（环境科学与工程专业论文）基于水质超标风险的城市污水再生处理工艺条件优化研究.pdf

国内图书分类号：x824.1 学校代码：10213 国际图书分类号：504 密级：公开 工学工学硕硕士学位论文士学位论文 基于水质超标风险的城市污水再生处理工艺 条件优化研究 硕 士 研 究 生 ： 石 广 导 师 ： 欧阳峰 教授 申请学位 ： 工学硕士 学科 ： 环境科学与工程 所 在 单 位 ： 深圳研究生院 答 辩 日 期 ： 2011 年 12 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 classified index: x824.1 u.d.c: 504 thesis for the master degree in engineering the operational optimization of urban recycling water treatment technology based on risk of exceeding water quality standard candidate： shi guang supervisor： prof.feng ouyang academic degree applied for： master of engineering speciality： environmental science and engineering affiliation： shenzhen graduate school date of defence： december, 2011 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘 要 随着节水型示范城市的建设，污水再生利用工程的大力发展，再生水系统的 安全可靠性，特别是水质安全风险成为了再生水利用推广的首要考虑因素。本研 究对南方地区 a 污水处理厂污水再生利用进行了水质超标风险研究；针对总氮与 氨氮的超标风险，并通过小试与生产性试验，采用响应曲面设计对污水再生处理 工艺运行条件进行了优化研究，对污水再生利用提供了安全保障。 本研究对 a 污水处理厂污水再生处理工艺单元在最大设计参数值运行下，再 生水的水质超标风险进行了评价，在深圳市再生水、雨水利用水质规范 （szjg32-2010）要求下，所检出污染物中 tn、nh3-n 的超标风险最大，分别为 22.10%和 97.43%。 通过小试试验，确定了较优运行条件参数值：氧化沟 pac（聚合氯化铝）投 加量 40mg/l、二沉池 pac 投加量 40mg/l、过滤池 pac 投加量 30mg/l 和接触池 中次氯酸钠投加量 60mg/l。 在此参数变化下进行生产性试验， 总氮值为 17.3mg/l， 与长期运行值 18.3mg/l 相比，处理效能提高了 2.08%；氨氮值为 3.55mg/l，与长 期运行值 5.87mg/l 相比，处理效能提高了 8.88%。与深圳市再生水、雨水利用 水质规范中总氮和氨氮的水质要求对比，经过小试试验对条件参数优化后的总 氮和氨氮所造成的超标风险不能去除。 通过 plackett-burman 部分因子试验设计筛选了影响总氮和氨氮的主要运行条 件：混合液回流比、过滤池 pac 投加量和接触池中 naclo 投加量，对其应用响应 曲面试验设计进行了运行条件参数优化，并对相应优化结果进行了验证：总氮模 型最优值为 17.4mg/l，验证结果为 18.8mg/l，误差为 8.00%；氨氮模型最优值为 0.71mg/l，验证试验的结果为 0.85mg/l，与预测值误差为 19.72%。与深圳市再 生水、雨水利用水质规范中总氮和氨氮的水质要求对比，总氮所造成的超标风 险通过生产性试验对全流程处理工艺的条件参数优化后并不能去除，氨氮超标风 险能够去除。 关键词：污水再生；风险评价；处理工艺；条件优化；响应曲面设计 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract with the increasing development of wastewater recycling projects and water conservation model cities, the security and reliability of wastewater recycling system, especially the safety risk in water quality, have become the primary factors in popularizing reclaimed water. this study evaluated the risk of exceeding renewable water quality standard in a wastewater treatment