（环境工程专业论文）住宅小区中水工程研究与应用.pdf

摘要 摘要 随着社会经济的发展，水资源匮乏的矛盾日益突出，已成为世界上十分稀少、 无比珍贵的战略性资源。水资源短缺和水体污染严重成为了制约我国可持续发展 的主要因素。中水回用是有效利用水资源的途径，并能提高污水处理效率。本文 通过对中水应用技术的工艺流程、设备设施、水质和水量等进行分析，重点探讨 了一体式膜生物反应器在住宅小区中水回用工程中的应用。 针对住宅小区污水的来源和特征，着重论述了膜生物反应器的基本原理和技 术进展，并在实验研究的基础上，开展了小规模的实地试验。 根据住宅小区污水的特点，设计了实验流程和膜生物反应装置( m b r ) ，测试 了相应的水质指标。整个实验过程分为驯化挂膜期、负荷运行期和稳定运行期。 通过改变进水量、水力停留时间、曝气、气水比等运行参数评价了水处理效果。 结果表明，在_ 二定的c o d 。ns s 和h r t 内，膜生物反应器( m b r ) 处理的生活污水 可达到高效和无剩余污泥排放的目标。 在上述研究的基础上，将膜生物反应器( m b r ) 进行实际工程的试验，即处 理住宅小区的生活污水。通过技术分析证明，该设计的膜生物反应器( m b r ) 处 理装置能够有效地处理生活污水，其出水水质稳定，处理效率显著提高。 关键词：膜生物反应器住宅小区中水回用 a b s t r a c t a b s t r a ( 汀 a l o n gw i t hs o c i a le c o n o m y sd e v e l o p m e n t ，t h ew a t e rr e s o u r c e sd e f i c i e n tc o n t r a d i c t i o ni s 一- 。 d a yb yd a yp r o m i n e n t ，w a t e ri sv e r ys c a r c e ，i n c o m p a r a b l yp r e c i o u ss t r a t e g i cr e s o u r c e si nt h e w o r l d t h ew a t e rr e s o u r c e ss h o r t a g e sa n dt h ew a t e rb o d yp o l l u t i o nb e c a m es e r i o u s l y , w h i c h h a sb e e nt h ep r i m a r yf a c t o rw h i c hr e s t r i c t e do u rc o u n t r ys u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h e w a t e rs a l e sc o m m i s s i o ni st h ee f f e c t i v ew a yt ou s ew a t e rr e s o u r c e s ，a n dc a nr a i s et h es e w a g e t r e a t m e n te f f i c i e n c y t h i sa r t i c l eh a sd i s c u s s e dt h ew a t e rs a l e sc o m m i s s i o np r o j e c ta p p l i c a t i o n o ft h ei n t e g r a t i o nm e m b r a n eb i o r e a c t o ri nt h er e s i d e n t i a ld i s t r i c tb ya n a l y s i n gt ot h ew a t e r a p p l i e dt e c h n o l o g y st e c h n i c a lp r o c e s s ，t h ee q u i p m e n tf a c i l i t y , t h ew a t e rq u a l i t ya n dt h ew a t e r v o l u m ea n ds oo n i nv i e wo ft h er e s i d e n t i a ld i s t r i c ts e w a g e so r i g i na n dc h a r a c t e r i s t i c s ，w ee l a b o r a t e dt h e m e m b r a n eb i o r e a c t o r sb a s i cp r i n c i p l ea n de m p h a t i c a lt e c h n o l o g yp r o g r e s s ，a n dc a r r i e do u tt h e s m a l ls c a l ef i e l dt e s tb a s eo ne x p e r i m e n t a ls t u d i e s a c c o r d i n gt ot h er e s i d e n t i a ld i s