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东北大学硕士擘位论文 摘要 城市污水二级处理出水地下回灌深度处理技术研究 摘要 2 1 世纪水资源短缺问题是世界关注的焦点。我国是一个水资源十分匮乏的国 家，尤其城市缺水问题更为突出。水资源短缺已经成为制约我国经济发展的重要 因素之一，而将城市污水处理、回用，实现污水资源化是解决水资源短缺即经济 又有效的途径。 本研究首先结合我国水资源现状，分析了污水深度处理地下回灌的意义，介 绍了地下回灌技术的分类及国内外发展、应用情况，并对地下回灌深度处理技术 进行了阐述。重点针对城市污水二级处理出水进行了地下回灌深度处理技术的实 验研究，研究共包括：混凝沉降实验、砂滤实验、活性炭吸附实验、消毒实验，其 中混凝沉降实验主要考察了不同混凝剂，同一混凝剂在不遁加量、p h 值、搅拌时 间和强度、沉降时间等情况下对二级出水处理效果的影响，得出实验结论。最后 通过对深度处理的分析及下艺比较，系统地给出了城市污水地下回灌深度处理的 工艺流程，确定了主要技术参数，为实际应用提供了参考依据。结果证明，本研 究采用的城市污水二级处理出水一混凝沉降一砂滤一活性炭吸附一消毒工艺是一种经 济、可行的地下回灌深度处理技术，具有可推广性。 关键词：城市污水再生水二级处理地下回灌深度处理 一 查些垄! 塑主壁垒堕查 塑墨 r e s e a r c ho na d v a n c e dt r e a t m e n to fs e c o n d a r y t r e a t e dm u n i c i p a lw a s t e w a t e rf o rg r o u n d w a t e r r e c h a r g e w a t e rr e s o u r c es h o r t a g ew i l lb et h ef o c u sa l lo v e ft h ew o r l di n2 1s tc e n t u r y c h i n a i sac o u n t r ys h o r to fw a t e rr e s o u r c e ，e s p e c i a l l yi nc i t i e sw a t e rr e s o u r c es h o r t a g eh a s b e c o m e0 1 1 0o fi m p o r t a n tf a c t o r s , w h i c hr e s t r i c t sc h i n ae c o n o m i cd e v e l o p m e n t b u tt h e m u n i c i p a ls e w a g er e c l a i m i n ga n dr e u s i n gw i l lb ea ne c o n o m i c a la n da v a i l a b l ea p p r o a c h t os o l v ew a t e rr e s o u r c es h o r t a g e ， t h ep a p e ra i m sa tc h i n a sw a t e rr e s o u r c ei n s t a n c e n o w a d a y st od i s c u s st h e m a g n i f i c e n c eo fi m p l e m e n t i n gt h eg r o u n d w a t e rr e c h a r g e i ti n t r o d u c e st h ec l a s s i f i c a t i o n a n da p p l i c a t i o no fg r o u n d w a t e rr e c h a r g et e c h n o l o g i e sh o m ea n da b r o a da n ds t u d i e st h e a d v a n c e d仃雠i l l gt e c h n o l o g i e so fs e c o n d a r yt r e a t e d m u n i c i p a lw a s t e w a t e r f o r g r o u n d w a t e rr e c h a r g eb y m o a n so fas e r i a l so f e x p e r i m e n t s ,i n c l u d i n g c o a g u l a t i o n s e d i m e n t a t i o n ，s a n df i l t r 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 na n dd i s i n f e c t i o n e x p e r i m e n t so fc o a g u l a n t ss e