plant named a in southern china. aiming at researching the risk of exceeding water quality standard for tn and nh3-n, lab-scale and full scale experiments were applied. beside, response surface methodology was used to optimize the renewable water treatment process to provide the security for wastewater reclamation. this research evaluated the reclaimed water in a wastewater treatment plant named a in the maximum design parameters under operation, mainly from the aspect of the risk of exceeding water quality standard. the result indicated that the risk of exceeding the shenzhen renewable water, rainwater quality standard (szjg32-2010) for tn and nh3-n were 22.10% and 97.43%, respectively. according to the lab-scale experiment, the preferable conditional parameters were as follows: the dosing quantities of pac (polyaluminium chloride) in the oxidation ditch, secondary sedimentation tank and filtering pond were 40mg/l, 40mg/l and 30mg/l, respectively; besides, the dosing quantity of naclo in the contacting tank was 60mg/l. under such condition, the result of the full scale experiment showed that the concentration of tn was 17.3mg/l, which improved the removal efficiency by 2.08%, compared with 18.3mg/l in long-term operation; the concentration of nh3-n was 3.55mg/l, which improved the removal efficiency by 8.88%, compared with 5.87mg/l in long-term operation. the results of the lab-scale experiment indicated that the risk of exceeding the shenzhen renewable water, rainwater quality standard for tn and nh3-n could not be eliminated. plackett-burman experimental methodology was designed to find the following operating conditions which have great impact on tn and nh3-n: mixture reflux rate, the dosing quantity of pac in filtering tank and that of naclo in contacting tank. response surface methodology was applied in the optimization of the full scale experiment. the result of verification indicated that the concentration of tn was 18.8mg/l, compared with 17.4mg/l in simulation, resulting in the error of 8.00%; the concentration of nh3-n was 0.85mg/l, compared with 0.71mg/l in