（市政工程专业论文）市政管道污水直接回用技术研究.pdf

摘要 本文针对市政中水管道的供水“盲区”，提出了“市政管道污水直接回用技 术”的新思路，即在市政污水管道上直接截流并就地回用。 针对市政管道污水水质、水量特点，本文主要研究了如何截流并处理使之达 到城市杂用水水质标准( g b t 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) 中对绿化用水的水质要求。研究 的主要内容包括：1 探讨市政管道局部截流污水再利用的可行性：2 研究适用于 绿化需求的污水处理装置，使其具有小型化、运行稳定、易操作、管理方便的特 点。 论文首先提出了市政管道污水直接回用技术的截流方案。通过查阅资料、考 察和化验，得知北京市市政管道污水大致情况后，根据水质特点确定了处理工艺， 接着对主反应器进行了运行研究，经过扩大实验确定了工艺中各构筑物的运行参 数和条件，最后对自行研制的竖向回转式反应器进行了动力学研究，为生产性设 计提供了参考依据。研究结果表明该工艺能满足城市污水回用作绿化用水的要 求，该技术是可行的。 该技术的应用能够减少回用水长距离管道输送建设费用，特别对市政污水管 道穿越地带的城市绿地缺乏浇洒用水时更具有实用价值；该技术的应用很大程度 上弥补了水资源的短缺；减少了水体的污染负荷，具有一定的环境、经济和社会 效益。 关键词市政管道污水：污水回用；生物接触氧化 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a i m e da tt h e “b l i n da r e a ”o ft h em u n i c i p a lr e u s ew a t e rp i p e l i n e ，t h i sp a p e r p r e s e n t san e ww a y n a m e dt h ed i r e c tr e u s et e c h n o l o g yo fw a s t e w a t e rf r o m m u n i c i p a l s e w e r , t h a ti st os a y , t oi n t e r c e p tw a s t e w a t e ri nt h em u n i c i p a lw a s t e w a t e rp i p e l i n ea n d t ot r e a ta n dr e u s ei to nt h es p o t c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es e w a g ef r o mm u n i c i p a ls e w e r ，t h i sp a p e r m a i n l yr e s e a r c h sh o w t oi n t e r c e p tw a s t e w a t e ra n d t r e a ti tt ot h ev i r e s c e n c ed e m a n di n t h ew a t e rq u a l i t ys t a n d a r do f m u n i c i p a ls u n d r y w a t e lt h em a i nc o n t e n tc o n c l u d e st w o p a r t s ，o n ei st oe x a m i n e t h ef e a s i b i l i t yo f i n t e r c e p t i n gw a s t e w a t e ri nm u n i c i p a ls e w e r ； t h eo t h e ri st or e s e a r c hw a s t e w a t e rt r e a t m e n t a p p l i a n c ew h i c hh a s t h et r a i to f m i n i a t u r i z a t i o n ，s t a b l er u n ，e a s yo p e r a t i o na n dc o n v e n i e n tm a n a g e i nt h i sp a p e rw ep r e s e n t st h e i n t e r c e p t i o np r o j e c to fw a s t e w a t e r w ek n o wt h e m u n i c i p a ls e w a g e sw a t e rq u a l i t yt r a i tt h r o u g hl o o k i n gu pd a t a ，s t u d ya n dt e s t t h e n ， w ec h o o s et h e t r e a t m e n t t e c h n o l o g ya c c o r d i n g t ot h ew a s t e w a t e r q u a l