根據北京市國民經濟和社會發展遠景目標綱要和城市總體規劃，對北京市生活、工業、農業和城市河湖環境需水量進行預測，2020年全市需水量將達到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濟發展的重要因素。為了實現北京市國民經濟可持續發展戰略，緩解北京市面臨的21世紀城市發展和可利用水資源的矛盾，北京市政府決定開發城市汙水資源作為城市第二水源。 高碑店汙水處理廠汙水回用工程於1999年列入北京市政府《關於北京市環境汙染治理目標與對策》（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並完成了可行性研究，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計和審批工作，2月完成施工圖設計，4月開始施工，目前該工程施工已基本完成，預計今年上半年將正式啟用。該工程是將高碑店汙水處理廠二級出水提升用於河道取水的工業用水，替代清潔水源、改善河道景觀，並將部分二級出水經深度處理後用於市政雜用（如道路噴灑、綠地澆灌等），替代自來水，達到城市汙水資源化和改善河道水質的目的。回用水涉及的區域範圍，東至公路壹環，西至西三環，南至南四環，北至長安街。地區面積為141km2。回用水用戶涉及到工業、公園綠化和河湖補水、道路噴灑等。本文主要分析該工程的技術方案和研究成果。
高碑店汙水處理廠情況
高碑店汙水處理廠是目前我國最大的汙水處理廠，壹期工程於1993年10月24日竣工投產，壹期工程處理能力50萬m3/d。二期工程於1999年年底竣工投產。目前處理能力為100萬m3/d。高碑店汙水處理廠汙水系統流域面積96平方公裏，服務人口240萬人，匯集北京市南部城區的大部分生活汙水、東郊工業區、使館區和化工路的全部汙水。該處理廠采用前置缺氧段活性汙泥法工藝，即在推流式曝氣池前設置缺氧段，其目的是改善汙泥性質，防止汙泥膨脹。 目前高碑店汙水處理廠二級出水直接排入通惠河下遊，除每年約5500萬m3用於農業灌溉外，剩余的處理水每年超過3億m3沒有得到利用，根據我們對該廠出水的幾次實測和該廠提供的1999年出水水質分析結果，其出水達到設計要求，出水水質水量穩定，其二級出水多數參數已接近相關的回用水水質標準.但高碑店汙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，當時在國家城市汙水處理廠排放標準中還沒有除氮脫磷的要求。因此該廠壹期處理工藝中未設除磷脫氮設施。
可能應用對象分析
潛在工業用戶高碑店汙水處理廠內部用水 高碑店汙水處理廠已建規模為1萬m3/d的廠內回用水工程，主要用於汙泥脫水沖洗濾布、檢修、噴灑、澆灑綠地、洗車用水水源等，該用水應優先保證。華能熱電廠 華能熱電廠位於高碑店汙水處理廠對面。高碑店汙水處理廠至華能熱電廠之間鋪設了兩條直徑800mm的管道，同時該廠內部的深度處理站也已經建成。華能熱電廠提供的最新數據表明，該廠現計劃四臺機組冷卻補水全部使用高碑店汙水處理廠二級出水作為水源，並通過本廠深度處理站處理後再利用，以保證冷卻水水質。該廠實際可利用高碑店汙水處理廠二級出水為7.68萬m3/d，該用水應優先保證。北京市第壹熱電廠 北京市第壹熱電廠是壹座高溫高壓熱電廠，位於通惠河北側，距離高碑店汙水處理廠僅幾公裏。該廠***有循環泵4臺，每臺循環水量為4.15 立方米/秒，循環泵房設在通惠河北岸，冷卻水是開放式循環，正常生產情況下有三臺泵運行，所需水量約12 m3/s（即104萬m3/d）。其補水量約26 - 34.6萬m3/d，平均補水量30.3萬m3/d。 考慮到目前河道水質現況，為保持河道水質上遊仍需來水，北京市第二熱電廠部分慣流退水仍能用於第壹熱電廠，在近期方案中第壹熱電廠回用高碑店汙水處理廠處理水用水量僅考慮為20萬m3/d。在遠期工程方案中，第二熱電廠采用封閉式循環冷卻方式運轉，耗水量將大大減少，第二熱電廠不再有慣流退水供第壹熱電廠使用。因此，在遠期工程方案中第壹熱電廠回用高碑店汙水處理廠處理水用水量將在近期方案規模基礎上擴大10萬m3/d。北京市水源六廠 北京市水源六廠距高碑店汙水處理廠僅幾公裏,此廠是為工業提供用水的河水廠，廠內建有規模為17萬m3/d的深度處理設施。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。該廠進水取自通惠河。高碑店汙水處理廠二級出水可直接供水源六廠使用。在近期方案中，東郊工業區和焦化廠利用高碑店汙水處理廠處理水的水量為5萬m3/d，市政雜用水5萬m3/d。在遠期方案中，水源六廠再擴大7萬m3/d。通州工廠用水 通州距高碑店汙水處理廠約八公裏。通州現有工廠120多家，包括化工、機械、紡織、造紙和食品等行業，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二廠等。通州的工廠***可使用再利用水量7萬m3/d。