我国是个缺水国家，加强对水资源的管理和综合利用就显得尤为重要，污水处理后的尾水若进一步进行深度处理后加以利用，对实现资源的综合利用、节约运行成本以及实现双碳目标均具有重要意义。
根据《中国城乡建设统计年鉴-2020年》，截至2020年，再生水利用率仅为16%[1]，很多污水处理厂设计时未考虑污水再生利用。今后，污水厂尾水再生回用市场前景广阔。本文以上海某污水处理厂为例，介绍“超滤+反渗透”工艺在污水厂再生水处理中的应用，以期为同类型污水厂再生水处理设计提供可参考借鉴的解决方案。
上海某污水处理厂出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。化学除磷混凝剂采用浓度为26%的成品硫酸铝溶液（Al2O3含量为7.8%）；助凝剂采用阴离子PAM，现场制备；辅助消毒剂采用浓度为10%成品次氯酸钠溶液；鼓风曝气设备采用单级高速离心鼓风机，出水泵采用涡流式混流泵，两者的冷却方式均为水冷。
一、设计方案
1.1 工程规模及设计进出水水质
该工程主要用水点包括加药间药剂稀释用水、鼓风机房冷却塔补水、出水泵冷却和润滑用水以及处理构筑物和厂内道路冲洗、绿化浇洒、化验、生活用水等。生活用水和化验用水需采用自来水；加药间药剂稀释用水，包括化学除磷混凝剂和化学除磷阴离子PAM助凝剂稀释用水，其中化学除磷混凝剂稀释用水要求不高，只要达到生活杂用水水质标准即可，而阴离子PAM对水质要求很高，除了卫生学指标外一般要求达到自来水水质标准；鼓风机房冷却塔补水与水泵冷却和润滑用水对水质要求也很高，为防止水中化学物质对设备的腐蚀，一般要求采用工业净水；构筑物和道路冲洗和绿化浇洒等用水对水质要求不高，采用污水厂尾水即可，无需进一步处理。
根据上述分析，该工程再生水服务范围为加药间药剂稀释用水、鼓风机房冷却塔补水与水泵冷却用水和润滑用水。通过计算，厂内再生水用量为4 977 m³/d，详细组成见表1。根据用水量，最终确定厂内再生水处理规模为5 000 m³/d。
表1 厂区再生水用量一览表
该工程新建1套再生水处理系统，规模为5 000 m³/d，进水取自气水反冲洗滤池出水（除大肠杆菌指标外其余指标均已达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准），出水根据各用水点要求需达到工业净水标准。再生水处理系统进出水水质见表2。
表2 设计进出水水质表
1.2 设计工艺流程
再生水处理系统的进水取自气水反冲洗滤池出水，经预处理的水进入超滤膜组件。超滤膜采用“由外至内”流动方式，通过超滤膜的过滤作用，SS及胶体物质基本得以去除，同时超滤膜对贾第鞭毛虫和隐孢子虫有大于99.99%的去除率，对病毒也有近99.95%的去除率。
过滤一定时间后，在膜的表面会沉积一层污染层，需要定期对膜组件进行反冲洗。反冲洗水泵将超滤出水提升加压后由超滤出水管进入系统，带压反洗水将膜表面的污染物冲洗出系统，膜元件的通量得以恢复。由于水中含有各种细菌、有机物、无机物等，仅用清水进行反洗并不能完全恢复膜通量，所以，在膜元件过滤一定时间后，需要对膜进行化学加强反洗，通过化学药剂彻底去除膜表面的污染物。
为了减小水中盐类对加药效果的影响，达到再生水水质无机盐类的要求，采用反渗透膜对超滤出水进一步处理。反渗透膜采用卷式膜组件，采用半透膜进行压力分离，可有效去除水中的硝酸盐。反渗透工艺在产水的同时，污染物也在浓水侧集聚，超过了其在水中的自然溶解度，易引起结垢。运行中需投加阻垢剂来以减轻结垢趋势。反渗透出水进入回用水池存放，后通过回用水泵房送至各用水点。再生水处理装置的工艺流程见图1。
1.2 设计工艺流程
再生水处理系统的进水取自气水反冲洗滤池出水，经预处理的水进入超滤膜组件。超滤膜采用“由外至内”流动方式，通过超滤膜的过滤作用，SS及胶体物质基本得以去除，同时超滤膜对贾第鞭毛虫和隐孢子虫有大于99.99%的去除率，对病毒也有近99.95%的去除率。
过滤一定时间后，在膜的表面会沉积一层污染层，需要定期对膜组件进行反冲洗。反冲洗水泵将超滤出水提升加压后由超滤出水管进入系统，带压反洗水将膜表面的污染物冲洗出系统，膜元件的通量得以恢复。由于水中含有各种细菌、有机物、无机物等，仅用清水进行反洗并不能完全恢复膜通量，所以，在膜元件过滤一定时间后，需要对膜进行化学加强反洗，通过化学药剂彻底去除膜表面的污染物。