i t y c h a r a c t e r i s t i c s a f t e rt h a t ，b a s e do n s t u d y i n gt h em a i nr e a c t o r , t h eo p e r a t i o np a r a m e t e r a n dc o n d i t i o no fe a c hu n i ta r ec o n f i n e dt h r o u g ht h ee n l a r g e de x p e r i m e n t l a s t ，t h e d y n a m i c so f t h er e a c t o rd e v e l o p e db yo u r s e l v e si ss t u d i e da n di t g i v e sm u c hh e l pt o t h ep r o d u c t i v ed e s i g n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h et e c h n o l o g yc a nm e e tt h en e e dt h a t m u n i c i p a ls e w a g e r e u s et ov k e s c e n c e ，a n dt h et e c h n i c si sf e a s i b l e t h ea p p l i c a t i o no ft h et e c h n i c sc a nr e d u c et h eb u i l dc o s to ft h el o n gp i p e l i n eo f r e u s ew a t e r , a n d e s p e c i a l l yi th a sp r a c t i c a l i t yv a l u ei nt h ea r e aw h e r et h e r ei sg r e e n b e l t b u tn o i r r i g a t e dw a t e r _ a d d i t i o n a l l y , t h ea p p l i c a t i o no f t h et e c h n i c sm a k e su pt h es h o r t o fw a t e rr e s o u r c ei nm u c he x t e n ta n dr e d u c e st h ep o l l u t el o a do ft h ew a t e rb o d y , s oi t h a sd e f t n i t ee n v i r o n m e n t a l e c o n o m i ca n ds o e i a lb e n e f i t s k e y w o r d sm u n i c i p a ls e w a g e ；w a s t e w a t e r r e u s e ；b i o l o g i c a lc o n t a c to x y g e n i i - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲鹚吼童塑丝笸t 夕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师躲物乳 日期：迦幺、夕 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 水资源概况 第1 章绪论 随着人类社会经济不断的发展，对水资源的需求量日益增加，淡水资源的短 缺已成为或即将成为某些国家或地区社会经济发展的制约因素。进入2 1 世纪， 世界上许多主要城市都可能面临水危机。世界气象组织( o b a s i1 9 9 9 ) 预测，城 市爆炸性地增长将会很快地耗尽我们的水资源“3 。因此，可以说水资源短缺是2 l 世纪人类面临的最为严峻的资源问题。 地球上总的水体积大约为1 4 亿k m 3 ，其中只有2 5 是淡水，或者说只有0 3 5 亿k m 3 的淡水。而能被人类所利用的水资源主要是湖泊、河流、土壤湿气和埋藏 相对较浅的地下水盆地。这些水资源中可用的部分仅有2 0 万亿k m l 一不足淡水 总量的1 ，仅为地球上水资源总量的0 0 1 。1 。 由于淡水供应的有限和人口不断增长，人均可用水量一直在下降，按全球范 围计算，自1 9 5 0 - - 2 0 0 0 年，年人均可利用水量从1 6 8 万m 3 降至6 8 0 0m 。但这 种按全球平均的计算不能确切地反映全球状况。在全世界范围内，水的分布是不 均匀的，有些地区含水很丰富，而另一些地区却很缺乏。全球的水缺乏问题，不 仅包括地表水源，同样也包括地下水源。 人类每年的用水量约为世界河流正常流量( 非洪水流量) 的1 5 ，但在干旱 或人口稠密地区的河流流域用水比例会更高。这牵涉到生存于或依赖于这些水系 的所有物种，同样涉及到人类今后的供水问题。