市政雜用水 城市雜用用水在北京市汙水綜合利用研究中壹直未引起人們的重視，本研究中我們調查了沿通惠河、南護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，並多次走訪了市園林和環衛管理部門，具體調查結果如下：3.2.1 公園綠化及河湖用水 沿河道主要公園有龍潭湖公園、北京遊樂園、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。城市綠化用水 在回用水供水範圍內有多處城市集中綠地，由於位置較為分散，在目前狀況下很難嚴格計算出回用於城市綠化的水量。故重點考慮集中在道路兩旁隔離帶和沿河道兩岸較集中的綠地，按北京市總體規劃估算城市綠化用水量約0.2萬m3/d 。道路路面噴灑用水 據北京市規劃路網指標，其主幹路和次幹路的道路面積約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環衛部門負責，水源全部為自來水，取水點為固定的自來水消火栓。但按環衛部門道路噴灑水車取水半徑，並非所有可噴灑道路都能用高碑店汙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行深度處理，深度處理後的出水用管道自水源六廠沿護城河輸送到西便門和廣安門。若在原有水源六廠供水管網中加設取水口，則可用高碑店汙水處理廠處理水來噴灑的道路東至公路壹環，西至西三環以西，東西長約23.5km。按環衛部門道路噴灑水車取水半徑3km計，南北長可達6km，可噴灑的地區面積為141km2。按北京市城市規劃設計研究院1992年《北京市總體規劃》研究成果，公路壹環內道路用地率在1991年前為3.82%，到2010年將達13.43%。若在近期方案中道路用地率按10%計，則用高碑店汙水處理廠處理水噴灑道路面積約14.1km2，根據環衛部門提供的噴灑道路的用水指標,每立方米水可噴灑2500 m2道路面積，則壹天壹次噴灑道路的需水量為0.564萬m3/d。目前北京市許多路面壹天噴灑兩次。按市政府治理大氣環境汙染，減少城市空氣灰塵量的要求，未來北京市路面噴灑要求達到壹天三次。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。近期方案市政雜用水規模 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。考慮到不可預見水量和管網漏失率，近期方案中市政雜用水規模為5萬m3/d。3.3 農業灌溉用水 高碑店汙水處理廠農業灌溉區包括東南郊、朝陽、雙橋和通州四個灌區，分布在朝陽和通州通惠河兩岸的14個鄉和2個農場，現況灌溉面積20.21萬畝。農作物以糧、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%。農業灌溉需用水量約48萬m3/d，目前從官廳和密雲兩大水庫供給指標水及工業退水水量約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。高碑店閘下遊河道補水 通惠河下遊高碑店閘至北運河蒸發滲漏、壹年八次換水和河道兩側綠化需水量約3.6萬m3/d。
回用技術方案
用戶用水優化分配
高碑店汙水處理廠處理水優先保證廠內回用水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區和焦化廠用水量5萬m3/d和第壹熱電廠20萬m3/d，***計38.68萬m3/d。 在遠期工程實施前，剩余的高碑店汙水處理廠處理水除用於高碑店閘至北運河兩側綠化和河道補水3.6萬m3/d外，還可以用於農業灌溉48萬m3/d，最後用於通州工廠7萬m3/d,總計97.28萬m3/d。 在遠期工程方案實施後，第壹熱電廠擴大用水量10萬m3/d，水源六廠擴大用水量7萬m3/d；剩余的高碑店汙水處理廠處理水用於高碑店閘至北運河兩側綠化和河道補水3.6萬m3/d、農業灌溉40.72萬m3/d,總計100萬m3/d。工程規模 本工程方案主要考慮高碑店閘上遊的回用水用戶，通過近期工程方案實施後才能利用高牌店汙水處理廠處理水的用戶對象為：第壹熱電廠20萬m3/d，市政雜用水5萬m3/d，通過水源六廠供東郊工業區和焦化廠用水量5萬m3/d。因此，近期工程方案規模為30萬m3/d。 遠期工程方案規模將由近期工程方案規模30萬m3/d擴大到47萬m3/d。主要增加的用戶對象為：第壹熱電廠用水規模擴大10萬m3/d，水源六廠擴大用水量7萬m3/d。工程方案 高碑店汙水處理廠二沈池出水經新建泵站（規模47萬m3/d）提升後用兩條管道分別輸送到高碑店湖（規模30萬m3/d）和水源六廠（規模17萬m3/d）。送至高碑店湖的處理水供北京第壹熱電廠用水；送至水源六廠的處理水在該廠進行深度處理後，壹部分通過水源六廠現有供水系統供給東郊工業區和焦化廠；壹部分通過新建管道輸送到西便門和東便門。在水源六廠現有供水管道和新建管道沿線設取水口，供市政雜用取水。