为了减小水中盐类对加药效果的影响，达到再生水水质无机盐类的要求，采用反渗透膜对超滤出水进一步处理。反渗透膜采用卷式膜组件，采用半透膜进行压力分离，可有效去除水中的硝酸盐。反渗透工艺在产水的同时，污染物也在浓水侧集聚，超过了其在水中的自然溶解度，易引起结垢。运行中需投加阻垢剂来以减轻结垢趋势。反渗透出水进入回用水池存放，后通过回用水泵房送至各用水点。再生水处理装置的工艺流程见图1。
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图1 工艺流程图
1.3 总体设计
该工程用地紧张，为节约用地，拟采用膜处理车间和回用水池上下叠合设计方案。新建再生水处理车间1座，规模为5 000 m3/d，位于厂区东侧，平面尺寸为46.8 m×21.3 m。上部按功能分为膜车间、加药间、辅助生产用房，下部为水池和泵房，平面布置见图2。
图2 平面布置图
二、工艺设计
2.1 超滤系统
2.1.1 设计参数
平均进水量：Q=331 m³/h（其中32.9 m³/h为自耗水，供反冲洗和化学加强反洗使用）；
平均产水量：Q=298 m³/h;
单套机组产水量：Q=74.5 m³/h;
设备套数：4套；
操作周期：T=45～60 min;
反洗时间：t=38 s;
化学加强反洗周期：T=36～48 h;
设计回收率：不小于90%;
设计膜通量：不大于55 L/（m2·h）。
2.1.2 主要设备
(1）超滤进水泵
工艺设置2台超滤进水泵（2用1备，全部变频），为超滤系统提供足够的运行压力。超滤进水泵采用变频恒定流量控制，通过出水流量的信号反馈至泵变频器，调整泵的转速，为超滤系统提供恒定流量的进水。基本技术参数为：流量Q=175 m³/h，扬程H=30 m，功率N=22 k W。
(2）絮凝剂投加系统
通过投加絮凝剂，可有效降低超滤系统的运行跨膜压差，可减少超滤膜的反洗和化学加强反洗的频率，从而提高整个超滤系统的效率和产水率，缓解超滤膜的污堵情况，保证超滤系统连续稳定运行。主要设备包括：絮凝剂计量箱1个，有效容积V=1 000 L,PE材质，配套搅拌机；絮凝剂加药泵采用机械隔膜泵，2台（1用1备），单台流量Q=25 L/h，扬程H=50 m，配套阻尼器，安全阀，背压阀。
(3）自清洗过滤器
该系统共设置2台自清洗过滤器（1用1备），基本技术参数为：单台流量Q=350 m³/h，过滤精度200μm，碳钢防腐壳体，不锈钢SS316 L滤网。
(4）超滤机组
超滤机组为超滤系统的核心部件。机组采用卧式布置，减少占地面积，总体布局采用上下分层结构，上层为设备间，下层为管道间。超滤进水设置压力传感器，当检测到进水压力高时，系统将停运以防止系统压力过高而损坏超滤膜组件。该系统设置4套超滤膜组件，基本技术参数为：单套设备产水量Q=298 m³/h，公称孔径d=0.02μm，配套压力表、压力传感器、电磁流量计、管路系统和阀门等。
2.2 反渗透系统
2.2.1 设计参数
平均进水量：Q=298 m³/h;
平均产水量：Q=208 m³/h;
机组数量：4套；
单套机组产水量：Q=52 m³/h;
系统回收率：不小于70%;
设计膜通量：不大于20 L/（m2·h）。
2.2.2 主要设备
(1）反渗透进水泵
工艺配置3台反渗透进水泵（2用1备），用于反渗透系统的供水供压。基本技术参数为：单台流量Q=150 m³/h，扬程H=30 m，功率N=22 k W，过流部件材质采用不锈钢SS316L。
(2）反渗透高压泵
工艺配置4台反渗透高压泵，高压泵进口设置低压开关，出口设置高压开关。当高压泵进口压力低于设定值时，反渗透高压泵停机以免造成高压泵损坏；当高压泵出口压力过高时，高压泵停机以免对膜系统本身造成不可恢复的损伤。基本技术参数为：单台流量Q=70 m³/h，扬程H=140 m，功率N=55 k W。
(3）阻垢剂加药装置
阻垢剂计量箱1个，有效容积V=500 L,PE材质，配套搅拌机。
阻垢剂加药泵采用电磁隔膜计量泵，2台（1用1备），单台流量Q=12 L/h，扬程H=50 m，配套阻尼器，安全阀，背压阀。
(4）还原剂加药装置