simulation, resulting in the error of 19.72%. the results of the full scale experiment indicated that the risk of exceeding the shenzhen renewable water, rainwater quality standard for tn 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - could not be eliminated after the optimization of the conditional parameters in the whole process, on the contrary, the risk for nh3-n could be wiped out. keywords: recycling water, risk evaluation, wastewater treatment process, condition optimization, response surface methodology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.1.1 再生水需求现状 . 1 1.1.2 再生水系统风险分析 . 1 1.2 再生水研究现状 . 3 1.2.1 再生水利用研究现状 . 3 1.2.2 再生水水质风险评价研究现状 . 4 1.3 响应曲面设计 . 5 1.3.1 基本概念 . 5 1.3.2 特点 . 5 1.3.3 设计流程 . 6 1.3.4 应用 . 8 1.4 课题来源和研究内容 . 9 1.4.1 课题来源 . 9 1.4.2 研究内容 . 9 第 2 章 试验材料与研究方法 . 11 2.1 工艺流程 . 11 2.1.1 污水厂工艺简介 . 11 2.1.2 主要构筑物参数 . 11 2.1.3 再生水水源及水量 . 12 2.2 检测项目及方法 . 12 2.3 小试试验研究方法 . 13 2.3.1 聚合氯化铝投加量实验 . 13 2.3.2 次氯酸钠投加量实验 . 13 第 3 章 再生水水质超标风险 . 15 3.1 再生水利用的水质要求 . 15 3.2 再生水水质超标风险评价 . 15 3.3.1 一般理化指标 . 15 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - v - 3.3.2 金属化合物指标 . 18 3.3.3 非金属化合物指标 . 20 3.3.4 有机物指标 . 22 3.3.5 微生物指标 . 24 3.3 本章小结 . 25 第 4 章 污水再生处理工艺主要运行条件的筛选 . 26 4.1 运行条件的选择 . 26 4.1.1 优化对象 . 26 4.1.2 运行状况分析 . 26 4.1.3 运行条件选取 . 28 4.1.4 条件参数 . 29 4.2 条件参数变化对去除总氮与氨氮的影响 . 29 4.2.1 氧化沟 pac 投加量 . 29 4.2.2 二沉池 pac 投加量 . 31 4.2.3 过滤池 pac 投加量 . 32 4.2.4 接触池中次氯酸钠投加量 . 33 4.3 影响总氮和氨氮去除的主要运行条件筛选 . 34 4.3.1 试验设计 . 35 4.3.2 影响总氮去除的主要运行条件筛选 . 35 4.3.3 影响氨氮去除的主要运行条件筛选 . 37 4.4 本章小结 . 38 第五章 污水再生处理工艺主要运行条件对去除总氮和氨氮的优化 . 40 5.1 优化试验设计 . 40 5.2 主要运行条件对去除总氮的优化 . 42 5.2.1 总氮数学模型的建立与修正 . 43 5.2.2 混合液回流比，滤池 pac 和接触池中 naclo 对总氮的交互影响 . 46 5.2.3 总氮数学模型的优化结果 . 50 5.2.4 总氮数学模型的优化结果验证 . 51 5.3 主要运行条件对去除氨氮的优化 . 52 5.3.1 氨氮数学模型的建立与修正 . 52 5.3.2 混合液回流比，滤池 pac 和接触池中 naclo 对氨氮的交互影响 . 54 5.3.3 氨氮数学模型的优化结果 . 58 5.3.4 氨氮数学模型的优化结果验证 . 60 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - vi - 5.4 本章小结 . 61 结 论 . 64 参考文献 . 66 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 70 致 谢 . 71 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 研究背景 1.1.1 再生水需求现状 中国属于水资源极度贫乏的国家，其可分配人均水资源仅达到世界平均水平 的 1/4， 并且由于在时间和空区分布上的分配不平衡， 造成了区域性水资源的紧缺。 