（环境工程专业论文）城市水循环经济模式与技术支持系统.pdf

大连理：【：大学博士论文 摘要 我国是淡水资源匮乏的国家。要解决淡水资源短缺与水环境污染问题，其根本出路 在于实施水循环经济。 本文阐述了水循环经济的概念、特征、意义、原理及原则；研究了其发展模式的支 撑体系及实施技术方案；总结了污水原位处理与应用一小循环；城市污水再生处理与利 用一中循环；雨水及再生水参与自然界一大循环，构成自然一人工二元复合水循环模式； 进行了水循经济分析；实施水循环经济的主要途径是污水资源化。污水资源化的关键是 污水治理技术的集成创新。阐述了国内外城市生活污水、石化企业废水处理与回用研究 及应用现状。 本文研究和总结了作者从事的部分城市污水及石化企业废水处理的中试研究与工 程实践。首先，根据污( 废) 水的性质、回用水质的要求，结合国内外及作者组织与参 与处理类似污水的研究和应用，择优组合工艺，确定关键技术：酒店污水，采用一体 化生物膜反应器( m b r ) ；采油废水，取用一体化膜生物反应器( m b r ) + 生物滤池 ( b a f ) ；乙烯污水及反洗水，采用生物移动床( m b b r ) ；石化厂废水采用生物移 动床( m b b r ) + 反渗透( r o ) ：热电厂以城市生活污水处理厂二级标准出水深度处 理回用，采用高效生物反应器( g x ) + 反渗透( r o ) ；城市生活污水处理采用曝气 生物滤池( b a f ) 处理至一级b 标准。经中试，均达到出水指标，、和已付 诸工程实践，运行效果良好，达到出水水质指标。 关键词：水循环经济：膜生物反应器；移动床膜生物反应器；曝气生物滤池：反渗透 i i = = _ k 一 i 。乃 - 张兴文：城市水循环经济模式与技术支持系统 e c o n o m i cm o d e io fm u n i c i p a lw a t e rr e c y c li n g a n dt e c h niq u es u p p o r tin gs y s t e m a b s t r a c t c h i n ai sac o u n t r yf a c i n gs e v e r ef r e s hw a t e rs h o r t a g e t or e s o l v et h ef r e s hw a t e rs h o r t a g e a n dw a t e re n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，t h ef u n d a m e n t a ls t r a t e g yi sw a t e rr e c y c l i n g t h i sw o r ke l a b o r a t e dt h ec o n c e p t s ，c h a r a c t e r i s t i c s ，s i g n i f i c a n c e ，a n dt h e o r e mo fw a t e r r e c y c l i n g t h ee v o l u t i o n sa n dt e c h n i q u ep r a c t i c eo fw a t e rr e c y c l i n ga r es t u d i e d ，w h i c h i n c l u d e s ，w a s t ew a t e rt r e a t m e n ta tt h es o u r c e s m a l ls c a l er e c y c l i n g ；r e u s ea n dr e c l a m a t i o n o fm u n i c i p a lw a s t ew a t e r 一一m e d i u ms c a l er e c y c l i n g ；t h ec o m p o s i t e 。r e c y c l i n gf o r mo fr a i n f a l l w a t e ra n dr e c l a i m e dw a t e r 一一l a r g es c a l er e c y c l i n g a na n a l y s i so nt h ee c o n o m yo fw a t e r r e c y c l i n gi sp e r f o r m e d i nt h ew a t e rr e c y c l i n ge c o n o m y , u t i l i z a t i o no fw a s t e w a t e rr e s o u r c ei s t h em a j o ra p p r o a c h ，a n dt h ek e yi st oi n t e g r a t ee x i s t i n gw a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e sw h i l e c r e a t en e wt e c h n o l o g i e s ar e v i e wo f t h ec u r r e n