（环境工程专业论文）mbr用于雨、污水资源化处理的研究.pdf

摘要 我国水资源缺乏，随着城市建设和工业的发展，城市用水量和排水量不断增 长，加之水污染严重，造成水资源日益不足，雨、污水资源化和再生回用是解决 这一问题的有效途径，国内外在这方面已经进行了很多研究和应用。 膜生物反应器( m b r ) 以膜分离技术与活性污泥系统相结合，用膜组件来代 替活性污泥法中的二沉池，该技术以新型、高效的优势广泛应用于污水处理和回 用中。 本课题的提出是在以往研究的基础上，通过m b r 工艺技术对雨、污水进行 资源化处理，确定不同原水的最佳停留时间和混合原水的最佳比例，以达到良好 的处理效果。 本试验分为五个部分：第一部分为好氧m b r 工艺处理杂排水，确定最佳停 留时间为4 - - - - 5 h ，即进水流量在1 4 4 1 8 l h ，出水基本满足城市污水再生利用 标准，但反应器运行不稳定；第二部分为好氧m b r 工艺处理化粪池污水，确定 最佳停留时间为5 h ，即进水流量在1 4 4m ，出水满足农田灌溉水质标准；第三 部分为好氧m b r 工艺处理雨水和杂排水的混合水，虽然部分出水水质指标满足 城市污水再生利用标准，但反应器难以持续运行，处理效果也不稳定；第四部分 为好氧m b r 工艺处理雨水、杂排水和化粪池污水的混合水，在化粪池污水比例 1 0 的条件下，确定雨水掺入比例为3 0 - - - 4 0 时，处理效果最佳，出水满足城市 污水再生利用标准；第五部分厌氧一好氧m b r 工艺处理某工业区市政污水，确 定最佳停留时间为8 1 0 h ，即进水流量在n 1 3 7 5 l h ，出水基本满足城市杂 用水和景观用水要求，但是由于原水氯化物、硬度和矿化度较高，若作为工业水 回用需要加深度处理工艺。 本文通过m b r 的应用研究，为雨、污水资源化处理的工程实践提供了可行 的思路并具有一定的实用价值。 关键词：m b r 工艺雨、污水资源化再生水回用水力停留时间 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n do u rc i t y ，t h ea b s e n c eo fw a t e rr e s o u r c eh a s b e c o m eas e r i o u sp r o b l e mw eh a v et of a c e t h ea m o u n to fw a t e rt h a tw eh a v eu s e d a n dd i s c h a r g e di si n c r e a s i n ge v e r y ，a n dw a t e rp o l l u t i o ni sm o r ea n dm o r es r e i o u s ， w h i c hl e a dt ot h ea g g r a v a t i o no fw a t e rr e s o u r c es h o r t a g e r e n o v a t i o na n dr e u s eo f r a i n w a t e ra n ds e w a g ei sa ne f f e c t i v ew a y w h i c hh a sb e e ns t u d yo nf o rm a n yy e a r sa t h o m ea n da b r o a d b yr e p l a c i n gas e c o n d a r yc l a r i f i e rb yam e m b r a n es e p a r a t i o nu n i ti na na c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s s ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) t e c h n o l o g i e sh a v ee m e r g e da so n eo ft h e i n n o v a t i v ea n dp r o m i s i n gs o l u t i o n sf o rt h ec o m p l e t er e t e n t i o no f s l u d g e ，w i d e l yb e i n g u s e di nw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dr e u s e t h ee x p e r i m e n tw h i c hi si nt h ef o u n d a t i o no ff o r m e r l ys t u d i e du s em b r t e c h n o l o g i e s t o c a r r y o u tr a i n w a t e ra n dw a s t e w a t e rr e s o u r c e f u l t r e a t m e n t ， d e t e r m i n i n gt h eb e s th