近年来我国城市污水再生利用工程建设不断增多^[1,2,3,4], 据统计, 2016年全国城市污水处理能力达2 762.4万m³/d, 约占当年污水处理量的18.5%^[5], 工程实践和设计水平也不断提高。但总的看来, 一方面, 海绵城市建设日渐增多, 对加强污水再生利用与雨水利用综合协调的需求也相应增多, 关于这一问题尚少见综合设计和分析报道;另一方面, 西南山地城市污水再生回用工程实践尚为少见, 并且由于其地形、地质特点独特, 高差大、地质条件复杂, 在污水再生利用选址、管网系统构成等方面也需要有针对性的对策方案。

本文拟对重庆悦来生态城水资源利用专项规划以及污水再生利用和雨水调蓄池的工程规划设计情况进行介绍, 并结合该工程对山地城市污水再生利用系统的规划设计提出思考。

悦来生态城污水再生利用系统工程服务范围3.44 km², 处理站址分建于悦来污水处理厂东侧公园绿地, 同时承担就近雨水调蓄池预处理后水的处理功能, 再生利用对象主要为悦来生态城市政绿化、道路浇洒等。

生态城控规修编中再生水为雨水利用的补充, 规模为630 m³/d, 根据业主建设计划和实际发展情况, 工程设计中确定近期为2020年, 远期为2025年。原规划再生水回用于生态城公园绿地及市政道路浇洒用水, 综合考虑生态城实际建设用地的需求条件变化, 以及未来再生水利用的普及可能性和可行性, 增加公园公厕冲洗用水、居住小区绿化用水以及未来发展用地用水3个用水对象。根据生态城建设的时序, 居住小区绿化用水以及未来发展用地用水作为远期用水。用水量按照不同类型地块分类采取定额 (最高日) 测算, 其中绿化、浇洒道路用水定额依据现行国家标准《室外给水设计规范》 (GB 50013-2006) , 公园冲厕用水定额依据现行国家标准《建筑给水排水设计规范》 (GB 50015-2003, 2009年) 。计算结果如表1所示。

再生水水源采用悦来污水处理厂达到一级A标准的尾水, 再生水主要用于冲厕、绿化及浇洒道路, 根据《城镇污水再生利用工程设计规范》 (GB 50335-2016) , 执行城市杂用水冲厕用水再生水设计进出水水质, 如表2所示。

由于生态城地势高差达120 m, 采用一个供水分区将造成地势较低地区的供水能量浪费, 且对管材耐压等级要求较高, 因此采用高低区供水方式。

此外, 生态城同时设置了7个雨水调蓄池 (1#～7#) , 供市政杂用、削减降雨径流量及污染物负荷。考虑到再生水和雨水用水水质及用途一致, 采取并网设计。管网沿线设置取水栓, 而对于道路建设已完成不具备敷设再生水管网的路段, 采用泵车回用的方式。输配水管网布置形式如图1所示。

悦来污水处理厂采用AAO生物处理工艺, 即:进水→粗格栅→提升泵房→曝气沉砂池→初沉池→AAO→二沉池→滤布滤池→紫外消毒渠→嘉陵江。

滤布滤池目前经常被选作可靠的一级A达标措施, 但目前市场上的大多数产品均未标注其出水浊度参数, 且浊度参数与SS之间的关系难以确定。此外, 滤布滤池的出水稳定性也受到操作方式等影响。悦来污水处理厂采用精细格栅滤布滤池, 考虑到其对浊度去除的可行性, 确定污水处理厂出水需要进一步强化去除, 以保障出水用作市政杂用水的稳定性。加之本处理站还负责处理7#雨水调蓄池预处理出水, 故采用常规水处理工艺以实现水质保障。考虑到污水处理厂尾水水质好的可能性, 设置旁路超越处理单元的管路进行切换。具体如图2所示。

根据业主要求, 鉴于生态城规划用地紧张、规划景观要求较高, 再生水处理系统采取完全地下式, 建成后恢复为公园绿地用地。鉴于这种布置方式及规模不大, 根据《建筑设计防火规范》 (GB 50016-2014) 的有关条文规定, 经咨询消防部门, 采用成品次氯酸钠作为消毒剂。此外, 为便于水处理自控管理, 减小地下占地空间, 降低系统建设投资, 对处理单元进行优化设计, 采取成套水处理设备。主要设备及参数见表3。

随着再生水和雨水等非传统水源利用逐渐增多, 其间的衔接已成为迫切需要正视和重视的关键问题之一。二者服务对象的重叠性和互补性、水质要求的相似性决定了其在设计规模、输配管网系统、运行操作模式等方面均存在交叉。

本工程在水专项规划阶段低质水利用按生态城总用水量的8%进行控制, 所需再生水水量为630 m³/d, 雨水调蓄池供水量为970 m³/d。生态城控规修编明确非传统水利用率为10%, 非传统水需水量为1 800 m³/d, 二者的服务对象均为城市杂用。随着设计阶段的深入, 特别是在污水处理厂的工艺设计和出水水质确定后, 在本工程的实施条件下, 污水再生利用与雨水利用相比在技术和成本具有明显的优势, 主要体现在:

