城市污水再生利用讲教学文案

城市污水再生利用讲一、前言我国是一个水资源短缺的国家。人均水资源约为世界平均水平的1/4，水资源分布不均、水污染严重、用水结构变化，生活、工业用排水量随工业发展而猛增，全国正常年缺水量约400亿m3，已有400多个城市缺水。倡导节水型社会，工业节水与治水并重。替代水源：海水淡化、远距离调水、城市污水再生利用。城市污水深度处理再生回用是当前投资少、见效快，最成功和可行的一条重要途径。二、城市污水再生利用（中水回用）状况中水：城市污水经深度处理后以的水被称为“中水”，ReclaimedWater。指各种排水经处理后，达到规定的水质，可在生活、市政、环境、工业等范围内杂用的非饮用水。水质指标低于生活饮用水的水质标准，但又高于允许排放的污水的水质标准，介与二者之间，所以叫做“中水”或“再生水”、“回用水”。1．城市污水再生利用的意义缓解水资源的供需矛盾：80％供水－污水－70％可回用，替代自来水，供给生产生活需要。减轻水环境污染：400亿m3/a，78％的城市河段不宜作饮用水源，50％城市地下水已污染。2002年城市污水集中处理率40.3%。污水再生利用，减少污水排放量。提高城市水资源利用的综合经济效益：水质水量相对稳定，不受自然条件的影响，易于收集。取水、输水距离近。沿海城市污水回用比海淡节省费用。实现环境保护战略的重要措施：污水的再生利用是污水的一种“回收”和“削减”，与环境保护战略是密切相关。2．中水回用的领域农业灌溉：二级处理，成本低，肥料，须防污水对土壤的污染和有害残留物累积。城市杂用：城市杂用包括生活杂用水和环境、娱乐和景观用水。地下回灌：补充地下水量，保持地下水位，控制地面沉降。生活饮用：包括直接回用和间接回用。直接回用，处理厂最后的出水被直接注入到生活用水配水管网。间接回用于饮用水是指河湖上游的污水经净化处理后又排入水体或渗入地下含水层，成为下游或该地区的饮用水源。工业回用：冷却用水、热力和工艺用水、洗涤用水。城市用水80％为工业用水。工业回用的好处：1）工业用水户一般紧邻供水水源,就近可得2）城市污水水源稳定，无枯水期用水紧张问。3）城市污水厂的二级处理出水经过深度处理，即可满足许多工业部门用水的水质要求，成本比长距离引水低。4）减少废水的排放量，利于环境保护。工业回用途径：1）冷却水，占工业总用水70～80%，水质要求低。回用于循环冷却水是最主要的工业回用用途，也是较为经济可行的。2）锅炉补水，用于一般锅炉，软化脱盐即可。少用于高压、超高压锅炉。3）工业生产用水：熄焦、冲洗、冲灰水。3．国内外中水回用的状况3.1国外城市污水的再生利用现状美国：自50年代起开始。二级污水处理厂100%普及，大规模城市污水回用。佛州St.Petersburg世界上最大的城市污水回用系统：再生水用于工业冷却、草地浇灌、建筑中水和消防，剩余的通过深井注入地下含盐水层。澳大利亚、新加坡：大规模的膜处理生产优质水的尝试，生产优质再生水。日本：1962年就开始污水回用的实践。开发了很多污水深度处理工艺，创造了中水道系统，在建筑群内设双管供水系统。南非：约翰内斯堡，每日自来水的85％为城市再生水，开创了使用污水回用到饮用水的先河。以色列：广泛进行污水回用。处理过程为：城市污水的收集→传输到处理中心→处理→季节性储存→输到用户→使用及安全处置。3.2国内城市污水的再生利用现状早在1958年就开始列入国家科研课题，80年初一些缺水大城市相继开展了污水回的试验研究。