y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) a n db e s tm i x e dp r o p o r t i o nt o r e a c hg o o dr e s u l t so ft r e a t m e n t 刀把e x p e r i m e n td i v i d e di n t of i v ep a n s ：硒ef i r s tp a r tc a r r i e so u tt h et r e a t m e n to f m i x e dd r a i nu s i n ga e r o b i cm b r , d e t e r m i n i n gt h a tt h eb e s th r ti s4 5 ha n dt h e i n f l u e n tf l o wi s14 4 18 l ，h 1 1 1 ee f f l u e n tq u a l i t yp a r a m e t e r sc a nm e e tt h eq u a l i t y s t a n d a r df o rr e c l a i m e dw a t e rr e u s e ；1 1 1 es e c o n dp a r tc a r r i e so u tt h et r e a t m e n to fs e p t i c s e w a g eu s i n ga e r o b i cm b r , d e t e r m i n i n gt h a tt h eb e s th r t i s5 ha n dt h ei n f l u e n tf l o w i s1 4 4 l h t h ee f f l u e n tq u a l i t yp a r a m e t e r sc a nm e e tt h eq u a l i t ys t a n d a r df o r a g r i c u l t u r a li r r i g a t i o n ；1 1 1 et h i r dp a r tc a r r i e so u tt h et r e a t m e n to fr a i n w a t e ra n dm i x e d d r a i nu s i n ga e r o b i cm b r a l t h o u g hp a r te f f l u e n tq u a l i t yp a r a m e t e r sc a nm e e tt h e q u a l i t ys t a n d a r df o rr e c l a i m e dw a t e rr e u s e ，t h eo p e r a t i o no fb i o r e a c t o rc a nn o t c o n t i n u o u s l yo p e r a ta n dt h et r e a t m e n te f f e c ti sn o ts t a b l e ；t h ef o u r t hp a r tc a r r i e so u t t h et r e a t m e n to fr a i n w a t e r ，m i x e dd r a i na n ds e p t i cs e w a g eu s i n ga e r o b i cm b r w h e n t h ep r o p o r t a t i o no fs e p t i cs e w a g ei s10 ，t h eb e s tp r o p o r t a t i o no fr a i n w a t e ri s3 0 4 0 u n d e rt h i sc o n d i t i o nt h eb i o r e a c t o rc a nr e a c h 也eb e s tt r e a t m e n te f f e c t a n dt h e e f f l u e n tq u a l i t yp a r a m e t e r sc a l lm e e tt h eq u a l i t ys t a n d a r df o r c i t yr e c l a i m e dw a t e r r e u s e ；t h ef i f t hp a r tc a r r i e so u tt h et 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 ru s i n g a n a e r o b i c a e r o b i cm b r d e t e r m i n i n gt h a tt h eb e s th r ti s8 10 ha n dt h ei n i l u e n tf l o w i s1l - 1 3 7 5 l h t h ee f f l u e n tq u a l i t yp a r a m e t e r sc a l lm e e