（工业催化专业论文）大连北海热电厂中水回用中试试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 中水主要是指城市污水或生活污水处理后达到一定的水质标准，可以在一定范围内 重复使用的非饮用水，其水质指标低于饮用水水质指标，但又高于污水允许排入地面水 体标准，故其水质在生活饮用水水质与允许排放污水水质标准之间，因此称其为中水。 近年来中水的开发与回用技术得到了迅猛发展，在美国、日本、印度、英国等国间得到 了广泛的应用，这些国家以本国特点，确定出适合国情的中水回用技术，使中水回用技 术越来越完善。中水处理方法，一般是按照生活污水各种污染物的含量、中水用途以及 要求的水质，采用不同的处理单元，以达到处理要求。中水回用处理方法基本上包括初 级处理、二级处理、砂滤、化学澄清、活性炭吸附、反渗透或其他离子去除法等。 本实验取春柳污水处理厂的中水通过潜水泵打入摇动床生物反应器( m b ) ，进行有机 物以及氮磷营养盐的生物氧化降解。( m b ) 是一种高效的生物膜反应器，容积负荷大，污 染物去除效率高。 m ) 出水添加聚合铝混凝剂之后，依靠重力流进入沉淀池进行污泥沉 降，以去 m ) 产生的老化生物膜。沉淀池的出水首先进入中间水箱，然后通过泵进入纤 维柬过滤器以去除水中的较大的悬浮物纤维球复合过滤器出水进入活性炭过滤器，进 步去除细小的悬浮颗粒及一些残留的有机物。活性炭复合过滤器出水通过保安过滤器进 入反渗透系统以脱除盐类以及部分残余有机物。 本实验共间歇运行了3 0 0 天，预处理出水s d i 值稳定在4 左右，基本符合反渗透系 统进水要求；反渗透系统出水电导率可控制在5 0 u s c m 以内，脱盐率保持在9 2 以上； 膜通量衰减率维持在设计导则提供参考范围之内：另外由于预处理部分采用了传统的过 滤器，对实验设备的要求比较低，同时保证出水水质基本达到了大连北海热电厂锅炉冷 却水指标，节约了处理成本。 关键词：中水回用；反渗透；预处理：脱盐 杨海军：大连北海热电厂中水回用中试实验研究 r e s e a r c ho nt h em i d w a t e rr e u s ef o rd a l i a nb e i h a it h e r m o e l e c t r i c i t y c o m p a n y a b s t r a c t m i d w a t e rw h i c hc a l lb e r e u s e d w i t h i ns o m er a n g em a i n l yi n c l u d e st h ec i v i la n d m u n i c i p a lw a s t e w a t e rw h i c hh a sb e e nt r e a t e d ，r e a c h i n gs o m es t a n d a r dw h i c hi sb e t w e e nt h a t f o rd r i n k i n gw a t e ra n dw a s t e w a t e r t h a ti sw h yw ec a l li tm i d - w a t e r i nr e e e my e a r s t h e m i d - w a t e rd e v e l o p m e n ta n dm i d - w a t e rr e c y c l i n gh a v eb e e nd e v e l o p i n gr a p i d y ，w h i c hi sv e r y p o p u l a ri na m e r i c a , j a p a n , i n d i aa n db r i t a i n a l lt h e s ec o u n t r i e sa d o p te f f e c t i v et e c h n o l o g y f o rm i d - w a t e rr e c y c l i n ga c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o n so ft h e i rc o u n t r i e s ，m a k i n gt h et e c h n o l o g y o fm i d - w a t e rr e c y c l i n gb e c o m em o r ea n dm o r ep e r f e c t t h ep r o c e s s i n gm e t h o df o rm i d - w a t e r r e c y c l i n g a d o p t sd i f f e r e n tp m c e s s i n gu n i t so nt h eb a s i so fc o m p o n e n t so fp o l l u t a n t s ， m i d - w a t e ru s ea n dr e q u e s t e dw a t e rq u a l i t yi no