进展缓慢，现开始广泛尝试。北京：高碑店污水处理厂回用量30万m3/d，我国最大。自用、水体、电厂循环冷却补水。天津：纪庄子，A2/O工艺＋纤维球过滤消毒2000m3/d，东郊污水厂二级处理＋过滤消毒7万m3/d。膜回用示范工程。长春：在建北郊回用10万m3/d，西郊两期总15万m3/d。大连；春柳河1万m3/d污水回用十年运行良好。青岛：海泊河4万m3/d污水回用太原：北郊污水处理厂向太钢供180万吨/年循环冷却水补水，化工集团采用生物接触氧化法回用二级污水。内蒙是典型的北方缺水地区，污水回用要求更为迫切。三、城市污水再生利用（中水回用）技术1．国内城市污水处理厂排放状况再生水多以污水厂二级出水为水源，污水厂设计以达标排放为准。执行标准：现《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）。90％为老厂，一些还在执行GB8978-88或GB8978-1996，排放标准距回用水差别很大。许多设计未考虑N、P去除问题。现存污水处理的设备运行状况：1/3运行正常、1/3不正常、1/3处于停止状态。污水处理厂的运转率只能达到50%。内蒙古地区污水处理厂执行旧的污水综合排放标准中二级标准的居多，而且原来建设了一批采用氧化塘工艺的污水处理厂，因此出水距离回用标准也更远。1城镇污水处理厂污染物排放标准基本控制项目最高允许排放浓度/（mg/L）表2污水综合排放标准基本指标(GB8978-1996)续表2污水综合排放标准基本指标(GB8978-1996)2．城市污水再生利用的回用水质标准2003年5月1日起实施了《城市污水再生利用》系列标准，包括：《城市污水再生利用分类》（GB/T18919-2002）《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920-2002）《城市污水再生利用景观环境用水水质》（GB/T18921-2002）《城市污水再生利用补充水源水质》《城市污水再生利用工业用水水质》《城市污水再生利用农业用水水质》其中1-3项已经制定标准颁布，第5项2004年出版了征求稿，4、6酝酿中。建设部、科学技术部于2006年4月25日联合颁布了《城市污水再生利用技术政策》通常一般的污水厂二级处理出水常含有BOD520～30mg/L、CODCr40～100mg/L、SS20～30mg/L、NH3-N15～25mg/L、P3～7mg/L。这样的出水必须经过进一步的强化深度处理才能够满足城市杂用、景观以及工业用水的需要。表3　　再生水用作工业用水的水质指标3.23.城市污水再生利用技术3.1城市污水再生利用主要污染物的去除方法SS、有机污染物、无机盐、N、P悬浮物的去除：1)粒径＞1μm，一般过滤。2）0.1～几十μm，微滤机。3）2nm～0.1μm，超滤4)＜5nm，纳滤5）＜0.1nm，反渗透6）胶体状粒子：混凝沉淀去除。二级处理出水的50～80%的BOD来源于悬浮性的有机颗粒，这些悬浮物的去除也间接地去除了污水的有机污染物浓度。有机污染物的去除：难降解有机物：丹宁、木质素、黑腐酸、醚类、多环芳烃、联苯胺、卤代甲烷、甲基兰活性物质、除草剂、杀虫剂等。混凝沉淀或过滤＋活性炭吸附砂滤＋臭氧等强氧化剂氧化。无机盐的去除：碱度或暂硬：石灰软化盐浓度＜500mg/L（100～300mg/L）：离子交换纳滤：脱盐率60％，80％硬度，90％溶解性有机碳。