李 宏

（山西交通控股集團(tuán)有限公司 晉中高速公路分公司，山西 晉中 030600）

0 引言

近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的迅速發(fā)展，我國(guó)高速公路建設(shè)的發(fā)展非常迅猛，高速公路從原來(lái)的幾條發(fā)展到如今縱橫交錯(cuò)的全國(guó)交通網(wǎng)，大大便利了貨運(yùn)交流和人員往來(lái)。高速公路上每隔60～80 km設(shè)有一個(gè)服務(wù)區(qū)，其設(shè)施包括餐飲、廁所、商場(chǎng)、加油站和休息區(qū)等，以便于司機(jī)及乘客休息補(bǔ)充精力，保證貨運(yùn)和旅客出行安全[1]。高速公路服務(wù)區(qū)不同于傳統(tǒng)的住宅小區(qū)、學(xué)校、公共建筑，在中水回用的利用率上較難有大的提升，服務(wù)區(qū)一般的主要污水來(lái)源和去向均為過(guò)往人員的沖廁，并且在中水資源過(guò)剩的情況下，服務(wù)區(qū)還有大面積的綠化需要澆灌，所以服務(wù)區(qū)能達(dá)到更高的中水回用率和更好的經(jīng)濟(jì)效益。

高速公路服務(wù)區(qū)地處偏遠(yuǎn)，產(chǎn)生的廢水難以并入城市管網(wǎng)進(jìn)行處理，并且我國(guó)多個(gè)省市區(qū)均嚴(yán)重缺水。雖然目前服務(wù)區(qū)在一定程度上都配置了污水處理裝置，但運(yùn)行維護(hù)的能力不足，即使處理出水達(dá)到地方有關(guān)部門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)可以外排，也造成了一定量水資源的浪費(fèi)，所以中水回用的意義就尤為巨大。本文就高速公路中水回用的價(jià)值和其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究并從控制、效益、策略3個(gè)方面探索運(yùn)營(yíng)方案的優(yōu)化。

1 水處理工藝

平遙服務(wù)區(qū)中水回用系統(tǒng)是平遙服務(wù)區(qū)水資源循環(huán)利用試點(diǎn)工程項(xiàng)目中的一個(gè)子系統(tǒng)，該項(xiàng)目為交通運(yùn)輸部首批水資源循環(huán)利用試點(diǎn)工程。包括150 m3/d雨水收集再利用系統(tǒng)、220 m3/d中水回用系統(tǒng)、綠化噴淋系統(tǒng)等。本文將以220 m3/d中水回用系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)化運(yùn)營(yíng)的方案探索。

平遙服務(wù)區(qū)采用的中水處理工藝為AO+MBR工藝，具備占地小、效率高、易控制、出水保障好的特點(diǎn)，是目前大中小型中水回用工藝采用的主流方案，工藝流程圖見(jiàn)圖1[2]。

圖1 AO+MBR中水處理工藝流程圖

MBR（Membrane Bio-Reactor，膜生物反應(yīng)器）系統(tǒng)地加入替代了傳統(tǒng)工藝中效率底下的二次沉淀池，通過(guò)孔徑在0.03μm左右的中空纖維膜過(guò)濾掉污水中的雜質(zhì)，并且對(duì)微生物、細(xì)菌、大分子有機(jī)物都有一定的去除作用，出水濁度極低，對(duì)回用管道的負(fù)荷小。深度處理采用氯消毒加紫外線消毒，其中紫外線消毒具有效率高、能耗低、無(wú)副產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，匹配氯消毒可進(jìn)一步保障消毒效果，比單純氯消毒的消耗量也大幅減少。

系統(tǒng)出水達(dá)到了《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》（GB 18920—2002）中對(duì)沖廁、綠化以及消防的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可直接用于服務(wù)區(qū)的沖廁和場(chǎng)區(qū)綠化，代替自來(lái)水的使用，為服務(wù)區(qū)節(jié)約用水資本。

2 中水回用經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化方案

傳統(tǒng)的中水回用方案存在利用率不高、能耗大、水價(jià)高、投資回收周期長(zhǎng)、維護(hù)保養(yǎng)困難等不足，如加強(qiáng)服務(wù)區(qū)的中水回用，能將中水回用率提高到70%以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)行業(yè)不足60%的情況；同時(shí)對(duì)于設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)，采用了目前先進(jìn)的MBR工藝后，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)污水處理的控制能力大幅提高，維護(hù)保養(yǎng)也更容易做到位。對(duì)于能耗大、水價(jià)高、投資回收周期的問(wèn)題將從控制、效益、策略3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化和分析。

2.1 控制——智能化系統(tǒng)運(yùn)行

傳統(tǒng)的污水處理工藝一般采用機(jī)械化控制和邏輯化控制的模式，即固定的時(shí)間運(yùn)行模式和采用PLC進(jìn)行邏輯編程的控制模式。但是對(duì)于水質(zhì)水量均隨人流量、季節(jié)、節(jié)假日變化量明顯的服務(wù)區(qū)而言，其運(yùn)行模式單一，對(duì)能耗基本不作考慮。