tt h ew a t e rq u a l i t ys t a n d a r d f o ru r b a nm i s c e l l a n e o u sw a t e ra n dw a t e r - s c e n e r y ，b u tt h ec o n c e n t r a t i o no fc h l o r i d e ， h a r d n e s sa n ds a l i n i t ya r et o oh i g ht or e u s ef o ri n d u s t r a i lw a t e r i f u s i n gt h ee f f l u e n tt o r e u s ef o ri n d u s t r a i lw a t e r ，w em u s ta d da d v a n c e dt r e a t m e n tp r o c e s sa f t e rm b r t e c h n o l o g i e s b ys t u d y i n go nt h ea p p l i c a t i o no fm b rp r o c e s s ，t h ee x p e r i m e n tw h i c hh a sc e r t a i n p r a c t i c a lv a l u eo f f e r sa n o t h e rf e a s i b l ew a yf o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：m e m b r a n e b i o r e a c t o r ( m b r ) ，r e n o v a t i o no f r a i n w a t e ra n ds e w a g e ， r e c l a i m e dw a t e rr e u s e ，h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) 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，也不包含为获得叁鲞盘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论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：宫、i 炎 签字日期： 如8 年占月竿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘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) 学位论文作者签名：亏l 蕤 签字日期：劫毋年6 月4 日 翩躲蚴簧 签字日期：? 叼万年占月4 日 第一章绪论 第一章绪论 水是生命之源，维系着人类的生命活动和一切与之相关的社会活动，是维持 人类社会可持续发展不可缺少的重要因素。近年来，随着世界人口的迅速增长， 社会经济的迅速发展以及人类牛活水平的不断提高，人类对水的需求量变得越来 越大，清洁的水资源由于受到人类生命活动的影响而污染，并且污染程度越来越 严重，因此地球上的水资源日益短缺，而水资源短缺与污染之间形成一种恶性循 环，使缺水己成为世界性的难题。这不仅制约着经济和社会的持续发展，甚至对 人类的生存构成了威胁。 1 1 水资源现状 水是自然界一切生命赖以生存的不可替代的物质，又是社会发展不可缺少的 重要资源。水资源主要是指与人类社会和生态环境保护密切相关而又能不断更新 的淡水、地表水和地下水，其补给来源主要为大气降水【l 】。据估计，地球上存在 的水总量为1 3 8 6 亿k m 3 ，其中不能直接用于生活、工业用水及农田灌溉的海水 占9 7 3 ，淡水占2 7 ，淡水比例不仅小，而且大部分存在于地球南北极的冰 盖、冰河和深度在7 5 0 m 以上的地下水中，可以利用的淡水资源只是河流、湖泊 和地下水的一小部分，利用量仅为0 0 4 7 亿k m 3 ，占总水量的0 3 4 。全球年降 水量大约为0 0 0 4 亿k m 3 ，其中仅1 4 降在陆地上【2 】。 我国是一个干旱缺水严重的国家。全国多年平均水资源总量约为2 8 0 0 0 亿m 3 ， 占世界水资源总量的6 ，居世界第4 位，但人均水资源量仅为2 3 0 0m 3 ，是世 界人均水资源量的1 4 ，是美国的1 5 ，加拿大的1 5 0 ，在世界上名列1 2 1 位。我 国河川径流量( 地表水资源量) 居世界第5 位，平均年径流深2 8 4 m m ，低于全球平 均年径流深3 1 4 m m ，人均占有河川径流量仅为世界人均占有量的1 4 。耕地亩均 占有水量为1 7 0 0 - 1 8 0 0 m 3 ，是世界亩均径流水量的7 1 - 7 5 t 3 1 。 扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，中国现实可利 用的淡水资源量则更少，仅为1 1 0 0 0 亿立方米左右，人均可利用水资源量约为 9 0 0 立方米，并且其分布极不均蒯4 1 。