同时，由于水资源浪费和污染现象的愈加严重，有必要在一定使用范围内寻找一 个经济可靠的新水源，用以解决日趋严重的水危机1。 随着我国经济的快速发展，城市化进程的加快，污水排放量也逐年增长，一 方面是大量的可利用的经处理后的污水排放，一方面是城市水资源的严重缺失。 与城市供水量几乎等额的城市污水水质水量稳定，仅含有不到 0.1%的杂质，易于 收集，其成本和基建投资远比海水淡化和远距离饮水经济，可替代传统地表水， 广泛应用于城市杂用、工业、景观环境等用水途径，既可减少污水排放量，又可 缓解城市水资源的紧缺和减轻水污染，因此再生水已成为当今国内外解决水危机 的首要选择途径，已成为一种最为直接、现实和有效的节水手段2-5。 1.1.2 再生水系统风险分析 为满足用户的正常使用和健康要求，所提供的再生水必须安全可靠。再生水 的安全可靠性包含多方面的含义： 一是再生水水质应能满足用户的需要，并不对用户的健康或生产造成危害； 二是水量应有稳定性，达到一定的安全可靠度； 三是供水系统遭受突发事故威胁时应具有一定的应对能力，包括对事故性危 机和破坏性危机均应具有良好的预防、保护、应急和恢复功能。 从再生水系统的安全可靠性含义可见，再生水系统安全风险主要是指由于再 生水水质超标、未知污染物的影响、供水水量水质不稳定或其他突发性供水事故， 从而对人体健康、生态环境和用户设备与产品产生不良后果的不幸事件及其后果。 1.1.2.1 再生水污染物组分 再生水的污染物组分取决于城市污水的水质和处理工艺，不同的污水来源和 不同的处理工艺其水质差别很大。除常规污染物外，以城市污水为原水的再生水 中还可能含有污水处理过程中加入的化学药剂和污水生物处理过程中微生物产生 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 的代谢产物。再生水中的污染物见表 1-16。 再生水中污染物质也可按其对使用对象产生的有害作用进行分类，即耗氧有 机污染物、营养物、有机毒物、重金属、非金属无机毒物、病原微生物、酸碱污 染、石油类、难降解有机污染物和生物代谢产物等。 表 1-1 再生水污染物组分一览表 污染物组分 项目 常规组分 总悬浮性固体、胶体态固体、bod、cod、toc、氨态氮、硝酸盐、 亚硝酸盐、总氮、磷、细菌、原生动物包囊、卵囊 非常规组分 难降解有机物、挥发性有机化合物、表面活性剂、金属、溶解性固体 新出现组分 药物活性剂、家庭护理品、抗生素、性激素、其他内分泌物 随着人们健康意识的增强和技术手段的发展，将可能分析出对人体健康具有 急性或者慢性的影响的新组分，因此必须结合实际工程对再生水中污染物物质进 行长期的监控和研究，以确保再生水供水安全。 1.1.2.2 再生水系统安全风险及其引起因素 再生水系统安全风险主要是由于水质、水量、稳定性达不到回用对象的要求 带来的，而再生水回用于不同对象时其潜在的安全风险是不一样的。针对再生水 不同回用对象分析见表 1-2。 由于风险本身具有较大的不确定性，因此风险分析也带有很强的不确定性， 所引起的城市污水回用风险因素主要有： （1）原水水质风险原水水质风险 由于原水水量水质发生重大变化，引起城市污水再生 处理工程运行效率降低，造成再生水水质水量方面的风险。 （2）技术风险技术风险 由于工程设计、工艺选用、设备质量、施工技术中存在欠 缺，所造成运行不稳定、出水水质出现波动产生的风险。 （3）管理风险管理风险 由于管理制度不严、管理不力、运行管理差，对突发事件 应变能力差，造成再生水水质水量方面的风险。 （4）管网风险管网风险 由于管道误接所造成的人体健康风险。 （5）突发风险突发风险 因自然灾害、气温等因素造成再生水系统运行不正常导致 再生水水质水量方面的风险。 （6）人类未知因素风险人类未知因素风险 现有科学尚未认识到的会对人体健康、生态环境 造成危害的污染物引起的潜在风险；现有科学技术与积累经验所确定的水质标准 不合理，引起的再生水安全潜在风险7。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 1.1.2.3 公众心理问题 再生水的使用往往会引起人群对人体健康和生态环境的普遍关心8。 根据再生 水潜在使用用户对再生水的接受程度的随机抽样调查，其调查结果显示用户对再 生水的安全性存在一定的顾虑，其顾虑影响程度主要集中在：再生水安全性可能 存在的再生水异味导致感观上不舒服对再生水利用的情况不了解再生水成本可 能很高不明原因的心理上难以接受。可以看出，再生水的水质安全性是其利用推 广的主要障碍之一9。因此，对再生水水质安全性应用风险评价进行研究，在理论 和实际上都显得尤为重要。 