目前世界4 0 以上的人口生活在 水短缺的河流流域，随着人口的日益增长，预计在下一个十年内水短缺问题将会 大大增加，到2 0 2 5 年，世界人口的一半将会受到影响。占全球用水量2 0 的地 下水源的耗竭和污染也成为淡水生态系统所面临的日益严峻问题，因为地下水蓄 水层与地表水源经常是相互连接的“1 。 我国水资源不足，是世界上1 3 个贫水国之一，人均水资源量是世界平均水 平的1 4 ，据水利部门统计，1 9 9 9 年全国现有的6 0 0 多个城市中就有约4 0 0 个城 北京工业太学工学硕士学位论文 市缺水，日缺水量近1 8 0 0 万立方米，其中特别严重的就有1 0 0 多个”1 。首都北 京即是其中之一，北京人均水资源占有量不足3 0 0 立方米，仅为全国人均值的 1 8 ，世界人均值的1 3 2 ，远远低于国际公认的人均1 0 0 0 立方米的缺水下限。 水资源紧缺己成为影响北京市经济和社会发展的制约因素之一“3 。 由上可知，水资源短缺问题急待解决，因此，寻找解决水资源短缺问题的方 法是科技工作者面临的首要任务。 1 1 2 污水回用 2 0 世纪早期，物理、化学、生物处理工艺的改进导致了从6 0 年代开始的“废 水再利用、废水循环、废水回用的时代。h 。日本从1 9 6 8 就开始建设综合性的城 市污水再利用和回用工程，当时发现城市污水再利用和回用成功的关键在于被再 利用水的水质：公众的容忍程度是和水质和供水的可靠性紧密联系在一起的“3 。 目前，城市污水作为第二水源进行再利用和回用，能够缓解水资源紧张状况， 这已经得到业界共识。近年来，城市污水回用技术的研究不断深化，技术路线也 在不断更新。 1 污水回用技术 污水回用技术的发展是建立在水的深度处理技术发展基础上的，其回用技术 的发展与应用要比饮用水处理技术灵活的多，处理单元的组合方式及具体的工艺 流程要比饮用水处理技术多得多9 3 。 通常的污水二级处理技术对污水中的污染物的去除效果是有限的，一般处理 出水要经过深度处理才能有效地去除水中的残留污染物质，使其达到不同回用水 质标准的要求。因此一般的污水回用技术均是建立在二级出水的基础上，后续处 理技术有混凝沉淀、生物处理、过滤、消毒与膜处理等其它处理技术“。 2 污水回用途径 城市污水回用早在1 9 5 8 年就列入我国国家科研项目3 。最初，城市污水直 接回用于农田灌溉，后来发展到用于工业冷却水补充用水、建筑生活杂用水、市 政绿化、浇洒道路用水以及地下水回灌用水等。目前，城市污水的再生利用已经 遍布许多地区。概括起来，城市污水的回用途径主要有农业灌溉、市政杂用水、 工业用水、环境景观用水和地下水回灌1 。 第1 章绪论 3 污水回用的技术路线 在污水处理的技术路线上，以往是以达标排放为目的，针对某些污染物去除 而设计工艺流程，现在调整到以水的综合利用为目的，将现有的技术进行综合、 集成，以满足所设定的水资源化目标。 污水回用技术路线的发展主要体现在以下三方面： 1 ) 城市二级污水处理厂增加三级处理工艺流程，以便实现再利用目的，这 在国内外水厂均已应用。 2 ) 建立“水银行”概念，将地面水和地下水互补使用。将丰水期剩余的自 来水以及深度处理后的达标水回注到地下含水层储存，当干旱或需水时，从“水 银行”中调出所需的地下水以满足供水需求。水银行在美国一些水区中使用，包 括k e r n 水银行项目，国内尚无报道。 3 ) 城市污水的集中处理与分散处理。污水处理厂大都为集中处理，现在的 小区、建筑中水回用属分散处理。城市污水的分散处理将引起城市规划方而的改 变，应予以重视“圳。 发展现场和局部废水处理工艺已经引起人们的关注，因为它给住户或当地团 体回用污水提供了机会“”。分散处理城市污水回用系统的优势在于能够做到污水 就近收集、就地处理、就近回用，但是单位污水量处理费用较高：集中处理城市 污水回用系统是将城市污水收集后集中处理，其优势在于处理后出水水质稳定、 单位污水量处理费用较低，不足之处是城市市政中水处理设施和城市市政中水管 道系统建设费用高；同时由于投资问题，城市市政中水管道只能在城市主干道附 近建设，所以存在市政中水供水“盲区”。这样使得分散处理具有现实意义，而 分散处理的关键是处理工艺及设备的选择和研制。 1 1 3 污水回用作杂用水概况 国外发达国家城市污水作生活杂用水已有近百年历史了，1 9 2 6 年美国亚利 桑那州大峡谷国家公园将处理过的污水回用于厕所、草地喷水、冷却水和锅炉给 水。1 9 6 0 年科罗拉多州修建了一套污水回用系统提供高尔夫球场、公园、高速 公路等的景观用水。美国在1 9 7 5 年的污水利用量占总取水量的3 8 7 ，并以每 年4 5 递增。目前美国城市污水作市政用水回用已非常普遍，成为污水回用城 北京工业大学工学硕士学位论文 市的先进大国。目前哥伦比亚城有三分之一经生物处理的城市污水回用作为城市 杂用水。 与国外相比，我国城市污水回用作市政用水的起步较晚，但近十年来发展较 快，而且起点较高。北京、天津、大连、青岛、太原、深圳等城市已先后建成一 系列污水回用工程。我国城市污水回用作市政生活用水的主要差距是污水回用率 较低，即便在北方缺水城市也还远未普及，在南方城市几乎仍属空白，成为我国 城市可持续发展的一个制约因素“。 