r d e rt om e e tt h es t a n d a r d ，w h i c hm a i n l y i n c l u d e se l e m e n t a r yt r e a t m e n t ，s e c o n d a r yt r e a t m e n t , s a n df i l t r a t i o n ，c h e m i c a lc l a r i f i c a t i o n a c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o n , r e v e r s eo s m o s i so ro 圮rm e t h o d so f r e m o v i n gi o n , d i s i n f e c t i o n i nt h i se x p e r i m e n t , m i d - w a t e rf r o mc h u n l i uw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tw a ss e n tt oa m o v i n g b e db i o r e a c t o rt ow i p eo f fo r g a n i cs u b s t a n c ea n dn i t r o g e na n dp h o s p h o rn u t r i t i v es a l t t h r o u g hb i o l o g i c a lo x i d a t i o nd e g r a d a t i o n m o v i n g - b e db i o r e n c t o ri sk i n do fe f f e c t i v e b i o r e a c t o rw i t hh i 曲v o l u m el o a da n dd e g r a d a t i o nr a t i of o ro r g a n i c s w a t e rf r o m g o ti n t o s e d i m e n t a t i o np o o lt h r o u g hg r a v i t yw i t hp o l y m e ra l u m i n i u mi no r d e rt ow i p eo f ft h ea g e i n g b i n i o g i cm e m b r a n e t h e nw a t e rw a st a k e no u tt of i b e rf i l t r a t i o nt oe l i m i n a t et h eb i g g e r s u s p e n d e ds u b s t a n c e sw i t hap u m p ，a n dw a t e rf r o mf i b e rf i l t r a t i o nw e n ti n t oa c t i v a t e dc a r b o n a d s o 啦t i o np o o lt oe l i m i n a t et h es m a l l e rs u s p e n d e dm a t e r i a l sa n dr u d i m e n t a lo r g a n i c sf u r t h e r m a t e dw a t e rf r o ma c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o nt o w e re n t e r e d 也er e v e r s eo s m o s i ss y s t e m t h r o u g ha f i l t e rt or e m o v es a l ta n dr u d i m e n t a lo r g a n i c s t h ee x p e r i m e n tl a s t e df o ra b e u t3 0 0d a y si n t e r m i t t e n t l y t h es d if o rp r e - t r e a t e dw a t e ri s l e s st h a nf o u r ，w h i c hi si nl i n ew i t ht h er e q u i r e m e n to fr e v e r s e0 s m o s i s ；c o n d u c t i v i t yo f w a t e rf r o mr ow a sc o n t r o l l e du n d e r5 0 u s e mw h i l ed e s a l t i n gr a t i oi sa b e u t9 2 ：t h e a t t e n u a t i o no fm e m b r a n ef l u xw a sw i t h i nt h el i m i t ss t