反渗透：脱盐率95％以上。氮的去除废水中存在着有机氮、氨氮、硝态氮，以氨氮和有机氮为主。脱氮可分为化学法和生物法。化学法主要为氨吹脱法（或氨气提法）、折点加氯法、离子交换法，这些方法仅对氨态氮有效，一旦发生亚硝酸化或硝酸化将不起作用。1）氨吹脱法（或氨气提法）：投加石灰或NaOH，调节废水的pH值到10.8～11.5，将废水中的铵离子转换成游离氨，以空气或蒸气作为气提气体进行吹脱。特点：优点是与氨回收工艺结合可副产品（氨水、硫酸铵等），最大缺点是运行成本高，特别是铵浓度低时，设备易结垢防腐。因此常用做生化脱氮的预处理。2）折点加氯除氨法：原理：利用氯气的强氧化性，将NH3（或NH4+）氧化成非溶解性的N2O气体，从水中挥发出去。特点：适合于任何铵浓度的污水处理。去除率高达90～100%，出水氨浓度降到0.1mg/L或更低，副产品不多，处理效果稳定，不受温度或毒性化合物的影响。折点加氯法是污水回用工业循环补充水处理中最为常见、成熟、可靠、有效的方法。但考虑到循环补充水对Cl-的要求，一般控制进水氨氮不宜过高，从而保证投氯量无需过大。3）离子交换除氨法：原理：斜发沸石选择交换铵离子的能力。即能从含钠、镁和钙等离子的溶液中优先选取铵离子，与沸石上的钠离子进行交换，从而达到除氨的目的。穿透的树脂要用2%的氯化钠溶液再生，再生液经过去氨处理后再循环使用，达一定的循环率后排放。特点：离子交换除氨法适用于铵离子浓度在10-50mg/L的废水，去除率达到90～97%。铵浓度越高，再生越频繁，运行成本高；浓度低，浓差减小，离子迁移速度减慢，处理效果严重下降；增加系统含盐量，加剧腐蚀；需处理含氨废液；钙影响选择交换。理论上完全行得通，各种中、小试试验也常见报道，但尚无大型工业应用的成功案例。三步骤：氨化－硝化－反硝化在将有机氮转化为氨氮的基础上，通过硝化菌和亚硝化菌的作用，将氨氮通过硝化转化为亚硝酸氮、硝酸氮有氧存在的条件下缺氧条件下在反硝化菌的作用下将亚硝酸盐氮、硝酸盐氮转化为氮气逸出，从而不仅去除氨氮而且降低总氮。生物脱氮机理生物法脱氮：特点：（1）氨氮的生物氧化需要大量氧，大约每去除1g氨氮需要4.57g氧。（2）硝化过程细胞产率很低，难以维持高生物浓度，特别在冬季。（3）硝化过程产生大量的质子（H+），需用大量碱中和。理论上每氧化1g氨氮需7.14g碱度（以CaCO3计）。（4)反硝化菌是异养兼性菌，适宜在好氧、兼氧交替环境下生存，一般DO＜0.5mg/L。（4）反硝化以有机碳为电子供体，一般要求C/N＝4～5，＜3时，需外加C源。优点：可同时降低水中氨氮和总氮。运行成本低、操作管理简便。缺点：(1)进水氨氮浓度＜200mg/L；(2)硝化菌生长缓慢，产率低，硝化菌仅占活性污泥的2%左右；(3)硝化菌对环境变化敏感，易受温度、碱度、有机物浓度、基质浓度、pH、SRT，工程调试难度大。一般调试成功者出水氨氮可达5mg/L，优良者2～3mg/L磷的去除磷的去除可采用化学法也可采用生物法。化学法主要指化学混凝沉淀，利用投加铁、铝盐或石灰通过，混凝沉淀的原理，形成磷的化合物沉淀而被去除，这种方法的除磷效率高，运转较灵活，但是产生的污泥量较大，运行的药剂成本较高。生物除磷特点：（1）需要好氧和厌氧环境的并存；（2）不适于高浓度含磷污水；（3）受污泥龄影响较大，一般污泥龄短，除磷效果好；而污泥龄长利于硝化进行的彻底，因此在生物脱氮除磷的系统往往存在矛盾的问题。