回用水水質技術保障措施
高碑店汙水處理廠改造 由於高碑店汙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，必須對該廠進行技術改造，進壹步提高該廠出水水質。2000年5月完成了該廠改造工程可行性研究。改造規模為50萬m3/d，即對高碑店汙水處理廠壹期工程（50萬m3/d）進行改造。該改造工程分兩步進行。第壹步改造後使出水水質優於目前第壹熱電廠冷卻水取水水源高碑店湖的水質，出水中BOD、COD、總磷和氨氮分別達到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類水體的水質要求。 主要改造工作量包括曝氣池改造和汙泥處理系統的改造。原曝氣池為1/12為厭氧區，其余為好氧區，改造後將原池2/9為缺氧區及厭氧區（水力停留時間***為2h），其中進水端分出壹停留時間為15min的強化吸附區。其余仍為好氧區（水力停留時間7.25h）。原汙泥系統中剩余汙泥泵入初沈池，其混合汙泥再進汙泥濃縮池濃縮後消化脫水，因濃縮汙泥池停留時間太長（3d），處於厭氧狀態，磷又被釋放出來，通過上清液回到汙水中，因此達不到除磷的目的。改造後，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；將消化池上清液和脫水機濾液及沖洗水收集後進行化學除磷。 目前高碑店汙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立項，其投資（約2511萬元）也不列入汙水回用工程。深度處理措施 高碑店汙水處理廠二級出水水質水量穩定，達到設計要求，但還不能滿足市政雜用水標準，而綠化用水和道路噴灑等市政雜用水水質對人類健康和城市環境會產生影響，因此，市政雜用水必須在回用前進行深度處理，以滿足相應標準。 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。水源六廠現有日處理能力17萬m3/d的深度處理設施，主要采用機械加速澄清、砂濾和消毒等工藝處理過程。根據該廠提供的出水水質，其出水可滿足相應用戶要求。由於北京市工業結構的調整，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在水源六廠利用其剩余處理能力，可滿足市政雜用水近、遠期規模需求，在該廠深度處理後的水質能滿足市政雜用水水質要求。
主要工程內容和投資
本工程總投資33668萬元（不包括高碑店汙水處理廠改造費用），其中征地拆遷費10000萬元,工程費用為19260萬元，工程建設內容主要為： （1）高碑店汙水處理廠內47萬m3/d的泵站壹座。 （2）高碑店汙水處理廠至高碑店湖輸水管：DN1800mm，長1480m。 （3）高碑店汙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。 （5）水源六廠改造：包括蓄水池清淤和護砌、汙泥池擴建、水泵改造、進出水口的改造、增加自控和電氣設備等。 園林供水支線管道。
工程經濟效益分析
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）。在考慮汙水資源費0.20元/m3和水源六廠原有資產成本與利稅0.73元/m3的條件下，水價計算分析結果為：第壹熱電廠用水水價0.31元/m3，市政雜用用水水價1.92元/m3，東郊工業區用水水價1.21元/m3。 本工程完成後每年可節約清潔水資源16673萬m3，節約自來水3650萬m3/a，相當於節約了建設壹座10萬m3/d的自來水廠的投資4億元。該工程能達到開源節流的目的，能為北京市城市綠化面積擴大和道路噴灑壓塵創造條件，對環境綜合治理具有較大的作用，環境的改善還會帶來了周圍地區的土地增值。
結論和討論
(1) 北京市是壹個嚴重缺水型城市，合理利用高碑店汙水處理廠處理水資源，對實現北京市國民經濟可持續性發展、緩解北京市面臨的21世紀城市發展和可利用水資源的矛盾具有重要意義。 (2) 高碑店汙水處理廠回用工程方案充分考慮了北京市城市水系、園林、道路及工業布局現狀，具有可實施性。 (3) 高碑店汙水處理廠汙水回用工程能達到開源節流的目的，可以在壹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大和道路噴灑壓塵創造條件，對環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：供第壹熱電廠售水水價為0.31元/m3，供市政雜用售水水價為1.92元/m3,供東郊工業區售水水價為1.21元/m3。 (5) 建議制定有關法規和政策，促進城市汙水回用設施的發展。應盡快編制北京市回用水設施發展規劃，以便在相應的市政工程中鋪設回用水管道等設施，使城市汙水回用設施逐步完善。
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