北京市城市污水资源化的成功探索与启示

摘要：本文从北京市所拥有的水资源量、污水量及污水回用量等水的平衡系统出发，重点结合高碑店污水处理厂处理水资源化再利用工程的实际，全面、系统地阐述了污水资源化实施过程中的关键环节及对改善北京市生态环境、促进水资源合理利用、缓解北京市水资源供需矛盾所具有的重要意义。该污水回用工程是世界上较大的回用工程，它开创了北京市城市污水资源化领域的新纪元，并为污水资源化技术在全国的推广与实施奠定了良好的基础，本文重点论述如下问题：
（1）通过对北京市污水资源化发展历程的回顾，论述污水资源化客观上的必要性及技术、经济的可行性。
（2）高碑店污水处理厂处理水资源化再利用工程日处理规模为47万立方米，回用水用户类别为工业、农业及市政杂用等。本文以该工程为例，论述如下污水资源化实施过程中的关键环节。
（3）借鉴国内外经验并结合北京市的实际情况，提出北京市污水资源化发展思路。

project implement Successfully for MUNICIPAL WASTEWATER REUSE OF BEIJING

Starting with the water balance system of water resources Beijing possesses, wastewater quantities and reuse quantities as well as combining mainly with the Effluent Reuse Project of Gaobeidian Wastewater Treatment Plant (ERPGWTP), the key links of wastewater reuse implementation are expatiated comprehensively and systemically in this paper. It has also discussed the significance of improving Beijing city environment, accelerating reasonable use of water resources as well as alleviating the contradiction between water supply and demand. ERPGWTP is one of the larger water reuse project in the world. It inaugurates a new era in the municipal wastewater reuse field of Beijing. To sum up, issues dissertated in this paper are as follows:
(1) Dissertate the objective necessity as well as the technical and economical feasibility of wastewater reuse through reviewing the municipal wastewater reuse development course of Beijing.
(2) The design capacity of ERPGWTP is 470,000 m³/d. The reclaimed water consumers are industrial, agricultural and miscellaneous municipal. In this text, taking the above project as example, the following key links during the implementation of wastewater reuse are discussed.
(3) Using the national and external experiences for reference as well as combining with the actual status of Beijing, bring forward the developing direction of the municipal wastewater reuse of. Beijing.

1. 序言

　　北京作为全国的政治中心和文化中心，社会经济及城市建设得到了迅速发展。同时，水资源的供需矛盾也日益突出。北京人均占有水资源量约300m³，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, 是一个严重缺水的城市。为了实现北京市国民经济可持续发展战略，缓解21世纪北京市面临的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的第二水源^［1］。
　　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》十大研究课题中，于2000年列入北京市重点工程。
　　本工程于1999年3月至8月完成该项目的前期研究及可行性研究工作；1999年10月完成项目的立项和审批；2000年1月完成该工程的初步设计和审批工作，同年3月完成施工图设计，4月开始工程施工。目前该工程施工已完成，正在进行工程验收和试运行工作,预计近期将正式启用。该工程是将高碑店污水处理厂二级出水提升用于自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。回用水用户涉及到工业、公园绿化和河湖补水、道路喷洒等。本项目的实施，开创了北京市城市污水资源化领域的新纪元。
　　本文主要通过对该工程实施的分析，探讨城市污水回用工程设计中的技术与经济要求。

2. 回用方案的确定
2.1 高碑店污水处理厂概况
　　高碑店污水处理厂是目前我国处理规模最大的污水处理厂，一期工程于1993年10月24日竣工投产，处理能力50万m³/d。二期工程于1999年年底竣工投产。目前总处理能力为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。
　　根据我们对该厂出水的实测和该厂提供的1999年出水水质分析结果，出水水质水量稳定，其出水水质达到了设计要求，其二级出水水质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磷脱氮的要求。因此该厂一期处理工艺中未设除磷脱氮设施。该处理厂的工艺特点是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处理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，其余每年超过3亿m³的出水没有得到利用。因此，合理利用此污水资源迫在眉睫。
2.2 回用水用户及用水量分析
　　城市污水回用应符合城市总体规划要求。根据北京市城市布局、水系和市政供水分布以及工业布局现状，按照北京市城市规划要求，高碑店污水处理厂回用水的主要潜在用户有工业、市政杂用和农业灌溉等。通过调查分析，主要潜在用户用水量如表1所示^［2］。