同步脱氮除磷：趋势，包括A2/O、UCT、SBR以及前置厌氧的氧化沟工艺及其相应的改良工艺，根据再生利用的用途不同加以选择并结合适宜的深度处理工艺应该是合理的经济选择。生物除磷机理在厌氧／缺氧条件下聚磷菌的生长受到抑制；充分释放出其细胞中的聚磷酸盐，并利用此过程中产生的能量摄取污水中的低分子量的脂肪酸(LMFA)以合成聚－ß－羟基丁酸盐（PHB）颗粒贮存在其体内。进入好氧环境后，聚磷菌恢复活力。它们将PHB降解为LMFA和能量，并会过量地、大大超出其生理地从污水中摄取磷，并以聚合态储存在体内，形成高磷污泥，排出系统，从而达到除磷的目的。释放磷吸收磷3.2城市污水回用于工业循环冷却水城市污水回用于循环冷却水需解决的问题：（1）SS：若直接使用，经循环浓缩可达30mg/L以上，促进生物粘泥和结垢，影响换热和缓蚀剂镀膜，降低药效。控制在10mg/L以下。（2）氨氮：降低杀菌药效、硝化降低pH、加速磷系缓蚀剂水解、导致铜管发生氨腐蚀。应小于10mg/L，控制在6mg/L以下更好。（3）无机盐：导致结垢和腐蚀。（4）微生物：普通微生物导致污泥沉积，异养菌、铁菌、硫酸盐菌导致垢下腐蚀，真菌侵蚀木质部件。（5）COD：一方面稳定水质、控制腐蚀，一方面促进微生物滋生及腐蚀的产生。一般要求＜30mg/L。（6）磷：生物生长的营养源，产生难于除于的磷酸钙垢。中水回用于循环冷却水的控制指标：NH3-N、P、SS、COD及硬度和碱度，根据地区性差异选择考虑无机盐。1、NH3-N的去除一般二级出水氨氮15～25mg/L，但北方多达40mg/L左右，冬季更甚。对于工业循环冷却水，生化处理应该仍首选工艺，其次辅助为折点加氯。二级出水中有机碳含量低，无法进行硝化-反硝化的联合过程，因此A/O、A2/O、氧化沟、SBR及其改良工艺均不适合。思路：对原二级生化处理进行工艺调整和改造，控制运行条件，使出水氨氮直接达标。若无法改造，可考虑采用曝气生物滤池或膜生物反应器进行深度脱氮。曝气生物滤池BAF，（BiologicalAeratedFilter）又称淹没式曝气生物滤池，70S末80S初出现在欧洲。突出特点是在一级强化处理的基础上将生物氧化与过滤结合在一起，滤池后部不设沉淀池，通过反冲洗再生实现滤池的周期运行。曝气生物滤池分为上向流式和下向流式，结构中一般包括布水系统、布气系统、承托层、生物填料层、反冲洗系统等。下向流形式的BAF对SS的截流主要集中在滤池上端几十厘米处，使得滤池的纳污能力不强，运行周期短，易堵塞。上向流形式避免了下向流的缺点，纳污能力大大提高。在回用水处理工艺中，主要使用曝气生物滤池作为生化手段来去除二级处理水中的NH3-N和低浓度的COD、BOD5。国内曝气生物滤池研究起步虽然较晚，但发展迅速，目前关键技术已经实现国产化，并已得到较多的工程应用。典型BAF结构简图图2Biofor结构图图1Biostyr结构图曝气生物滤池主要工艺特点如下：克服了活性污泥法污泥易膨胀问题；可以采用较高的滤速和负荷，设备小，占地少；可使一些好氧处理难于降解的物质降解；滤料的装填增加了对氧的切割，提高了氧利用率，能耗低。曝气生物滤池系统存在不足：对进水的SS要求较高，因其填料粒径小；BAF工艺产泥量较大，污泥稳定性较差；需进行气水反冲洗，设备较多，操作较复杂；滤料的堵塞问题在长期运转中还有待解决与改善。