哈工大城市水循环与科技创新论文

城市水循环技术及科技创新结课作业专 业 焊接技术与工程 学 生 学 号 日 期 2016.5.8 哈尔滨工业大学教务处制摘 要随着社会的不断进步，我国城市化的发展速度也十分快速，而城市工程建设也不断加快，传统城市排水系统设计已经不能满足现代城市发展的要求。合理设计规划城市的排水系统，是城市建设的重要一环，它关乎城市居民的日常生活与城市功能的健康实现，是城市规划部门不可忽视的重要课题。本文分析了我国城市给水系统或污水处理系统的典型工艺，主要构筑物，设备及其作用原理并展望未来给水或污水处理技术的发展趋势，并提出今后发展创新的思路 ，以寻求城市的可持续发展。关键词：城市排水 规划设计 典型工艺 现状 发展第1章 给水系统1.1 给水系统典型工艺及原理1.1.1 给水系统流程石壁坑水库水石壁坑一级泵站加压（投加硫酸铝）小坝净水厂隔板反应池蜂窝斜管沉淀池虹吸滤池（投加氯气消毒）清水池二级泵站用水户1.1.2 工艺原理 1.混凝反应过程（即硫酸铝投加至水中与水中胶体颗粒吸附混和的过程）原理：硫酸铝加入水中，离解为铝离子和硫酸根离子，铝离子起水解作用，生成氢氧化铝胶体；带正电荷的氢氧化铝与带负电荷的水中粘土等杂质胶体吸引，粘附杂质，起着极重要的接触介质作用，不会产生毒副性能。 2.蜂窝斜管沉淀 原理：原水混凝后，经过混合反应，水中胶体杂质凝聚成较大的矾花颗粒，在沉淀池中去除。 3.虹吸滤池 原理：原水经过沉淀池或澄清池处理后，把一部分颗粒较大或容易下沉的杂质去除了，浑浊度约降低到毫克升。但要进一步提高水质，还须用过滤的方法去除水中细小的杂质颗粒和细菌等。 4.消毒 原理：氯气与水混合后很快水解，产生次氯酸。次氯酸很快扩散到细菌表面，并透过细胞壁和细胞内部的酶发生作用，从而破坏酶的功能，达到杀菌作用，不会产生毒副作用。 1.1.3 工艺分析城市污水经粗格栅去除大块漂浮物后，通过拦水溢流闸截流，再通过进水管进入细格栅进一步去除细的漂浮物，经去除漂浮物后的污水进入水解酸化池，水解酸化池中装置填料，污水中的污染物被拦截和被填实中微生物膜作用，在此外固体悬浮物被沉降，大分子的有机物被分解而部分去除。水角酸化池的出水通过配水管网进入人工湿地系统的各个单元，各个单元配置有填料及种植各种水生植物，污水经人工湿地系统处理后由集水管收集后排放。该湿地系统分成六个单元，各单元由阀门控制轮换进水，并保持出水连续性。排水系统设有排水渠及排水泵站。当崇阳溪水位低于排水口时，排放水可直流到崇阳溪。当崇阳溪水位高于排水口时，由排水泵站将处理水提升排出。排水泵站也可将处理水提升到现清献河的下游河道，以供下游的农田灌溉之用。水解酸化池在处理过程中有少量污泥产生，污泥通过水压进入污泥浓缩池，池内其上清液通过提升泵送入配水系统进入湿地。图 1-1 自来水厂水处理工艺流程1.2 给水系统构筑物1.2.1 取水构筑物功能：取用水源水。1、地下水取水构筑物：井和泉室。2、地面水的取水构筑物：1）岸边式取水构筑物，建在水岸边。2）河床式取水构筑物。3）移动式。4）其他。根据水文、地质、地势、河床、航运及卫生等条件综合考虑。取水构筑物是给水工程的起端它关系到整个给水工程的成败，必须安全可靠、经济合理。3、一级泵站 1、泵站：装置抽水机械的厂房。2、一级泵站：抽升水源水的泵站。是给水工程系统中的第一个泵站。站内设备：水泵机组、管道、电气控制和附属设备等。结构：可与取水构筑物合建在一起，称为合建取水构筑物；也可以分建，根据水源、地势、地质、水文及施工条件等而定。1.2.2 配水构筑物 任务：将净化后符合水质要求的清水，输引配送到用水区，供用户使用。结构：由二级泵站、输水管道、配水管网、水塔等几部分组成。1、二级泵站把水厂内清水池中贮存的净化水提高水压，经输配水管网送到用水区，供用户使用。相对于级泵站来说，二级泵站是水的第二次加压泵站。由于城市输配管线很长，水头损失大，建筑需用水压较高，2、输水管道 只供输水而不负担配水任务。 输水管要简短，以减少水头损失和便于施工。输水管的数目视工程的重要性而定。