t r i c ts e w a g e sc h a r a c t e r i s t i c ，h a sd e s i g n e dt h ee x p e r i m e n t p r o c e s sa n dt h em e m b r a n eb i o l o g i c a lr e s p o n s ef a c i l i t y , a n dh a st e s t e dt h ec o r r e s p o n d i n gw a t e r q u a l i t yi n d i c a t o r s t h ee n t i r ee x p e r i m e n tp r o c e s sd i v i d e si n t ot h ed o m e s t i c a t i o nt oh a n gt h e m e m b r a n et i m e ，t h el o a dm o v e m e n tt i m ea n dt h es t e a d yo p e r a t i o nt i m e t h ew a t e rt r e a t m e n t e f f e c ti sa s s e s s e db yc h a n g i n g o p e r a t i o n a lp a r a m e t e r s s u c ha sa m o u n to fw a t e ri n t a k e ，t h ew a t e r p o w e rr e s i d e n tt i m e ，t h ea e r a t i o n ，g a sw a t e rr a t i oa n ds oo n t h er e s u l ti n d i c a t et h a tu n d e r c e r t a i nc o n c e n t r a t i o nr a n g eo fc o d ，s s ，a n dh r t , t h em b r p r o c e s s i n gs a n i t a r ys e w a g em a y a c h i e v eh i 【g h l ye f f e c t i v ea n dn o te x c e s ss l u d g ee m i s s i o n sg o a l b a s eo nt h ea b o v ee x p e r i m e n t s ，m b ri sc a r d e do nt h ea c t u a lp r o j e c tt h a tn a m e l y p r o c e s s i n gs a n i t a r ys e w a g e t h et e c h n i c a le c o n o m ya n a l y s i sp r o o f , t h a td e s i g n e dm b rt r e a t i n g p l a n tc a np r o c e s st h es a n i t a r ys e w a g ee f f e c t i v e l y , t h ew a t e rq u a l i t yo fm b r e f f l u e n ti ss t a b l e ， a n dt h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c yi sh i g h k e y w o r d s ：m e m b r a n eb i o l o g i cr e a c t o r ，r e s i d e n t i a ld i s t r i c t ，w a t e rs a l e sc o m m i s s i o n l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他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中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签 签字日期：d 峰胡夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权云洼互些太堂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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者 签字日期：刁；! 年瑚夕日 导师签名： 签字日期：d g 年月z 髟日 学位论文的主要创新点 一、首次将膜生物反应器技术应用到油田矿区生活污水的处理，通过实验和实 际工程应用，证明该工艺适合油田矿区居住小区中水回用小规模、分散处理、随 时回用的要求，项目具有良好的经济效益和环境效益，在油田矿区有一定的推广 价值。 二、采用膜生物反应器( m b r ) 工艺对住宅小区污水回用进行实验，结果表明， 在一定的实验参数下，该工艺对住宅小区的生活污水有较好的处理效果，完全能 达到国家中水回用标准要求。