i i 4 北京市污水回用状况 北京市的污水利用有较长的历史。污水的利用是从污水灌溉开始，5 0 年代 初期在石景山区平g 用石景由钢铁厂的工业废水进行灌溉。将污永处理后回用于市 政杂用是从8 0 年代开始的，1 9 8 5 年北京市环保所在其办公楼地下室修建了一套 污水处理装置，将污水进行二级处理和消毒后，供该所洗车、绿化和冲洗厕所“”。 目前，北京市已建成建筑中水设蓝有2 0 0 余套，在建的还有i o o 多套，已投入j 下 常运行的约1 6 0 套，回用水量约4 万立方米日。建成的中水设施主要集中在宾 馆、饭店和大专院校，中水的水源主要来自洗浴、盥洗等杂排水，经处理达到中 永水质标准后，回用于冲厕、洗车、绿化等“”。此乡卜北京市区部分工厂修建了 内部污水处理设施，将污水处理后一部分排放，一部分加以利用。 进入9 0 年代，北京市区污水处理厂的建设速度加快，目前已建成并运行的 有7 座( 高碑店、北小河、方庄、酒仙桥、肖家河、清河、吴家村污水处理厂) ， 处理能力共计1 5 8 万立方米日，为城市污水回用创造了更好的条件。其中，高 碑店污水处理厂处理水资源化利用工程是北京市目前最大的城市再生水回用项 目，于2 0 0 1 年6 月投入运行，规模为3 0 万立方米日分别供给第一热电厂和 第六水厂“7 “。 根据北京市政府在 2 0 0 8 年奥运会申办报告中的承诺，北京市2 0 0 8 年城 市污水处理率达到9 0 以上，污水回用率达到5 0 “”，而目前还远远达不到，可 见，污水回用事业将有巨大的发展空间和潜力，因此，研究高效、节能、实用的 城市污水回用技术是我国科技工作者面临的迫切任务。 第1 章绪论 1 2 课题提出及意义 i 2 1 课题提出 鉴予j 京市水资源紧缺的情况，且随着工业的不断发展，人民生活水平韵不 断提高，用水量日渐增加，可供开采水量日益匮乏，因此合理有效的开源节流， 对北京市具有十分重要的现实意义。 北京市区绿地分为公共绿地、专用绿地和生产防护绿地，到2 0 1 0 年，北京 市区的公共绿地面积将达到6 4 5 0 公顷，这部分绿地一般需要经常浇洒；专用绿 地( 城市建设用地的3 0 绿化用地) 面积将达到1 0 7 8 0 公顷，这部分绿地一般 也都需要浇洒，但是专用绿地在市区的分布比较分散，在再生水管道普及以前， 使用再生水浇洒比较困难“，这部分绿地即为市政中水供水“盲区”。 市政管道污水直接回用技术，是在充分利用分散处理城市污水回用系统优势 的基础上，为了解决市政中水供水“盲区”的市政绿化用水而提出的应用研究项 目，该项目得到了北京市城市节约用水办公室的大力支持。经北京市城市节约用 水办公室批准，决定e h = i p , 京工业大学立项进行该课题的研究，研究经费由北京市 城市节约用水办公室提供。 1 2 2 研究意义 污水回用的直接经济效益来自回用水的水价明显低于自来水水价，使用污水 再生水后，城市自来水耗量就会减少，很大程度上弥补了水资源的短缺；另外污 水经处理后回用，减少了水体的污染负荷，因此污水回用技术本身具有一定的环 境、经济和社会效益，具有重要的研究意义0 1 。 本研究在节水技术路线上比较新颖，属分散处理，在市政污水管道上直接截 流进行处理，就地回用，能够减少回用水长距离管道输送建设费用，特别对市政 污水管道穿越地带的城市绿地缺乏浇洒用水时更具有实用价值。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 课题研究目的及内容 1 3 1 研究目的 选择技术合理、运行可靠、经济实用的污水回用工艺，处理市政管道污水， 使出水达到绿化要求。 研究课题要求达到的城市杂用水水质标准( g b 厂r 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ，2 0 0 3 年5 月1 日实施) 见表1 1 。 表卜1 城市杂用水水质标准 序 项目冲厕 道路清 城市绿化车辆冲洗 建筑 号扫、消防施工 1p h6 o 一9 o 2 色度 3 0 3 嗅无不快感 4浊度n t u51 01 052 0 5 溶解性总固体( m g l ) 1 5 0 01 5 0 01 0 0 01 0 0 0 6五日生化需氧最( b o d s ) ( m g l ) 1 0 1 52 0i 01 5 7 氨氮( m g l ) 1 01 02 01 02 0 8 阴离子表面活性剂( m g l ) 1 o1 01 o0 51 0 9 铁( m g l ) o 3o 3 1 0 锰( m g l ) 0 1o 1 1 1 溶解氧( m g l ) 1 o 1 2 总余氯( m g l ) 接触3 0 m i n 后1 0 ，管网末端o 2 1 3 总大肠菌群( 个l ) 3 1 3 2 研究内容 针对市政管道污水水质、水量特点，研究如何截流并处理使之达到城市杂 用水水质标准( g b t 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ，2 0 0 3 年5 月1 日实施) 中对绿化用水的水质 要求。