i p u l a t e db yt l l ed e s i g nh a n d b o o k f u r t h e r m o r e ，b e c a u s eo ft h eu s eo ft r a d i t i o n a lf i l t e r ，t h e r ew a sn os p e c i a ld e m a n df o r a d v a n c e de x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t b u ti tw a ss t i l li nap o s i t i o nt oe n s u ep r o d u c e dw a t e rt o r e a c ht h es t a n d a r do fc o o l i n gw a t e rf o rb o i l e rs t i p u l a t e db yd a l i a nb e i h a it h e r m o e l e c t r i c i t y c o m p a n y k e yw o r d s ：m i d - w a t e r ；r e c y c l i n g ；r e v e r s eo s m o s i s ；p r e t r e a t m e n t ；d e s a l t i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 扬绺 如山二年山“日 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，水资源短缺的问题日渐突出，在我 国很多地方水资源短缺已经严重阻碍和制约着国民经济的持续发展。淡水资源缺乏问题 在大连地区表现的尤为突出，大连市严重缺水，同时城市发展速度很快，水量需求不断 增加。水资源不足已经成为大连市社会、经济持续发展的瓶颈。为缓解大连市水资源的 严重短缺，大连市政府投巨资建设引碧流河和英纳河的水源，来解决全市工业生产和居 民生活所需用的自来水。最近正计划从丹东市境内的大洋河引水。因此，研究和应用污 水资源化技术对于大连市而言，不仅是必然的，更有着降低工业生产成本，维护和促进 整个城市经济社会和持续发展的现实性要求。 目前，大连热电股份有限公司下辖的两个热电厂的工业用水全部来自于城市自来 水。仅北海热电厂每年就耗水4 5 0 万吨，冬季供热期间每天约需水1 9 万吨，是大连市 的用水大户。因此，研究污水资源化技术，将其应用于热电厂的工业生产中，不仅可以 缓解大连市水资源紧张的现状，对大连热电集团有限公司扩大企业经营规模，降低生产 成本，更具有现实性和紧迫性。 大连理工大学环境工程研究设计所有限公司受北海热电股份有限公司的委托，进行 了现场踏勘，调查研究，参考了近年来国内外水处理的最新研究成果和工程应用实例资 料，收集资料整理分析，提出了摇动床生物反应器+ 反渗透作为该中水回用项目的主体 处理工艺。从2 0 0 4 年1 1 月开始至今在春柳河污水厂进行了6 个多月1 吨d 时规模的 中试试验，在组织相关专家和有关工程人员广泛讨论的基础上编制了本中水回用项目的 可行性研究报告。 杨海军：大连北海热电厂中水回甩中试实验研究 1 绪论 1 1 水资源状况 水是生命之源，地球上所有的动植物都依赖水而生存。它是不可替代的宝贵资源。 据报道 ”，到2 0 2 5 年，世界上三分之一的人口将生活在水资源紧张的环境中。水资源 短缺和日益严重的水污染阻碍了经济和农业的发展。破坏了生态系统。在2 0 5 0 年左右 人类将面临前所未有的严重水资源危机。 1 1 1 全球水资源状况 过去人们认为，地球上的水是取之不尽，用之不竭的，因为地球表面7 0 覆盖着 水。但实事是：地球1 3 8 6 亿k i n 3 的总水体中，约9 6 5 的为咸水，其余3 5 的水 ( 3 5 0 0 万k i n 3 ) 为淡水，而其中大部分又以冰川的形式存储在两极地区。与人类生活 和生产活动关系密切又比较容易开发利用的淡水约为4 0 0k r n 3 左右，仅占全球总水量 的0 3 ，主要是河流水、湖泊水和地下水。全球陆地面积平均年降水量为8 0 0 m m ，由 于降水时空分布不均，世界上有6 0 以上地区缺水。随着人口的增加，城市化的加速， 淡水资源短缺己成为当前世界性的生态问题之一，将构成全球经济发展和粮食生产的制 约因素吼1 9 9 8 年3 月“水与可持续发展”部长级会议在巴黎召开。在会议上，各方人 士认真探讨了水资源与可持续发展的关系，并指出水资源消耗的不断增加已经与可利用 的水资源储量不相符。世界水资源研究所认为，全世界有2 6 个国家的2 3 2 亿人口面 临缺水的威胁，另有4 亿人口用水速度超过了水资源的更新速度，世界上约有五分之一 的人口得不到符合卫生标准的淡水。世界银行认为，占世界4 0 的8 0 多个国家在供应 清洁水方面有困难。其他研究单位的报告也不能令人乐观，他们预计，在2 0 3 0 年内， 淡水拥有量不足的人口数将达1 5 亿【3 】。