实验确定影响膜生物反应器( m b r ) 工艺的主要因 素是曝气时间、曝气量、沉淀时间和m l s s 。 三、对中水回用工程膜生物反应器装置系统运行进行了水量平衡系统优化设计。 发现在调节池容积、原水泵流量、v 。v 比和处理系统规模等四因素之间存在的关 系。在具备充足的处理系统能力前提下，对调节池和泵的运行进行系统优化，从 而既减少水池溢水，又增加中水的处理率和回收率。 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 水是人类赖以生存和发展的重要资源之一。地球表面虽然7 0 被水覆盖， 但淡水资源极其有限，能够为人类所利用的不足3 。我国的人均水资源占有量 约为2 3 0 0 立方米，相当于世界人均水平的1 4 ，而水资源的总量为2 8 1 万亿立方 米左右，居世界第六位。据统计，在全国6 6 8 座城市中，有4 0 0 座城市常年存在 供水不足的状况，其中1 1 0 座城市严重缺水，同缺水量平均达到1 6 0 0 万立方米， 每年缺水量超过6 0 亿立方米，是1 3 个世界贫水国家之一1 1 1 。特别是北方，如黄 河、淮河和海河等流域，人均水资源仅有全国人均的1 5 。至本世纪中叶，随着 经济的发展，我国人均水资源还将会继续下降，约人均1 7 0 0 立方米。由此可见， 淡水资源短缺的形势愈加严峻。 近年来，随着人口的增长和城市化的发展，造成了水体污染加剧。因为水资 源紧缺和城市供水能力日趋增长，使地下水严重超采，水质不断地恶化，所以急 切改变现状，采取各种有效措施节约用水已势在必行且刻不容缓。水是自然界中 不可替代却可再生的资源，污水经过适当地处理能够重复利用，从而实现水的良 性循环。目前，世界上有许多国家已经把污水处理和回用作为了开发新水源的途 径之一，即称其为“污水资源化。 从长远利益考虑，中水回用系统是实现污水再利用的重要节水措施，也是具 有较高经济效益和社会效益的节水技术。排放后的污水被迅速地收集、处理和利 用，可有效地减少新水源的使用量，对缓解水资源紧缺，保障社会经济的持续发 展具有重要的战略意义。 1 2中水技术的应用现状 1 2 1中水的概念 “中水”一词源于日本，英文是r e c l a i m e dw a t e r 或r e c y c l e dw a t e r , 其含义是 将城市和居民生活中产生的杂排水经过适当的处理，达到一定的水质标准后，用 第一章绪论 于冲洗厕所、清洗汽车、绿化或冷却用水等用途的非饮用水，其水质介于上水与 下水之间。 中水系统可分为三类【2 l ：一是城市污水处理厂出水处理回用的城市中水系 统；二是若干建筑群生活污水集中处理回用的小区中水系统；三是单栋建筑物生 活污水回用的建筑中水系统。 1 2 2 国内外中水技术应用现状 城市污水一般是由生活污水和工业废水混合而成，水量大约占城市用水的 5 0 一8 0 ，水质污染较轻，污染物仅占0 1 左右，绝大部分是可以再利用的清水， 同时水质也较为稳定，不受气候等自然条件的影响，且就近可取，再生处理比海 水淡化成本低廉的多，处理技术比较成熟，建设投资比远距离引水更经济【3 1 。因 此，当今世界在解决缺水问题时，许多国家把污水回用作为开发新水源的途径之 一，称之为“污水资源化。 中水利用是污水资源化的一个重要方面。由于有较好的社会效益和经济效 益，在一些缺水国家和地区，包括美国、以色列、日本等发达国家和地区也引起 了足够的重视。美国早在1 9 2 6 年就开始回收利用城市污水，到1 9 7 1 年污水回收 量达到5 1 亿立方米。如加利福尼亚每年利用净化污水约2 7 亿立方米，主要用 丁灌溉和绿化；以色列在总量2 9 亿立方米的废水中，约有2 亿立方米的中水施 川于非食用性作物的灌溉【引。 f 1 本是应用中水技术的较好的国家之一。以东京为例，截至到1 9 9 7 年3 月， 共有4 5 8 栋建筑物和2 个工业区应用了中水技术，总设计的处理用量达到约7 4 万m 3 d 。经过大量的示范工程后，日本的“造水计划”中明确将污水回用技术作 为手三要的开发研究内容加以资助，开发许多污水处理工艺【5 1 ，其中水应用的范围 主要是住宅小区、一定规模的宾馆、饭店、学校和办公楼等，将各自的生活污水 收集、处理后以用于市政绿化和其他生活杂用。 以色列也是中水回用水平较高国家之一。以色列占全国污水处理总量的4 6 的出水直接回用灌溉，其余的3 3 3 和2 0 分别回灌于地下或排入河道用于补水， 最终又被间接回用于各个方面1 6 1 。 我国从2 0 世纪7 0 年代中期开始探索以回用为目的的城市污水处理技术。北 京环保所1 9 8 5 年建成的1 2 0m 3 d 规模的中水处理设施，这是我国最早期的中水 2 第一章绪论 处理设施i 刀。此外，建设部于1 9 9 6 年颁布了中水设备管理办法，有效地推动了 各地方的中水设施建设。目前，在北京、大连、青岛、太原、成都等缺水城市都 在积极推广中水回用技术。北京市1 9 8 7 年实施了北京市中水设施建设管理试 行办法，使中水设施的建设取得了较大的进展。