城市污水處理與中水回用系統(tǒng)分析與優(yōu)化
城市污水處理與中水回用設(shè)施作為一種系統(tǒng)，可應(yīng)用系統(tǒng)論原理對(duì)其工程建設(shè)、運(yùn)行管理和后續(xù)發(fā)展加以分析、研究，現(xiàn)以青島為例進(jìn)行系統(tǒng)分析、優(yōu)化。
1 系統(tǒng)現(xiàn)狀
1.1 組成
該市污水實(shí)行區(qū)域集中處理，二級(jí)處理尾水直接排海或用于生產(chǎn)中水，現(xiàn)有污水處理廠4座、中水生產(chǎn)廠1座、雨污水管道700 km、排水泵站18座、服務(wù)面積為120km2、服務(wù)人口為140萬(wàn)。城市排水實(shí)行雨、污分流制。
1.2 運(yùn)行管理體制
污水處理廠和中水廠都是以政府投資或政府投資與外國(guó)贈(zèng)款、貸款等方式建成的。青島市排水管理處負(fù)責(zé)市內(nèi)四區(qū)城市污水處理設(shè)施的行政管理和養(yǎng)護(hù)運(yùn)行、排水水質(zhì)監(jiān)測(cè)。污水處理廠按照海泊河、李村河、團(tuán)島、麥島4個(gè)區(qū)域污水匯集水系設(shè)置。城市污水處理費(fèi)由自來(lái)水公司代收。污水處理設(shè)施養(yǎng)護(hù)、運(yùn)行費(fèi)用在2000年以前實(shí)行事業(yè)性管理，之后則開始實(shí)行財(cái)政大包干和企業(yè)化管理。
1.3 污水處理廠概況
污水廠概況見表1。
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1.4 污水處理產(chǎn)物的利用
① 沼氣。供職工食堂爐灶、沼氣鍋爐、沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)作燃料，可滿足污水廠供熱量的80%～90%。
② 中水。海泊河廠于1999年建成一座中水生產(chǎn)廠，生產(chǎn)能力為4×104m3/d。利用二級(jí)出水經(jīng)過(guò)絮凝、沉淀、脫色、消毒、過(guò)濾等工序生產(chǎn)出符合國(guó)家《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的中水，供周圍5km范圍內(nèi)約20個(gè)單位作冷卻、洗滌、綠化、衛(wèi)生、施工等雜用。 ③ 污泥的開發(fā)利用。直接做綠化底肥用于改良土壤；作為菌種啟動(dòng)新建污水處理廠；研制有機(jī)復(fù)合肥、建筑材料、燃料等。
2 系統(tǒng)分析與綜合優(yōu)化
系統(tǒng)分析的目的在于考察其結(jié)構(gòu)是否完善、存在何種缺陷、優(yōu)化的程度如何、系統(tǒng)效應(yīng)如何，以判明系統(tǒng)的發(fā)展方向及能動(dòng)地加以控制和調(diào)整，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)論基本原理從不同角度對(duì)系統(tǒng)加以考察分析。
2.1 應(yīng)用整體性原理
根據(jù)整體性原理，對(duì)環(huán)境效益和社會(huì)效益僅需作定性分析，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益則應(yīng)定量考察。顯然，只要城市污水處理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)收集、輸送和處理污水并達(dá)標(biāo)排放尾水，則其環(huán)境和社會(huì)效益就應(yīng)為正效應(yīng)，而且城市污水處理率越高，其正效應(yīng)越大。按此標(biāo)準(zhǔn)，目前青島城市污水處理率已達(dá)50%，環(huán)境和社會(huì)效益已經(jīng)實(shí)現(xiàn)正效應(yīng)。
由于該市城市污水處理與回用系統(tǒng)實(shí)行企業(yè)化管理，城市污水處理費(fèi)用已按照運(yùn)行管理成本確定(不包括回用水設(shè)施的建設(shè)、運(yùn)行管理費(fèi))，在這種情況下的經(jīng)濟(jì)效益視為零效應(yīng)。
然而，企業(yè)化管理的目標(biāo)是追求利潤(rùn)最大化即實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的正效應(yīng)，其方法無(wú)非是開源節(jié)流(節(jié)流即對(duì)內(nèi)挖潛，降低運(yùn)行管理成本；開源即實(shí)現(xiàn)污水處理產(chǎn)物的資源化，主要是尾水的資源化，通過(guò)中水回用實(shí)現(xiàn)盈利)。