允许断水或多水源供水时，可设一条输水管；不允许断水者应敷设两条或两条以上的输水管。输水管最好沿道路埋设，这样有利于施工及维护。为简化安装， 降低造价，要尽量避免穿越河谷、沼泽、滑坡、山脊、重要铁路及洪泛区，否则应采取有效防护措施 。3、配水管网将输水管引来的水配送到用水区，供用户使用。因此，在管网规划布置时，应根据供水区域的建筑规划、地形及用水单位的分布情况，使管网布满全供水区，满足各用户的用水要求。 4、水塔水塔是设在城市内的高架贮水箱，用以调节供水与用水量间的不平衡及稳定管网内压力。 第2章 污水处理系统人们在生活和生产活动中产生大量污水，污水中含有很多有害物质，极易腐化发臭， 污染环境，危害人们的生活和生产；天然降水，在降落及流行过程中也受到一定的污染，如不及时排泄，也会危害人们的生活和生产。因此污水、雨水必须有系统地收集、排除并进行适当的处理和利用，变废为宝，造福人类。排水工程由排水管网、排水泵站、污水处理厂及处理后的排放设施等部分组成。2.1传统活性污泥工艺2.1.1 工艺原理活性污泥法(activated sludge process)是在人工条件下，对污水中的各种微生物群体进行连续混合和培养，形成悬浮状态活性污泥的一种污水处理工艺。利用活性污泥的生物作用，在好氧条件下，分解去除污水中的有机污染物，然后使污泥与水分离，大部分污泥回流到生物反应池，多余部分作为剩余污泥排出活性污泥系统。活性污泥法是当前应用最为广泛的一种生物处理技术，活性污泥就是生物絮凝体，上面栖息、生活着大量的好氧微生物，这种微生物在氧分充足的环境下，以溶解型有机物为食料获得能量、不断生长，从而使废水得到净化。该方法主要用来处理低浓度的有机废水。2.1.2 工艺流程传统的活性污泥法由初次沉淀池、曝气池、二次沉淀池、供氧装置以及回流设备等组成，基本流程如图 3.1 所示。由初沉池流出的废水与从二沉池底部流出的回流污泥混合后进入曝气池，并在曝气池充分曝气产生两个效果：活性污泥处于悬浮状态，使废水和活性污泥充分接触；保持曝气池好氧条件，保证好氧微生物的正常生长和繁殖。废水中的可溶性有机物在曝气池内被活性污泥吸附、吸收和氧化分解，使废水得到净化。二次沉淀的作用有两个：将活性污泥与已被净化的水分离；浓缩活性污泥，使其以较高的浓度回流到曝气池。二沉池的污泥也可以部分回流至初沉池，以提高初沉效果。2.2 生物脱氮除磷处理工艺（A/O工艺）2.2.1 工艺原理通常称为 A/O 工艺的实际上可分为两类，一类是厌氧/好氧工艺，另一类是缺氧/好氧工艺。厌氧状态和缺氧状态之间存在着根本的差别:在厌氧状态下既有无分子态氧，也没有化合态氧，而在缺氧状态下则存在微量的分子态氧(DO浓度0.5mg/L)，同时还存在化合态的氧，如硝酸盐。AO 工艺于 20 世纪 80 年代初开发，是目前广泛采用的城市污水生物脱氮工艺之一，它的最大优点是可以充分利用原水中的有机碳源进行反硝化，能有效的去除 BOD 和含氮化合物。A/O 工艺自被开发以来，就因为其特有的经济技术优势和环境效益，愈来愈受到人们的广泛重视。2.2.2 工艺流程A2/O 工艺采用三段式反应器，它是传统活性污泥工艺、生物硝化及反硝化工艺及生物除磷工艺的结合。在厌氧段，回流污泥中的聚磷菌释放磷，并吸收低级脂肪酸等易降解的有机物，同时部分有机物进行氨化；在缺氧段，反硝化细菌利用污水中的有机物作为碳源，将内回流混合液带入的 NO3-N 和 NO2-N通过反硝化作用转为氮气，从而达到脱氮的目的，并使 BOD 继续下降；而在好氧段主要是去除 BOD、硝化和吸收磷，在充足供氧条件下，有机物进一步氧化分解，氨氮被硝化菌转化为 NO3- -N，而在厌氧池中充分释磷的聚磷菌则可以在好氧池中过量吸收磷，形成高磷污泥，通过剩余污泥排出以达到除磷的目的。A2/O 工艺脱氮的作用，是通过增设混合液内回流，将好氧段硝化作用后产生的硝酸盐回流至缺氧段进行反硝化达到的。A2/O 工艺在去除有机污染物的同时，能够实现脱氮除磷效果，其在系统上可以说是最简单的同步脱氮除磷工艺，总水力停留时间少于其他同类工艺，且反应流程上厌氧、缺氧、好氧交替运行，图 2.1 普通活性污泥法处理系统不利于丝状菌生长，污泥膨胀较少发生，生物除磷过程运行中无需投药，运行费用低，且污泥中含磷浓度高，具有较高的肥效，是实现污水回用和资源化的有效途径。