智能化的系統(tǒng)運(yùn)行模式依然基于PLC系統(tǒng)，但通過(guò)PLC系統(tǒng)的強(qiáng)大拓展能力，通過(guò)增加更多的輸入、輸出以及記憶設(shè)備，完善了系統(tǒng)感知能力和反饋能力。簡(jiǎn)而言之，就是系統(tǒng)可通過(guò)更多的傳感器獲得當(dāng)前水質(zhì)、水量及供水需求信息，然后通過(guò)預(yù)先在記憶體中錄入的應(yīng)對(duì)方案對(duì)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，達(dá)到更好的效能，工作模式見(jiàn)圖2。

圖2 智能化水處理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)污水處理系統(tǒng)的優(yōu)化，在平遙服務(wù)區(qū)的中水處理中，針對(duì)不同水量時(shí)，系統(tǒng)呈現(xiàn)出了平滑的功率過(guò)度曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 智能化水處理和傳統(tǒng)水處理能耗變化圖

服務(wù)區(qū)的用水量基本呈現(xiàn)以周為單位的循環(huán)變化，即周末人多，進(jìn)入周一后逐步減少，進(jìn)入低谷后于周五再次出現(xiàn)人流高峰。以平遙服務(wù)區(qū)為例，可直觀地反應(yīng)在圖形曲線上（此處不考慮節(jié)假日等特殊情況），見(jiàn)圖 4。

圖4 以每周為周期的用水量變化

通過(guò)對(duì)設(shè)備能耗曲線和人流曲線的分析對(duì)比，對(duì)比非智能化的系統(tǒng)運(yùn)行模式，智能化系統(tǒng)至少能節(jié)約40%的能耗。

2.2 效益——中水回用

整個(gè)水處理系統(tǒng)中中水回用是直接體現(xiàn)項(xiàng)目投資和收益的關(guān)鍵部分，中水的用量可以直接折合成收益對(duì)設(shè)備的投資進(jìn)行回收。區(qū)別于傳統(tǒng)達(dá)標(biāo)排放設(shè)備的建設(shè)，中水回用設(shè)備有更高的初期投資，針對(duì)平遙服務(wù)區(qū)采用的中水回用方案，投資主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面即膜設(shè)備的投資和后期維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用。

a）膜設(shè)備的投資 采用膜設(shè)備是目前中水回用的主流方案，可以節(jié)省部分三級(jí)處理的工藝流程也節(jié)約了占地面積，維護(hù)工作量也得到了優(yōu)化。其主要區(qū)別在于不采用傳統(tǒng)的二沉池和相關(guān)沉淀設(shè)備而直接使用中空纖維膜，在制造成本上，池體的建設(shè)區(qū)別不大，膜及配套管路和設(shè)備造價(jià)較高，以平遙服務(wù)區(qū)220 m3/d設(shè)計(jì)水量計(jì)算，該部分需增加用于中水回用的投資32萬(wàn)元左右。

b）后期維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用 后期維護(hù)運(yùn)行的費(fèi)用主要包括MBR設(shè)備的在線/離線清洗，消毒設(shè)備的加藥；其中MBR系統(tǒng)的深度清洗以每季度為一個(gè)周期，每日均進(jìn)行在線加藥反洗，同時(shí)投加次氯酸鈉對(duì)產(chǎn)水進(jìn)行消毒，考慮配套的人工費(fèi)，能耗進(jìn)行計(jì)算。水量以實(shí)際日均水量計(jì)算為110 m3/d，經(jīng)估算折合到每噸產(chǎn)水的費(fèi)用包括：離線清洗費(fèi)用0.33元/t，在線清洗及消毒費(fèi)用折合0.86元/t，能耗折合0.74元/t，人工費(fèi)折合0.48元/t，合計(jì)每噸水成本為2.41元，若水量進(jìn)一步增大，費(fèi)用會(huì)進(jìn)一步降低。

以凈現(xiàn)值NPV為指標(biāo)分析項(xiàng)目初期投資和中水回用效益之間的關(guān)系，按照基準(zhǔn)收益率（ic），將項(xiàng)目壽命期內(nèi)每年發(fā)生的凈現(xiàn)金流量折現(xiàn)到項(xiàng)目實(shí)施初期某基準(zhǔn)年的現(xiàn)值之和。所以NPV是對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一，其表達(dá)式為[3]：

式中：NPV為凈現(xiàn)值；CI為現(xiàn)金流入量；CO為現(xiàn)金流出量；（CI-CO）t為第t年的凈現(xiàn)金流量，即第t年中水回用方案的總效益與總費(fèi)用之差；n為方案的計(jì)算期；ic為基準(zhǔn)投資收益率。