表 1-2 再生水系统潜在安全风险 回用对象 风险分类 潜在环境问题 工业用水 设备风险 水中的组分会引起结垢、侵蚀、剥落、生物生长等现象， 影响设备正常运行 产品风险 因再生水水质、水量事故导致产品质量不达标 健康风险 冷却水中病原微生物在气溶胶中传输，影响公众健康 城市 杂用水 健康风险 病原体(细菌、病毒、寄生虫卵)带来的公众健康问题 环境风险 水质(特别是盐分)将对土壤和植被产生影响 环境用水 健康风险 病原体(细菌、病毒、寄生虫卵)带来的公众健康问题 环境风险 再生水中氮、磷可能引起富营养化，对水生生物产生毒性影响 所有回用 对象 健康风险 再生水管道与饮用水管道误接带来的误用风险， 再生水意识不到位带来误用风险 1.2 再生水研究现状 1.2.1 再生水利用研究现状 国内外早已把污水再生利用作为节约常规水资源的主要手段之一。污水回收、 再用成为许多国家优化和有效利用水资源的重要组成部分10。19 世纪中期，欧洲 一些国家开始污水灌溉， 1875 年仅英国就有 50 座污水灌溉农场用于污水的处理与 利用。20 世纪早期，污水回用进行到有计划的回用阶段：1912 年美国 bakersfield 市用回收的水进行灌溉；1960 年加州等州开始开发市政水回用系统；1962 年洛杉 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 矶县地下水回注；1968 年纳米比亚 windhoek 污水回用于饮用水；自从 20 世纪 60 年代以来，国外大规模利用城市污水处理设施开展污水再生回用。 我国较早地开始了城市污水处理和利用工作，但当时仅停留在一级处理后灌 溉农田的研究阶段。在 20 世纪七八十年代，在相关政策的支持下，我国集中科研 力量进行城市污水再生回用的相关研究，取得了一定成果，较快的缩短了与世界 各国的差距。经过“六五”至“九五”四个五年计划，我国污水回用工程以北方 城市污水回用试点工程为依托，在工艺、回用标准、控制和政策等方面取得了丰 富的成果，表 1-3 对国内有代表性的城市污水再生回用工程进行了汇编。 表 1-3 城市污水再生回用工程汇编 工程名称 建成 时间 回用规模 (万 m3/d) 关键工艺 总投资 (万元) 大连春柳污水回 用示范工程 1994 1 澄清过滤 350 北京高碑店污水 回用三期 2001 40 消毒过滤 33700(不含管网) 天津泰达 新水源 2002 2.5(远期 4.5) cmf 微滤+ro 脱盐 5070(不含管网) 天津纪庄子污水 回用工程 2002 2 微滤+臭氧 4816(不含管网) 3 混凝沉淀过滤 3784(不含管网) 西安北石桥 2003 5 沉淀过滤 4820(不含管网) 进入“十五” 、 “十一五”以来，城市污水再生利用项目在北方城市开始进入 大面积推广11-15。 第一项污水回用工程 1985 年在北京市环境科学保护研究所建成， 规模为 120m3/d，主要是收集居民楼和幼儿园的生活污水，经过净化处理后回用作 为冲洗厕所、浇灌绿地等杂用水；第一个污水回用于工业的示范项目于 1992 年在 大连春柳污水厂建成，规模为 10000m3/d16。 1.2.2 再生水水质风险评价研究现状 加拿大、英国、澳大利亚等国家所开展的风险评价主要集中在人体健康和生 态环境两个方面17-20。 chiou 对再生水用于农业灌溉时重金属和杀虫剂的致癌风险 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 做了调查和分析21；haruta 等对再生水用于园林灌溉途径时二甲基亚硝胺 （ndma）通过土壤渗透到地下水的危害进行了风险评价，结果表明土壤的水利 传导性增大、ndma 吸附量降低、灌溉强度增大时会增加风险22；tanaka 等评价 了加利福利亚某污水厂二级处理出水回用于高尔夫球场、娱乐性用水等的健康风 险23；van aerle 等对英国河流中白杨雄鱼雌化的情况进行了研究，结果表明白杨 鱼受污水厂出水中内分泌干扰物影响24；cantwell 等调研了大西洋沿岸四个城市 河口底泥中三氯生的积累情况25。 在国内，胡宁静等对冶炼厂周围农田重金属的生态风险进行了风险定量评估； 高继军等采用风险评价模型对北京市城区和郊区饮用水中的铜、汞、镉和砷所引 起的健康风险进行了研究；何星海等对北京市某再生水厂再生水中 19 种化学污染 物质用于绿化灌溉和道路喷洒时的健康风险进行了暴露评价26。 1.3 响应曲面设计 1.3.1 基本概念 响应曲面设计 （response surface methodology， rsm） 最早是由 box 和 wilson 在 1951 年所提出的，主要是通过建立数学模型来说明响应值与变量之间的关系， 经过 hill 和 hunter 在 1966 年所提出的应用更广泛的响应曲面内涵， 使响应曲面设 计得到了迅速的应用27。 响应曲面设计是一种实验条件寻优的方法，通过恰当的试验矩阵设计，利用 设计结果来拟合所设定的多阶回归方程，通过分析所拟合的回归方程，可用于寻 求确定多因素变量系统的最优运行条件或确定因素空间中满足运行规范的区域和 最优工艺参数28。 