膜生物反应器MBR，MembraneBioreactor技术于20世纪末发展起来，水处理中常用的是固液分离型MBR。主要由膜分离组件及生物反应器两部分组成，以超（微）滤膜高效分离，出水水质明显优于传统污水处理工艺，能得到可直接使用的中水。分类：膜曝气AMBR、膜萃取EMBR、固液分离SLSMBR。AMBR：采用透气性致密膜或微孔膜进行无泡曝气，提高氧接触时间和传氧效率，适用于高需氧量的废水处理。EMBR：废水与污泥为膜隔开，膜从含有毒有害废物的工业废水中优先萃取污染物以降解。SLSMBR：简称MBR，最广泛，主要用于固体的分离与截留，取代传统污泥法中的二沉池。分置式膜生物反应器型式固液分离式MBR可分为：分置式、一体式和复合式。图3分置式膜生物反应器特点：膜组件与反应器分置。优点：运行可靠，通量高，易于膜组的清洗、更换和增设。弱点：为防污需要较高的膜面流速，动力费高，同时泵的高速旋转可能使某些微生物失活。一体式膜生物反应器图4一体式膜生物反应器特点： 膜组件在生物反应器内部。进水进入膜-生物反应器，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥降解去除，再在外压作用下由膜过滤出水。优点：省去了混合液循环系统，靠抽吸出水，能耗相对较低；占地更为紧凑，在水处理领域倍受关注。弱点：膜通量相对较低，容易发生膜污染，膜污染后不容易清洗和更换。复合式膜生物反应器图5复合式膜生物反应器特点：  在形式上也属于一体式膜生物反应器，所不同的是在膜生物反应器内加装填料，从而形成复合式膜生物反应器，改变了反应器的某些性状。膜组件型式图6中空纤维式膜丝断面示意图工业上常用的膜组件形式有五种：    板框式、螺旋卷式、圆管式、中空纤维式和毛细管式。前两种使用平板膜，后三者使用管式膜。圆管式膜直径>10mm;毛细管式0.5～10.0mm；中空纤维式<0.5mm>图7帘式膜组件示意图MBR典型工艺图MBR工艺特点MBR优点：抗污泥膨胀能力强，出水中没有悬浮物；高的污泥浓度，高体积负荷，具有极强的抗冲击能力；显著减少污泥产量，剩余污泥产量低；污染物去除率高，对BOD、COD去除率＞95％，氨氮＞90%；MBR工艺省略了二沉池，减少占地面积。MBR不足：投资成本过高。主要原因是膜组件多需进口。常用的膜加拿大ZENON、日本久保田、日本东丽、三菱、天津膜天等。工程应用的大量工程参数欠缺，亟待总结。膜污堵和性能恢复还有待进一步研究和解决。脱氮工艺的选择无论是BAF还是MBR在脱除二级处理厂出水氨氮上均十分有效，但是结合其他的指标，往往还难以作为单一工艺处理后将出水直接用于工业循环冷却水，常需辅助处理。在系统其他指标基本满足要求（尤其是COD），而氨氮超标不高，在15mg/L以下时，仅利用折点加氯的方法去除氨氮效果很好，占地很小，引进的其他离子影响也较小。2、磷的去除二级出水磷一般只有几个mg/L，原则上不再考虑生物法去除，通常采用化学混凝的方式去除，药剂的选择参照其他需要控制的指标因子，联合选择。3、COD的去除二级出水COD较低，无论在除氨氮的生化处理中还是在混凝沉淀去除P、SS的过程中均会得到适度的去除，一般基本可以满足工业循环冷却水的使用要求。对特殊情况可增加活性炭吸附或臭氧氧化。4、SS的去除无论是在混凝沉淀、BAF、MBR以及过滤中均可以得到有效地去除SS。