(1) 由于重庆山地地形特征的限制, 集中的雨水调蓄池位置低, 与道路及用地地块距离相对较远, 其与污水再生利用相比提升扬程并无明显优势。

(2) 雨水调蓄池所在位置往往地质情况复杂, 实施条件不佳, 工程费用特别是边坡、基坑等工程防护费高, 造成建设费用上升。

(3) 雨水处理难度更大。根据笔者2016年以来针对悦来新城和附近成熟社区及之前对沙坪坝片区的雨水径流监测研究结果^[6,7], 重庆初雨径流污染较为严重且部分降雨 (污染物) 不存在显著的初雨冲刷效应, 导致初雨弃流量大, 处理工艺复杂, 加之雨水来水量变化大, 致使雨水利用技术更为复杂。因此, 在综合分析后于设计阶段强化污水再生利用。

其次对于输配系统, 本案的污水再生利用和雨水用途均为城市杂用水, 水质要求相同, 故考虑二者共用1套输配水系统, 这样不仅有利于缓解山地城市地下空间的制约, 而且有利于降低输配系统费用。但由此会带来二者在运行操作上的协调问题。

在操作方式上, 考虑到雨水处理对于雨水径流污染的效用, 优先使用雨水蓄水池雨水, 以便控制径流污染及为下次降雨腾出径流调蓄容量。设计上于再生水处理设备入口前设置阀门切换, 在蓄水池雨水可用情况下优先处理雨水, 同时关闭尾水提升泵和尾水原水进水阀门。当蓄水池雨水量下降到警戒水位时, 关闭7#蓄水池出水阀门并启动污水处理厂尾水提升泵和打开尾水进水阀。水池水位监测以及阀门启闭通过自控程序进行操作。其他雨水调蓄池均并网并进行自动控制。

在城镇供水规划设计中, 市政环境用水等常按根据人口测算的需水量的系数 (如10%～15%) 而确定, 而对于污水再生利用工程而言, 这些用水对象就成为用水主体, 需要按类别、需求层次和时续等进行分析。

前已述及, 在水专项规划中, 本案的污水再生利用被定位为雨水利用的补充并确定规模为630 m³/d, 在后期设计阶段, 根据对控规进行详细研究, 并对潜在业主进行深入调查, 确定将再生水处理规模扩大至3 000 m³/d, 主要考虑因素是:

(1) 增加了原来未纳入城市规划范围的农林用地用水。农林用地属于土规而非城规内容, 这部分用水一般未计入城市供水范畴, 但分析认为一方面该地块虽为农林用水, 但基本上是规划范围不可分割的一部分, 其对浇灌用水的需求是显然的;另一方面也存在用地性质调整的可能性, 所以有必要纳入非传统水源利用的范围。事实证明这种处理是明智的, 目前该用地已被调整为滨江绿地, 其用水也相应由市政供给。

(2) 增加了非公建性质居住区的绿化用水。不少类似工程一般未将这部分用水纳入非传统水供给范围, 本工程在规划阶段也仅规划不足10%居住区采用非传统水, 设计中悦来公司最初也不建议居建采用再生水, 但笔者分析认为由于再生水存在明显的技术经济优势, 开发商会优选其作为杂用水水源, 故建议纳入此部分用水, 但在建设时序上进行妥善考虑。现已证明这种处理也是明智的, 目前该片区最大的用地开发商已经表达了再生水利用意向并与悦来公司进行了具体沟通。此外, 本设计本来也超前考虑了附近水体张家溪景观用水要求, 但综合分析各种情况后暂未予考虑, 消防用水也暂未纳入本工程范围。

再生水利用规模及渐进提高的模式确实存在不确定性, 所以在规模分期、处理工艺、设备或设施、清水池容积等确定时要充分考虑对规变的适应性, 为此, 本工程考虑采用成套设备, 未来可通过分组组合、调整运行时间等灵活应对用水量变化。

与城市供水 (自来水) 不同, 污水再生利用的对象主要是公共绿地绿化、市政道路降尘以及大宗公建或居建用地绿化用水, 其用水变化情况也会相应地受到用户对象作业方式的影响。因此, 本设计未采用常规的变化系数法来确定管网设计流量, 而是通过对当地绿化作业及道路冲洗作业公司、开发商的园林绿化部门等进行上门调查及访谈, 以确定用水规律。调查发现悦来生态城绿化及浇洒道路用水采用8 m³洒水车, 夏季一天洒水2次 (分别为上午5:00～9:00和下午22:00～0:00) , 每辆洒水车取水时间10 min, 通过对这些基础资料进行分析, 采用最不利的情况及按8辆洒水车同时取水, 再叠加其他用水情况作为配水管网设计流量的依据, 而且在水处理部分也进行了对应的设计处理。