l e c t i n g , d o s a g e ，p hv a l u e , s t i r r i n gt i m ea n dd e n s i t y , s e d i m e n t a t i o nt i m ea n ds oo na r ei n v e s t i g a t e di nc o a g u l a t i o n s e d i m e n t a t i o ne x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fa d v a n c e dt r e a t m e n tt h e o r i e sa n dp r o c e s s e sc o m p a r i s o n , t h e p r o c e s so fa d v a n c e dt r e a t m e n to fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rd r a i n a g ef o rg r o u n d w a t e r r e c h a r g ei sg i v e ns y s t e m a t i c a l l y i nt h i sp a p e r , m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r ed e f i n e dt o p r o v i d et h er e f e r e n c et op r a c t i c a la p p l i c a t i o nt h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e c h n o l o g yo f a d v a n c e dt r e a t m e n to fs e c o n d a r yt r e a t e d m m i i c i p a lw a s t e w a t e r f o r g r o u n d w a t e r r e c h a r g e - c o a g u l a t i o n - s e d i m e n t a t i o n ，s a n df i l t r a t i o n ，a c t i v e c a r b o n a d s o r p t i o n a n d d i s i n f e c t i o n , i sp r o p a g a b l e k e yw o r d sm u n i c i p a ls e w a g e ， r e c l a i m e dw a t e r ， s e c o n d a r yt r e a t m e n t ， g r o u n d w a t e rr e c h a r g e ， a d v a n c e dt r e a t m e n t 一丑i ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：孑纯束 1 3 期：2 - 0 0 莎寻、l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名：毛佗嫌 日 期：幼石- 弓，j 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为 同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章 第一章前言 1 1 污水深度处理地下回灌的意义 水，是与人们生活休戚相关的一种资源。水资源是指与人类社会用水和生态 环境保护密切相关而又能不断更新，具有足够的数量和可用的质量的淡水，包括 地表水和地下水，其补给来源主要为大气降水。如果没有水，世界上的一切生命 体，包括人都将不复存在。水是有限的，水资源承载能力是有限的，任何盲目的 开发和使用都将破坏水生态圈的平衡，进而危及人类和所有生物的生存安全。然 而水又是地球上最丰富的物质，这种物质既像其他的矿物一样分配不均，又与矿 物不同，在太阳照射下处在不断的循环之中。如图1 1 所示。正确处理好降水、 取水、用水、排水的关系才能维持水资源的平衡，促进自然生态的平衡，保证人 类社会生存发展的平衡。 心心心心 海上降雨4 l o 潜潜心心 陆地降雨1 1 0 图1 1自然界水循环图 f i g u r e l 1w a t e rc y c l ei nt h en a t u r e 注：图中数字单位为1 0 1 2 卵a 。 我国是一个水资源十分匮乏的国家，人均水资源仅为世界平均水平的1 4 ，居 世界1 0 9 位，被联合国列为1 3 个贫水国之一“1 。在总量不足的情况下，水资源在 时间和地区上分布很不均衡，南多北少，北方大部分地区人均水资源更低。