2 0 0 1 年根据国务院关于加强 城市供水节水和水污染防治工作的通知等要求，北京市又明确地要求建筑面积 5 万平方米以上或可回收水量大于1 5 0m 3 d 的居住区和集中建筑区等新建工程， 必须建设中水设施。截至到2 0 0 1 年底，已建成中水设施1 0 0 余个，日处理水量 约2 万立方米。此外，仍有1 0 0 余套中水设施正在建设之中。如果全部投入使用， 每日可节水3 万立方米，可在一定程度上缓解北京市供水紧张的压力，为节约水 资源做出了典范川。2 0 0 3 年我国颁布了建筑中水设计规范，其适用于各类民 用建筑和住宅小区的新建、改建和扩建的中水工程设计，为推动中水技术在我国 城乡的应用指明了前进的方向。 目前，我国中水回用工作已经由自发变为有序，由自愿变为强制，进入了一 个新的发展时期。同时，随着优质供水价格的提高，污水处理回用工程的经济效 益日益突出，将有利于调动人们建设污水回用工程的积极性。 1 3 华北油田矿区生活基地用水现状 华北油田生活基地位于河北省任丘市，矿区内居民住户5 万余户，生产服务 单位3 0 多个，常住人口1 5 万人，生产生活用水主要是地下水开采，年用水量 2 0 0 0 万立方米，每年污水排放量约1 5 0 0 万立方米，其中生活污水约9 0 0 万立方 米。 近年来，随着矿区建设的发展，矿区内新建了许多住宅小区，生活用水和污 水排放都在逐年上升。特别是小区内绿化美化工作的深入进行，矿区内建设了许 多公共绿地、公园等设施，使绿化用水大量增加，每年需水量约2 5 0 万立方米。 由于远离大城市缺少完整的市政系统，矿区内的污水经简单处理后，由排污 管网直接排入矿区周围的沟渠，多年来矿区内一直未建设污水处理和中水回用系 统，造成了周边水域的污染及水资源的极大浪费。根据矿区基地居住小区规模小、 布局分散、污水排放量小的特点，在这些区域建设中小规模的中水回用系统显得 十分重要。 3 第一章绪论 1 4中水回用工艺发展 中水回用技术工艺从原理上分析，可分为物理化学工艺流程和生物处理为主 工艺流程。中水回用技术应用最多的是物理化学工艺，主要有混凝、吸附、过滤 和膜技术。生物处理工艺是利用微生物的新陈代谢作用处理污水有机污染物的一 种水处理方法。生物法分为好氧生物处理法和厌氧生物处理法。好氧生物法广泛 应用于生活污水的处理，主要包括活性污泥法、生物接触氧化法、生物滤池等； 厌氧生物处理技术主要用于高浓度有机废水的处理，包括u a s b 反应器、厌氧生 物膜法和复合式生物膜反应器等。 最近膜技术在水处理应用中得到了飞速发展，膜生物反应器在中水回用方面 的应用显示出良好的发展前景。按照其组件的设置位置，分为分置加压式和一体 抽吸式两种1 8 】。1 9 6 9 年s m i t h 等报道了采用超滤膜替代传统活性污泥法中的二沉 池以处理城市污水。h a r d t 等利用将超滤膜与i o l 的好氧反应器组合的设施处理 人工配制的污水，其c o d 去除率达到9 8 ，污泥浓度与传统活性污泥法相比，有 大幅度地增加。美国的d o r r 0 1 i v e r 公司从1 9 6 6 年开始研究膜一生物反应器，研 发出m s t ( m e m b r a n es e w a g et r e a t m e n t ) 工艺技术。该研究的重点在于开发适 合i 亩浓度活性污泥的膜分离装置。但是，由于膜材料与生产技术的局限，膜使用 寿l 命短、通量小，加之当时对排放出水水质要求不严，导致该技术在相当长时间 内仍仅停留在实验室阶段，未能投入实际应用。 7 0 年代末期，日本开始研究污水的再生利用，膜一生物反应器的开发有了较 快的进展。自1 9 8 3 年到1 9 8 7 年，日本有1 3 家公司使用好氧膜生物反应器处理 写字楼的排水，其处理水作为中水回用。1 9 8 5 日本建设省牵头组织了“水综合 再生利用系统9 0 年代计划”，其内容涉及了新型膜材料的开发、膜分离装置的 设计和膜生物反应器运行系统的研究等内容。通过产、学、研结合，把膜生物反 应器的研究在处理对象、规模和深度上都大大地推进【9 1 。该阶段的膜生物反应器 主要是分置式。 8 0 年代末，国际上对膜生物反应器的研究更是方兴未艾，研究内容更加全 面，深度与广度也不断地强化。在传统分置式膜生物反应器的基础上，提出了运 行能耗低、占地紧凑的一体式膜生物反应器。同时与膜生物反应器运行条件的优 化和膜污染机理及其控制对策等方面的研究也十分活跃。这为膜生物反应器的推 4 第一章绪论 广和应用奠定了基础。目前，膜生物反应器在日本、美国、法国、英国、荷兰、 德国、南非、澳大利亚等国已得到广泛地应用。主要对象包括：生活污水的处理 与回用、粪便污水处理、工业废水处理等。膜技术的快速发展，特别是膜生物反 应器技术近年来得到了快速应用发展，为污水再生回用带来了光明前景。 我国对膜生物反应器的研究始于上世纪9 0 年代初。最早开始研究的有清华 大学、中国科学院生态环境研究中心、天津大学、同济大学等。近年，由于该项 技术所具有的巨大吸引力和潜在的应用前景，受到了更多研究者的青睐。许多大 学、研究所、环保公司也加入到了此项技术的研究中。从国内专业杂志发表的论 文数量看，从1 9 9 8 年9 篇增加到2 0 0 2 年的6 0 余篇，从事膜一生物反应器开发的 公司也达到十余家【。 