山地城市地形复杂、用地紧张, 污水再生利用工程的布置等需与场地结合, 采取适应性设计。由于污水处理厂规划及建设时序的问题, 本工程再生处理站毗邻悦来污水处理厂分建, 且与悦来污水处理厂同样采用地下式设计。本工程的适应性设计主要体现在以下几个方面:

(1) 选择合适的地坪标高, 兼顾地质特征。处理站场址附近为施工弃土堆场, 高度达2.24～10.58 m, 悦来公司拟将场地建成后回填用作公园绿地的一部分, 但设计方案尚未确定, 结合这一情况, 充分与结构和岩土专业商讨, 在规划用地范围内反复调整场址, 尽可能避开施工弃土, 室内地坪标高尽可能靠近基岩, 并兼顾处理站进水接入方便、高程和二泵站提升扬程, 实现上述几方面的协调, 尽可能做到经济与安全兼顾。

(2) 平面及竖向设计采取紧凑型设计。平面布置与竖向布置兼顾, 且尽可能设备化降低占地, 同时结合设备检修吊装高度, 另一侧采取双层 (夹层) 布置, 即上下层分别用作控制室、变配电室和配药加药间, 以节约占地、利用空高。此外, 还设计采用压力式容器, 以减少处理构筑物自流处理上的高程问题, 从而降低层高、控制造价。清水池与处理站阶梯式合建, 以实现共壁、节约成本。处理站的平面及剖面布置见图3。

(3) 输配系统采用分区两级设计, 并结合用地开发及道路系统的实施情况, 以输配管网为主、洒水车载为辅, 后者主要用于地下空间紧张、管线综合难以协调的片区。参考重庆市山地城市供水经验, 输配系统两级压力分别为64 m和60 m, 以控压减漏、降低爆管可能性。加压泵站采取地下式布置于公共绿地。此外, 通过对污水处理厂出水及再生水处理评估, 考虑到再生水水质特征和管网水质变化甚至二次污染的可能性, 根据国内有关研究^[8], 综合本管网运行压力及夜间停供时静水压力等因素, 管材选用PE管。

本工程从规划到施工建设长达3年时间, 期间经历了海绵城市试点建设实施方案和专项规划编制、控规修编、场地条件等突发情况, 在规划设计管理上也有不少教训。其一是在规划阶段一般侧重于规模、位置等宏观方面, 但忽视地质因素和实施条件 (在此阶段也往往缺少地质勘测资料) , 可能造成选址不当、后期实施成本偏高, 甚至会影响到规划决策, 所以对于山地城市, 应重视地形、地质条件等因素对选址的影响, 必要时加强规划地质监测。其二不同规划的衔接会有问题。本工程早在2015年就确定了规划选址, 但随后由于各种专项规划的编制或修编, 造成规划体系复杂, 导致再生水利用内容虽在控规修编文本中有反映, 但未落实到管网综合图和用地图上, 造成再生水管线及再生处理站落地困难, 由于道路及其他管线设计已经实施或待实施, 造成本工程设计协调工作增多、设计进度延迟、实施缓慢, 产生了很多不必要的麻烦。在实施中还发现雨水管道设计与雨水调蓄池的规划设计缺乏衔接。目前专项规划类型多且日益复杂, 对于山地城市, 不同规划的衔接及其与设计的落实尤为重要。其三是加强与污水处理厂的衔接协调, 加强规划场址管理。在本工程设计期间, 原污水再生处理场址被作为施工弃土堆场, 场址地形地质条件发生改变, 造成深基坑、环境边坡超限等问题, 额外带来了高边坡及深基坑论证工作, 也不必要地增加了建设投资。而且由于前述规划调整、落地等问题, 污水再生利用工程实施后延, 开工时污水处理厂 (一期工程) 已施工完成, 也造成污水厂预留的尾水管道难以接入再生处理站、且需重新开挖和回填场内道路等问题。此外, 再生处理站场址后来被作为公共绿地, 但由于方案未确定, 也为未来回填覆土、接入道路建设等带来了不确定性和潜在问题。

污水再生利用作为非传统水源利用的一部分, 应当与雨水一起协同考虑和妥善安排, 特别是随着海绵城市建设的发展, 及其在地块和城市等不同级别上的控规落地和设计越来越多, 其对污水再生利用的影响也会进一步加大, 今后应在水量竞争和互补、系统共享、灵活调控等方面综合考虑和加强。

污水再生利用是一个系统工程, 但目前在规划和设计上存在一定的脱节。山地城市具有复杂的地形和地质特点, 在推进污水再生利用时尤其应结合场地特点。未来应加强科学规划, 特别应加强规划阶段地质条件等基础信息的获取, 加深规划选址、定线、技术方案、经济成本的编制和分析, 尽可能做好与工程设计的衔接。未来应加强规划设计方案比选方法的研究, 例如再生水利用具有一定的健康风险, 应在方案比选和设计上得到考虑。