到2 0 世纪末，全国6 0 0 多座城市中，已有 4 0 0 多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达1 1 0 个，在3 2 个 百万人口以上的特大城市中，有3 0 个长期受缺水困扰。在正常情况下全国年缺 水总量为3 0 0 4 0 0 亿m 3 ，每年有l - - 3 亿亩农田受旱，城市年缺水总量为6 0 亿 第一章绪论 m 31 5 1 。我国已被联合国列入世界1 3 个贫水国之一【3 1 。据专家预测，我国到2 0 1 0 年缺水量将达l14 0 亿m 3 ，2 0 3 0 年缺水量将达2 3 0 0 亿m 3 ，2 0 5 0 年缺水量将达3 710 亿m 3 ，全年因城市缺水影响产值2 0 0 0 亿元人民币以上，影响城市人口约4 0 0 0 万 人【6 】。 我国在面临水资源短缺的同时，水污染问题也日益加剧。随着经济建设的高 速发展，人口不断增加，特别是城市人口急剧膨胀，全国的污废水排放量快速增 长。根据中国环境公报【7 】，2 0 0 3 年我国废水排放总量4 6 0 亿吨，超过环境容量的 8 2 ；2 0 0 4 年全国工业和城镇生活的废污水年排放量达4 8 2 4 亿吨，其中工业废 水排放量为2 2 1 1 亿吨，生活污水排放量为2 6 1 3 亿吨，废污水排放总量的8 0 左右未经处理直接排入水域，引起大面积水体污染，造成水环境恶化，七大水系 的4 1 2 个水质监测断面中，i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为： 4 1 8 、3 0 3 和2 7 9 ；到2 0 0 6 年，全国废水排放总量达到5 3 7 0 亿吨，比上 年增长2 4 ，化学需氧量排放量为1 4 2 8 2 万吨，比上年增长1 0 ，七大江河水 系中，劣五类水质占2 8 。约有7 5 以上湖泊和l 3 左右水库水域也受到不同 程度的污梨8 1 ，7 6 个城市地下水受严重污染，水质恶化加剧供水困难【5 】。 水质的日益恶化是城市水资源短缺的重要原因j 不仅对我国的经济和社会发 展造成了巨大的损失，制约了我国国民经济的可持续发展，而且破坏了水环境的 生态平衡，甚至威胁到人民的生活健康。近2 0 年来，随着我国环境治理力度不 断加大，公民的环保意识逐渐加强，使得水污染势头有所缓和，但是水质恶化的 问题并没有从根本上解决，从而导致我国未来的水资源形势非常严峻。而城市化、 工业化水平要提高，供水需求必然增长，供水危机及其衍生的水质与生态问题， 如不能得到很好地解决，必然束缚和制约经济发展。因此，如何解决好水资源短 缺和污染问题是实现社会经济可持续发展的关键。 1 2 国内外城市污水资源化再利用发展现状 城市污水资源化是指城市污水和工业废水经过适当处理达到一定的水质标 准，使之变为城市水源的一部分，达到充分利用水资源和减轻环境污染负荷的目 的，这部分水又叫再生水【9 】。 我国作为用水大国和世界上1 3 个贫水国之一，在水资源总量有限的的提下， 单纯地开发新的水资源是不可行的，开源与节流并举才是解决这一难题的有效途 径。随着经济和社会发展，污水排放量呈逐年上升趋势，大量污水未经处理或处 理不达标直接排放，是造成水质恶化的主要原因。实施污水资源化再利用，将大 量污水按不同回用方式的水质要求处理后循环利用，既可以提供新水源，解决城 2 第一章绪论 市缺水问题，又可以大大消减水环境的污染总量。因此城市污水再生利用是解决 供水危机的重要途径。 1 2 1 国外城市污水资源化再利用发展现状 城市污水回用的研究与应用已有近百年的历史，世界上不少城市把处理过的 城市污水和废水回用到各个方面，这已成为城市节制用水的途径之一【l0 1 。水处理 技术的发展主要体现在以下两个方面】：一是城市污水处理厂普遍采用以除磷脱 氮为重点的强化二级生物处理技术，并增加三级处理流程，包括多种类型的过滤 技术和现代消毒技术；二是采用当代高新技术，如微滤、反渗透、膜生物反应器 等，使处理后的再生水达到市政杂用、生活杂用、园林绿化、生态景观、工业冷 却、回灌地下水、发电厂锅炉补给水等多种用途的要求。国外经济发达的国家污 水回用历史较早，1 9 6 8 年，世界上第一个合格的再生饮用水工厂在纳米比亚建 成，日产水6 2 0 0 m 3 ，水质达到当时世界卫生组织和美国环保局公布的标准【1 2 1 。 经过多年的发展，污水处理和回用技术已经非常成熟。当前，各国都在开展污水 回用的研究与实践，美国、日本、以色列等一些国家走在前列。 美国从2 0 世纪6 0 年代开始大规模建设污水处理厂，随后开始污水回用，强 调开发水资源的工程建设【”】；从8 0 年代后期起，开始大量投入人力、资金和技 术力量，对污水资源化等相关科学问题进行专题研究，着眼于如何向当代社会提 供足够的水资源，确保当代社会用水需求得到满足；2 0 世纪9 0 年代之后的可 持续水管理阶段围绕可持续发展主题强调水资源的可持续利用，着眼于构筑支撑 社会可持续发展的水系鲥9 】。据不完全统计，2 0 0 0 年，已有3 5 7 个城市回用污 水，再生回用点5 3 6 个，全国城市污水回用总量约9 4 1 0 9 m 3 a ，其中包括污灌 用水、景观与生态用水、工艺用水、锅炉补给水以及回灌地下水和娱乐养鱼等多 种途径1 4 1 。