tt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e sa n dr e u s ea p p l i c a t i o n s o fh o u s e h o l da n dp e t r o c h e m i c a lw a s t e w a t e ri sg i v e ni nt h i sw o r k as e r i e so fp i l o tt e s tc a s e sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n so fm u n i c i p a la n dp e t r o c h e m i c a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t s y s t e m s a r ed e m o n s t r a t e d b a s e do nt h e 7 a s t e w a t e r p o l l u t a n t c o m p o n e n t sa n dt r e a t m e n tr e q u i r e m e n t s ，t h ek e yt e c h n o l o g yi ss e l e c t e da n di n t e g r a t e dw i t h o p t i m i z e dp r o c e s sd e s i g n ，s u c ha s ： 1 w a s t e w a t e rf r o mh o t e l s ：i n t e g r a t e dm e m b r a n eb i o l o g i c a lr e a c t o r ( m b r ) 2 w a s t e w a t e rf r o mo i lm i n i n g ：i n t e g r a t e dm e m b r a n eb i o l o g i c a lr e a c t o r ( m b r ) + b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) 3 w a s t e w a t e rf r o mp v cm a n u f a c t u r e ：m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ( m b b r ) 4 w a s t e w a t e rf r o mp e t r o c h e m i c a li n d u s t r i e s ：m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ( m b b r ) + r e v e r s eo s m o s i s ( r o ) 5 d e e pt r e a t m e n ta n dr e c y c l eo fm u n i c i p a lw a s t e w a t e ra n dw a s t e w a t e rf r o mp o w e rp l a n t w h i c hm e e t ss t a n d a r db ：h i g he f f i c i e n tb i o l o g i c a ls h a k e b e d ( g x ) - br e v e r s eo s m o s i sf r o ) 6 m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ：t or e a c hf i r s tl e v e lo fs t a n d a r dba n dc o n f i r m e db yp i l o tt e s t t h e p r o c e s s e sd e s c r i b e di n1 ，3 ，4 a n d6h a v e b e e na p p l i e d t or e a l i s t i ct r e a t m e n ts y s t e m s t h eo p e r a t i n ge f f e c t i v e n e s sh a sb e e nv a l i d a t e da n dt h et r e a t e dw a t e rh a sm e tt h eq u a l i t y c r i t e r j a k e yw o r d s ： e c o n o m yo fw a t e rr e c y c l i n g ；m e m b r a n eb i o l o g i c a lr e a c t o r ( m b r ) ；m o v i n g b e db i o f i l mr e a c t o r ( m b b r ) ；b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r s ( b a f ) ；r e v e r s eo s m o s i s ( r o ) 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位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的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其他单 位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献已在 论文中做了明确的说明并表示了谢意。 