研究的主要内容如下： 1 探讨市政管道局部截流污水再利用的可行性，建造的管道局部截流污水设 施具备如下特点：能够在市政管道中截流到足够的回用污水，且能够对截流的污 水进行处理，达到浇洒绿地的水质、水量要求。 2 研究适用于绿化需求的污水处理装置，能够达到：小型化，适用于野外设 第1 章绪论 置；其次，因为市政管道污水水质、水量不均匀，为确保出水水质稳定，应具有 水质、水量缓冲能力：另外，应尽量降低成本，具有易操作、管理方便的特点。 另外具有系列化发展的潜力，便于试验成功后推广。 1 4 市政管道污水 1 4 1 污水来源 市政管道污水主要来源于城市居民生活中产生的污水，各工业企业在生产制 造过程中产生的生产废水以及城市降水3 个方面。 生活污水是指居民在日常生活中所产生的废水，主要包括生活废料和人的排 泄物，包括厨房洗涤、沐浴、洗衣等废水以及洗厕等污水。这类水的水量及水质 均会随季节而有所变化，一般夏季用水量多，废水浓度低，冬季用水量少，废水 浓度高。春末夏初天晴时，洗涤水增多，洗涤剂含量倍增，水质波动大。生活污 水在市政管道中所占比例较大。 目前市政管道流入的工业废水大都是经过处理后排入的，其污染程度在市政 管道中所占比例相对较小。 城市降水在市政管道中所占比例也较小，这类污水水质水量差别较大，受气 候、时间、地理位置及周边环境的影响，而且只有在合流制排水系统和截流式排 水系统中才有雨水进入。目前新建排水系统基本上都是分流制的，雨水与其它污 水分开排放啪2 “。 1 4 2 污水主要污染物 城市污水主要污染物来自生活污水和排入的工业废水。生活污水的水质特点 是含有较高的有机物以及氮、磷等无机物，此外，还含有病原微生物和较多的悬 浮物。不同生活污水的水质指标及主要污染物相差不是很大。污水中的有机污染 物质主要有蛋白质( 4 0 6 0 ) ，碳水化合物( 2 5 一5 0 ) 和油脂( 1 0 ) ，此外 还有一定量的尿素。蛋白质有的溶于水，有的不溶；碳水化合物主要有糖类、淀 粉、纤维素和木质素，低分子量的糖类溶于水而高分子量的不溶，油脂多数不易 溶于水。“。排入的工业废水一般是经过处理的，根据工业种类不同而有所变化。 北京工业大学工学硕士学位论文 i 4 3 污水水质指标 水质指标是指水和其中所含杂质共同表现出来的物理、化学和生物学的综合 特性。各种水质指标表示水中杂质的种类、成分和数量，是判断水质的具体衡量 指标。水质指标种类很多，有上百项，可以分为物理的、化学的和生物学三类”“2 。 城市市政管道污水常用的水质指标有： i 物理性指标：温度、色度、嗅和味、浊度、s s ； 2 化学性指标：c o d 。，、b o d ；、n h 。一n 、磷、p h 值； i ) c o d 。：化学耗氧量 c o d 。是指用强氧化剂重铬酸钾使被测废水中有机物进行化学氧化时所 消耗的氧量。它能在短时间内测得( 相对b o d ) ，指导生产运行较为方便。 2 ) b o d 。：五日生化需氧量 b o d 。是指一升废水中的有机污染物在2 0 、在好氧微生物作用下进行 氧化分解五天内所消耗的溶氧量。 3 生物学水质指标：总大肠菌群数 1 4 4 污水水质情况 针对中水回用标准中对绿化的水质要求，我们对以下水质指标进行了资料查 阅、实际调查和取样化验，得出北京市市政管道污水水质大致情况，如表卜2 。 表卜2 市政管道污水水质情况 水质指标p h 值c o d c ，( m g l )b o d 5 ( m g l )n h a n ( m g l )s s ( m g l ) 最d 最大7 o 7 72 5 0 4 5 01 0 0 2 2 52 5 4 0 1 0 0 3 5 0 第2 章处理方案设计 第2 章处理方案设计 2 1 污水截流方案设计 2 1 1 污水截流 本课题的研究目的是将市政管道污水经过处理后，作为城市绿地浇洒用水。 因此，在市政污水管道上选择适当的污水截流方案是很重要的，通过分析，我们 认为在距离绿化区域最近的市政污水管道检查井内截流污水比较合适。具体截流 方法是，在选取的市政污水管道检查井中使污水分流，分流污水经过格栅进入截 流污水井，截流后的污水经处理装置( 埋地或地上) 处理后作为绿地浇洒水使 用，其中的设备反冲洗水再回到截流污水井随污水进行重新处理，排放的污泥由 车运走进行处理。这个方案的优势在于截流管道污水时，对市政污水管道的排放 功能不会产生不利影响。 污水截流示意如图2 一l 。 截流污水井污水处理装置 ，竺竺兰之孽：二 图2 - i 污水截流示意图 2 1 2 截流检查井和截流污水井 在选定的污水截流检查井最下部的侧面开设一条截流管道，管道底部比市政 管道管底低，以便能截流到足够的污水，管道口设格栅，大的污物将被格栅拦截， 在水流的冲刷下随污水沿市政管道流走。 截流管道的另一端是截流污水井，井的有效容积要大于4 个小时的处理水 量。截流污水井中的污水用潜污泵提升至污水处理装置。在此，截流污水井的作 北京工业大学工学硕士学位论文 用相当于污水处理流程中的调节池。 截流检查井纵剖示意图见图2 2 。 