水的短缺不仅制约着经济的发展，影响着人们赖 以生存的粮食生产，还直接损害人们的身体健康，为争夺水资源，在一些地区还经常会 引发国际冲突，如水资源匮乏就是中东、非洲等地区国家关系紧张的重要原因。 在这种形势下，人们不得不在天然水资源( 地下水、地面水) 之外，通过异域调水、 海水淡化、雨水蓄用、极地拖冰、人工降雨、污水回用等途径开发新的水资源，如原苏 联把北部欧洲的潮水和河水引向里海流域和自鄂毕河经2 5 0 0 k m 引向中亚阿姆河流域 的两大引水工程，但前者在建设过程和前期论证工作中遇到了很多困难，很多专家怀疑 其工程的效益；后者有专家认为效益费用比小于l ，很有可能一美元投资效益仅凡美分 【4 】。相比之下，污水回用，提高水的重复利用率比较现实易行，可应用于许多方面，因 而可以作为一种稳定的再生水源。从美国、日本以往3 0 年的实践来看，减少用水量、 大连理工大学硕士学位论文 增加重复矛0 用水量可以有效地降低取水量，保护有限的水资源。美国工业用水取水量在 六十年代中期达到最大值后，出现了持续下降的趋势，热电厂和农业灌溉的取水量自八 十年代以后，也出现明显下降的趋势，日本1 9 5 6 年到1 9 8 7 年工业用水重复利用率从 3 6 2 增加到7 4 9 ，而工业取水量1 9 7 3 年达到最大值后之呈现下降趋势。工业产值 不断增长，而用水量的增加主要靠提高用水重复利用率来解决【5 】【6 j 。 经济与合作发展组织( 0 c e d ) 已经从生态环境角度提出了包括减少对水的污染， 减少水资源的消耗在内的可持续城市标准。废水再利用是根据废物最小化的原则，将城 市污水、其他废水和城市降水径流收集、处理供今后使用，从而使水的消费量最小化【。”。 美国亚利桑那州的土孙市1 9 9 0 年回用了6 4 0 万立方米的经处理的废水，用于工业冷却、 高尔夫球场灌溉和填充地方性地下水漏斗。以色列将全部废水的再利用作为目前的一项 基本国策，目前约有3 0 的城市废水得到再利用，大多用作农作物的灌溉。在澳大利亚 悉尼市西北部正在进行一项新方法试验，即城市居住区既提供饮用水，也提供回用水。 这一切使可用水资源显著增加，并使河流、海岸地区污染减少【8 】。 1 1 2 我国城市水资源供需现状 我国是一个贫水国家，淡水资源非常短缺，河流多年平均径流量约为2 6 2 1 0 8 m 3 ，人 均占有量2 0 0 0 m 3 a 左右，为世界人均占有量的1 ，5 ，居世界第11 0 位，属于世界上1 2 个贫 水国之一【9 】。我国有3 0 0 个城市缺水，日缺水量为1 0 0 0 2 0 0 0 万矗，严重缺水城市有5 0 个。特别是我国水资源时空分布不均匀，使北方城市供需矛盾更为突出f i o 】【j 。 近年来随着工农业生产的发展及人民生活水平的大幅度提高，用水量急剧增加。但随 之而来的问题是用水量增加，排放的废水量也增加。据据1 3 1 条流经城市河流的统计，严 重污染的有2 6 条，重度污染的1 l 条，中度污染的2 8 条，其中符合i 类水体标准占5 4 9 6 ， 部分河段尤为严重。我国虽然在污染防治方面做了许多工作，但不少江河湖泊的水质仍在 逐渐变差，并呈发展趋势，工业发达地区水域的污染尤为严重。据1 9 9 3 年的有关资料报道 【1 2 】，全国9 7 的大中城市地下水受到严重污染，1 1 8 个城市只有3 个城市的地下水未受污 染，北方许多城市由于超采现象严重，使地下水的硬度，硝酸盐、氯化物的含量逐年上升以 至超标。 由于市政供水严重不足，一些单位为了解决生产用水，打深井采地下水，造成地下水超 量开采，地下水位大幅度下降。每年以1 m 左右的速度下降，从1 9 6 5 年到现在，己下降2 4 m ， 地下含水层只剩下1 3 m ，按照现在的下降速度，再过5 年地下水就面临无法开采的危机。 以上问题使本来短缺的水资源更加匮乏【1 3 j 。因此，污水回用和综合利用是解决我国水资 扬海军：大连北海热电厂中水回用中试实验研究 源短缺的重要途径。对于缺水城市而言，城市污水再生利用比开发建设新水源更为重要， 更符合我国贫水的客观事实，更具有深远与现实意义1 4 】。 1 2 城市污水处理现状 1 2 1 城市污水处理厂的发展 我国解决城市污水的净化问题始于二十世纪7 0 年代。一些城市利用郊区的坑塘洼 地、废河道、沼泽地等稍加整修或围堤筑坝，建成稳定塘，对城市污水进行净化处理。 据调查，这个时期在全国己建成各种类型的稳定塘有3 8 座，日处理城市污水约1 7 0 万 m 3 。其中生活污水量占一半，其余包括石油、化工、造纸、印染等多种工业废水。8 0 年代，随着城市化进程的加快和城市水污染问题日益受到重视，城市排水设施建设有了 较快发展。国家适时调整政策，规定在城市政府担保还贷条件下，准许使用国际金融组 织、外国政府和设备供应商的优惠贷款，由此推动了一大批城市污水处理设施的兴建。 我国第一座大型城市污水处理厂天津市纪庄子污水处理厂于1 9 8 2 年破土动工，1 9 8 4 年四月二十八日竣工投产运行，处理规模为2 6 万m 3 d 。在此成功经验的带动下，北京、 上海、广东、广西、陕西、山西、河北、江苏、浙江、湖北、湖南等省市根据各自的具 体情况分别建设了不同规模的污水处理厂几十座。 “八五”期间，随着城市环境综合治理的深化以及各流域水污染治理力度的加大， 城市污水处理设施的建设经历了一个发展高潮时期。到1 9 9 5 年，我国城市排水系统排 水管道长度约为1 1 0 ，0 6 2 k m ，按服务面积计算，城市排水管网普及率为6 4 8 。与1 9 9 0 年相比，城市排水管道增加5 4 ，3 7 3 k m ，平均每年增长1 0 ，8 7 4 k m ；城市污水处理厂1 6 9 座( 其中二级生化处理厂l1 6 座) ，年处理污水1 7 4 9 亿m 3 ，处理率8 6 9 。与1 9 9 0 年 相比，城市污水处理厂增加8 9 座( 其中有北京高碑店、天津东郊、石家庄桥西、广州大 坦沙、无锡芦村、济南等大中型城市污水处理厂) ，平均每年建污水处理厂1 7 座。 “九五”期间，我国正式启动对“三河”( 淮河、海河和辽河) 、“三湖”( 太湖、巢 湖、滇池) 流域和“环渤海”地区的水污染治理，国家给予相应资金和技术上的支持。 1 9 9 6 1 9 9 9 年竣工投入运行的城市污水处理项目有2 2 个，投资5 9 5 8 亿元，日处理规 模3 7 1 7 m 3 ；在建项目1 0 9 个，计划投资1 6 8 亿元，日处理规模8 3 2 0 万m 3 。据统计， 到2 0 0 0 年底，全国已建设城市污水处理厂4 2 7 座。按照“十五”计划要求，到2 0 0 5 年，全国城市污水处理率要达到4 5 ，5 0 万以上人口城市的污水处理率达到6 0 以上。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 城市污水处理工艺技术现状 我国现有城市污水处理厂8 0 以上采用的是活性污泥法，其余采用一级处理、强化 一级处理、稳定塘法及土地处理法等。我国8 0 年代以前建设的城市污水处理厂大部分 采用普通曝气法活性污泥处理工艺，由于该工艺主要以去除b o d 和s s 为主要目标， 对氮磷的去除率非常低。为了适应水环境及排放要求，一些污水处理厂正在进行改造， 增加或强化脱氮和除磷功能。 a b 法污水处理工艺于8 0 年代初开始在我国应用于工程实践。由于其具有抗冲击负 荷能力强、对p h 值变化和有毒物质具有明显缓冲作用的特点，故主要应用于污水浓度 高、水质水量变化较大，特别是工业污水所占比例较高的城市污水处理厂。 目前氧化沟工艺是我国采用较多的污水处理工艺技术之一。应用较多的有奥贝尔氧 化沟工艺，由我国自行设计、全套设备国产化，已有成功实例。d e 型氧化沟和三沟式 氧化沟在中高浓度的中小型城市污水处理中也有应用。采用卡罗塞尔氧化沟工艺的城市 污水处理厂大部分为外贷项目。 多种类型的s b r 工艺在我国均有应用，如属第二代s b rm 艺的i c e a s 工艺，属第 三代的c a s t 工艺，u n i t a n k 工艺等。随着我国对水环境质量要求的提高，修订后的国 家污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 - - 1 9 9 6 ) 也越来越严，特别是对出水氮、磷的要求提高， 使得新建城市污水处理厂必须考虑氮磷的去除问题。由此开发了改良a a o 工艺和回 流污泥反硝化生物除磷工艺，并已开始在实际工程中应用。 我国现有城市污水处理厂中，绝太多数为一、二级处理。但经过处理后的再生水不 能得到充分利用，甚至有的地区还将处理后的再生水与未经处理的污水混在一起同流合 污，这在无形中是对水资源的巨大浪费。 1 2 3 国内二级出水回用现状 面对我国水资源严重短缺的现状，城市污水处理厂的二级出水回用越来越受到人们 的重视。中国污水回用研究会的一位专家认为【l5 1 ，污水回用在我国将有着巨大的发展潜 力，一方面，有许多的城市闹水荒，另一方面，这些城市大量的废水却白自流失，既污 染了环境，又浪费了水资源。城市污水数量巨大，就近可得，易于收集，作为城市的“第 二水源”要比远距离引水经济得多，不但花钱少，而且还保护了环境。这位专家还算了 一笔账，城市供水量的百分之八十最后变成了污水排入了下水道，如果将其收集起来经 过净化处理，7 0 可以回用，即城市供水量的一半可以变成再生水，回用到对水质要求 较低的用途上，从而替代出等量的自来水，这样就等于增加了城市一半的供水量，这对 缺水的城市来说，是一笔宝贵的财富。现在，我国城市一年的缺水量达6 0 亿立方米， 杨海军：大连北海热电厂中水回用中试实验研究 如果全国废水回用率达到2 0 ，就可达4 0 亿立方米，是缺水量的6 7 ，即通过废水回 用，可解决全国城市缺水量的一多半，足以缓解一大部分缺水城市的水荒。城市的中水 回用有利于提高水资源的综合利用的经济效益【1 6 】。首先，利用中水所需要的投资及年运 行费用一般低于长距离引水所需投资和费用；其次，除实行排污收费外，城市污水回用 所收取的水费可以使污水处理。 虽然我国早在2 0 世纪5 0 年代就开始采用污水灌溉的方式回用污水，但真正将污水深 度处理后回用于城市生活和工业生产则是近2 0 年才发展起来的。