目前， 我国正面临着人口增长，人均水资源将降到低谷；经济快速增长，工业用水量增 加：水的需求增长，供需矛盾；地区河道断流情况加剧等挑战。随着经济发展和 城市化进程的加快，城市缺水问题尤为突出。我国每年因缺水造成的经济损失达 1 东北大学硕士学位论文 第一章 1 2 0 0 亿兀。 2 0 0 3 年世界环曰主题“水一二十亿人生命之所系”。这一主题旨在号召每个人 行动起来，共同保护地球上最珍贵的生存资源一水。根据联合国在2 0 0 3 年3 月1 6 日“第三届水资源论坛大会”召开之前发表的最新报告( 世界水资源开发报告) 对1 8 0 个国家和地区的水资源丰富状况作出排名中国以平均每人每年拥有近2 2 6 0 立方米用永统计数字排在第1 2 8 位。人均水资源占有量分布见图1 2 。按正常需要 和不超采地下水，我国年缺水总量约为3 0 0 4 0 0 亿立方米。每年农田受旱面积 7 0 0 2 0 0 0 万公顷。全国6 6 9 座城市中有4 0 0 座供水不足，1 1 0 座严重缺水。然而 据统计，从2 0 0 0 年到2 0 0 2 年期间我国入国境水量只占入海和出国境水量的1 左 右平均每年大约有2 3 3 6 2 亿立方米水未经利用就流走了。1 。如果其中2 能够得 到有效利用，就可以解决我国的缺水问题。与此同时，水污染使水资源短缺问题 变得更为突出，全国因污染不能饮用的地表水占监测水体的4 0 ，流经城市的河段 7 8 失去饮用水源价值。即使在南方城市，因污染导致的缺水量也占这些城市总缺 水量的6 0 以上。因此，合理利用水资源、切实保护水环境意义重大。 地下水是地球上数量丰富、分布广泛的淡水资源，对于人类生产、生活均有 重要意义。在很多情况下，地下水是人类赖以生存的饮用水源，而且，随着社会 和经济的发展、人们生活水平的提高，对地下水资源的要求也越来越高，不仅是 数量上的增加，对水质也有更高的要求。然而，正是因为生产的发展和生活水平 的提高，方面产生的固体、气体及液体废物越来越多，由于处置不当，从不同 途径对地下水环境造成污染，且污染越来越重。有些地区的地下水污染已到了相 当严重的程度，世界卫生组织的调查表明，全世界每年至少有1 5 0 0 万人死于水污 染引起的疾病，这对于经济发展，尤其是对人体健康造成了很大威胁。另一方面， 地下水长期过量开采，使地下漏斗数量增多，情况恶化。在2 0 0 0 年到2 0 0 2 年中， 我国地下水漏斗水位下降的占5 5 ，漏斗面积增加的占5 4 。过量开采引发地下水 水位持续下降，造成地下水水量减少，以致枯竭，沿海地区海水入侵，地面沉降； 农灌区灌溉和排水不当，促使地下水位连年上升，导致土壤盐分积累，影响作物 生长；矿区坑道突水，严重影响矿产资源的开采等一+ 系列地质灾害。此外，从我 国供水组成来看，在东北、华北降水偏少的地区大部分省份地下水供水占供水总 量的一半以上。从用水组成来看，全国大部分省份工业和农业用水占用水总量的 8 0 以上，而工业和农业用水如果全部使用新鲜水，对严重不足的水资源又是一种 很大的浪费。各省供用水组成见图1 3 、1 4 。 污水深度处理地下回灌是一种十分有效地实现污水资源化的方式。其重大意 义在于： 东北大学硕士学位论文 第一章 ( 1 ) 城市污水深度处理回灌可以缓解水资源的供需矛盾。 由于全球性的水资源危机正威胁着人类的生存和发展，世界上的许多国家和 地区已对城市污水进行深度处理，把经过深度处理的污水回灌到地下作为一种新 水源，可以缓解水资源的紧缺状况。 污水回灌到底能给城市增加多少水量呢? 可以粗略的估计一下，城市供水量 的8 0 变为城市污水排入管网中，收集起来经二级处理和深度处理后7 0 可以安全 回灌，则二者合计起来，即城市供水量的一半以上。可见对缺水城市来说，这种 水源是一笔宝贵财富。这种潜力的开发非常值得。 我国城市污水年排放量已经达到4 0 0 亿m 3 “3 。已建成的污水处理设施4 0 0 余座， 城市污水处理率达到3 0 ，二级处理率达到1 5 。根据2 0 0 1 年初通过的“十五” 计划的要求，2 0 0 5 年城市污水集中处理率达4 5 ，这就给城市污水地下回灌创造 了条件，凡是污水处理厂都可将污水深度处理后选择适宜地点进行回灌。 因此，城市污水经深度处理后回灌，是解决水资源短缺的有效途径。 ( 2 ) 污水深度处理回灌体现了水的“优质优用、低质低用”原则“1 。 各种用途的用水并非都需要优质水。工农业生产用水大部分对水质要求不是 很高，生活用水中，用于烹饪和饮用的水只5 ，而对于占2 0 3 0 不与人体直接 接触的生活杂用水并无过高水质要求。为了避免市政、景观、娱乐、环境用水过 多占用居民生活所需优质水，美国佛罗里达十1 4 规定：这些“用户”必须采用能满 足其水质要求的较低水质的水源，即不允许将高一级水质的水用于低一级水质的 场合这是合理利用水资源的一条普遍原则。而地下回灌技术正是可以通过选择 合适的网灌地点、回灌方式，不同组合的前处理工艺，使回灌后抽取使用的水满 足不同的使用要求。 ( 3 ) 污水深度处理回灌，有利于提高城市水资源利用的综合效益。 