2 2 处理工艺选择 截流管道及格栅 图2 - 2 截流检查井纵剖示意图 目前，污水回用工艺主要来自水和废水处理工艺，对于污水回用应用来说， 采用新工艺的机会也是很大的，因为再利用水作为可选择的供水，将会有很大的 经济价值。2 0 世纪8 0 年代以来，国内外城市污水回用工艺有两个发展趋势， 一是沿用二级、三级处理工艺，并向多目标回用方向发展，二是发展高效生化处 理与臭氧氧化、活性炭吸附、膜技术相结合的二、三级组合处理工艺，出水可达 到饮用水水平“。后者处理出水水质较前者好，但处理费用很高，另外，臭氧发 生器耗电量较大：活性炭易饱和，原水水质不好时出水水质保障性差：膜污染问 题尚未得到很好的解决，总之，这几项技术还需深化研究。因此，我们采用第一 类污水回用工艺。 根据市政管道污水水质特点得知，市政管道污水主要污染物为有机物，其可 生化性较好，因此采用以生物法处理为主的工艺。生物法也称生化法，主要是通 过微生物的生命过程把废水中的有机物转化为新的微生物细胞以及简单形式的 无机物，从而达到去除有机物的目的。应用的微生物主要是细菌。生物处理法的 应用形式可分成悬浮培养体( s u s p e n d e dc u l t u r e ) 及生物膜( f i x e df i l m ) 两 类。悬浮培养体法以活性污泥法为典型代表，它的特征是起水处理作用的细菌培 第2 章处理方案设计 养体呈处于悬浮状态的絮体。生物膜法以滴滤池为典型代表，它的特征是起水处 理作用的细菌培养体呈一层膜固定在填料表面上。 生物膜法与活性污泥法是废水生物处理的两个主要方法。与活性污泥法比较 起来，生物膜法具有许多优点，例如：生物量大；蜕膜的沉降性能良好；投有污 泥膨胀之庾；不存在运行中的污泥沉降性能限制等等。然而，在2 0 世纪5 0 年代 以前，生物膜法却一直未被人们重视，其原因主要是因为生产中最早采用的生物 膜法构筑物是以碎石为填料的滴滤池。碎石的比表面积小，能够为微生物附着生 长的表面积小，因而滴滤池的负荷不可能很大，使其占地面积较大，加之废水以 喷洒方式在滴滤池表面布水，卫生状况也不好。5 0 年代，由于塑料工业的发展 以及塑料引入生物膜处理系统，使生物膜法出现了许多具有重要意义的发展。塑 料重量轻，可以生产泡沫塑料或加工成蜂窝形状，比表面积较大。因此，5 0 年 代出现了许多新型的生物膜法设备。例如，塑料填料超速滴滤池、塑料盘片生物 转盘以及蜂窝填料接触氧化池等。6 。 根据回用水水质要求，考虑到费用低廉、运行可靠等问题，决定采用生物膜 法中的生物接触氧化法处理。接触氧化和二段接触氧化应用较多，且大部分工程 已通过验收”1 ，运行稳定、容易管理、费用低廉因此我们决定采用接触氧化处 理工艺加上后续处理单元进行试验研究。 工艺流程如下： 原水一调节池一生物接触氧化反应器一沉淀池一滤池一消毒一出水 2 3 处理工艺介绍 2 3 1 调节池 调节池的作用在于调节截流污水的水质和水量，使进入处理系统的污水水质 均匀，水量稳定，以保证系统处理效果稳定。 2 3 2 生物接触氧化反应器 污水生物处理主要在反应器中进行，反应器内放置填料，其上生长生物膜 污水经过它进行净化处理。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 3 沉淀池 沉淀池的作用是进行泥水分离，排出剩余污泥，以降低出水污染物浓度。 2 。3 。4 滤池 污水过滤与天然水过滤不完全相同，所截留对象主要是有机生物絮体。污水 从上向下经过滤料，生物絮体污物被滤料截留而净化，降低出水浊度，同时对有 机物有少量去除，对重金属、细菌、病毒也有很高的去除率，另外通过进一步去 除污水中的污染物质，可以减少后续的杀菌消毒费用“。 2 3 5 消毒 消毒是指通过消毒剂或其他消毒手段，杀灭水中致病微生物的处理过程。消 毒与灭菌是两种不同的处理工艺，在消毒过程中并不是所有的微生物均被破坏， 它仅要求杀灭致病微生物，而灭菌则要求杀灭全部微生物”。 消毒的目的是杀灭水中对人体健康有危害的绝大部分病原微生物，包括病 菌、病毒、原生动物的包囊等。使出水水质符合中水回用的微生物指标要求，同 时使出水余氯符合要求。 2 4 生物接触氧化法 2 4 1 概述 生物接触氧化法是由生物滤池和接触曝气氧化池演变而来的。早在2 0 世纪 3 0 年代，已在美国出现生产型装置。当时的生物接触氧化池，填料的材质是砂 石、竹木制品和金属制品，主要用于处理低浓度、低有机负荷的污水，它克服了 活性污泥法在处理此类污水时，因污泥流失而不能维持正常运行的缺点，并取得 了较好的效果。进入7 0 年代，随着大孔径、高比表面积的蜂窝直管填料和立体 波纹塑料填料的出现，使生物接触氧化法的应用范匿得到拓宽，它不仅可用于处 理生活污水，而且可用于处理高浓度有机废水和有毒有害工业废水，与其他生物 第2 荦处理方篥设计 处理方法相比，展现出了优越性。我国在7 0 年代开始对生物接触氧化法进行了 研究，第一座生产性试验装置用于处理城市污水，在处理效果、动力消耗、经济 效益和管理维护等方面都明显优于活性污泥法。随后十余年的大量实践，对氧化 池结构形式、填料的品种和安装方式、供气装置的种类和布置形式等方面进行了 不断创新、不断优化。目前生物接触氧化技术已经广泛应用于处理生活污水、生 活杂用水和不同有机物浓度的工业废水1 。 