城市污水处理与中水回用系统分析与优化
城市污水处理与中水回用设施作为一种系统，可应用系统论原理对其工程建设、运行管理和后续发展加以分析、研究，现以青岛为例进行系统分析、优化。
1 系统现状
1.1 组成
该市污水实行区域集中处理，二级处理尾水直接排海或用于生产中水，现有污水处理厂4座、中水生产厂1座、雨污水管道700 km、排水泵站18座、服务面积为120km2、服务人口为140万。城市排水实行雨、污分流制。
1.2 运行管理体制
污水处理厂和中水厂都是以政府投资或政府投资与外国赠款、贷款等方式建成的。青岛市排水管理处负责市内四区城市污水处理设施的行政管理和养护运行、排水水质监测。污水处理厂按照海泊河、李村河、团岛、麦岛4个区域污水汇集水系设置。城市污水处理费由自来水公司代收。污水处理设施养护、运行费用在2000年以前实行事业性管理，之后则开始实行财政大包干和企业化管理。
1.3 污水处理厂概况
污水厂概况见表1。
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1.4 污水处理产物的利用
① 沼气。供职工食堂炉灶、沼气锅炉、沼气发动机作燃料，可满足污水厂供热量的80%～90%。
② 中水。海泊河厂于1999年建成一座中水生产厂，生产能力为4×104m3/d。利用二级出水经过絮凝、沉淀、脱色、消毒、过滤等工序生产出符合国家《生活杂用水水质标准》的中水，供周围5km范围内约20个单位作冷却、洗涤、绿化、卫生、施工等杂用。 ③ 污泥的开发利用。直接做绿化底肥用于改良土壤；作为菌种启动新建污水处理厂；研制有机复合肥、建筑材料、燃料等。
2 系统分析与综合优化
系统分析的目的在于考察其结构是否完善、存在何种缺陷、优化的程度如何、系统效应如何，以判明系统的发展方向及能动地加以控制和调整，使系统实现最优化。现应用系统论基本原理从不同角度对系统加以考察分析。
2.1 应用整体性原理
根据整体性原理，对环境效益和社会效益仅需作定性分析，对经济效益则应定量考察。显然，只要城市污水处理系统能够实现收集、输送和处理污水并达标排放尾水，则其环境和社会效益就应为正效应，而且城市污水处理率越高，其正效应越大。按此标准，目前青岛城市污水处理率已达50%，环境和社会效益已经实现正效应。
由于该市城市污水处理与回用系统实行企业化管理，城市污水处理费用已按照运行管理成本确定(不包括回用水设施的建设、运行管理费)，在这种情况下的经济效益视为零效应。
然而，企业化管理的目标是追求利润最大化即实现经济效益的正效应，其方法无非是开源节流(节流即对内挖潜，降低运行管理成本；开源即实现污水处理产物的资源化，主要是尾水的资源化，通过中水回用实现盈利)。
欲实施中水回用工程就必须建设中水生产厂、敷设中水供给管道，只有中水销售收入超过工程建设成本与生产运行成本才能实现经济效益。
2.2 应用结构性原理
系统的结构性原理提示人们在研究和创建系统时，应当按照系统整体性的要求，先设计出合理的结构框架，然后将各要素组合成层次分明、秩序井然的系统。
① 按污水汇集水系可分为海泊河、李村河、团岛、麦岛4个区域子系统。
② 按设施及功能可分为6个子系统：a.污水供给系统；b.污水处理系统；c.尾水排海系统；d.二级处理尾水供应系统；e.中水生产系统；f.中水供给系统。
③ 按管理职能可分为5个子系统：a.行政管理子系统；b.污水处理子系统；c.中水回用子系统；d.水质监测子系统；e.城市污水处理及中水收费子系统。
2.3 应用动态性原理
青岛城市污水处理与中水回用系统实行企业化管理后的首要问题便是如何解决系统的自主管理问题，即必须尽快转变行政管理子系统的职能，提高系统的自组织、自适应、自控制等能力，在市场经济条件下开展资本运营，降低污水处理成本，规划建设后续工程、组织中水生产和销售。
其次，要控制中水回用子系统从点到面稳步发展，避免中水的供需脱节，以免给整个城市污水处理与回用系统带来长期的不利影响。
2.4 应用相关性原理