在二级处理厂再生利用做工业循环冷却水中最易于控制的就是SS的因素，也即对出水浊度的控制。BAF出水SS在10mg/L以下，基本满足循环冷却水的要求。5、碱度和硬度的去除硬度通常采用加药法，循环冷却水处理中一般不考虑永硬，只要求暂硬和碱度，因此最经济有效的方法首选石灰法。在石灰法中常采用机械加速澄清池，在除碱度和硬度的同时，还能去除SS、P及COD。对于MBR和BAF出水，衔接石灰法是浪费。一般MBR出水除硬度碱度可采用离子交换法，但由于其需要再生，同时MBR和BAF出水pH偏低，还要调整pH，使得运行成本偏高，适用于低硬度碱度的情况。6、其他指标的去除细菌：消毒，尤其对生化处理出水必须消毒。二氧化氯法常用，该设备的国产化比较成功，性能也非常优良。溶解性无机盐：一般地区基本可满足工业循环冷却水的要求，对于特殊系统，可以考虑部分分流反渗透方式脱盐。3.3二级出水回用于循环冷却水的工艺(1)二级处理厂出水氨氮较高（超过15mg/L）硬度碱度不需去除：二级处理厂出水膜生物反应器消毒回用硬度碱度需要去除：二级处理厂出水曝气生物滤池石灰法过滤消毒回用二级处理厂出水曝气生物滤池消毒回用过滤消毒回用二级处理厂出水膜生物反应器部分反渗透消毒回用离子交换消毒回用(2)二级处理厂出水氨氮较低（低于15mg/L）硬度碱度不需去除：硬度碱度需要去除：二级处理厂出水混凝沉淀折点加氯过滤消毒回用二级处理厂出水石灰法折点加氯过滤消毒回用(3)二级处理厂出水氨氮很低，满足要求二级处理厂出水石灰法过滤消毒回用二级处理厂出水混凝沉淀过滤部分反渗透消毒回用消毒回用活性炭吸附消毒回用(4)工艺的选择工艺的选择和使用必须结合二级处理厂出水情况以及建设地区和项目的特点选择。无论哪种方法从技术本身的单一成熟度上是没有问题的，如何发挥最佳的效果则要看采用的工艺组合和实施单位的工程、技术经验以及设备的选择和配置。在技术本身没有专一性和唯一性。随着新的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的实施，二级污水处理厂的建设将越来越严格要求，将对城镇污水的大量回用产生有力的促进作用。四、城市污水再生利用中存在的问题城市污水处理设施仍然严重不足，配套排水管网建设滞后。至2002年底，我国污水处理率仅40％，目前城市排水管网普及率低，特别是许多城市排水管网建设滞后，污水处理厂建成后不能发挥效益。如内蒙古乌海。城市污水处理运营经费得不到保证。城市污水收费标准较低，一般0.2～0.3元/m3，少数0.6元m3，而实际成本约1元/m3左右。污水厂降负荷运行。城市供水、污水和回用水的设施管理不统一。城市供水、污水、工业废水分属不同部门管理，加上回用水的利用涉及水资源管理、环保和城建等部门，给中水回用建设工程项目上马带来一定的行政和法律程序上的困难。五、城市污水再生利用的发展制定合理的、完善的回用水水质标准。发展高效价廉的再生水回用处理技术。为保证再生水回用安全可靠，今后重点研究的方向包括：⑴再生水中微量污染物的健康危险评估；⑵微生物特性的检测技术的评估；⑶提高污水中颗粒物质的去除率以提高消毒效率的研究；⑷污水回用处理工艺的优化；⑸膜工艺的研究与应用；⑹土壤——蓄水层处理系统的可持续利用特性的评估；⑺再生水贮存系统对水质的影响。控制工业废水处理达标后排放。工业废水往往含有难生物降解的有机物、有毒有害化合物或重金属。影响污水厂处理和回用。结束