1 5 中水回用发展前景 随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，我国水资源供求矛盾日益 突出，人均水资源占有量仅相当于世界人均水平的1 4 ，且区域分配严重不均， 分布趋势是东南多西北少，相差十分悬殊。全国每年因缺水影响工业产值高达 1 2 0 0 亿【1 1 】，水资源的危机严重地威胁着我国社会的可持续发展。 中水回用是解决城市缺水的有效途径，是污水资源化的一个重要举措。中水 回用的主要途径：一是作为城市自来水的补充水源；二是作为工业用水和城市杂 用水；三是作为灌溉用水：四是作为人工回灌的水源【1 2 】。随着我国经济的发展， 为全面落实科学发展观，保持经济、社会的可持续性发展，城市合理使用水资源 问题已势在必行。有效地推行分质用水，实现污水资源化是一项急迫而又艰巨的 任务。据统计1 1 3 l ，我国城市污水年排放量达到4 1 4 亿立方米，生活污水占城市 污水排放量已达到5 0 左右，如果生活污水回用率达到3 0 ，就可以弥补6 0 亿 立方米的缺水量。由此可见，大力推广中水技术是城市节水的重要内容，具有光 明的发展前景。 近年来，由于自来水费和排污费的上涨，中水使用已逐渐显示出经济效益， 越来越多的人认识到使用中水的优越性，开始关注中水的建设。在这种情况下， 实施污水处理后再利用，使其成为低质用水的第二水源，具有开源节流，实现水 资源可持续开发的重要意义1 1 4 】。 5 第一章绪论 根据华北石油矿区基地的用水现状，中水回用同样具有广阔的发展前景。处 理后的中水不仅可以做为绿化用水，还可以用于锅炉补水等方面，从而减少了地 下水的开采，达到开源节流避免水资源浪费的目的。因此，加大对中水回用技术 的研究，推广经济适用的新技术，同时强化管理己刻不容缓。 迄今为止，华北石油矿区己将中水回用建设纳入到油区污水资源化的总体规 划和工程建设的审批范畴内。这说明中水技术的推广和应用已与油f f l 的可持续发 展有机地结合，特别是当污水处理厂投资大、回用困难的背景下，作为总体回用 工程的补充，强化区域性中水处理、回用和居住小区中水联建工作显得更为重要。 因缺少完整的市政系统，小区污水的排放，造成了矿区基地周边环境的污染和水 资源的极大浪费。在这些区域建设中小规模的中水回用系统，可以缓解水资源紧 张形式，提高人们生活质量，让小区排放的生活污水全部达到中水回用标准，从 而减少了污水排放总量，改善天然水体水质，具有可观的环境效益；同时，降低 了污水处理费用，省去了取水与远距离输水能耗和建设费用，取得良好的经济效 益，达剑环境效益与经济效益的统一【1 5 】。 1 6课题研究的目的及主要内容 随着油田的发展和矿区居住规模的扩大，华北石油矿区任丘基地的生活污水 排放置逐年增加。因缺少完整的市政系统，小区污水的排放，造成了矿区基地周 边环境的污染和水资源的极大浪费。本课题研究的目的就是针对矿区生活污水处 理现状，寻找适合矿区特点的中水回用方法和有效途径，对节约水资源有着非常 现实的意义。 面对当前的环境现状，本文针对华北石油任丘基地居住小区的污水水量、水 质和排放等情况，从理论的视角上分析了不同工艺处理污水的优缺点，提出了住 宅小区污水处理的依据，并研究了不同处理流程，为小区的污水回用提供了有效 的处理方法。通过实验研究了膜生物反应器技术在小区中水系统中应用的可行 性，为工程的实施提供了设计和技术参数。对在油田小区内的中水回用系统运行 进行技术经济分析，为今后中水回用系统的建设提供了有益的经验。 6 第二章建筑小区中水回用工程工艺分析与比较 第二章建筑小区中水回用工程工艺分析与比较 2 1 中水水质标准 2 1 1 水质和水质指标 水质是指水和其中所含的杂质共同表现出来的综合特性。水质指标则表示水 中杂质的种类、成分和数量，是判断水质的衡量指标。一般水质指标分为物理、 化学、生物三大类。具体如下： ( i ) 物理性水质指标：温度、色度、嗅和味、浊度、悬浮物等。 ( 2 ) 化学性水质指标：p h 、碱度、硬度、各种阳离子、各种阴离子、c o d 小 b o d 。等。 ( 3 ) 生物性水质指标：细菌总数、大肠杆菌群、病毒等。 2 1 2 中水水质标准 住宅小区中水的用途主要是污水再生利用分类中的城市杂用水类，包括绿化 用水、冲厕、街道清扫、车辆冲洗、建筑施以及消防等。中水水质必须满足以下 要求f 1 6 】： ( 1 ) 满足卫生要求：指标主要是大肠杆菌、细菌总数、余氯量、悬浮物、 b o d 5 、c o d = 等； ( 2 ) 满足观感的要求：无不快感，主要指标是浊度、臭味、色度等； ( 3 ) 满足设备构造方面要求：水质不易引起设备管道锈蚀结垢，主要指标 是p h 值、硬度、溶解性物质等。 其水质可按污水再生利用工程设计规范城镇杂用水水质控制指标控制【1 7 1 ， 详见下表2 - 1 第二章建筑小区中水回用工程工艺分析与比较 表2 - 1 城镇杂用水水质控制指标 序 项目 号7 冲厕道路清扫消防城市绿化车辆冲洗建筑施： 指标 一 1 p h 6 伊一9 0 2 色度( 度) 3 0 3嗅无不快感 4 浊度( m t u ) 51 01 05 2 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 五日生化需氧量( b o d o ( m g l ) 1 01 52 01 0 1 5 7 氨氮( m g l ) 1 01 02 01 02 0 8 阿 离子表面活性剂( m g l ) 1 01 01 00 5 1 0 为了保证中水回用的安全性，需要对水质进行经常性的监测，由此可了解中 水中污染物的现状和变化趋势，根据需要及时对工艺运行参数作出调整。 