相关性原理提示人们重视系统的全局性和平衡性，通过加强薄弱环节、抑制膨胀因素，把各种影响因素都控制在合理的限度内，从而控制系统的发展规模和速度。
对青岛而言，主要存在以下几个影响因素：
① 建设、运营资金
城市污水处理与回用系统原属公益事业，其建设和运行费用由财政负担，实行企业化管理后首先面临资金缺口问题。
城市污水处理子系统已经基本建成，除系统运行管理费外，已无需较大的固定资产投资；而中水回用子系统刚刚建成1座中水生产厂，其供给管网远未建成，尚需较大规模的投入。这部分投资可从以下途径取得：
a.成本节余
由于现行城市污水处理费的价格是按照事业性管理体制下的管理成本确定的，在实行企业化管理后尚有降低运行管理成本的余地。
b.社会融资
筹建中水股份公司，通过引进外资、发行股票、企业债券或银行贷款募集资金，以中水销售利润分红、付息或还贷。
② 系统安全隐患
由于污水处理厂均采用生物降解工艺，来自原水和其他污染源的剧毒或高浓度污染物可能杀死用于处理污水的微生物，导致污水厂停运，从而影响到整个城市污水处理与回用系统的正常运行。
③ 中水产量限制
理论上，城市的污水排放量一般为自来水用量的50%左右，即使二级处理尾水排放量无损耗地转化为中水，其产量也必低于城市用水量的50%。按照青岛市现在的污水处理率约为50%计算，目前中水的最大产量不会超过城市自来水用量的25%，远期最大产量不会超过50%，因此中水生产厂的设计最大产量、城市规划设置中水供给管网均不应超出以上限制，以避免不必要的资金和资源浪费。
④ 中水价格限制
由于中水的用途较自来水有局限性，仅能在生活杂用水等方面使用，因此其价格必然低于自来水，并因价格低廉而在生活杂用水市场上具有一定竞争力。
上述因素决定了中水的利润空间有限，中水是否能盈利、城市污水处理与回用系统能否发展壮大，其决定性因素是系统的管理模式和管理水平。
2.5 应用综合优化原理
系统的综合优化是使系统调整、发展到功能最佳的状态。
青岛市污水处理与回用系统的综合优化可以分以下两部分。
① 污水处理子系统的优化
由于污水处理子系统已发展到一定规模，其结构基本完整，运行管理水平较高，因此目前的基本任务不是实施新的建设工程，而是对原有设施的改造即加强管理、提高效率、降低成本，增大系统正效应，保证经济效益、环境效益和社会效益的增长。
a.实施流域截污工程
青岛市城市排水实行雨、污分流制，然而由于种种原因，雨、污混流现象十分突出，不但影响城市污水处理率，而且严重影响近海海域环境质量。该市自1999年3月起实施截污工程(包括扩建、改造泵站及实施雨、污分流)，大大提高了城市的污水处理率，改善了生态环境，促进了城市经济和旅游、卫生事业的发展。
b.实行污水处理区域管理
青岛市目前在麦岛区域子系统试行“水系管理”新体制，即由麦岛污水处理厂自行供给、处理污水。将污水供给与处理单位合二为一，在整个区域子系统内实行统 一的调度管理，有利于提高区域污水处理率、协调污水供给量和时间、降低污水处理总成本 。
c.强化系统安全控制
控制系统的安全隐患，凡是贮存、生产或排放危险化学品的单位均须置于水质监测子系统的监控之下，并应制定可行的应急措施以便应付突发事件。
d.建设水系调流设施
青岛市由于实行分区集中处理污水体制，若某污水厂因事故等原因停产，其所承担的污水可调流至其他污水处理厂。若要在水系之间实现污水量的可调，则应规划建设调流泵站。
② 中水回用子系统的发展
由于青岛市的中水回用事业刚刚起步，目前只在海泊河厂内建成1座中水生产厂，故近期的基本任务主要是实施建设工程，尽快敷设中水供给管网，完善区域的中水回用子系统，争取获得良好的经济效益；而中远期的基本任务是在全市范围内推广中水回用，将中水广泛应用于城市供暖、工业冷却、施工、绿化、景观用水等各个领域。
青岛市通过对城市污水处理与中水回用系统的综合优化，必然会实现城市污水资源化和系统的可持续发展。
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