美国城市污水处理等级基本在二级以上【1 5 】，处理率达1 0 0 t 1 1 1 ，再 生水已成为城市水资源的重要组成部分。污水回用6 0 用于灌溉用水，3 0 用于 工业用水，1 0 用于城市生活等其他方面【1 4 】，包括冲厕、洗车、街道清洗、建筑 保洁、非食品和非饮食用具的洗涤等【l6 1 。美国从2 0 世纪7 0 年代初以来，总用水 量不断增加，但总取水量反而减少【l4 】，污水回用率稳步提高，使代表世界先进工 业大国和农业大国的美国水工业走上良性循环的轨道。美国污水资源化成功的经 验在于【9 】：( 1 ) 建立了较为完备的管理体制，设有专门的管理资源再利用机构， 联邦政府和地方政府都有水回用的专项贷款和基金：( 2 ) 2 0 世纪末期，美国在 水领域的总体战略目标发生了转变，由单纯的水污染控制转变为全方位水环境可 持续发展；( 3 ) 管理理念的转变促进了污水处理技术路线的发展，污水处理由 单项技术转变为技术集成。 第一章绪论 日本年人均降雨量为世界平均水平的l 5 ，属于资源性缺水国家【9 】，也是开展 污水回用较早的国家之一。日本政府很重视对水资源的高效利用，污水资源化也 得到了较快的发展。相对而言，日本城市污水回用工程，以有较多的“中水道” 供生活杂用而著称【1 4 1 。早在2 0 世纪6 0 年代，日本沿海和西南一些缺水城市，如 东京、名古屋、川崎、福冈等地即开始考虑将城市污水处理厂的出水经进一步处 理后回用于工业、生活或生活杂用，7 0 年代已初见规模，2 0 世纪9 0 年代初，日 本在全国范围内进行了污水回用的调查研究与工艺设计，对污水回用在日本的可 行性进行深入的研究和工程示范，在缺水地区推广污水回用技术，节水已见成效 【9 】。1 9 9 1 年，日本在其“造水计划”中，明确将污水回用技术作为最主要的开发 和研究内容加以资助，开发了很多污水深度处理工艺，并且，相应制定了各种不 同回水用户的水质指标和管理法规，建立起以赖沪内海和东京湾地区为首的许多 污水再生利用工厂【1 2 】。到1 9 9 3 年全国有1 9 6 3 套中水利用设施投入使用，中水使 用量为2 7 7 1 0 4 m 3 d e 9 1 。1 9 9 6 年，全国有中水设施2 1 0 0 套投入使用，用水量达 3 2 4 x1 0 4 m 3 d ，占全国生活用水量的0 8 【l 。日本在污水资源化方面积累了 丰厚的经验【9 】：( 1 ) 法律法规的支持，如1 9 7 3 年东京市政府颁布了有关节约水 资源的新政策，同时开始提倡污水的回收和再利用，1 9 8 4 年东京市政府又制定 了污水回用指南及相应的技术处理措施；( 2 ) 设置中水道系统采取奖励政策，而 且通过减免税金、提供融资和补助金等手段大力加以推广与普及；( 3 ) 污水处 理技术先进，开发了很多污水深度处理工艺，采用了新型脱氮、脱磷技术，膜分 离技术，膜生物反应器技术等，并且在这些方面取得很大进展。 美国和日本等发达国家污水资源化的成功经验在于【9 】：( 1 ) 严格污水资源化 的立法和执法，健全的法律、法规对于规范污水资源化的发展作用毋庸置疑；( 2 ) 合理的污水资源化运行机制。污水资源化的发展不仅要有政府的支持、也要有企 业的积极参与，建立适宜的市场运行机制，为企业的发展创造经济效益，吸引企 业的资金投入到污水资源化的建设中米，这样才能使污水资源化的发展步入良性 发展的轨道：( 3 ) 将污水资源化作为整个水管理系统的一个组成部分；( 4 ) 重 视污水资源化相关技术的科学研究。 以色列是严重缺水国家，为缓和水资源短缺对经济发展的制约，该国采取了 一系列措施推进城市污水再生利用，是节约用水，特别是污水回用方面最具特色 的国家【1 4 1 。该国1 0 0 的生活污水及7 2 的城市污水已经回用，最大规模可达2 0 x1 0 4 m 3 d ，最小2 7m 3 d ，一般介于0 5 , - - , 1 万m 3 d t 】。处理后的污水4 2 用于农 业灌溉，3 0 用于地下水回灌，其余用于工业及市政等回用，在南部地区甚至作 为饮用水源【1 4 】。目前全世界范围内，以色列使用污水进行灌溉比例最高【1 7 】。由于 拥有污水处理、回用经验和先进的灌溉方法，以色列已成为该领域内的领先者。 4 第。章绪论 除了美国、日本、以色列之外，西欧南美各国、俄罗斯、印度、南非和纳米 比亚等国污水回用也很普遍。 在阿根廷，城市污水主要用于农业灌溉。城市污水一级处理出水灌溉农田面 积约2 0 0 0 h a ，此外还将稳定塘净化水与河水混合灌溉蔬菜作物【l 4 1 。 印度以城市污水和工业废水直接回用于农业灌溉较为广泛，并多以农场为 主。到1 9 8 5 年，至少有2 0 0 个农场利用城市污水进行灌溉，面积达2 3 0 0 h a 1 0 】。 巴两圣保罗市，利用城市污水灌溉公园、花园，冲刷卫生间，冲洗道路、汽 车，净化空气和美化环境等【1 4 1 。 智利圣地亚哥市，7 0 - 8 0 的城市污水回用于农业灌溉【l4 1 。 莫斯科市东南区有3 6 家工厂回用污水，总量达5 5 1 0 5 m 3 d t l 8 】。 