图 3.2 缺氧/好氧生物脱氮工艺图 2.3 传统 A2/O 工艺流程2.3 传统SBR工艺2.3.1 工艺原理序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor)，简称 SBR，也称间歇式活性污泥法，属传统活性污泥法的变型，是近十几年来应用最为广泛的城市污水生物处理工艺之一。它的反应原理和污染物质的去除处理机制和传统活性污泥法基本相同，其在流态上虽属完全混合式，但在有机物的降解反应的时间历程上属于推流式。 2.3.2 工艺流程SBR 技术的核心是 SBR 反应池，该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统。典型的 SBR 工艺，其操作过程由进水、反应、沉淀、出水和待机 5 个基本过程组成，从污水流入开始到待机时间结束开始下一次进水，构成是一个周期。整个周期的所有过程发生在同一反应池内，池内设有进、出水以及曝气或搅拌装置。整个处理系统通过周期式的反复运行，一般需要至少 2 个 SBR 池，可使系统连续运行。在 SBR 的运行过程中，其各个过程是可进行灵活控制的，可以通过曝气方式和反应时间的控制，实现好氧、缺氧、厌氧的交替运行，实现氮、磷去除。其基本操作过程见下图 2.4。图 2.4 SBR 反应池工作过程示意图2.4 CAST工艺2.4.1 工艺原理CAST 工艺又称 CASS 或 CASP(Cyclic Activated Sludge System/Technology/ Process 的缩写)，即循环式活性污泥法。该工艺是在 SBR工艺的基础上，增加了选择器及污泥回流设施，并对时序做了一些调整，利用不同微生物在不同的负荷条件下生长速率差异和污水生物除磷脱氮机理，将生物选择器与传统 SBR 反应器相结合的产物，从而大大提高了 SBR 工艺的可靠性及效率。CAST 工艺主体构筑物由 SBR 反应池组成，反应池内主要分为选择区和反应区。在 CAST 系统中，至少应设两个池子，以使系统能实现连续进水。一般地，在第一个池子中进水和曝气，在另一个池子中沉淀和滗水，反之亦然。在多池系统中，通过合理的选择循环过程，可以使出水连续。2.4.2 工艺流程CAST 工艺的工艺流程见图 2.5。污水中含有大量较大颗粒的悬浮物和漂浮物，经过格栅截留，除去上述污物，防止后续处理构筑物管道、阀门和水泵机组堵塞。污水经集水池用潜污泵打至沉砂池，在沉砂池中可除去相对密度较大的无机颗粒如砂等，使无机颗粒与有机污物分离，定期将砂排入晒砂，干化后清除。污水经沉砂池后由配水管自流进入 CAST 池进行生物处理，处理达标后排放或部分回用。污泥则进入污泥浓缩罐，再经污泥脱水机脱水后外运。图 2.5 CAST 工艺污水处理工艺流程2.5 人工湿地处理系统2.5.1 工艺原理人工湿地（CWConstructed Wetland)污水处理技术是 70 年代末发展起来的一种污水处理和水环境修复技术新技术，其是从生态学原理出发，模仿自然生态系统，人为将土壤、沙、石等材料按一定比例组成基质，并栽种经过选择的耐污植物，培育多种微生物，组成类似于自然湿地的新型污水净化系统。美国著名的湿地研究、设计与管理专家 Hammer 博士等将人工湿地定义为“一个为了人类利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由饱和基质、挺水与沉水植被、动物和水体组成的复合体” 。夏汉平对其定义进行了修改：人工湿地是通过模拟自然湿地的结构和功能，选择一定的地理位置与地形，根据人们的需要人为设计与建造的湿地。1974 年联邦德国建造世界首个人工湿地处理系统，随后该工艺在欧洲、美国和加拿大等国得到了推广和应用，我国也于上世界 90 年代开始人工湿地的研究和应用。人工湿地在对废水的处理过程中综合了生物、物理、化学三方面的作用，通过基质