2 4 2 原理及特点 生物接触氧化是在反应器内设置填料，填料淹没在废水中，填料的表面附着 生物膜。当废水流经生物填料时，其中的有机物被填料表面的生物膜吸附并将可 降解的有机物降解。生物膜生长到一定厚度后，近填料壁的微生物由于缺氧而进 行厌氧代谢，产生的气体及曝气形成的冲刷作用会造成生物膜的脱落，并促进新 生物膜的生长，形成生物膜的新陈代谢。脱落的生物膜将随出水流出池外。 按水流状态不同，生物接触氧化装置可分为分流式和直流式。对于分流式， 废水充氧和同生物膜接触是在不同间格内进行，废水充氧后在池内进行单向或双 向循环。因废水在池内循环主要依靠充气，因而耗气量大，另外，水穿过填料层 的速度较小，冲刷力弱，有时造成填料层内生物膜堵塞。直流式接触氧化是直接 从填料底部充氧，填料内的水力冲刷依靠水流速度和气泡在池内碰撞破碎形成的 冲击力，只要水流及空气分布均匀，填料不易堵塞，采用逆流接触，充氧效率更 高1 。本课题采用直流式接触氧化。 与其它生物处理方法相比，生物接触氧化有如下特点： 1 在充分发挥生物膜优点的基础上，兼具活性污泥法的净化特征。 2 由于填料的比表面积大，池内的充氧条件好，生物接触氧化池内单位容积 的生物固体量高于活性污泥法曝气池及生物滤池，因此，生物接触氧化池具有较 高的容积负荷，处理时间短，节约占地面积。 3 由于相当一部分微生物固着生长在填料表面，生物膜的脱落和生长可以保 持很好的平衡，生物接触氧化法不需要设污泥回流系统，也不存在污泥膨胀问题， 运行管理方便。 4 由于生物接触氧化池内生物固体量多，水流属完全混合型，因此生物接触 北京工业大学工学硕士学位论文 氧化池剥水质水量的骤变有较强的适应能力，曝气加速了生物膜的更新，使生物 膜活性提高。 5 由于填料的存在，增大了氧的传递系数，使动力消耗降低。 6 生物接触氧化法不需要专门培养菌种，挂膜方便，可以间歇运行。 生物接触氧化池可采用连续运行，也可采用间断运行的操作方法。当采用间 断运行时，每日间断数小时，恢复运行1 h 后，出水水质就可保持稳定。间断数 天，恢复运行1 2 天后，出水水质就可保持稳定。间断数月或更长的时间，恢 复运行1 2 周后，出水水质就可保持稳定。 7 采用分段办法来进一步提高净化能力。有机物被微生物氧化的过程大致分 为二个阶段，首先是有机物被吸附在污泥上或贮存在细胞内，进行微生物的合成 ( 也有部分有机物被氧化) ，这个吸附合成的速度是很快的，即微生物处于对数 生长期；而当水中有机物浓度降低后，减慢了生物合成，微生物生长趋缓，生化 过程以氧化为主，称为细菌生长衰减期。两级接触氧化利用了上述微生物生长的 特点，将有机物的降解也分为两个阶段。 8 适用范围广。它可直接处理含b o d 值2 0 1 5 0 0 m g l 的污水，而活性污泥 法只能处理b o d 值5 0 4 0 0 m g l 的污水。生物接触氧化法可处理各种不同特性的 有机工业废水，而活性污泥法只适宜处理可生物降解性较好的污水”。73 “”3 。 9 由于填料的存在，为细菌、藻类、原生动物、后生动物创造了良好的生长 条件，形成了较长的生物链，加以厌缺和好氧的交替运行条件，通过捕食和水 解酸化作用，使污泥产量低，仅为相同规模活性污泥法处理剩余污泥量的l 1 0 1 5 ，有时甚至无剩余污泥量。”3 ”。 第3 章初步试验 3 1 概述 3 1 1 装置概述 第3 章初步试验 该装置的构思是借鉴廊道形曝气池的原理，从一般的生物接触氧化反应器演 化而来的。一般的生物接触氧化反应器都很高，这对于我们所需的小型化装置来 说是一个缺陷，因此我们采用竖向回转式反应器( 如图3 - 1 ) 进行试验研究，该 反应器类似二段生物接触氧化“，不仅降低了反应器的高度，而且运行管理方便， 另外竖向回转式反应器的曝气分开，易于控制曝气量。 初步试验我们只对生物接触氧化反应器进行了研究，装置为有机玻璃制，外 筒内径为3 8 0 r a m ，内简内径为1 8 0 r a m ，总高1 4 0 0 m m ，总容积为0 1 5 9 m 3 。内筒填 料为半软性填料，外筒填料初期采用一种柱状悬浮填料，见图3 2 。 污水从内简上部进入，然后从下部进入外简，再从外筒上部出水，水流方向 见图3 3 。曝气采用穿孔管曝气。 3 1 2 原水水质情况 城市市政管道污水以生活污水为主，因此第一阶段我们选择北京工业大学南 校园的污水管道为原水水质样本取样点( 南校园包括办公楼、教学楼、学生宿 舍楼) ，该污水管道为合流制管道，取样测定情况如表3 1 。 北京工业大学工学硕士学位论文 图3 - 1 试验装置 图3 - 2 柱状悬浮填料 图3 - 3 水流方向 - 1 6 一 第3 章初步试验 表3 - 1 原水水质表 c o d c ，( m g l ) s s ( m g l ) 项目 最小值最大值最小值埽大值 11 0 61 6 3 3 7 35 66 21 1 2 1 8 04 8 19 1 2 38 4 99 5 2 2 6 73 35 41 3 22 5 55 4 9 1 1 3 51 0 61 5 35 3 17 06 69 7 11 6 72 9 25 2 8 77 4 31 6 33 1 48 6 7 86 841 5 71 4 6 4 14 3 2 试验目的 1 验证图3 1 所示装置的去除能力； 2 填料的选择； 3 系统运行参数的考察，以便优化设计参数。 