海绵城市理念下污水处理厂尾水回用系统设计：从“达标排放”到“资源循环”的协同实践

在“双碳”目标与新型城镇化背景下，海绵城市作为“渗、滞、蓄、净、用、排”一体化的水系统治理模式，正推动污水处理厂从“末端治理者”向“资源循环节点”转型。尾水回用作为海绵城市“用”的核心环节，通过将处理后的尾水与海绵设施深度融合，可实现“污水-再生水-生态补水-雨水补给”的闭环，显著提升城市水资源利用效率。以下从设计逻辑、关键技术、系统构建及实践案例四方面展开论述。

一、设计逻辑：海绵城市与尾水回用的协同目标

海绵城市的核心是“自然积存、自然渗透、自然净化”，而污水处理厂尾水回用的本质是“人工强化循环”。二者协同需遵循三大逻辑：

1. 目标一致性

海绵城市：缓解内涝、补充地下水、改善地表水环境、提升生态韧性。

尾水回用：减少自来水消耗（替代率可达20%~40%）、降低尾水直排对受纳水体的污染负荷（如TN、TP削减30%~50%）。
二者共同指向“水资源高效利用+水环境质量提升”的双重目标。

2. 空间耦合性

污水处理厂通常位于城市下游，尾水排放路径可与海绵设施（如下沉式绿地、雨水湿地、调蓄池）的空间布局重叠。例如，尾水可经管道输送至城市公园的景观湖，或通过渗透铺装下渗补充地下水，实现“近水楼台”的资源循环。

3. 水质适配性

尾水水质（如COD≈30~50mg/L，TN≈5~15mg/L，TP≈0.5~2mg/L）通常优于自然水体但略低于自来水，需根据回用场景（绿化灌溉、道路冲洗、景观补水）调整处理深度，同时兼顾海绵设施对水质的要求（如渗透铺装需控制悬浮物≤10mg/L，避免堵塞）。

二、关键技术：尾水回用系统设计的四大核心模块

1. 尾水水质特性分析与回用需求评估

输入端：分析污水处理厂尾水的污染物浓度（常规指标+新兴污染物如微塑料、药物残留）、水量波动（日/季节变化系数）、余氯含量（消毒工艺影响）等，明确尾水的“可用性边界”。

需求端：结合城市规划（如绿地面积、道路长度、景观水域规模），测算不同回用场景的水量需求（如绿化灌溉需水量=绿地面积×灌溉定额×年灌溉天数）。

匹配性分析：通过“水质-水量-需求”三维矩阵，确定尾水回用的优先级（如优先用于对水质要求低的道路冲洗，其次景观补水，最后地下水回补）。

2. 尾水深度处理工艺优化

尾水回用前需根据目标场景调整处理工艺，确保水质达标（参考《城市污水再生利用 城市杂用水水质》GB/T 18920、《地表水环境质量标准》GB 3838）。常用技术包括：

物理过滤：砂滤、活性炭过滤（去除悬浮物SS≤10mg/L，浊度≤5NTU）；

生物强化：人工湿地（利用植物-微生物协同作用去除TN、TP，负荷率≤100g BOD/(m²·d)）、生物接触氧化（脱氮效率≥70%）；

化学处理：混凝沉淀（投加PAC去除TP至≤0.5mg/L）、臭氧氧化（降解有机物，提升可生化性BOD/COD≥0.3）；

膜分离：超滤（UF）或纳滤（NF）（去除细菌、病毒，产水浊度≤0.1NTU）。
注：针对低碳目标，可优先选择“人工湿地+砂滤”组合工艺（能耗仅为传统工艺的1/3~1/2）。

3. 海绵设施与尾水回用的系统集成设计

渗透型设施：将尾水引入下沉式绿地、透水铺装或生物滞留池，通过土壤-植物系统渗透补充地下水。设计要点：渗透铺装的渗透系数≥1×10⁻⁴cm/s，底层设置砾石层（厚度≥30cm）防止堵塞；生物滞留池的种植土需选择亲水性植物（如芦苇、香蒲），填料层粒径分布（2~5mm占比60%）以平衡渗透速率与污染物截留。