最先采用污水回用的 是大楼污水的再利用，然后逐渐扩大到缺水城市的各行各业1 9 9 0 年我国将“污水净化与 资源化技术研究”列入“八五”国家科技攻关计划，组织了城市污水资源化和土地处理与 稳定塘系统的科技攻关并建立了示范工程，研制成套技术设施并推广应用，其中部分研究 成果已经应用于天津纪庄子污水处理厂的改造工程中。又如太原市北郊污水处理厂将污 水回用于太原钢铁厂工业用水，大庆乘风庄污水处理厂的二级处理水经深度处理后直接 注入地下作为石油开采用水。1 9 8 2 年青岛就将中水回用为市政及其他杂用水，从而缓解 了水资源短缺。北京市于1 9 8 4 年开始进行中水回用工程示范，并在1 9 8 7 年出台的北京 市中水设施建设管理试行办法中明确靓定：凡建筑面积超过2 万m 2 的旅馆、饭店和公 寓以及建筑面积超过3 1 0 4 m 2 的机关科研单位和新建生活小区都要建立中水设施。引 滦入津工程虽然暂时缓解了天津市的水荒，但是其代价高昂。纪庄子污水处理厂建成投产 后，其二级处理水的基建费用比引滦工程低，水价也比引滦水便宜，实践证明，在我国开展 污水再生利用的研究和应用是符合国情的，是必要而且可行的。 1 2 4 国外城市污水回用的历史和现状 2 0 世纪6 0 年代起国外许多国家便先后对城市污水回用技术进行了研究和应用技术 进行了研究和应用，使城市污水成为一种新的水资源。经过数十年的研究与发展，污水 回用技术已经相当成熟，在世界各地得到了广泛的应用。 美国，美国使世界上最早对污水进行再生利用的国家之一，现已有3 5 7 个城市回 用污水，再生水回用网点达5 3 6 个之多。美国全国城市污水回用总量约1 4 x 1 0 8 m 3 a 以上。 回用用途包括灌溉用水、景观用水、工艺用水、工业冷却水、锅炉补水以及回罐地下水 和娱乐养鱼等，其中灌溉用水为5 8 x l o t m 3 a ，占总回用量的6 0 ：工业用水占总回用 量的3 0 ；城市生活及其他方面的回用水量约为1 0 。美国旧金山污水处理厂日处理 污水量6 4 x 1 0 5 m 3 , 服务1 3 0 万人1 2 1 ，污水经初沉池、两段活性污泥法、三层滤料( 煤、石 榴石、砂) 、氯消毒工艺后，出水指标接近饮用水标准，总含盐量为8 0 0 mg l ，但旧金山湾 湿地潮汐水含盐浓度为1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 mg l ，为保护湿地上的海生动物，美国国家环保 大连理工大学硕士学位论文 局与旧金山水质控制中心决定将再生水回用于工业、农业、市政绿化、公园及加利福利 亚北部的硅谷计算机工业，1 9 9 9 年回用水量6 x 1 0 4 m 3 d ，管线长9 0 k m ，加压泵站3 座，调节 水库l 座，耗资1 4 亿美元；回用水量达到2 8 1 0 5 m 3 d 时，管线总长4 0 0 k i n ，预计耗资5 亿 美元；2 0 2 0 年回用水量将达4 x 1 0 5 m 3 d ，回用水干管管径最大达2 7 4 0 m m ，钢筋混凝土管， 重力流输水 日本，日本是淡水资源严重缺乏的国家，早在1 9 5 1 年就开始试验性地将二级污 水再生后供造纸厂使用。日本的特色主要体现在设中水道供给杂用水，工业用水还有专 门的工业水道。建筑物内的中水道主要是1 9 7 0 年以后建立起来的，发展较快；1 9 9 1 年 日本共有8 7 6 座城市污水处理厂，每年排放二级出水1 1 0 x 1 0 8 m 3 ，其中有来自9 9 座污水 处理厂的1 x 1 0 8 m 3 a 二级出水经过再生后得到回用，回用率为0 9 1 。到2 0 0 3 年，全日 本城市污水处理厂增加到1 7 1 8 座、每年排放的处理水达到1 3 0 x 1 0 8 r n 5 ；其中再生回用的 城市污水处理厂增加到2 1 6 座，回用水量达到2 1 0 8 m 3 ，回用率增加到1 5 。 日本的双管供水系统比较普遍( 其一为饮用水系统，另一为再生水系统，即“中水 道”系统) ，中水道的再生水一般用于冲洗厕所、浇灌城市绿地及消防。中水系统除采 用传统的处理装置外( 如生化及物化处理) ，近年又开发出一种地下毛细管渗滤系统， 把污水处理与绿化结合起来。 其他国家澳大利亚悉尼的r o u s eh i l l 是一个规划居住人口3 0 万人的新建居住区。 1 9 9 5 年起，分期建设利用污水厂三级处理出水的城区双管供水系统，回用水用于灌溉、 洗车、冲厕等非饮用水用途。其回用污水的目的除减少对饮用水的消耗外，更主要的是 减少污染物的排放，保护当地的水环境。 早在1 9 世纪法国巴黎就开始实施分质供水，陆续建成了饮用水和非饮用水两套供 水系统。其非饮用水主要用于冲洗下水道、街道，浇灌公园和庭院以及工业生产。该市 非饮用水系统的建立大大降低了饮用水的消耗量，节省了可观的水净化处理费用，为有 效制取和供给足够优质的饮用水创造了条件。到2 0 世纪8 0 年代初，非饮用水日处理供 应量约为3 7 5 1 0 4 i n 3 ，非饮用水管线总长1 6 1 3 k m 。 南菲和纳米眈亚等国由于水资源绝对紧缺，建起了再生饮用水制造工厂。纳米比亚 于1 9 6 8 年建起了世界上第一个再生饮用水工厂，日产水6 2 0 0 m 3 ，日产水6 2 0 0 m 3 ，水质 到达世界卫生组织和美国国家环保局公布的标准。