2 2 居住小区污水的特征 2 2 1 居住小区污水的来源 居住小区中水水源的选择要依据水量平衡原理和技术经济性确定，并应优先 选择水量充裕稳定、污染物浓度低、水处理难度小、安全，且居民易接受的中水 水源。一般可按下列顺序取舍： ( 1 ) 雨水： ( 2 ) 淋浴排水； ( 3 ) 盥洗排水； ( 4 ) 洗涤排水； ( 5 ) 厨房排水； ( 6 ) 冲厕排水。 本文研究的对象主要是上述综合小区废水。住宅小区污水的排放具有污染程 度低，组分单一，容易处理；排水有规律，用水量变化显著的特点。 8 第二章建筑小区中水回用工程工艺分析与比较 2 2 2 小区污水的水质对环境影响 小区污水的水质成分对环境影响可以分为以下几种【1 8 1 ，详见：表2 - 2 表2 - 2 小区污水水质环境影响 成分代表性物质对环境的影响 微生物 。 病原菌、病菌和蛔虫卵当洗浴和食用水生壳类动物时危险 有机物洗涤剂、农药、油脂、溶剂等毒性影响，感官不快，生物积累 营养物氮、磷、氨富营养化，氧桔竭，毒性影响 金属 h gp b c dc rc un i 毒性影响、生物积累 无机物酸如：h z s ，碱腐蚀，毒性 热效应热水改变植物群落和动物群体生存条件 臭味 h 2 s 毒性影响，感官不快 2 2 3 小区污水的特点 生活污水可为“灰水”( g r e yw a t e r ) 、“黄水 ( y e l l o ww a t e r ) 、“棕水”( b r o w n w a t e r ) 和“黑水”( b l a c kw a t e r ) 。灰水主要指厨房、沐浴和清洗等排水；黄水 指尿液或含少量冲洗水的尿液；棕水主要为含粪便、手纸的冲厕水；黑水指尿、 粪便未经分离的冲厕水。灰水占污水的量最大，但养分含量低，多数成分含在黄 水和棕水中。正常成年人每年每人排泄尿液约4 0 0 - 5 0 0l ，排便约5 0l 。其排泄 物的成分以氮( 5 5k g ) 、磷( o 8k g ) 、钾( 5k g ) 为主，其中8 0 的成分存在 于尿液中，生活污水的典型特征见表2 - 3 ： 表2 - 3 生活污水典型水质特征 二嚣? 灰水尿液粪便 营养物负荷( k g 人年卜( 2 5 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0 )卜5 0 0 )( 5 0 ) n ：一4 53 - 8 7 - 1 0 p ：0 7 51 0 - 5 0 4 0 k ：一1 83 4 - 5 4 - 1 2 c o d c r ：一3 0- 4 1 - 1 2 - 4 7 9 第二章建筑小区中水回用工程t 艺分析与比较 小区内污水主要有以下特点： ( 1 ) 小区雨水：初期降水悬浮物浓度较高，水质相对较好； ( 2 ) 淋浴、盛洗、洗涤排水：有机物悬浮物浓度相对较低，洗涤剂含量较高； ( 3 ) 厨房排水：油质、悬浮物和有机物浓度较高； ( 4 ) 冲厕排水：有机物、氨氮、病毒、细菌含量较高； ( 5 ) 污水水量具有不稳定性和不均匀性。 由此可见，小区内的生活污水有如下特点：外观混浊，水中含浮油；容易产 生恶臭，且易腐烂变黑；排放不均衡，高峰期集中出水，瞬时变化大，水质波动 大；水中有机物和氮磷等营养物质含量较高，易于微生物的生长和繁殖；含有病 毒、细菌和寄生虫卵，生化性好。 2 3 小区中水回用工程处理单元 中水处理系统一般由污水收集、调节、预处理单元、处理单元、深度处理单 元、储存、输配等部分组成，单元处理工艺的正确选择与合理组合对中水系统的 正常运行和处理效果具有重要的意义。 2 3 1 预处理单元工艺 ( 1 ) 格栅 在中水处理系统的最前端设置格栅，目的是拦截大的悬浮物和漂浮物，以去 除污水中较大的固形污染物，保证后续处理正常运行。在洗浴废水中含有大量毛 发，其对设施的正常运行影响较大。为此，以往的工艺在泵前设置了毛发过滤器， 但清理较为困难，近几年，在中水工程的实施过程中，采用了可自动清污的机械 细格栅，由此达到了去除毛发等杂物，运行稳定，管理方便的目的。 格栅栅条的断面、栅条间距、栅渣的清除方式等是选择格栅需要考虑的主要 因素。格栅栅条常用的断面有圆形、矩形、半圆形等。圆形断面水力条件好，但 刚度较差；矩形断面刚度好，水力条件不如圆形；半圆形水力条件和刚度都较好， 但形状相对复杂。本实验中采用了矩形断面。 1 0 第二章建筑小区中水回用工程工艺分析与比较 过栅流速：污水在栅前渠道内的流速控制在0 4 - 0 8 m s ，经格栅的流速约在 0 6 - 1 o m s 内。考虑到本实验的实际和过栅水头损失与过栅流速相关的现状， 水头损失控制在了0 0 8 - 0 1 5 m 之间。栅后渠底比栅前相应地降低了 0 0 8 0 1 5 m 1 1 9 1 。机械格栅布置应充分考虑通风问题，以保护机械设备。 ( 2 ) 预爆气 一般中水处理系统中，调节池内有设爆气和不设爆气两种。