张兴文：城市水循环经济模式与技术支持系统 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位 论文。 作者签名丛羞友 导师签名：褐c 鹏 l 口e 占 年月堡日 大连理j 。大学博士学位论文 引言 地球上的水以气态、液态、固态三种状态存在，在太阳辐射的热力和地球引力的作 用下，在大气圈、水圈、岩石圈、生物圈中不停地运动变化和相互交换的。海洋及陆地 表面的水蒸发为水蒸气而进入大气圈，并随气流漂移。在适宜的条件下，重新凝结为液 态或固态，形成雨、雪等不同形态的降水。降落到地表的水分，通过径流形成河流、湖 泊、海洋等地表水，一部分通过渗流形成土壤水和地下水。这样往复不停的运动变化和 相互交换。自然界中水的这种运动称为自然水循环。随着人类社会的不断发展，水循环 在自然水循环的基础上，逐步衍生出社会水循环、城市水循环。 可持续水资源利用的根本目的就是满足人类经济社会及生态系统的水量需求，保障 人类与生态系统健康的水质安全。随着人口增长、城市化进程加快以及社会经济的发展， 对水资源的数量和水环境质量的需求越来越高，生产生活用水与生态环境用水的矛盾也 越来越突出。要解决水资源短缺与水环境污染问题，最根本的出路是实施水循环经济。 顾名思义，水循环经济是指运用自然生态系统中水循环运动规律重构水循环经济系统， 使水社会循环能和谐地纳入自然生态系统中的水循环过程中，形成健康社会水循环，建 立一种新形态的水闭路循环流动型经济。其内涵是要实现水资源的可持续利用，必需建 立水循环经济型的社会，把经济社会建立在水资源循环利用的基础上，改变过去水资源 一使用消费一污水排放的单向流动的线性经济，变成水资源一使用消费一污水再生处理 一水再循环，形成水资源在经济一社会一环境复合生态系统中的往复循环流动的闭路循 环经济。 水循环经济是循环经济的一个重要组成部分，当然要遵循普遍适用的3 r 原则。由 于水分子的特殊理化性质和循环规律，水循环经济的原则可扩展为5 r 原则，使水循环 经济既符合循环经济的普遍规律，又具有其特殊规律，使水循环经济的内容更加丰富， 应用范围更加广泛，更具有特色。 在健康的社会水循环中，必须尊重水的自然运动规律及品格，科学合理的使用水资 源，不过度开发、不随意向其排污。同时将使用过的生活污水和生产废水进行再生与净 化，使得水的社会循环不损害水的自然循环的客观规律。在一个自然流域内，人类活动 要与水环境保护达到一个恰当的平衡，以保证水在地表、地下的流动过程中满足自然环 境保护和人类社会对水的各种需求。现代经济社会过度发展破坏了水循环体系。在人类 生产、生活与水环境的协调中，应重新返回到或接近自然循环状态。只有如此才能实现 水资源的持续利用，保持良好的水环境。 在水循环经济的5 r 原则中，一个重要的问题是污水循环利用的问题。在水循环的 大、中、小层面上，根据我国国情应该首先对消耗水量大的企业、服务业及大学进行水 循环经济比较切合实际，效果也会更加显著。对严重缺水的城市，应大力提倡城市二级 张兴文：城市水循环经济模式与技术支持系统 污水处理厂增加污水深度处理，使污水处理厂变成永再生利用厂，再生水参与水的中循 环和大循环。由于水循环规模较大，经济效益和环境效益也会更加显著。看来，在目前 情况下，对大中小三种水循环持同等重视的态度，可能较为正确和现实。 本文通过技术创新和技术集成创新工程措施，构建城市水循环经济模式，提出和集 成城市大、中、小水循环相应的污水再生处理的技术支持系统，实施城市水循环经济， 主要内容有：企事业，服务业，居住小区污水原位再生处理与中水利用技术；城市污 水处理厂污水再生处理与利用技术：城市污水处理厂污水再生作为生态环境用水，参 与自然生态系统水循环。 2 大连理工大学博士学位论文 1 国内外城市及工业废水处理与回用的研究与应用现状 1 1 城市生活污水的原位处理与回用 污水作为一种稳定可靠、可再生利用的水资源，对其充分开发利用是有效节约、开发 利用水资源的重要手段之一，是解决城市缺水问题的关键【1 1 2 j 。对于缺水的城市来说，城 市废水是一笔宝贵的财富，废水回用应该是解决我国城市水荒的根本途径。城市污水数 量巨大，就近可得，易于收集，废水处理技术也较成熟且费用不高。作为城市第二水源， 它要比长距离引水更加实际且花钱要少。我国城市目前每年的缺水量达6 0 亿m 3 ，如果 全国废水回用率达到2 0 ，就可提供水量4 0 亿m 3 ，解决了缺水量的6 7 。即通过废水回 用，足以缓解一大批缺水城市的水荒问题。 现在的水资源开发必须与保护水资源、防止水环境污染、改善生态环境和地区经济 发展同步规划，有计划地实施，以维持人口、资源、环境与社会经济发展的协调关系。 