水用于5#热源厂的规划已经得到相关部门和用户的认可，目前，再生水回用工程已在实施中。

　　5.3　园林、景观绿化用水

　　5.4　市政与其它杂用用水

　　按“十五”规划，在4～5年之内，天津开发区经脱盐处理再生水回用量可达35000～40000 m³/d，占本地区用水总量30%以上。除此之外，景观湖面用水（不脱盐）15000 m³/d左右。

　　6.　工程项目的意义与创新性

　　天津开发区再生水回用工程在技术和用户市场所形成的创新点包括三个方面：

　　6.1　在我国第一次完全打破传统的污水深度处理工艺，采用膜技术进行污水深度处理和脱盐处理，其关键技术的运用，大幅度提高了再生水的水质。

　　6.2　在我国第一次将再生水回用到工业高级用户，彻底改变传统回用水在冲洗厕所、园林绿化、工业冷却等低级、小规模的应用局面。使再生水真正成为地区城市基础设施的重要组成部分，在经济的持续发展中发挥作用。

　　6.3　在新兴区域范围内，在水回用工程实施的同时完成区域性水资源综合利用规划方案，建立了包括价格在内的配套政策体系，极大的促进了本地区污水资源化工作进入健康发展的轨道。

　　天津开发区再生水回用工程的建成，将为建立节水型城市和节水型社会奠定坚实的基础；对我国特别是缺水地区解决水资源短缺，实现污水资源化提供了有效途径；对我国污水深度处理方法和工艺技术的研究产生深远的影响；并将对进一步改善天津开发区的投资环境，保持经济的可持续发展发挥积极作用。