南非的约翰内斯堡每天有9 4 x 1 0 4 矗 饮用水来自再生工厂。 杨海军：大连北海热电厂中水回用中试实验研究 1 3 中水回用技术概述 早期的城市污水回用主要用于农业灌溉，由于对水质要求不高，一般就直接将污水厂 二级出水加以利用。随着城市污水回用领域的扩大，对回用水的水质也有了不同的要求， 并针对不同的用途和要求制定了水质标准，但是这些标准的要求都高于污水处理厂二级 出水水质，因此污水回用技术多对二级出水进行深度处理。常用的城市污水回用技术包括 传统处理( 混凝、沉淀、常规过滤) 、生物过滤、生物处理、活性炭吸附、膜分离、消毒、 土地处理等。 1 3 1 混凝 混凝是以形成絮体为中心的单元净化过程，它的效果是由混凝剂的化学作用和构筑 物的流体动力学作用两方面来决定的高效、经济的混凝剂对混凝作用固然重要，但同时 必须在设备上提供良好的水力条件，从而形成密实度好的混凝颗粒，以利于后续沉淀、过 滤工艺的高效运行由于很多相互作用的影响，混凝是一个非常复杂的问题以前的研究通 常只聚焦于一个具体的变量却没有考虑到其它变量到目前为止，还没有一个有关不同变 量间关系的整体研究混凝效果的好坏取决于诸如：ph 值、温度、浓度等等，但主要取决 于两个因素【l 卅：( 1 ) 混凝剂水解后产生的压缩双电层机理、吸附电中和作用机理及高分子 络合物形成吸附架桥的连接能力，这是由混凝剂的性质决定的；( 2 ) 微小颗粒碰撞几率和如 何控制它们进行合理有效的碰撞颗粒在水中的接触碰撞，主要有5 种途径：( 1 ) 颗粒的布朗 运动；( 2 ) 颗粒间的沉速差异；( 3 ) 层流剪切；( 4 ) 紊流剪切；( 5 ) 紊流惯性碰撞后3 种归结为流动 水体的水力作用。颗粒发生作用( 定义为混合作用) ；此后发生的凝聚作用；进一步发生的絮 凝作用混凝包括凝聚和絮凝过程，凝聚过程主要是通过加入的混凝剂与水中胶体颗粒迅 速发生电中和双电层压缩脱稳，脱稳颗粒再相互凝聚形成初级微絮凝体絮凝过程则是 促使微絮凝体继续增长形成粗大而密实的沉降絮体实际上，凝聚与絮凝两个阶段间隔是 瞬间的，几乎同时发生 1 3 2 沉淀 沉淀是利用污染颗粒的重力与水的浮力之差来进行分离的技术。根据水中可沉淀物 质的性质，沉淀可分为4 种类型， ( 1 ) 自由沉淀，污水的悬浮固体浓度不高，沉淀颗粒之间不具有凝聚的性能，沉淀 过程中不改变颗粒形状的大小，各自独立完成沉淀。 ( 2 ) 絮凝沉淀，污水中的悬浮固体的浓度不高，但具有凝聚的德性能，在沉淀过程 中，互相粘合，结合成较大的絮凝体，其沉淀速度是变化的。初次沉淀池的后期，二次 沉淀池的初期沉淀就属于这种类型。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 成层沉淀，当污水中悬浮颗粒的浓度提高到一定程度后，每个颗粒的沉淀将受 到周围颗粒存在的影响，沉淀速度由所降低。随着浓度进一步的提高。颗粒间的干扰影 响加大。沉淀速度大的颗粒也不能超过沉淀速度小的颗粒。致使颗粒群结合成一个整体， 各自保持先对不变得位置。共同下沉。这时液体与颗粒之间形成清晰的界面。沉淀的过 程实际就是这个界面的下降过程。 ( 4 ) 压缩沉淀，当污染颗粒的浓度很高，固体颗粒互相接触，且互相支承，在上层 颗粒重力的压缩下，下层颗粒间隙的液体被挤出界面，致使固体颗粒被浓缩。 1 3 3 生物膜法处理 生物膜反应器工艺是一种新兴的工艺，近年来被广泛的应用于生活污水和有机废水 的处理中。生物膜法是根据土壤自净的原理发展起来的，它和活性污泥法一样，同属于 好氧生物处理方法。从微生物对有机物降解过程的基本原理上分析，生物膜法与活性污 泥法是相同的，两者的主要不同之点在于微生物在处理构筑物中存在的形式不同。在活 性污泥法中，微生物形成絮状，悬浮在混合液中，不停地与废水混合和接触，称为悬浮 生长。而在生物膜法中，微生物固定于载体的表面形成所谓的生物膜，当废水流经其表 面时，互相接触，称为附着生长。 与传统的活性污泥法相比，生物膜技术应用于生活污水处理具有五大技术优势：一 是投资省。目前国内的生活污水处理厂基础建设投资大，需要大量的机械设备、管网和 其它工程设施，投资成本每吨污水处理在1 0 0 0 元左右；而应用生物膜技术投资设备少， 占地小，处理每吨污水不到5 0 0 元，相比节约成本5 0 以上。二是运行费用低。据测算， 目前国内生活污水处理厂的直接运行成本，一般在每天处理每吨污水0 5 元至o 8 元之 间；而应用生物膜技术处理污水每天每吨只需0 2 元左右。三是产生的剩余污泥少，没 有“二次污染”。采用传统的活性污泥法处理生活污水，常由于大量污泥的堆放造成对环 境的“二次污染”；而相同条件下制成生物膜的微生物菌一旦把污水净化后，便会由于缺 乏“营养”而自动消亡，不会造成“二次污染”。四是效率高。生物膜表面积大，微生物菌 密度高，每克制剂的微生物菌含量高达5 0 2 0 0 亿个，大大高于活性污泥中的自然微生 物活性成份，同时还可以多次投放，方便快捷，处理效果明显优于传统的活性污泥法。 采用生物膜技术，不仅能够有效治理湖泊的富营养化，而且有助于修复和强化湖泊的生 态功能，提高水体的自净能力。五是适合城市生活小区等小规模、有机负荷不高的污水 处理。