表1： 回用水用户及用水量 单位：万m³/d

　　本项目主要用户是第一热电厂、市政杂用和东郊工业区。
　　在确定第一热电厂回用水规模时，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水用水量仅考虑为20万m³/d；在远期工程方案中，采取措施使第二热电厂采用封闭式循环冷却方式运转，则第二热电厂的耗水量将大大减少，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水用水量将在近期方案规模的基础上扩大10万m³/d，第一热电厂总回用规模为30万m³/d。
　　北京市水源六厂距高碑店污水处理厂仅几公里的距离,此厂主要任务是为工业供水。厂内建有规模为17万m³/d的深度处理设施。而1998年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。目前该厂进水水源为通惠河。高碑店污水处理厂二级出水可直接供水源六厂使用。考虑到水源六厂目前的处理程度和实际供水情况，通过水源六厂处理后的最终用户是东郊工业区和市政杂用。在近期方案中，东郊工业区和焦化厂利用回用水水量为5万m³/d；表中市政杂用水合计约4.21万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，共计10万m³/d。在远期方案中，水源六厂再扩大7万m³/d，供市政杂用使用，共计17万m³/d。
2.3 回用水水质技术保障体系
● 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），其中厌氧区内隔出停留时间为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。
● 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。
　　第一热电厂用水利用该厂现有设施进行深度处理。其它用户的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，即满足工业和市政杂用水水质要求。
2.4 回用水用户优化分配方案
　　高碑店污水处理厂出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出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出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。

3. 工程设计
3.1 工程规模
本工程设计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出水的用户对象为：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。
3.2 工程范围
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。
3.3 设计方案
　　在设计方案确定中，应尽可能地利用现有设施，以降低工程投资。第一热电厂目前在高碑店湖取水作为该厂冷却用水，厂内已有深度处理厂。因此，可直接将高碑店污水处理厂出水用管道输送到高碑店湖作为该厂取水水源，深度处理可利用该厂现有设施。其它用户用水，先用管道将高碑店污水处理厂出水输送到水源六厂，在水源六厂进行深度处理后用管道输送到各用户。具体设计方案如下：
　　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。
3.4 工程内容
　　本工程设计内容主要为：
●　高碑店污水处理厂内47万m³/d的泵站一座。
●　高碑店污水处理厂至高碑店湖输水管：DN1800mm，长1480m。
●　高碑店污水处理厂至水源六厂管道：DN1400mm，长4766m。
●　市政杂用水配水管：DN1200mm，长6791m；DN1000mm，长1431m；DN800mm，长4615m；DN600mm，长2845m；D=500mm，长2880m。
● 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。

4.工程投资及水价预测
4.1工程投资
　　工程总投资31586万元，其中10000万元为政府拨款，其余为贷款（公司融资）。

工程费用 16245 万元
其他费用 12752 万元
其中土地使用费 　　10685 万元
预备费用 1160 万元
建设期贷款利息 　1322 万元
铺底流动资金 107 万元
4.2 水价预测
本经济分析以国家计划委员会《建设项目经济评价工作若干规定》（计投资[1993]530号文件）、 《建设项目经济评价方法与参数（第二版）》, 《中外合资项目经济评价方法说明》为依据，主要参数如下：
● 运营期：20年（2001-2020）
● 还款期：7年（2001-2007年）
● 建设期贷款利息：5.85%；
● 还款期贷款利息：6.21%；
● 企业内部收益率 ：6%
　　用户用水水价即售水水价，为水资源费、成本与利税的总和。目前的售水水价为基本水价。因为本经济分析是在行业最低内部收益率为6%的前提下计算的。银行要求的还款期为7年，还款期间，用于还款的资金来源小于当年需要还款的数额。如果满足还款要求，内部收益率将高达30%以上，水价也将随之大幅增长，显然不具有可操作性。因此，需要寻求短期贷款来解决此矛盾，确定最终水价。
　　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0.81元/m³的条件下，分析结果为：第一热电厂用水水价0.36元/m³，市政杂用用水水价1.83元/m³，东郊工业区用水水价1.31元/m^3， ，详见下一节的效益分析。
4.3 效益分析
　　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边地区的土地增值，促进经济的发展。

5.结论与建议

(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。
(3) 在城市污水回用工程设计中应特别重视前期研究工作，详细调查分析潜在主要用水用户。回用工程方案应结合城市水系、园林、道路及工业布局现状，充分利用城市现有设施，降低工程投资。工程方案应具有可实施性。
(4) 目前我国大部分城市还没有污水回用规划，污水回用的法规还不健全，建议国家制定有关法规和政策，促进城市污水回用设施的发展。城市专项规划时，引入污水资源化的内容，将污水收集系统、污水处理厂的建设、污水再利用用户及回用系统的建设等因素综合考虑，使污水资源化工程的实施，随着城市的发展，在规划的统一指导下进行。
(5) 制订合理的自来水价格和水资源费，寻求适宜的贷款条件，使污水资源较之新鲜水资源具有价格优势，加速城市污水资源化的进程。

主要参考文献:
[1] 北京市城市规划设计研究院、北京市节约用水办公室，北京市城市污水综合利用研究，1999.4
[2] 北京市市政管理委员会、北京市市政工程设计研究总院，高碑店污水处理厂处理水资源化再利用方案，1999.6

作者信息
姓名：张荣辉
单位：北京市市政工程设计研究总院
出生年月：1959年8月6日
主要研究方向：给水、排水、固体废弃物处理系统规划、科研设计及项目管理等。
职务：研究所副所长
职称：教授级高级工程师
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