还原剂计量箱1个，有效容积V=500 L,PE材质，配套搅拌机。
还原剂加药泵采用电磁隔膜计量泵，2台（1用1备），单台流量Q=12 L/h，扬程H=50 m，配套阻尼器，安全阀，背压阀。
(5）精密过滤器
配置4台精密过滤器，精密过滤器用于去除大于5μm的颗粒物，保护反渗透膜元件。基本技术参数为：单台流量Q=70 m³/h，过滤精度为5μm。
(6）反渗透机组
该系统设置4套反渗透机组，采用模块化组架设计，组架上配备压力容器、本体管道、接头、法兰和连接件、阀门以及支架、紧固件、夹具等附件。反渗透机组浓水排水管装设流量控制阀和流量计，以控制水的回收率[2]。基本技术参数为：单套设备产水量Q=52 m³/h，系统脱盐率不大于98%，运行压力不小于1.6 MPa。
(7）段间泵
工艺配置4台段间泵（全部变频），用于反渗透系统的二段增压。基本技术参数为：单台流量Q=35 m³/h，扬程H=15 m，功率N=3 k W。
2.3 膜清洗系统
2.3.1 超滤反冲洗泵
超滤反冲洗水源取自超滤产水池，在反冲洗过程中反冲洗泵将水从超滤膜组件的清水出口反向送入中空纤维膜内进行清洗。系统设置2台超滤反洗泵（1用1备，全部变频），基本技术参数为：单台流量Q=370 m³/h，扬程H=32 m，功率N=45 k W。
2.3.2 化学加强反洗装置
根据运行情况，定期对膜作较为彻底的清洗，去除膜上黏附的细菌、藻类等生物体，水垢和有机物等，使膜通量得到良好的恢复。主要设备如下：
(1)Na Cl O加药装置
Na Cl O计量箱1个，有效容积V=2 000 L,PE材质，配套搅拌机。
Na Cl O加药泵采用气动隔膜泵，2台（1用1备），单台流量Q=1 000 L/h，扬程H=40 m，配套阻尼器，安全阀，背压阀。
(2）柠檬酸加药装置
柠檬酸计量箱1个，有效容积V=2 000 L,PE材质，配套搅拌机。
柠檬酸加药泵采用气动隔膜泵，2台（1用1备），单台流量Q=1 000 L/h，扬程H=40 m，配套阻尼器，安全阀，背压阀。
(3)Na OH加药装置
Na OH计量箱1个，有效容积V=2 000 L,PE材质，配套搅拌机。
Na OH加药泵采用气动隔膜泵，4台（2用2备），单台流量Q=1 000 L/h，扬程H=40 m，配套阻尼器，安全阀，背压阀。
(4）在线化学清洗装置
在线化学清洗水箱1个，有效容积V=5 000 L,PE材质。
在线化学清洗水泵采用卧式端吸离心泵，2台（1用1备），单台流量Q=200 m³/h，扬程H=30 m，功率N=30 k W。
2.3.3 废水中和系统
中和系统是对超滤装置的化学清洗废水进行无害化处理的系统。主要设备如下：
(1）中和废水泵
工艺设置2台中和废水排放泵，用于排除中和后的废液，基本设计参数为：单台流量Q=200 m³/h，扬程H=10 m，功率N=11 k W。
(2）中和加药系统
还原剂计量箱1个，有效容积V=500 L,PE材质，配套搅拌机。
还原剂加药泵采用气动隔膜泵，2台（1用1备），单台流量Q=1 000 L/h，扬程H=40 m，配套阻尼器，安全阀，背压阀。
2.4 出水供水系统
反渗透系统的出水进入回用水池，回用水池平面尺寸为28.9 m×21.3 m，有效水深为2 m，停留时间为6 h。为防止水质恶化，回用水池内部设置导流墙。出水设置恒压变频供水泵3台（2用1备，全部变频），单台流量Q=105 m³/h，扬程H=30 m，电机功率N=15 k W。
三、综合效益分析
该再生水系统自投入运行后，运行效果稳定，每年节约自来水耗量182.5万m³，取得了较大的社会效益。该系统第一部分投资为2 091.17万元，单位运行成本为1.33元/m³，低于自来水价格，具有较好的经济效益。
四、结语
本文以上海某污水处理厂为例，介绍污水厂再生水回用设计，以期为同类型污水厂再生水设计提供可参考借鉴的解决方案。工程再生水设计规模5 000 m³/d，进水取自气水反冲洗滤池出水，采用“超滤+反渗透”工艺处理至工业净水标准后回用。超滤膜采用孔径为0.02μm的中空纤维膜，设计膜通量不大于55 L/（m2·h），设计回收率不小于90%；反渗透膜采用卷式膜组件，设计系统回收率不小于70%。工程第一部分投资为2 091.17万元，单位经营成本为1.33元/m³。