其中，方案的計(jì)算期取目前膜產(chǎn)品的平均使用壽命即5年為計(jì)算期；基準(zhǔn)投資收益率取8%；中水回用率以80%計(jì)算；每年節(jié)約的資本以同中水用水量的自來(lái)水購(gòu)水價(jià)格計(jì)算，以山西省2018年水價(jià)為參考，經(jīng)營(yíng)服務(wù)業(yè)用水為4元 /t，水處理費(fèi)為1元/t，合價(jià)5元/t；現(xiàn)金流量以中水產(chǎn)水折合對(duì)應(yīng)水價(jià)計(jì)算。

膜設(shè)備的平均壽命用5年計(jì)算，而到期后僅需更換膜片即可恢復(fù)設(shè)備狀態(tài)，以220 m3/d設(shè)計(jì)量的膜片更換費(fèi)用為22.3萬(wàn)，則10年周期投入的設(shè)備費(fèi)為32+22.3=54.3萬(wàn)元，故中水設(shè)備的投資費(fèi)用將在項(xiàng)目交工驗(yàn)收后第一次更換膜設(shè)備后實(shí)現(xiàn)盈利，而基于平遙服務(wù)區(qū)水處理系統(tǒng)主體建筑采用鋼混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效使用年限在50年以上，即中水回用的運(yùn)行模式可為服務(wù)區(qū)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 策略——谷電重點(diǎn)使用策略

傳統(tǒng)的水處理系統(tǒng)采用的自動(dòng)化控制運(yùn)行方式，一般都是根據(jù)水量的變換自行調(diào)整運(yùn)行效率。服務(wù)區(qū)的用水量自每日中午開(kāi)始增加至晚上車流量減少時(shí)減少，這就造成了污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行模式也是每日中午開(kāi)始運(yùn)行至后半夜處理完污水后停止，而根據(jù)用電策略，這樣的運(yùn)行方式經(jīng)濟(jì)性并不高，若能充分利用谷時(shí)（晚11點(diǎn)至次日7點(diǎn)）用電，可在一定程度上節(jié)約部分電費(fèi)。

充分利用谷電的重點(diǎn)環(huán)節(jié)在于調(diào)節(jié)池，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)池有兩方面的不足無(wú)法滿足此策略的實(shí)行。一是調(diào)節(jié)池容量不足無(wú)法有效蓄水控制時(shí)間，二是調(diào)節(jié)池水位控制采用浮球方式不能準(zhǔn)確地根據(jù)系統(tǒng)能力和負(fù)荷控制準(zhǔn)確液位。

針對(duì)調(diào)節(jié)池容量問(wèn)題，而平遙服務(wù)區(qū)在設(shè)計(jì)上的調(diào)節(jié)池有效容量達(dá)到了150 m3，150 m3的調(diào)節(jié)容量基本已經(jīng)達(dá)到了峰值用水的水平。而AO+MBR工藝的實(shí)際產(chǎn)水量是由MBR系統(tǒng)的產(chǎn)水量決定的，即MBR系統(tǒng)的工作效率就是整個(gè)污水處理系統(tǒng)的工作效率，該效率的設(shè)計(jì)處理量已經(jīng)達(dá)到220 m3/d，超過(guò)了目前的平均日最高用水量約25%，更是超過(guò)了日均最低用水的70%，可以滿足一定的調(diào)整空間。

針對(duì)液位控制問(wèn)題，采用超聲波液位計(jì)，液位精度可以精確到0.01 m，并且由PLC采集數(shù)據(jù)，根據(jù)每日用水量的經(jīng)驗(yàn)變化調(diào)整設(shè)備開(kāi)始工作的水位點(diǎn)，盡可能地充分利用谷時(shí)用電時(shí)間段但又保證系統(tǒng)工作的富余量。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，約有73 m3/d的處理能力可用于谷電策略，參考日均110 m3的水量，谷電0.35元/度，峰平電費(fèi)均價(jià)0.7元/度，每年可進(jìn)一步節(jié)約30%的用電費(fèi)用，折合電費(fèi)9 000元左右。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從控制、效益、策略3個(gè)方面對(duì)平遙服務(wù)區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和分析，在一定程度上克服了中水回用能耗大、水價(jià)高、投資回收周期長(zhǎng)的不足。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的水處理系統(tǒng)采用了智能化運(yùn)行控制和谷電重點(diǎn)使用策略，相比較粗狂式的污水處理系統(tǒng)對(duì)用電費(fèi)用的優(yōu)化達(dá)到了50%以上[4]。同時(shí)通過(guò)對(duì)凈現(xiàn)值的計(jì)算，考慮了膜設(shè)備的更新周期，得出了設(shè)備投資的回收周期和收益情況，為建設(shè)高速公路服務(wù)區(qū)完善的水循環(huán)利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和經(jīng)營(yíng)提供了參考。