1.3.2 特点 1.3.2.1 优点 （1）响应曲面设计可运用于对非线性关系的情况说明，往往理论上所存在的 线性关系在实际中由于所受到的干扰因素较多，会使其线性结果与真实值偏离较 大，造成误差过大，而响应曲面设计可以很好的跟实际状况相匹配。 （2）响应曲面法是一种综合实验设计和数学建模的优化方法，通过对具有代 表性的局部各点进行实验，将实验得出的数据结果，回归拟合全局范围内因素与 结果间的函数关系，同时将复杂的未知的函数关系在小区域内用简单的一次或二 次多项式模型来拟合，进行响应面分析，得到预测模型，常常为曲面模型，即所 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 获得的预测模型是连续的。在各因素水平的响应值的基础上，可以找出预测的响 应最优值以及相应的实验条件，并考虑了试验随机误差29。 （3）响应曲面法与正交设计的主要区别 首先最大区别在于响应曲面法能通过求得到回归方程，连续的对实验的各个 水平进行分析，将因素间的不同水平加以量化，有大小区分，研究几种因素间交 互作用。而正交设计认为各水平间没有量化的差别，仅仅是不同的水平而已，优 化结果仅仅是不同水平的组合，因此只能说是较优组合，不能说是最佳组合，理 论的最佳组合只有通过响应面设计才能找到（基于响应面设计认为不同水平间有 大有小，且该值是连续的） 。 其次响应曲面设计可以通过在所研究的研究区域内拟合出连续的能够反映响 应值与因素关系的函数关系式，因而通过响应曲面设计可以得到在最佳因素条件 组合下的响应值最优值，而正交设计仅能通过矩阵设计得到不连续的点的较佳的 优化组合。 然后正交试验在最后选取最佳实验方案时，对于不显著因素的选取一般是凭 经验，而响应曲面法是通过回归拟合全局范围内因素与响应值间的函数关系得到 主要影响因素30。 最后响应曲面设计由于其简便的计算，较少的试验次数、较高的预测性能成 为了解决实际生产过程问题，优化试验过程的优先选择方法。 1.3.2.2 局限性 响应面优化的前提是：设计的实验点应包括最佳的实验条件，如果实验点的 选取不当，使用响应曲面法不能得到很好的优化结果的31。 1.3.3 设计流程 响应曲面方法是一个序贯方法，一般分为四个阶段。第一阶段是确定控制因 素、水平；第二阶段是确定主要控制因素，即在所确定的因素中删除不显著的， 可以减少优化试验中由于因素太多或部分因素不显著而存在的过多试验次数；第 三阶段是找到主要控制因素的最佳值区域，即判断响应值离最优点的距离，若在 现有的因素水平下，响应值没有达到最优，则要通过调整使因素水平向最优值方 向移动；第四阶段是进行响应曲面设计，即在找到最优点区域后，利用较高阶模 型，用所取得的合适的近似模型进行过程的优化，并进行进一步的优化32。 1.3.3.1 确定因素、水平 在使用响应曲面法之前，应当确立合理的实验的各因素与水平。对因素水平 的确定一般根据使用已有文献报道的结果、单因子实验或人为经验设定。本研究 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 采用单因子小试试验并考虑实际运行可控制条件前提下来确定因素与水平。 1.3.3.2 确定主要控制因素 对主要控制因素的确定是通过析因设计来进行的。析因设计主要分为完全析 因（全因子）设计与部分析因（部分因子）设计，不同的试验方法选取主要是基 于不同“分辨度”和“最小低阶混杂”准则选择，详细介绍见试验设计教材。 有关确定主控因素的文献中应用最多的是 plackett-burman 设计，其属于部分 析因设计中二水平设计，williams 等研究认为运用 plackett-burman 设计对主要控 制因素的选取是最为有效和准确的33。 plackett-burman 设计矩阵具有不完全平衡块的特征，能够在较少的试验和时 间下，通过建立一阶数学模型，从众多的过程因素变量中分析出重要影响因素与 响应值的变化规律，筛选出最为重要的几个因素，确定最优的因素组合，再做后 续工作进行优化细调34。 1.3.3.3 响应曲面设计 响应曲面设计一般包括试验设计、模型拟合和过程优化三方面的内容32。由 于在大多数情况下中，响应值和因素之间的关系是未知的。因而进行响应曲面设 计的首要是找出一个能够反映响应值与因素之间的合适函数关系31。 若响应值与因素之间存在线性关系，则所求的近似函数是一阶模型；若响应 值与因素之间存在非线性关系，即回归模型中存在曲面，则所求的近似函数是高 阶多项式，例如二阶模型。 一般来说，在因素的整个空间区域内，若只用一个函数模型来反映响应值与 因素之间的真实函数关系似乎是不大合理的，但在一个相对小的回归区域内，在 一定程度上，在所研究的范围内，通过所得出的模型函数来进行模拟，也能取得 相对理想的效果。 响应曲面设计的试验方法有多种，最常用的是中心复合设计与 box-bhenken 设计。 （1）中心复合