而设爆气具有以 下优点： 池中颗粒状杂质保持悬浮状态，与原水一起被系统处理，避免沉积在池底给 清理带来困难；原水保持有氧状态，避免因微生物厌氧活动引起气味。若不设爆 气，停止运行后恢复处理，初始出水往往带有臭味；调节池预设爆气可降低水中 的c o d c ，和b o d 。等。 综上所述，本实验的调节池选用了预爆气措施。 2 3 2 生物处理工艺 生物处理主要用于去除水中可溶性有机物，降低c o d 。，、b o d 。、s s 等指标。 ( 1 ) 应用工艺 一般生物接触氧化和生物转盘是中水工程常用的生物处理工艺。在早期的建 设的中水工程中多采用生物转盘工艺，而如今选用生物接触氧化法的比例逐渐地 提高。其中主要原因是在中水处理过程中，生物转盘表现出如下缺点：生物转盘 盘片与设备问空气直接接触，当污水浓度高或转盘槽溶解不足时，产生的臭味会 逸散在周围环境中，给小区内的生活环境带来不良影响。生物转盘易磨损的机械 部件较多，运行过程中，需要投入较多资金维护，这对城市居民小区而言难已承 受。 据文献报道【7 1 ，2 0 0 0 年北京市对在1 9 9 3 2 0 0 0 年间建设的2 0 项中水工程进 行调查和评估发现，有1 7 项工程采用了生物接触氧化法，占比例达8 5 。由此 可见，以生物接触氧化为主的处理工艺，具有处理效果好，出水水质稳定，管理 方便，运行费用低等特点，成为中水工程中应用较为广泛的处理工艺。 第二章建筑小区中水回用工程工艺分析与比较 此外，爆气生物滤池在中水工程中开始得到了应用。其具有处理负荷高、装 置紧凑、省略固液分离单元等优点。北京市环境保护科学研究院已将该工艺成功 应用于北京东方国际文化交流中心的中水工程中。 土地处理也是值得重视的处理工艺，特别是在远离城市的工矿区的住宅小区 是一种很有效的污水处理法。其原理是利用土壤的自然净化作用，将生物降解、 过滤、吸附等多种作用有机结合。它是充分利用在地表下的土壤中栖息的土壤动 物、微生物、植物根系以及土壤所具有物理、化学特性将污水净化的工程方法。 该系统不仅能够处理污水减轻污染，而且充分利用水肥资源，将污水处理与绿化 相结合，美化和改造生态环境，在北方缺水地区该系统具有特别推广的意义【1 1 。 毛管渗滤系统在国外应用十分普遍。美国约有3 6 的农村和零星分布的家庭 住宅均采用了毛管渗滤系统。而我国这项处理技术则刚刚起步，北京市环境保护 科学研究院在交通部公路交通工程综合试验场建造了一个日处理1 0 0 吨的污水 毛管渗滤系统，已取得了满意的效果。 目前，膜生物反应器在污水处理中的应用范围和规模正在日益扩大。该工艺 具有h 水水质优异、操作简便、污泥产率低和占地面积小的特点。膜生物反应器 在闩本得到极大的发展，目前日本运行的膜生物反应器占全球用量的6 6 。其中 9 8 是好养型膜生物反应器，一半以上为一体式膜生物反应器【刎。 ( 2 ) 曝气方式 通常曝气方式分为鼓风曝气、机械曝气和混合曝气。多数生物处理设施需要 向生物反应池中供气，因鼓风设备噪音大，影响小区环境，故选用回转式风机或 三叶罗茨风机等低噪曝气设备可达到预期效果。另外，水下曝气机在中水工程中 也得到了一定范围的应用，它简化了曝气管、曝气头等附属装置，噪音低，但价 格较贵。射流曝气设备简单、噪音小，但动力消耗高。 从理论确定了每除去l k g b o d 。需消耗l k g o 。，即相当于标准状况下3 5 m 3 空气。 因为鼓风曝气的利用率仅有5 - 1 0 ，故去除l k gb o d 。需供给空气量约为3 5 7 0m 3 。 而实际应用中由于曝气池的负荷和运行方式各异同，供气量需放大1 5 2 0 倍 1 2 1 1 0 ( 3 ) 停留时间 第二章建筑小区中水回用工程工艺分析与比较 众所周知，中水出水水质标准一般严于污水处理厂二级出水的水质。因此， 在处理过程中必须保证有足够的停留时间。根据国内中水处理的实际工程看，处 理洗浴污水时，接触氧化池的设计停留时间要控制在2h 以上；处理生活污水时， 停留时间至少要保持在3h 。一般好氧膜生物反应器处理生活污水的水力停留时 间( h r t ) 约为2 3h 。 2 3 3 混凝工艺 ( 1 ) 混凝剂和最佳投药量 混凝工艺主要去除原水中悬浮状和胶体状杂质，是物化处理的主体工艺单 元。大量实践工程已经证明，合理选择混凝剂的种类和投药量对保证处理效果和 节要运行费用都具有重要的意义。有关部门针对高碑店二级出水的特性门，通过 试验选择了聚合氯化铝为混凝剂，其最佳投药量为3 0 m g l ，出水效果好，且明 显地节约了投资。本实验研究证明，以生活污水为主的原水，用聚合氯化铝和聚 合硫酸铁为混凝剂的处理效果好，其投药量为5 - 1 0m g l 。 ( 2 ) 沉淀与气浮 沉淀与气浮均是混凝反应后有效地固液分离手段。沉淀设备简单而体积大， 气浮设备复杂，但体积相对较小。沉淀工艺管理简单，使其用比例明显地高于气 浮工艺。混凝工艺主要去除原水中悬浮状和胶体状杂质，对可溶性杂质去除能力 较差，因此对原水中残留的洗涤剂处理效果不佳。本实验证明，混凝沉淀对阴 离子洗涤剂的处理效果较差，而混凝气浮对阴离子洗涤剂有一定的处理效果， 这可归属于气浮池中的微小气泡黏附极性的表面活性剂，从而导致上浮造成的。 