欲實(shí)施中水回用工程就必須建設(shè)中水生產(chǎn)廠、敷設(shè)中水供給管道，只有中水銷售收入超過(guò)工程建設(shè)成本與生產(chǎn)運(yùn)行成本才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。
2.2 應(yīng)用結(jié)構(gòu)性原理
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性原理提示人們?cè)谘芯亢蛣?chuàng)建系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照系統(tǒng)整體性的要求，先設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)框架，然后將各要素組合成層次分明、秩序井然的系統(tǒng)。
① 按污水匯集水系可分為海泊河、李村河、團(tuán)島、麥島4個(gè)區(qū)域子系統(tǒng)。
② 按設(shè)施及功能可分為6個(gè)子系統(tǒng)：a.污水供給系統(tǒng)；b.污水處理系統(tǒng)；c.尾水排海系統(tǒng)；d.二級(jí)處理尾水供應(yīng)系統(tǒng)；e.中水生產(chǎn)系統(tǒng)；f.中水供給系統(tǒng)。
③ 按管理職能可分為5個(gè)子系統(tǒng)：a.行政管理子系統(tǒng)；b.污水處理子系統(tǒng)；c.中水回用子系統(tǒng)；d.水質(zhì)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)；e.城市污水處理及中水收費(fèi)子系統(tǒng)。
2.3 應(yīng)用動(dòng)態(tài)性原理
青島城市污水處理與中水回用系統(tǒng)實(shí)行企業(yè)化管理后的首要問(wèn)題便是如何解決系統(tǒng)的自主管理問(wèn)題，即必須盡快轉(zhuǎn)變行政管理子系統(tǒng)的職能，提高系統(tǒng)的自組織、自適應(yīng)、自控制等能力，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下開展資本運(yùn)營(yíng)，降低污水處理成本，規(guī)劃建設(shè)后續(xù)工程、組織中水生產(chǎn)和銷售。
其次，要控制中水回用子系統(tǒng)從點(diǎn)到面穩(wěn)步發(fā)展，避免中水的供需脫節(jié)，以免給整個(gè)城市污水處理與回用系統(tǒng)帶來(lái)長(zhǎng)期的不利影響。
2.4 應(yīng)用相關(guān)性原理
相關(guān)性原理提示人們重視系統(tǒng)的全局性和平衡性，通過(guò)加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)、抑制膨脹因素，把各種影響因素都控制在合理的限度內(nèi)，從而控制系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)模和速度。
對(duì)青島而言，主要存在以下幾個(gè)影響因素：
① 建設(shè)、運(yùn)營(yíng)資金
城市污水處理與回用系統(tǒng)原屬公益事業(yè)，其建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用由財(cái)政負(fù)擔(dān)，實(shí)行企業(yè)化管理后首先面臨資金缺口問(wèn)題。
城市污水處理子系統(tǒng)已經(jīng)基本建成，除系統(tǒng)運(yùn)行管理費(fèi)外，已無(wú)需較大的固定資產(chǎn)投資；而中水回用子系統(tǒng)剛剛建成1座中水生產(chǎn)廠，其供給管網(wǎng)遠(yuǎn)未建成，尚需較大規(guī)模的投入。這部分投資可從以下途徑取得：
a.成本節(jié)余
由于現(xiàn)行城市污水處理費(fèi)的價(jià)格是按照事業(yè)性管理體制下的管理成本確定的，在實(shí)行企業(yè)化管理后尚有降低運(yùn)行管理成本的余地。
b.社會(huì)融資
籌建中水股份公司，通過(guò)引進(jìn)外資、發(fā)行股票、企業(yè)債券或銀行貸款募集資金，以中水銷售利潤(rùn)分紅、付息或還貸。
② 系統(tǒng)安全隱患
由于污水處理廠均采用生物降解工藝，來(lái)自原水和其他污染源的劇毒或高濃度污染物可能殺死用于處理污水的微生物，導(dǎo)致污水廠停運(yùn)，從而影響到整個(gè)城市污水處理與回用系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
③ 中水產(chǎn)量限制