在墨西哥，回用水多用于灌溉农田，面积约5 0 0 0 0 h a ，并计划扩大工业回用 水利用规模，从3 8 1 0 4 m 3 d 增至1 1 4 1 0 4 m 3 d 1 4 1 。 科威特利用经三级处理后的城市污水进行农业灌溉，包括谷物、牧草、森林 氅【1 4 】 甘0 西南非纳米比西的首都温得和克市将城市污水处理再生后供作自来水水源。 经卫生学评价，认为当地的流行性疾病并未因使用再生水而发生变化，证明水质 合格【1 0 1 。 其他一些国家，如英国、秘鲁、沙特阿拉伯等国，在城市污水回用中也做了 许多工作，将城市污水处理后，回用于农田灌溉等方面【1 4 1 。 1 2 2 国内城市污水资源化再利用发展现状 我国从2 0 世纪5 0 年代起开始采用污水灌溉的方式回用污水，到6 0 年代关 于污水灌溉的研究达到了一定水平【1 4 】。8 0 年代末，随着我国大部分城市水紧缺 的加剧和污水回用技术的日趋成熟，污水回用的研究与实践才得以加速发展【l 4 】。 国家“七五”、“八五”期间，“城市污水资源化的研究”和“城市污水回用技 术”为大课题列入国家科技攻关计划，取得了初步成果，提出了相应的污水资源 化技术。在“八五”期间，大连、北京、西安、太原等城市相继建成了回用于工 业冷却用水、工业用水和市政景观用水的污水回用示范工程，为我国城市污水回 用积累了经验。到2 0 0 2 年，已经投产的城市污水回用工程约有3 0 个，回用工程 规模在1 5x1 0 5 m 3 d 左右，约为全国城市污水设计处理水量的1 以上【1 4 j 。 1 9 8 9 年我国第一个污水回用示范工程在大连春柳污水处理厂设计施工，1 9 9 2 年正式投产运行，该工程在完善污水二级处理系统的基础上，新建了深度处理设 施，设置了用户水质改善与监测系统，该示范工程的回用对象是热电厂的循环冷 却水，染料厂的循环冷却水和部分工艺用水，煤气厂及其他工业用水，该工程大 第一章绪论 大缓解了大连市用水紧张问题【l2 1 。 经过几十年的发展，污水处理由一级处理发展n - - 级处理，再发展到三级处 理，而且近几年又在三级处理的基础上发展了深度处理，随着污水处理技术的不 断发展，污水回用技术也在日趋成熟，对污水进行不同程度的处理来满足不同用 户的回用要求【1 2 】：到1 9 9 5 年，北京市已有中水设施1 1 5 个，日回用水量已达1 2 万m 3 d t l 9 1 。如北京市环保所1 9 8 6 年完成了中水试点工程【1 9 1 ；北京市劲松宾馆1 9 8 7 年也完成了中水回用工程【19 】；北京高碑店二级污水处理厂每天处理5 0 万m 3 d 污 水，3 0 万m 3 d 回用于农田灌溉，2 0 万m 3 d 米回用于工业【1 4 1 ；清华大学在北京市 海淀区医院建起了一套试用的回用系统，用以处理医院废水，目前运转j 下常【1 4 1 。 天津在中水利用方面走在了全国前列，粗略统计：2 0 0 1 年通过中水的推广使 用，每天可节约有效的饮用水达3 0 多万m 3 【1 9 】；天津纪庄子污水处理厂建成了理 能力为2 0 0 0i n 3 d 的示范工程，5 0 的回用水用于污泥脱水机房冲洗滤布，其余 用于冲洗厕所、煤厂及污水厂的杂用水【1 4 】：天津东郊污水处理厂，每天处理污水 4 0 万m 3 d ，其中设计回用污水7 万m 3 d t l 4 】；全市还建成了1 0 8 个再生水洗车点， 杜绝了自来水洗车的问题，累计节约自来水在1 万m 3 d 左右【19 1 。2 0 0 4 年，天津 大学采用m b r 工艺将游泳馆废水和洗浴废水处理后用于校园内景观绿化用水、 冲厕用水等，工程占地面积约为1 2 0 m 2 ，日处理5 0 0 m 3 d ，基建投资约为2 7 0 万 元，制水成本约为0 9 5 元m 3 ，每年可节约自来水1 5 万m 3 ，具有相当可观的经 济效益，被评为“高校节水综合示范工程”。 大连市的污水回用示范工程己正常运行10 年( 污水处理规模l 万m 3 d ) ，污水 厂二级出水经深度处理后的再生水主要用于工业冷却、园林绿化、建筑施工、市 政施工等方面。大连开发区建成的6 4k m 的草地喷水管道，用于浇灌城市的中心绿 化带，节约了原水，收到了很好的经济效益，创全国以再生水自动喷涌草地的先 i - - i t 2 们。在此基础上，开发区又于2 0 0 1 年建成了7 万m 3 d 的污水回用工程【2 0 1 。大 连春柳河污水处理厂( 污水处理规模8 万m 3 d ) 主要向甘井子工业区提供回用水。 现从春柳河污水处理厂至大连石油化工公司敷设1 0k m 再生水输送管线，为大连 石油化工公司、大连钢厂、大连化学集团、华能电厂等单位提供工业用再生水 1 4 1 。马栏河污水处理厂( 污水处理规模1 2 万m 3 d ) 建设了再生水储存工程，铺设马 栏河污水处理厂至星海人家、新希望花园等路段再生水回用管网，用于住宅小区 内居民冲厕、绿化、景观等用水d 4 。付家庄污水处理厂( 污水处理规模lz r m 3 d ) 污水回用后主要用于绿化浇灌，同时在泉水小区实施集中式再生污水回用项目 1 4 1 。在工矿企业方面，允许大连市华润啤酒厂等自建再生污水处理设施的企业， 再生水水质达标后可向社会出售。这些措施大大加快了大连市污水资源化的进程 0 4 。 