2 3 4 过滤工艺 ( 1 ) 滤料种类 在中水工程中过滤是不可缺少的工艺，是最常用的深度处理单元，它对保证 中水的清澈而透明起到了决定性作用。滤料品种较多，其中石英砂单层滤料和石 英砂无烟煤双层滤料【2 2 1 是传统的水处理滤材，在中水工程中得到了广泛地应用。 这类滤料经久耐用，处理效果有保证。轻质滤料在中水设施中也得到了推广，纤 第二章建筑小区中水【口i 用工程t 艺分析与比较 维球率滤池具有滤速高、纳污量大的特点，但也存在着使用一段时间后，纤维球 结泥团、纤维散落等问题，影响到处理效果和使用。 常用的滤膜聚合物包括聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯和聚氯乙烯等。 其组件形式包括管式、中空纤维式、平板式和卷式。管式可处理不经予过滤的污 水和高浊度料液便于化学和机械清洗；中空纤维组件具有组件装填密度高，存留 滤料体积小，利于频繁清洗，在相对低的流量下，可获得高传质速率，且泵水能 耗低，是膜生物反应器中常用的滤料装置。 ( 2 ) 微絮凝过滤 微絮凝过滤是絮凝与过滤相结合的组合工艺，具有设备简单、工艺紧凑等特 点。北京市早期中水处理的设施中，微絮凝过滤工艺单元流程占有相当比例。该 工艺初期处理效果较好，但经过一段时间后则出现处理效果下降的情况。其主要 原因是此工艺的纳污量较大，反冲洗不彻底时造成污物残留于滤料上，积累到一 定程度必将影响处理效果。另外，有些研究指出，将微絮凝工艺与活性炭组合使 用时，可溶性有机物依靠活性炭吸附去除，但当活性炭饱和得不到及时更换，去 除效果会明显下降。由此可见，上述组合工艺对管理水平要求较高。 2 3 5 活性炭工艺 活性炭对原水中的洗涤剂、人体分泌物、排泄物等可溶性有机物显示出良好 的吸附能力。通常作为深度处理单元，置于处理流程的末端，可保障出水水质。 本实验的部分工程是以洗浴水为原水，选用了物化处理。因混凝、过滤工艺对其 中的可溶性有机物去除效果不好，添加了活性炭工艺单元，达到了较好的出水水 质。此外，作为活性炭的一种，生物活性炭将活性炭与生物作用有机地结合，大 幅度地提高了活性炭使用周期。据文献报道【7 l ，在北京科技会展中心的中水工程 中，微絮凝过滤后选用了生物活性炭处理单元，出水质量达到了预期设计的效果。 2 3 6 膜分离工艺 膜分离工艺是发展迅速的高效处理单元，具有装置紧凑、占地小、处理效果 好等特点。作为中水工艺流程的后置单元，对保障水质清澈、悬浮物达标和去除 1 4 原 第二章建筑小区中水回用工程工艺分析与比较 细菌等均有明显的效果。在以往的中水工程中，多采用超滤膜组件，但因孔径小， 膜通量受到了限制。近年来，使用微滤膜，其膜通量得到了大幅度地提高。目前 研制的0 4 u m 孔径的水处理中空纤维微滤膜，对在中水处理中的应用引起了高度 地关注。 生物膜法广泛的应用到城市污水的处理中，微生物在生物摸载体表面附着、 固定是一个十分复杂的动态过程，影响因素很多。特别是载体的性能，如表面粗 糙度、机械强度、表面带电荷性、空隙率、比表面积等都会不同程度地影响微生 物的附着，这是一个复杂的动力学过程【2 3 1 。 2 4 中水回用工艺流程的选择 2 4 1 以优质杂排水为原水的中水工艺流程 以优质杂排水为中水原水时，采用了以物化处理为主流程，或生物和物化处 理相结合的流程，具体过程如下： ( 1 ) 物化处理工艺流程：见图2 - 1 混凝剂消毒剂 原 图2 1 物化处理工艺流程 ( 2 ) 生化和物化处理相结合的工艺流程：见图2 - 2 消毒剂 图2 - 2 生化和物化处理相结合的工艺流程 ( 3 ) 预处理与膜分离相结合的处理工艺流程：见图2 - 3 1 5 水 水 第二章建筑小区中水同用工程t 艺分析与比较 图2 - 3 预处理与膜分离相结合的处理工艺流程 比较上述工艺流程和工程实际运行过程可知，采用生物处理为主工艺的 中水处理设施，无论是膜生物反应器、生物接触氧化还是生物转盘，经处理后的出 水水质能够达到中水水质标准；采用物化处理工艺的中水处理设施，部分处理后 的水质较差，出水c o d 。b o d 。、s s 三项指标超过了中水水质标准。 2 4 2 以生活污水为原水的中水工艺流程 以生活污水为原水的中水工程分为以综合生活污水为原水的中水工程和以 粪便水为原水的中水工程。一般采用生物处理为主或生物处理与物化处理结合的 工艺流程。由于原水有机物浓度较高，部分中水工程选择了以厌氧处理作为前置 单元强化生物处理的工艺流程： ( 1 ) 以生物接触氧化为主的工艺流程：见图2 - 4 原 图2 4 生物接触氧化工艺流程 ( 2 ) 以水解一生物接触氧化为主的工艺流程：见图2 5 原 水解 j 格栅b酸化- 4 两极生物接触氧i 调。肖 图2 5 水解生物接触氧化工艺流程 ( 3 ) 以厌氧一土壤处理为主的工艺流程：见图2 - 6 1 6 中水 第二章建筑小区中水网用工程工艺分析与比较 图2 - 6 厌氧土壤处理工艺流程 ( 4 ) 以多级沉淀分离生物接触氧化为主的工艺流程：见图2 7 原坐- 际磊i l t c l沉淀2u 接触氧化u 接触氧化l 一沉淀3 接触氧化3u 沉淀4u 过滤u 活性炭l 一消毒l 中水 图2 - 7 沉淀分离一生物接触氧化工艺流程 ( 5 ) 以膜式生物反应器为主的工艺流程：见图2 -