理論上，城市的污水排放量一般為自來(lái)水用量的50%左右，即使二級(jí)處理尾水排放量無(wú)損耗地轉(zhuǎn)化為中水，其產(chǎn)量也必低于城市用水量的50%。按照青島市現(xiàn)在的污水處理率約為50%計(jì)算，目前中水的最大產(chǎn)量不會(huì)超過(guò)城市自來(lái)水用量的25%，遠(yuǎn)期最大產(chǎn)量不會(huì)超過(guò)50%，因此中水生產(chǎn)廠的設(shè)計(jì)最大產(chǎn)量、城市規(guī)劃設(shè)置中水供給管網(wǎng)均不應(yīng)超出以上限制，以避免不必要的資金和資源浪費(fèi)。
④ 中水價(jià)格限制
由于中水的用途較自來(lái)水有局限性，僅能在生活雜用水等方面使用，因此其價(jià)格必然低于自來(lái)水，并因價(jià)格低廉而在生活雜用水市場(chǎng)上具有一定競(jìng)爭(zhēng)力。
上述因素決定了中水的利潤(rùn)空間有限，中水是否能盈利、城市污水處理與回用系統(tǒng)能否發(fā)展壯大，其決定性因素是系統(tǒng)的管理模式和管理水平。
2.5 應(yīng)用綜合優(yōu)化原理
系統(tǒng)的綜合優(yōu)化是使系統(tǒng)調(diào)整、發(fā)展到功能最佳的狀態(tài)。
青島市污水處理與回用系統(tǒng)的綜合優(yōu)化可以分以下兩部分。
① 污水處理子系統(tǒng)的優(yōu)化
由于污水處理子系統(tǒng)已發(fā)展到一定規(guī)模，其結(jié)構(gòu)基本完整，運(yùn)行管理水平較高，因此目前的基本任務(wù)不是實(shí)施新的建設(shè)工程，而是對(duì)原有設(shè)施的改造即加強(qiáng)管理、提高效率、降低成本，增大系統(tǒng)正效應(yīng)，保證經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益的增長(zhǎng)。
a.實(shí)施流域截污工程
青島市城市排水實(shí)行雨、污分流制，然而由于種種原因，雨、污混流現(xiàn)象十分突出，不但影響城市污水處理率，而且嚴(yán)重影響近海海域環(huán)境質(zhì)量。該市自1999年3月起實(shí)施截污工程(包括擴(kuò)建、改造泵站及實(shí)施雨、污分流)，大大提高了城市的污水處理率，改善了生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)了城市經(jīng)濟(jì)和旅游、衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展。
b.實(shí)行污水處理區(qū)域管理
青島市目前在麥島區(qū)域子系統(tǒng)試行“水系管理”新體制，即由麥島污水處理廠自行供給、處理污水。將污水供給與處理單位合二為一，在整個(gè)區(qū)域子系統(tǒng)內(nèi)實(shí)行統(tǒng) 一的調(diào)度管理，有利于提高區(qū)域污水處理率、協(xié)調(diào)污水供給量和時(shí)間、降低污水處理總成本 。
c.強(qiáng)化系統(tǒng)安全控制
控制系統(tǒng)的安全隱患，凡是貯存、生產(chǎn)或排放危險(xiǎn)化學(xué)品的單位均須置于水質(zhì)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的監(jiān)控之下，并應(yīng)制定可行的應(yīng)急措施以便應(yīng)付突發(fā)事件。
d.建設(shè)水系調(diào)流設(shè)施
青島市由于實(shí)行分區(qū)集中處理污水體制，若某污水廠因事故等原因停產(chǎn)，其所承擔(dān)的污水可調(diào)流至其他污水處理廠。若要在水系之間實(shí)現(xiàn)污水量的可調(diào)，則應(yīng)規(guī)劃建設(shè)調(diào)流泵站。
② 中水回用子系統(tǒng)的發(fā)展
由于青島市的中水回用事業(yè)剛剛起步，目前只在海泊河廠內(nèi)建成1座中水生產(chǎn)廠，故近期的基本任務(wù)主要是實(shí)施建設(shè)工程，盡快敷設(shè)中水供給管網(wǎng)，完善區(qū)域的中水回用子系統(tǒng)，爭(zhēng)取獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益；而中遠(yuǎn)期的基本任務(wù)是在全市范圍內(nèi)推廣中水回用，將中水廣泛應(yīng)用于城市供暖、工業(yè)冷卻、施工、綠化、景觀用水等各個(gè)領(lǐng)域。
青島市通過(guò)對(duì)城市污水處理與中水回用系統(tǒng)的綜合優(yōu)化，必然會(huì)實(shí)現(xiàn)城市污水資源化和系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。
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