6 第一章绪论 其它一些城市在污水用方面也取得了一定的成效：太原北郊污水处理厂向太 原钢铁厂提供l 万m 3 d 的二级出水作高炉冷却用水【1 4 1 ；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【2 l 】；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【2 l 】；泰安污水回用工程 规模为5 万m 3 d ，其中2 万m 3 d 三级处理出水作回用，主要用于景观、河道用 水及部分工业用水【1 4 】。石家庄铁道学院在2 0 0 2 年将洗浴废水并回用于学生公寓 的冲厕，运行稳赳2 1 j 。 目前，根据用户对水质的要求，以及污水中各种污染物的含量，可以采用生 物处理、砂滤、硝化、脱氮、絮凝沉淀、活性炭吸附、离子交换、膜析、消毒等 多种处理技术，组合成能够达到处理要求的工艺流程，实现城市污水的再生回用。 通过研究和分析我国城市污水回用的现状，我国城市污水回用已取得了一些 成效，但目前尚处于初级阶段，无论从规模及涉及的领域，都远不及一些发达国 家和污水回用发展较早的发展中国家【2 2 1 。而且我国污水回用也存在着一些问题 【2 1 2 3 】：如污水回用的标准不完善，城镇排水管网和设施不完善，城市污水再生 回用技术相对落后自来水水价和公众意识问题，缺乏法律、经济及技术政策支持 等。目前，污水回用已受到普遍重视，但我国城市污水利用率和二级处理率都比 较低，分别为3 0 和1 5 t 1 4 】，污水回用率则吏低，预测到2 0 2 0 年全国城市污水 回用率可提高到5 5 以上【1 4 1 。我国污水回用的潜力是巨大的，其发展方向在于 1 1 4 1 ：城市污水的统一规划和处理；回用向广度和深度发展；发展经济高效的污水 回用处理技术，分质处理，分质供水；城市污水排放零污染。 城市污水水量巨大、水质稳定，是城市可利用的第二水源。国内外城市污水 回用的实践表明，城市污水回用不仅是经济的，而且是可靠和可行的。随着城市 污水处理率的提高和回用量的增大，逐步实现污水资源化，既可节约新水量，又 可促进生态良性循环，对水资源的可持续利用和经济社会的可持续发展具有重大 的理论意义和现实价值。 1 3 国内外雨水利用发展现状 雨水是一种重要的水资源。广义的雨水利用包括水资源利用的各个方面，具 有极大的广泛性。狭义的水资源利用是指有目的地采用各种措施对雨水资源进行 保护和利用，主要包括收集、储存和净化后的直接利用；利用各种人工或自然水 体、池塘、湿地或低洼地对雨水径流实施调蓄、净化和利用，通过各种人工或自 然渗透设施使雨水渗入地下，补充地下水资源、集流补灌的农业雨水利用掣卅。 城市雨水综合利用应为雨水资源的多目标利用，就是以减轻城市防洪压力、 第一章绪论 减少洪涝灾害和充分利用雨水资源缓解水资源危机为目标，采取相应的生物、工 程、农艺和法规建设、调度管理的综合措施，对雨水资源进行深度开发利用 2 4 1 。 它包括减缓城区雨水洪涝和地下水的下降、控制雨水径流污染、改善城市生态环 境等【2 5 1 。雨水利用后，不仅能够减少市政雨水管线的建设投资，减缓市政雨水管 线的压力，而且对城市洪涝灾害的发生也起着一定的缓解作用。雨水收集处理后 完全可以满足一定层次用水对象的要求，可以作为另一种水资源而被使用。 1 3 1 国外雨水利用发展现状 国外一些发达国家，城市雨水资源化和雨水的收集利用已有数十年的历史。 从2 0 世纪7 0 年代，发达国家为保护水环境及充分利用水资源，开始研究、开发 和应用雨水收集、处理与回用的技术，使雨水成为重要的的淡水资源之一【2 6 1 。现 代意义上的雨水利用尤其是城市雨水的利用，是从2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代发 展起来的【2 6 1 ，不仅少雨的国家( 如以色列等) 发展较快，而且一些多雨的国家( 如 东南亚国家) 也得到发展。发达国家特别是德国、日本、美国等国家，城市化进 程较早，城市雨水利用发展得也比较快。 德国是欧洲开展城市雨水利用最好的国家之一，自1 9 8 9 年制定了屋而雨水 利用设施标准( d i n l 9 8 9 ) 以来，德国的雨水利用技术已经进入产业化、标准化阶 段，并逐步向集成化发展【9 】。德国的雨水利用方式主要有3 种【2 。7 】：一是屋面雨水 集蓄系统，集蓄下来的雨水主要用于家庭、公共场所和企业的非饮用水。二是雨 水截污与渗透系统。道路雨水通过下水道排人沿途大型蓄水池或通过渗透补充地 下水。德国城市街道雨水管道口均设有截污挂篮，以拦截雨水径流携带的污染物。 三是生态小区雨水利用系统。小区沿着排水道建有渗透浅沟，表面植有草皮，供 雨水径流流过时下渗，超过渗透能力的雨水则进入雨水池或人工湿地，作为水景 或继续下渗。德国是世界上发达国家之一，人民生活水平较高，住房大多为单门 独户的单户家庭。其雨水利用技术也成熟。一般模式是将屋顶雨水通过雨水立管 收集，通过分散或集中过滤除去径流的中颗粒物质，然后将水引入蓄水池储蓄， 再通过水泵输送至用水单元，一般用于冲洗厕所或灌溉绿地掣z 6 1 。德国对降水在 城市生态系统中的作用有了较早的认识和研究，并提出了相应的管理手段，发展 了适宜的技术措施。