3 3 试验内容 3 3 1 冬季运行试验 试验首先在冬季运行两个月，由于调节水箱在室外，因此进水水温逐渐降低， 直至最后因室外污水结冰，不能正常运行。 冬季气温低，殴此从高碑店污水厂接种污泥进行培养驯化，并采用小流量运 行，试验在流量为2 0 l h 和3 0 l h ，气水比分别为1 6 ：1 、1 8 ：1 、2 0 ：l 的条件 下，做正交试验，每种条件运行六天左右，稳定后，测其进、出水c o d 。值( m g l ) ， 平均数据如表3 2 ： 北京工业大学工学硕士学位论文 表3 - 2 冬季运行数据 、永日期水量( i ，h )总气水比 进水c o d 。出水c o d 。， 去除率 1 1 92 01 8 ：11 4 27 0 05 07 1 1 1 52 02 0 ：11 6 31 1 l3 19 1 1 2 l2 01 6 ：l1 4 08 314 0 6 1 1 2 63 02 0 ：l1 2 27 8 43 5 7 1 2 33 01 6 ：11 4 38 2 94 2 o 1 2 1 03 01 8 ：11 7 38 9 14 8 5 结论及分析： 1 处理效率偏低，可能是冬季气温低，微生物繁殖慢且活性差。 2 当气水比为1 8 ：1 时，c o d 。，去除率稍高，可见溶解氧并不是越高越好。 3 3 2 春、夏季运行试验 一、春季运行于3 月2 2 日开始，培养驯化一个月后，运行基本稳定，该阶 段水温在1 3 2 0 。c 之间变化，之后水量调为4 0 l h ，气水比内筒约为1 5 ：1 ，外 筒约6 ：1 ，连续运行5 天，取进水和内外筒出水测其c o d 。值，如图3 3 ： 吉 5 凸 o o 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 4 月2 2 日4 月2 3 日4 月2 4 日4 月2 5 日4 月2 6 日 日期 8 0 魈 + 进水5 00 ” 4 0 0 嚣一内简出水 2 3 0 0 0 0 鞴曲广- 外筒出水 1 0 0 * 一去除率 00 图3 - 3 水量4 0 l h 时各段c o d c ，值 第3 章初步试验 其进水和外筒出水浊度见图3 4 5 0 ，、4 0 弘 彗2 。 1 0 0 4 月2 2 e i4 月2 3 日4 , q 2 4 日4 月2 5 日4 月2 6 日 日期 图3 - 4 水量4 0 l h 时进出水浊度值 一进水 十出水 由图3 3 和3 4 可得出：内筒出水和外筒出水c o d 。，值很接近，可能是外筒 填料处理效果不好 出水浊度大部分在1 0 n t u 以下，经过滤处理均能达到绿化用 水标准。经计算，c o d 。总去除率平均值为5 i ，3 ，去除效果不能达到要求。 二、为了验证装置的处理能力和外部填料的处理性能，将进水水量减少为 3 5 l h ，气水比仍为内筒1 5 ：1 、外简6 ：1 ，连续运行5 天，进、出水c 0 d 。，值如 图3 5 ： 2 5 0 2 0 0 誊伽 _ 苫l o o o 。5 0 0 5 月9 b5 月1 0 h5 月1 1 日5 月1 2 日5 月1 3 日 日期 8 0 0 6 0 0 - - - m - 龇, 壁一内筒出水400 毪 ” 书扛一外简出水 2 00 卜一击除率 0 0 固3 - 5 水量3 5 l f h 时各段c 0 1 3 。，值 由图3 5 可知，处理效果仍无明显改善。 原圆分析： 1 设备实际运行中，外筒填料孔径过小，由于曝气量不够大，造成填料内部 膜堵塞，生物膜更新速度慢，影响处理效果。 2 由于上述原因，导致污泥负荷过大，影响处理效果。 结论：基于上述分析，决定先将外部填料更换，因此于5 月1 5 日将外筒填 料更换为软性填料。 三、更换外筒填料后，由于温度合适，水温在2 0 - 一2 5 c ，挂膜很快，半个 月左右，膜基本成熟，于是将水量调为3 5 l h ，气水比内筒约1 5 ：1 ，外筒约1 0 ： 1 ，运行两天后，第三至第五天测进出水c o d 。，和浊度如下：后因温度升高，又将 内筒曝气量提高，气水比为2 0 ：1 ，运行几天，连续测6 月6 日一8 日进出水c o d 。， 及浊度如下： 3 0 0 2 5 0 ，、2 0 0 奢1 5 0 宫 1 0 0 5 0 0 5 8 2 9 日5 月3 0 日5 月3 1 日6 月6 日6 , q 7 日6 月8 日 日期 i 薰| 魁 嗣 6 00 5 00 9 6 斟- 进水 4 0 帏凿+ 出水 啪加去除帝 3 0 0 2 0 o 图3 - 6 水量3 5 l h 时c o d c ，去除情况 1 5 - 1 0 r 。5 k 生。士j ! = 1 5 ； 。梦梦梦爹擎毋 日期 图3 7 水量3 5 l t h 时浊度去除情况 一2 0 - _ 进水 卜出水 引 第3 章初步试验 3 4 试验结论 由图36 可知，c o d 。去除效果仍无明显改善，不能达到处理要求，根据以上 数据分析，效