城市污水一般是由生活污水和工业废水鼹者混合组成的，其水量往往很 大，约占整个城市用水量的5 0 8 0 ，水质污染较轻，污染物质仅占0 1 ，其余 绝大部分是可再用的清水，同时水质相对稳定，不受气候等自然条件的影响，且 城市污水就近可得，易于收集，不需要长距离引水，二级处理出水直接排放又是 一种极大的浪费，因此污水大规模深度处理后回灌，其处理比海水淡化成本低廉， 处理技术也比较成熟，其基建投资比远距离引水经济得多。所以，污水深度处理 后回灌在经济t 有明显的优势。 除实行排污费外，污水回用所收取的水费可以使污水处理行业获得有力的 财政支持，使水污染防治得到可靠的经济保证。 污水深度处理同灌减少了污水排放量，减轻了对水体的污染并能使部分 1 查! ! 垄里翌主堂堡垒查 苎二主 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ - 被污染的水体逐渐变新、复活，可有效的保护水源，降低该水源的处理费用。因 为将严重污染水源的水处理到合格的程度不仅费用高，往往难度很大。 因此，污水深度处理地下回灌不仅可以解决水资源严重不足、地下水状况日 益恶化等问题，又使污水作为一种新资源得到利用，实现了污水资源化，是我国 加快经济建设、实现可持续发展的重要保障。 4 =oh岛o臣hphpc日：口ho_，hoo盆器ho_o=o一、三口hh*_口 匝婷求删蜒哑聪嶷*霸、r n h 匝 朴1 精 科聿单特却鼙扑芒* ，东|匕汁啦翘十棹霄毒斗 骞；1 博 豳h3蚺避癣*呻漪海渖串备避 【-d譬苦o等而and鲁s口蓦昌星口f(鼍sal量若兽cd善茸盎篁lv l一鲁1墨管h譬矗事口堇吾目譬k口-口ho鲁o扫曰口磊警晴殳旨詈0 匝姆太赵键积删*旺辖谁吨h圃 吨【al矗菡 懈 媾 州难晕替小馨扑州垛 东北大学硕士学位论文 第一童 1 2 地下回灌技术 从持续发展的观点，地下回灌被认为是扩大污水回用最有益的一种方式 “1 。它以土壤基质作为生物反应器，使再生废水借助物理一亿学和生物作用将 其中的有机物和病原体进一步去除，使其水质与天然地下水没有差别，由于不 受水文条件的制约，将会带来污水回用的长远利益。 1 ，2 ，1 地下回灌技术分类 地下回灌包括天然回灌和人工回灌。人工回灌按回灌对象分为地表水回 灌、雨水回灌和城市污水二级处理出水回灌。回灌方式有两种：一种是直接地 表回灌，包括漫灌、塘灌、沟灌等，即在透水性较好的土层上修建沟渠、塘等 蓄水建筑物，利用水的自重进行回灌，是应用最广泛的回用方式；第二种方式 是直接地下回灌，郎注射并回灌，它适台于地表土层透水性较差或地价昂贵， 没有大片的土地用于蓄水，或要回灌承压含水层，或要解决寒冷地区冬季回灌 越冬问题等情况；第三种方式是间接回灌，如通过河床利用水压实现污水的渗 滤回灌，多用于被严重污染的河流。 实际上在谈到地下回灌时，只有两种概念：在土壤含水层处理( s o i l a q u i f e rt r e a t m e n t ，s a t ) 前，污水经过深度处理达到饮用水的水质，因此从 地下提升出来的水，可以不受限制的应用。将s a t 结合到回用流程中，污水 在s a t 前只部分净化，然后再借助土壤含水层中的物理、化学和生物净化作用， 再生水则通过取水井抽出n ，。 1 2 2 地下回灌对水质的要求 为防止地下水污染，提供清洁水链，地下回灌水质必须满足一定的要求。 主要考虑以下四个因素，即致病菌、矿物质总量、重金属和稳定的有机化合物 “1 。来自污水处理厂的经深度处理后合格的再生水向地下水回灌时，对回灌水 水质的要求取决于当地地下水的用途、自然和卫生条件、回灌过程和含水层对 水质的影响及其他技术经济条件。回灌水的水质应符合以下条件： ( 1 ) 水质应优于原地下水水质或达到生活饮用水水质标准； ( 2 ) 回灌后不会引起区域地下水的水质变化和污染； r 一 东北大学硕士学位论文第一章 ( 3 ) 不会引起井管或滤水管的腐蚀和堵塞。 目前，各国都没有制定统一的标准。美国加州在1 9 7 8 年就提出了地下水 回灌的标准草案，它包括了水质标准、处理工艺要求、操作要求、处理可靠性 要求等”3 。在1 9 9 3 的最新修订版本中，各项要求更加针对每项地下水回灌工 程的具体情况，但是都要求保证从接收回灌水的含水层抽取的水符合饮用水标 准；要求回用水的总氮浓度低于1 0m g l ；抽取出的水中，最多可以有1n a g l 。1 的t o c 来自于回灌水“1 1 。德国目前还没有人工地下水回灌的水质标准，一般 要求回灌水应优于当地的地下水水质。在柏林地区，要求污水处理厂二级处理 出水再经深度处理和土壤含水层处理后，最终同地下水混合的水的d o c 应小于 3n l g l - 1 ，a o x 应小于3 0m g l 。 迄今我国尚未制定再生水回灌地下的水质标准，为了促进地下回灌技术的 发展与应用，推动污水资源化，对回灌水水质除与当地地下水水质相符外，还 应根据国步 经验及我国国情制定地下回灌水质控制指标。本研究以生活饮用水 水质标准作为后续实验遵循的原则。我国生活饮用水卫生标准见表1 1 。 ，9 东北大学硕士学位论文 第一章 表1 1 生活饮用水水质标准 t a b l e1 1o u a li t ys t a n d a r do fd r i n k i n gw a t e r 项目 标准 感官性状和般 化学指标 毒理学指标 色 浑浊度 臭和味 肉眼可见 dh 总硬度( 以碳酸钙计) 铁 锰 铜 锌 挥发酚类( 以苯酚计) 阴离子合成洗涤剂 硫酸盐 氯化物 溶解性总固体 氟化物 氰化物 砷 硒 汞 镉 铬( 六价) 铅 银 硝酸盐( 以氮计) 氯仿 四氯化碳 苯并( a ) 芘 滴漓涕 六六六 细菌总数 总大肠菌群 细菌学指标 游离余氟 色度不超过1 5 度并不得呈现其他异色 不超过3 度，特殊情况不超过5 度 不得有异臭、异味 不得含有 65 85 4 5 0 r a g l 1 0 3n a g l 1 0 1m g l 。 10 m g l 1 1 0 m g l 一 00 0 2n a g l “ 0 3 m g l 。1 2 5 0 m g l 1 2 5 0 m g l “ 1 0 0 0 t a g l 1 l0 m g l 。1 00 5 m g l 。1 o0 5 m g l 1 0o l m g l 1 o0 0 1m g l “ 00 1m g l 1 o0 5 m g l 1 o0 5 m g l 。 00 5m g l “ 2 0 m 业l 。1 6 0 ng l _ 1 3 u g l - 1 00 1 “g l 。1 l u g l “ 5 v g l 1 0 0 个m l “ 3 个l “ 在与水接触3 0 分钟后应不低于 o 3 m g l 。集中式给水除出厂水应符合 上述要求外，管网末梢水不应低于o0 5 m g l 一。 竺翌竺! 堡量i 型篷二翌羔! 1 0 东北大学硕士学位论文第一章 1 3 地下回灌深度处理技术发展现状及工程实例 通过透水性良好的土层回灌潜水层已有很长的历史。而污水经深度处理后 人工回灌在近二十几年里才取得了长足发展。据统计，当前l o 个国家中有7 0 多个人工回灌地下水的事例，回灌能力从每年的几千立方米到几千万立方米不 等，有资料可查的例子中有3 8 例在技术上是可行的。其中以美国、以色列、 荷兰居于世界领先地位。加拿大、日本、澳大利亚、印度等国家都在发展自己 的地下水回灌技术。据统计美国加州有2 0 0 多个污水回用厂，每年回用水量约 为3 3 1 0 8 立方米，回用水中约1 4 被回灌到地下。其中，1 9 6 2 年美国洛杉 矾的w h i t t e rn a r r o w s 原城市污水经过一级处理一粉末活性炭的二级处理一石 灰澄清一再碳酸化一过滤一臭氧氧化一颗粒活性炭吸附等处理后深井回灌到 地下；1 9 7 6 年美国加州奥兰奇县( o r a n g ec o u n t r y ) 的海水入侵屏障工程， 它利用抽出注入系统，城市污水经过二级处理一化学净化一氨解析一混合滤 料滤池过滤一活性炭吸附一氯化一反渗透等处理后，出水水质达到地下水质标 准，然后注入地层，有效控制了海水入侵；1 9 9 9 年w e s tb a s i n 再生水厂回灌 工艺：二级出水一脱碳一石灰澄清一再碳酸化一过滤一反渗透一消毒一深井回 灌“。目前，全美每年城市污水深度处理后回灌地下为0 4 7 x1 0 8 m 3 ( 占3 9 ) 。 在德国，l a n g e n 市为解决地下水位下降问题，采用就近污水处理厂的二级出 水经曝气一沉淀一砂滤池过滤一臭氧氧化一活性炭吸附等措施深度处理后，通 过土壤渗滤补充地下水m 3 。 六七十年代，人工回灌曾在我国盛行一时，主要是为了补给地下水，缓解 供水紧张，同时也是东南沿海城市防止地面沉降和海水入侵的主要措施。没有 得到广泛推广的原因是注水井常常发生堵塞。“七五”期间，清华大学进行了 地下回灌土壤渗滤的实验研究，取得了一定成果。“九五”期间，由清华大学 和北京高碑店污水厂承担地下回灌的课题研究，提交了中试成果。其处理工艺 如下3 ： d g b 工艺：二级出水一d g b 吸附+ p a c 絮凝一沉淀一砂滤一土壤柱 r 二级出水一p a c 絮凝一沉淀一砂滤一活性炭过滤一土壤柱 活性炭工艺：1 l 三级出水一d g b 吸附+ p a c 絮凝一沉淀一砂滤一活性炭过滤一加氯消毒一 土壤柱 东北大学硕士学位论文 第一章 1 4 深度处理技术 菝国由于对有毒有害物质的管理还缺乏完善有效的法规与制度，工业废水 的预处理程度较低，人们的卫生意识较差，造成我国城市污水水质成分相当复 杂，从熬体上说我国城镇污水处理水平与国外发达国家还有一定的差距，经城 市污水处理厂二级处理后的出水水质较差，仍可能含有有机徽污染物、粪大肠 菌群、致病菌和病毒等有毒有害物质。 污水深度处理是用于去除在常规二级处理过程中朱被去除的和去除不够 的污染物，以使出水在排放时符合受纳水体的水质标准，在回用时符合具体用 途的水质标准。随着环儡要求的提离，以及困水资源短缺污水再生利用的需要， 过去人们曾认为二级处理是“完全”处理的观点是不正确的了。还有一些污染 物质，如营养型无机盐氮磷、胶体、细菌、病毒、微量有机物、重金属以及影 响回用的溶解性矿物质是二级处理不能完全去除的。