从2 0 世纪8 0 年代至今，其雨水管理思想有了较大地转变， 1 9 8 9 年雨水利用设施标准的出台标志着“第一代”雨水利用技术的成熟， 在经历了1 9 9 2 年自控技术的提升后，目前的雨水利用技术正处于设备集成化的 “第三代”发展阶段。因此从技术和管理的角度看，德国在雨水管理领域己形成 了较完备的管理框架和技术支撑体系【2 8 1 。此外，德国还制定了一系列有关雨水利 用的法律法规。如目前德国在新建小区之前，无论是工业、商业还是居民小区， 第一章绪论 均要设计雨水利用设施，若无雨水利用措施，政府将征收雨水排放设施费和雨水 排放费等【2 9 】。利用公共雨水管收集雨水，采用简单的处理后，达到杂用水水质标 准，便可用于街区公寓的厕所冲洗和庭院浇洒。如位于柏林的h l a n k w i t z b e l e s s 1 u e d e c k es t r a s s e 公寓始建于上世纪5 0 年代，通过采用新的卫生原则， 并有效地同雨水收集相结合，实现了雨水的最大收集。利用雨水每年可节省 2 4 3 0 m 3 饮用水。截至到2 0 0 2 年德国有310 0 个合流制管道溢流池( c s o t a n k s ) 在 运行，能够存储雨水3 3 0 亿m 3 的水【3 0 】；柏林一座造型别致的艺术剧院，收集建 筑物本身和周围街区的雨水，经过一个由电脑控制的系统加工处理，为毗连的一 个面积约1 万m 2 的人工湖补充清洁水源；法兰克福一家苹果榨汁厂，一个大约 0 6 万m 2 的平顶仓库上面是个“大草场”，下面建有雨水冷却循环系统，既降低仓 库温度，又浇灌草场美化厂区环境，还作厂内的卫生用水；德累斯顿一家福利企 业，雨水被收集到地下蓄水池，经过过滤及净化处理泊动喷洒屋顶花囤和地面的 绿化、果园【3 1 1 。 美同的雨水利用主要是以提高雨水的天然入渗能力为主要目的，并将其作为 土地规划的一部分在新的开发区实施【3 1 蚓。美国相继在加州富雷斯诺市和芝加 哥分别兴建了著名的地下蓄水系统，以解决城市防洪和雨水利用问题【9 】。加州富 雷斯诺市的地下回灌系统，将入渗池和回灌井结合起来。在入渗池表土下1 5 m 深水平铺设多孔波纹塑料管，然后与入渗池末端的水泥管相连，雨水经土壤过滤 自流注入回灌井。这种将水平入渗和垂直入渗相结合的方法，防止了回灌井淤堵， 并提高了同灌能力。l o 年间( 1 9 7 1 1 9 8 0 年) 的地下水回灌总量为1 3 3 8 亿m 3 ，其 年回灌量占该市年用水量的2 0 纠2 吼蚓。其他很多城市还建立了屋顶蓄水和由人 渗池、井、草地、透水地面组成的地表同灌系统【3 l 】。h a s e l b a c h ，l i vm 【3 2 1 等通过 对卡罗莱纳州南部7 1 6 个场所的雨水滞留池的运行资料进行整理分析，为雨水滞 留池的建设提供了所遵从的参数，并且提出了适合及不适合建立雨水滞留池的场 所。美国环保总署在1 9 9 9 年出台了雨水管理的最佳管理方案【3 习( b e s tm a n a g e m e n t p r a c t i c e s ) ，对雨水的监测、收集、处理等提供的依据。此外，美国还通过立法来 支持雨水利用，限制雨水直接排放与流失，控制雨水径流的污染，收取雨水排放 费，要求或鼓励雨水的截流、贮存、利用或回灌地下，改善城市水环境与生态环 境。如科罗拉多州( 1 9 7 4 年) 、佛罗里达州( 1 9 7 4 年) 和宾夕法尼亚州( 1 9 7 8 年) 均制定了雨水利用条例，这些条例规定，新开发区的洪峰流量不能超过 开发前的水平，所有新开发区( 不包括独户住家) 必须实行强制的“就地滞洪蓄水” 口9 3 l j 。除此之外，各级政府还采取了一系列的优惠政策，如政府补贴、联邦贷 款等鼓励人们采用新的雨水处理办法【9 】。 英国泰晤士河水公司为了研究不同规模的水循环方案，设计了2 0 0 0 年的展 9 第章绪论 示建筑伦敦世纪园顶雨水收集利用系统示范工程【3 印。在建筑物内，每天回收 5 0 0 m 3 水用以冲洗该建筑物内的厕所，其中1 0 0m 3 为从屋顶收集到的雨水。这使 其成为欧洲最大的建筑物内的水循环设施。从面积相当于1 2 个足球场大小的1 0 万m 2 的圆顶盖上收集来的雨水，经过2 4 个专门设置的汇水斗进入地表水排放管 中。初降雨水含有从园顶上冲刷下的污染物，通过地表水排放管道直接排放到泰 晤士河。由于储存容积有限，多余的雨水排人泰晤士河【3 5 1 。收集的雨水在芦苇床 中进行处理，雨水在芦苇床中通过多种工程进行净化：在芦苇根区的天然细菌降 解雨水中的有机物；芦苇本身吸收雨水中的营养物质；床中的砾石、砂石和芦苇 的根系起过滤作用，芦苇床还能增加城市的景观多样性【29 3 5 】。 丹麦【2 9 】过去供水主要靠地下水，一些地区的含水层已经被过度开采。为此， 丹麦开始寻找可替代的水源。在城市地区从屋顶收集雨水，收集后的雨水经过收 集管底部的预过滤设备，进入贮水池进行储存。使用时经进水口的浮筒式过滤器 过滤后，用于冲洗厕所和洗衣服。在7 个月的降雨期，从屋顶收集起来的雨水量， 足以满足冲洗厕所所需的用水，而洗衣服的需水量仅4 个月就可以满足。每年能 从居民屋顶收集6 4 5 万m 3 的雨水，如果用于冲洗厕所和洗衣服，将占居民