应用生物膜技术投资省，运行费用低，并可节省管网建设成本，处理城市生活小 区等城市污水具有活性污泥法不可比拟的优势。 杨海军：大连北海热电厂中水回用中试实验研究 二十世纪初在英国伦敦最早投入使用的城市综合污水的生物法处理设施是人类首 次应用生物法处理污水。七十年代，随着工业水处理成本的上升，许多水处理专家设想 将生物法推广至小容量的工业水处理场合，提出了采用生物膜反应器( b i o f i l mr e a c t o r ) 处理水的设想，并在实验室开展了规模实验。八十年代，情况发生了转变，国际水质协 会( i a w q ，伦敦) 在w a t e rs c i e n c et e c h n o l o g y 上共出版了四集关于生物膜处理水的论 文。而w a t e rr e s e a r c h 近年则以近三分之一的版面论述生物膜技术。目前的研究已由纯 粹的“技术型”向理论层次拓展【。 由于生物膜法与经典的活性污泥法均是先有应用后建立理论，所以，对于理论，人们 积累的经验比应用更多。目前，生物膜法应用研究开展较好的国家有荷兰、丹麦、德国、 澳大利亚等国。丹麦大学早在八十年代就开展了生物膜处理高浓度污水的实验工作，运 行的经验表明，生物膜法有设备占地小，空间利用率高；设备耐冲击力强i 污泥的发生 量大大减少：反应器易于实现自动化管理等诸多优点。目前，生物膜法的处理设施较大 的容量仅为每天几千立方米，规模属于小型设备，处理的污水类型一般为高浓度生活污 水和一些行业排放的高浓度有机废水。 我国对生物膜反应器的研究也已取得一定的进展。哈尔滨建筑大学进行了生物膜 活性污泥工艺处理焦化废水的研究；天津大学进行了移动床生物膜反应器处理生活污水 和循环移动载体生物膜反应器的试验等研究 ；同济大学进行了受污染原水的弹性填料生 物接触氧化处理挂膜试验的研究【1 7 1 ；中国科学院生态环境中心和哈尔滨工业大学与荷兰 应用科学研究院联合进行了生物膜与活性污泥结合工艺脱氮除磷的研究l 。哈尔滨工业 大学进行了生物膜膜生物反应器处理生活污水的试验研究【1 9 】。 生物膜反应器技术可以用于气体的净化，并取得很好效果刚。在反应中，一些价格 低廉、多孔的材料，作为微生物生长的载体，当废气通过时，微生物就消耗利用其组分， 消除了废气的难闻气味，净化了空气。生物膜也可用于处理固体废物，并且不会造成二 次污染，这就是通常所说的“生物腐败”带来的益处田】。通常人们为了防止“生物腐败”， 对一些物质进行处理以提高防腐性能或采用不易生物降解的材料，如一些塑料包装，但 作为废物来说，防腐性能越好，可生物降解性越差。目前合理的解决办法，就是采用可 被生物降解的包装材料或研究出反应器的最佳运行参数。 在净化构筑物中，填充着数量相当多的挂膜介质，当有机废水均匀殛淋洒在介质表 面上时，便沿介质表面向下渗流，在充分供氧的条件下，接种的或原存在于废水中的微 生物就在介质表面增殖。这些微生物吸附废水中的有机物，迅速进行降解有机物的生命 活动，逐渐在介质表面形成黏液状的生长有极多微生物的膜，即称之为生物膜。 大连理工大学硕士学位论文 随着微生物的不断繁殖增长，以及废水中悬浮物和微生物的不断沉积，使生物膜的 厚度不断增加，其结果是使生物膜的结构发生变化。膜的表面和废水接触，由于吸取营 养和溶解氧比较容易，微生物生长繁殖迅速，形成了由好氧微生物和兼性微生物组成的 好氧层( 1 - - 2 m m ) 。在其内部和介质接触的部分，由于营养料和溶解氧的供应条件差， 微生物生长繁殖受到限制，好氧微生物难以生活，兼性微生物转化为厌氧代谢方式，某 些厌氧微生物恢复了活性，从而形成了由厌氧微生物和兼性微生物组成的厌氧层。厌氧 层是在生物膜达到一定厚度时才出现的，随着生物膜的增厚和外伸，厌氧层也随着变厚。 在负荷低的净化构筑物内，由于有机物氧化分解比较完全，生物膜增长较慢，好氧层和 厌氧层的界限并不明显。但在高负荷的净化构筑物内，生物膜增长迅速，好氧层和厌氧 层的分界比较明显。 利用砂石滤池中生长在砂粒上的生物膜净化饮水是生物膜技术在水处理上最早的 应用形式吲。将生物膜技术应用于污水处理始于1 9 世纪二三十年代。当时所用的生物 膜反应器是生物滤池，但由于生物过滤法体积负荷和b o d 去除率都较低，环境卫生条 件较差，在4 0 6 0 年代有逐渐被活性污泥法代替的趋势。6 0 年代后，由于新型合成材料 的大量生产和环境保护对水质要求的进一步提高，生物膜法又获得了新的发展，相继研 制成功了塔式生物滤池，生物转盘，生物接触氧化法和生物流化床等生物膜反应器。 1 3 4 纤维束过滤 滤料的过滤机理是利用滤料间的孔隙截留液体中较粗大的悬浮物颗粒，利用滤料的 表面吸附水中的悬浮物颗粒 2 3 1 。所以，过滤设备的性能及效率取决于滤料之间的孔隙率 和滤料的比表面积。一般束状纤维滤料的孔隙率是o 8 5 ，是一般常用石英砂孔隙率0 4 4 的1 9 倍。孔隙大，截污容量大，工作周期长。石英砂滤料的粒径为0 5 i 0 r a m 时，未 经过处理的水，其截污能力为0 5 i 0 k g m 3 ，经石灰处理的水，其截污能力o 5 2 0 k g m 3 ，对于经混凝处理的水，为2 5 3 0k g m 3 ；而束状纤维滤料其截污能力超过了