这就需要二级处理后，选 择一些单元技术进一步对二级出水进行后续处理。这些技术单元有的是从给水 处理技术移植过来的，有的是单独针对回用水处理的。由于处理对象与给水不 同，因而不能篱单套用给水技术。为了满足回用水质的要求，深度处理提到了 议程，它已是污水处理整套技术的重要组成部分。 因此，为防止地下水污染，保护人体健康，提供清洁水链，城市污水二级 处理 h 水地下网灌前须进行适当的深度处理。城市污水深度处理单元技术有： 混凝( 化学除磷) 、沉淀( 澄清、气浮) 、过滤、消毒。对水质要求更高时采用 的深度处理单元技术有：活性炭吸附、反渗透、除氨、离子交换、折点加氯、 电渗析、臭氧氧化等，可选用一种或几种的结合。 城市污水回用设计规范给出了深度处理单元技术的处理效率和目标水 质，见表1 ，2 、表1 3 。 质，见表1 2 、表1 3 。 1 2 。 东北大学硕士学位论文 第一章 表1 2 二级出水进行混凝沉淀、过滤的处理效率与目标水质 t oc o a g u l a t i o n ，f i l t r a t i o n 项目去除率 活性炭趿附 脱氮 离子交换拆点加氯 反渗透臭氧氧化 本研究重点对混凝、沉淀、过滤、活性炭吸附和消毒技术进行阐述。 1 3 东北大学硕士学位论文 第一章 1 4 1 混凝技术 在污水回用深度处理中，经常采用混凝技术，然后再经过过滤获得相应水 质。各种废水都是以水为分散介质的分散体系，根据分散相粒度不同，可将其 分为三类：分散相粒度在0 1 l n m 间的称为真溶液；分散相粒度在t l o o n m 间的称为胶体溶液；分散相粒度大于1 0 0 n m 的称为悬浮液。其中粒度在l o o n m 以上的悬浮液可用沉淀或过滤进行处理，而粒度在1 l o o n m 间的部分悬浮液 和胶体溶液可采用混凝处理“”。 混凝就是在废水中预先投加混凝剂，在混凝剂的溶解和水解产物的作用 下，使水中的胶体污染物和细微悬浮物脱稳并聚集成具有可分离性的絮凝体的 过程，其中包括凝聚和絮凝两个过程。 目前，混凝法是给水和废水处理中广泛应用的一种方法n “。它可以用来 降低原水的浊度，色度等感官指标，去除多种高分子有机物，某些重金属和放 射性物质。城市污水二级出水形成的浊度主要是胶体和菌胶团微粒，但往往不 是很高。混凝时难以形成沉降性能良好的絮体，这也是深度处理的难点。因此， 为了使后续处理的出水有良好的水质，达到回灌的标准，就需要寻求高效的絮 凝剂，使混凝达到良好的效果，实现污水资源化。 1 4 2 沉淀气浮技术 污水中的悬浮物质，在重力的作用下沉淀去除。这是一种物理过程，简便 易行，效果良好，是污水处理的重要技术。 就沉降类型而言，根据悬浮物质的性质、浓度及絮凝性能，一般有四种类 型：自由沉降、絮凝沉降、成层沉降和压缩沉降，后两种一般在悬浮物浓度特 别高的情况下出现，对于化学絮凝法，沉降表现为前两种。自由沉降指的是： 当颗粒所受重力、液体的浮力以及液体的阻力三种作用力达至平衡时，颗粒等 速下沉。絮凝沉降的速度比较快，时间比较短，因为大多是粒径、密度较大的 悬浮物。而自由沉降相反，但它也是影响去除效果的重要因素之一。短时间内， 小颗粒不易去除，而更小的颗粒可能溶解，重新释放出己去除的离子而达不到 预期的效果。过长的自由沉降时问，在工艺上也不允许。 气浮是另一种固液分离的方法，通过向水中通入空气，使水产生大量的微 细气泡，并促其粘附于絮体上，形成比重小于水的浮体，上浮水面，从而达到 1 4 东北大学硕士学位论文第一章 固液分离。污水中的絮体是一个内部充满水的网络状结构物，它的密度与水相 近。因此其沉速较慢；而粘附了一定数量微气泡的絮体，其整体密度就会大大 低于周围的液体密度，因而其上浮速度要比原絮体的下沉速度快得多，这就使 气浮法有可能比沉淀法的固液分离时间大为缩短。 实现气浮的关键因素有两个：絮体的亲憎水性；气泡的大小。并非所有的 絮体都可以被气浮，当絮体为亲水性物质时，絮体与气泡无法排开水膜进行粘 附，所以不能被气浮。另外，大的气泡具有较高的上升速度，巨大的惯性力不 仅不能使气泡很好的附着于絮体表面，相反造成水体的严重紊流而撞碎絮体， 甚至把附着的小气泡又解脱开来。因此当絮体为憎水性的，同时还能够获得一 种可控制尺寸、且其上升速率小的微细气泡时才适合使用气浮法。 1 4 3 过滤技术 在污水回用中，过滤技术是得到普遍应用的一种技术，是产生高质量出水 的关键。过滤可作为一系列三级处理流程中的一个单元，也可作为回用以前的 最后处理步骤。过滤是使二级生物处理或物理化学处理后的废水通过砂、煤粒 或硅藻土等多孔介质的床层，污染物截留在滤料上，水得到净化，而滤料逐渐 堵塞，然后使用反冲洗方法冲掉污染物质，过滤恢复正常运行。过滤的主要作 用是： ( i ) 进一步去除废水二级处理后的生物絮体和胶体物质，显著降低出水的 悬浮物含量和浊度，能使出水清澈透明，为出水的安全回用提供保证。 ( 2 ) 进一步降低出水的b o d 、c o d 值。 ( 3 ) 去除化学絮凝过程中产生的铁盐、铝盐、石灰等沉积物。 “) 去除化学除磷时水中不溶性磷。 ( 5 ) 在活性炭吸附或离子交换之前，作为预处理设施，可提高后续处理装 置的安全性和处理效率，还可减少后续消毒费用。 ( 6 ) 在深度处理厂中，过滤能克服生物和化学处理的不规则性，从而提高 回用的连续性和可靠性。 1 4 4 吸附技术 目前用于水处理的吸附剂有活性炭、硅藻土、二氧化硅、活性氧化铝、沸 石及离子交换树脂等，其中活性炭吸附是应用最多的吸附剂，活性炭吸附已是 1 5 东北大学硕士学位论文 第一章 深度处理最有效的成熟手段之一“。 在地下回灌工艺中，有机污染物是需要优先控制的对象“”。活性炭是弱 极性的多孔吸附荆，它具有发达的缏孔结构和巨大的比表面积，对水中溶解的 有机污染物，如苯类化合物、酚类化合物、石油及石油产品等具有较强的吸附 能力。而且对用生物法和其他化学法难以去除的有机污染物，如色度、异臭、 亚甲基兰表面活性物质、除草剂、杀虫剂、农药、合成洗涤剂、合成染料、胺 类化合物以及许多人工合成的有机化合物等都有良好的去除效果“。活性炭 对水温、水质及水量的变化也有较强的适应能力。由于活性炭吸附技术能有效 的去除水中的有机物，因此被广泛的用在水的深度处理中。 1 4 5 消毒技术 消毒对于饮用水是必不可少的处理工艺，对于废水而言，虽不是必要的， 但对于某些废水的安全排放或回用，尤其是对近年来实施较多的污水回用工 程，消毒已是必须考虑的工艺步骤之，具有非常重要的作用。在地下回灌过 程中，为防止在回灌时对土壤及地下水的再次污染，回灌水中的细菌总数也是 应该控制的指标。 消毒方法可分为物理法和化学法。目前最常用的是化学法。常用的消毒药 剂有液氯、臭氧、氯胺( n - i 。c i 和n h c i ：等) 和二氧化氯等。其中液氯消毒价 格经济、经验成熟可靠，已有百年的应用历史。但是液氯消毒产生三氯甲烷 ( t i - i m s ) 等有机卤代物的潜在危险已成为共识“。近年来液氯消毒所引起的 环境健康问题越来越引起人们的重视，氯消毒替代品的研究也越来越深入，在 可选的新型消毒剂中，二氧化氯被认为是其中性价比最优的一种。 二氧化氯具有很强的反应活性和氧化能力，因此在水处理中表现出优良的 消毒效果和氧化作用。二氧化氯在消毒中几乎不形成氯仿等有机卤代物，且杀 灭细菌、病毒、藻类和浮游动物等效果好于液氯，在水消毒过程中不产生致突 变物质。 1 。5 本研究的主要内容 根据国内外城市污水地下回灌发展现状，本研究的目标是城市污水地下回 灌深度处理。以地下回灌为目的，通过实验研究，寻找出一条经济且有效的实 现污水资源化的途径，为实际应用提供参考依据，而且对污水地下回灌早日走 1 6 东北大学硕士学位论文第一章 出实验室，适应2 1 世纪水资源持续利用与保护的要求也具有重要的理论和实 际意义。研究中通过对城市污水二级处理出水进行化学絮凝、过滤、吸附、消 毒等方法的深度处理实验，选择合理工艺，确定最佳运行参数，使出水水质指 标达到地下回灌水质要求。 1 7 东北大学硕士学位论文第二章 第二章深度处理实验研究 本研究采用混凝沉降一砂滤活陛炭吸附一消毒工艺对城市污水处理厂二 级处理出水进行深度处理实验研究。 2 1 混凝沉降实验部分 所用原水均为模拟城市污水处理厂二级处理工艺的s b r 中试系统的出水， 均取5 0 0 m l 水样，实验水样温度为2 5 左右，目的是比较准确的寻找出混凝 剂处理s b r 出水的最佳实验条件( 包括p h 值、加药量、搅拌时间、搅拌强度、 沉淀时间等) 。 2 1 1 实验仪器 实验室s b r 系统连续运行，在工况稳定时进行混凝实验。实验中所用的仪 器包括： ( 1 ) j j 一4 六联搅拌器；生产厂家：江苏省宏华仪器厂 ( 2 ) w g z 数字浊度仪；生产厂家；广州红星仪器有限公司 ( 3 ) p h s 一2 c 型精密酸度计；生产厂家：上海嘉育教育设备有限公司 ( 4 ) 7 2 3 0 6 分光光度计；生产厂家；天津光学仪器厂 ( 5 ) 分析天平；生产厂家：沈阳天平仪器有限公司 ( 6 ) 电热恒温水浴锅生产厂家；上海华连医疗器械有限公司 2 1 2 分析方法 实验测试指标及分析方法见表2 1 ： 1 8 东北大学硕士学位论文第二章 表2 1 测试指标及分析方法“” t a b l e2 1t e s t i n gt a r g e t sa n da n a l y t i c a lm e t h o d s 分析项目分析方法 浊度 c o d h n h s n 比浊法 酸性高锰酸钾法 纳氏试剂比色法 2 1 3 实验药剂 实验中所用的药剂包括： ( 1 ) 酸性高锰酸钾法、纳氏试剂比色法及铝蓝比色法所用药剂； ( 2 ) 改性聚合氯化铝，粉剂； ( 3 ) 三种普通聚合氯化铝，粉剂，工业用； ( 4 ) 聚合硫酸铁，1 0 的水溶液，工业用； ( 5 ) 聚丙烯酰胺( 5 0 0 万) ，粉剂，工业用，美国产。 2 1 4 药剂选择实验 本实验选择了五种高分子无机絮凝剂进行混凝效果的比较。实验中药剂采 用湿投法，所用药剂的具体配比见表2 2 。先通过试管实验粗略的找出各种药 剂的最佳药量范围，然后进行烧杯实验。处理效果见图2 1 和2 2 。 