调蓄型设施：利用雨水调蓄池、景观湖等储存尾水，错峰用于干旱期灌溉或景观补水。设计要点：调蓄池容积需满足“24小时尾水调蓄+5年一遇暴雨径流叠加”（如某城市设计调蓄池规模为5000m³，可兼顾尾水储存与暴雨应对）；景观湖需设置水力停留时间（HRT）≥2天，通过水生植物（如睡莲、凤眼莲）强化水质净化。

复合型设施：构建“尾水净化-雨水收集-生态补水”一体化系统。例如，污水处理厂尾水经人工湿地预处理后，进入雨水花园进一步净化，最终储存于地下蓄水池，用于周边社区绿化灌溉，实现“污水→再生水→生态用水”的闭环。

4. 智能监测与动态调控系统

在线监测：安装水质传感器（监测pH、浊度、余氯、氨氮）、流量计（监测尾水回用流量）及气象站（监测降雨量、蒸发量），实时获取系统运行数据。

智能调控：通过PLC+AI算法（如模糊控制模型），根据实时数据动态调整回用策略。例如，降雨前降低尾水回用流量（预留调蓄空间），降雨后优先利用储存的尾水补充景观湖；干旱期提高回用优先级（如增加绿化灌溉频次）。

三、实践案例：某南方滨海城市污水处理厂尾水回用系统设计

1. 项目背景

某城市污水处理厂规模10万m³/d，出水执行一级A标准（COD≤50mg/L，TN≤15mg/L，TP≤0.5mg/L），周边规划有200公顷城市绿地、50公里道路及1个5公顷景观湖。目标：通过海绵化改造，实现尾水回用率≥30%（即3万m³/d），减少自来水消耗。

2. 系统设计要点

水质处理：尾水先经“超滤膜（UF）+臭氧氧化”工艺处理（产水COD≤30mg/L，浊度≤0.5NTU），满足绿化灌溉（GB/T 18920中“城市绿化”标准）与景观补水需求。

海绵设施集成：

渗透型：建设下沉式绿地20公顷（渗透铺装面积占比40%），年渗透尾水约8000m³；

调蓄型：改造现有雨水调蓄池（容积5000m³），储存尾水用于旱季灌溉；

复合型：在景观湖周边设置“表流湿地+沉水植物区”（面积1公顷），尾水经湿地净化后（TN≤10mg/L，TP≤0.3mg/L）排入湖泊，兼顾景观功能与水质提升。

智能调控：搭建SCADA系统，根据降雨预报（提前24小时）与尾水水量（实时监测），动态分配回用路径——降雨期减少回用流量（储存于调蓄池），非降雨期优先回用至绿地（占比60%）与道路冲洗（占比30%），剩余10%补充景观湖。

3. 实施效果

水资源效益：年回用尾水约1095万m³，替代自来水1095万m³（按3元/m³计算，年节约成本3285万元）；

环境效益：年减少尾水直排量1095万m³，受纳水体TN、TP负荷分别削减40%、35%；

社会效益：景观湖水质从劣Ⅴ类提升至Ⅳ类，城市内涝防治标准由1年一遇提高至3年一遇。

四、挑战与优化方向

尽管海绵城市理念下的尾水回用系统已取得显著成效，仍需解决以下问题：

1. 技术层面

尾水回用与海绵设施的长期运行稳定性（如人工湿地填料堵塞、膜组件污染）；

新兴污染物（如抗生素抗性基因）在回用系统中的迁移转化风险。

2. 管理层面

多部门协同机制（水务、环保、园林）需强化，避免“各自为政”；

缺乏经济激励政策（如再生水价格补贴、碳交易收益），社会资本参与度不足。

3. 未来优化方向

材料创新：开发抗堵塞、易再生的渗透铺装材料（如生物炭改性砾石）；

数字孪生：构建“尾水-海绵设施-受纳环境”数字模型，预测系统长期运行风险；

政策配套：完善再生水价格形成机制，将尾水回用纳入海绵城市建设考核指标。

总结：海绵城市理念下的污水处理厂尾水回用系统设计，是“水资源循环”与“水生态修复”的深度融合实践。通过精准匹配需求、优化处理工艺、集成海绵设施及智能调控，可实现“污水变资源、排放转补给”的转型，为城市水系统韧性提升提供可复制的“绿色方案”。未来，随着技术创新与政策完善，尾水回用将成为海绵城市建设的核心支撑，推动城市向“节水型、生态型、韧性型”方向发展。

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