实验条件为：取5 份5 0 0 m l 水样，调节p h 至8 0 左右，在快速搅拌的条 件下加入药剂，每种药剂的投加量均为l o m gq 。、1 5 m g l 、2 0 m g l 、2 5 r a g l 、 3 0 m g l - 1 ，并且投加p 埘约0 1 5 m g l - 1 ，搅拌强度6 0 r m i n ，搅拌时间1 5 r a i n ， 沉淀时间2 0 m i n ，测其上清液浊度。 1 9 查苎垄兰堡主堂堡垒查 堕三主 表2 2 混凝剂的名称、代号及配方 t a b e2 2 c o a g u l a n t s 7 n a m e s s y m b o l sa n de o n c e n t r a t i o u s 名 称代号药液浓度 改性聚合氯化铝 聚合氯化铝1 聚合氯化铝2 聚合氯化铝3 聚合硫酸铁 聚丙烯酰胺 改性p a c p a c l p a c 2 p a c 3 p f s p a m 7 0 6 0 蠢5 0 篮4 0 罄3 0 黑2 0 1 0 o 5 5 5 5 1 0 0 1 051 52 02 53 03 5 加酶萤堍l - * 图2 1 不同药剂的去浊效果 - 酣j j p a c - p a c l + p a c 2 咔p a c 3 + p f s f i g u r e2 1t u r b i d n e s sr e m o v a le f f e c to fd i f f e r e n te h e m i c a l s 2 0 东北大学硕士学位论文第二章 改 蚋c p a c lp 晓p a c 3p f s 名种药莉 图2 2不同药剂的混凝效果 f i g u r e2 2c o a g u l a t i o ne f f e c to fd i f f e r e n tc h e m i c a l s 从图2 1 和图2 2 可以看出，在加药量相同的情况下，改性p a c 的混凝效 果明显优于其它几种混凝剂。最大浊度去除率达到6 0 以上，接近相同加药量 下p f s 浊度去除率的2 倍。 2 1 5 改性p a c 处理s b r 出水的单条件实验 影响混凝效果的因素十分复杂，在众多的影响因素中，p h 值、投药量、 搅拌时闻、搅拌强度和沉淀时间是主要的影响因素。下面分别取上述影响因素 中的一个因素作为变量加以实验，以确定改性p a c 处理s b r 出水的最佳操作条 件。 2 1 5 1p h 值对二级出水处理效果的影响 在混凝过程中，每种药剂都有其适宜的p h 值范围。因为p h 值的高低不仅 直接影响着污染物存在的形态和表面性质，而且还影响混凝剂的水解平衡及产 物的存在形态和存在时间，所以有必要调整到最佳p h 值。以达到凝聚作用最 大，而絮凝体的溶解度最小。 取同一s b r 出水5 份( 各5 0 0 m l ) ，用1 0 的氢氧化钠调节到不同的p h 值， 分别投加2 0 m g - l 1 的改性p a c 后，再加0 1 5 m g - l 。1 的p a m ，以6 0 r m i n 1 的 搅拌强度搅拌1 5 m i n ，沉淀2 0 m i n ，测其上清液的浊度、c o d ”结果见表2 3 、 图2 3 。 2 1 5 ； 5 舯 加 o 专恃逝求越爨 注：原水水质浊度= 5 4 n u t ：c o b 。= 1 0 6 m g l 7 58 + 浊度 - 一c o d 8 599 5 p 啦 图2 3不同p h 值的混凝效果 f i g u r e2 3c o a g u l a t i o ne f f e c t o fd i f f e r e n tp h 由实验结果可知随着p h 值的增加，混凝效果逐渐下降。在p h 值小于8 5 时有良好的去除效果。而来调节p h 值的效果最佳。因此实验选择原水直接混 凝。 2 1 5 2 改性p a c 搬药量对二级出水处理效果的影响 处理过程中，混凝药剂加药量的多少直接影响处理效果。加药量不足达不 到最佳效果；加药量过大，一方面增加成本，另一方面影响絮体沉降速度，增 加污泥量，产生胶体再稳现象，降低处理效果。因此只有找到最佳的加药范围， 才能保证良好的混凝效果。 2 2 。 阳 的 加 加 o ， 9 6 斛逝咐 东北大学硕士学位论文 第二章 取同一s b r 出水5 份( 各5 0 0 m l ) ，加入不同量的改性p a c ，再加0 1 5 m go l - 1 的p a m ，以6 0 r m i n l 的搅拌强度搅拌1 5 m i n ，沉淀2 0 m i n ，测其上清液的浊 度、c o d 。结果见表2 4 。 表2 4不同改性p a c 药量的混凝效果 t a b l e2 4 c o a g u l a t i o ne f f e c t o fd i f f e r e n td o s a g eo fm o d i f i e dp a c 瓣 毯 稍 注：原水水质浊度= 6 6 n u t ；c o d 驴7 6 5 m g l p a c