因此，必须做好综合规划，包括流域的水资源评价、水的承载力分析，以及从宏观到微 观的水资源保护、水污染防治和防洪减灾的全面规划等，以最小的代价取得水资源对持 续发展是最大支持和效益。 1 把小区产生的各种污废水及雨水进行收集、处理达到所要求使用的水质标准，再用 于小区环境用水和小区杂用水，称为中水回用。因其水质居于生活饮用水水质和允许排 放污水水质标准之间，取名为“中水”【3 4 】。中水因用途不同有两种处理方式：一种是将其 处理到饮用水的标准而直接回用到日常生活中，即实现水资源直接循环利用，这种处理 方式适用于水资源极度缺乏的地区，但投资高，工艺复杂；另一种是将其处理到非饮用 水的标准，主要用于不与人体直接接触的用水，如便器的冲洗，地面、汽车清洗，绿化 浇洒，以及消防等，这是通常的中水处理方式。用于水景、空调冷却等用途的中水水质 标准还应有所提高。 按处理方法，中水处理工艺一般分为3 种类型： ( 1 ) 物理处理法一膜滤法，适用于水质变化大的情况。采用这种流程的特点是： 装置紧凑、容易操作、以及受负荷变动的影响小。 膜滤法是在外力的作用下，被分离的溶液以一定的流速沿着超滤膜表面流动，溶液 中溶剂和低分子量物质、无机离子从高压侧透过滤膜进入低压侧，并作为滤液而排出； 而溶液中高分子物质、胶体微粒及微生物等被超滤膜截留，溶液被浓缩并以浓缩形式排 出。 新加坡的n e w a t e rp l a n t ( 新生水厂) 和韩国的三星公司均采用c m f r o 技术，处 理能力分别为1 2 0 0 0 m 3 d 和3 0 0 0 m 3 d ”。p c i 公司在英国千年宫水回用工程中采用u f 、 n f 、r o 技术处理生活污水和雨水，回用于冲刷厕所，供应量为5 0 0 m 3 d 。我国有使用 膜生物反应器处理生活污水的报道，经过1 1 0 天的运作，均得到稳定而优质的膜过滤出 张兴文：城市水循环经济模式与技术支持系统 水，符合杂用水水质标准。对c o d 。，的去除率可提高1 3 - 3 0 。并具有较强的抗冲击负 荷能力。一体式膜生物反应器中水处理系统对经预处理后的港口污水的油类去除率均保 持在7 0 8 5 。北京一个人口为2 5 万的居民小区采用膜生物反应器的中水处理系统，出 水水质明显高于生物接触氧化法。 ( 2 ) 物理化学法一适用于生活污水水质变化较大的情况。一般采用的方法有：砂 滤、活性炭吸附、气浮、混凝沉淀等。这种流程的特点是：采用中空纤维超滤器进行处 理，技术先进，结构紧凑，占地少，系统间歇运行，管理简单。 该法以u v 、臭氧、活性炭吸附相组合为基本方式，与传统二级处理相比，提高了 水质。意大利南部采用了u v 单元给二级出水消毒，当u v 的剂量为1 6 0 m w s c m 2 时， 大肠杆菌失去活性，回用水达到意大利的农业回用标准。o r e g e n 用脉冲u v 消毒系统取 得令人满意的结果。c a l i f o r n i a 使用臭氧和颗粒状活性炭g a c 工艺处理大量的二级出水。 西班牙水处理厂用过量的臭氧( 剂量大于9 m g l ) 对过滤后的二级出水消毒，再用于农 业灌溉。 物理化学处理法的工艺流程为：原水一格栅一调节池一混凝处理或气浮一过滤一消 毒一中水。 ( 3 ) 生物处理法一适用于有机物含量较高的生活污水。一般采用活性污泥法、接 触氧化法、生物转盘等生物处理方法。或是单独使用，或是几种生物处理方法组合使用， 如接触氧化+ 生物滤池；生物滤池+ 活性炭吸附：生物转盘+ 砂滤等流程。这种流程具 有适应水力负荷变动能力强、产生污泥量少、维护管理容易等优点。 据报道，德国采用活性污泥s b r 和生物膜s b r 插入到主体活性污泥反应器中脱氮， 脱氮率可达9 0 。日本认为s b r 活性污泥工艺是小型废水处理厂最有前途的工艺，适 合在城市地区使用。法国的水处理厂一般采用活性污泥和氧化塘技术，也有采用活性污 泥一u v ( c 1 2 ) 技术和采用生物滤池一土壤渗滤技术。意大利东北部寒冷地区的v r 废水 处理厂用移动床生物膜反应器以满足该地区夏冬季大量旅游者带来的生活废水处理的 需求 1 1 。生物处理法的工艺流程为：原水一格栅一调节池一一段生物处理一沉淀一二段 生物处理一沉淀一过滤一消毒一中水。 中水回用的经济性是决定其能否广泛应用的关键因素之一。中水回用的成本由污水 收集、污水处理、回用供水、污泥处理、中水回用运行费用等组成，其第一要素是处理 规模。随着水回用技术的发展，水处理规模逐渐扩大，成本开始逐步下降。2 0 世纪7 0 年代，中水处理规模为5 - 1 0 m 3 d 的情况下，成本为自来水价格的三倍，1 9 9 5 年，类似 规模中水工程成本在生活用水价格和商业用水价格之间。居民小区处理规模为1 0 m 3 d ， 生活污水处理设备固定投资为3 5 0 0 元，运行费用1 2 元m 3 。据国内专家的统计，当采 用小区污水为中水水源时，人口大予1 万或中水用水量达到7 5 0m 3 d 以上为经济；当采 用处理厂二级出水为中水水源时，与附近处理厂结合能充分发挥效益。目前，在居民小 大连理- j ：火学博士学位论文 区内修建中水回用系统，其成本远低于自来水的价格，在经济上具有极强的竞争力。 通过上述的经济分析可知，中水回用具有重要的实际意义。首先，比远距离引水造 价低。由于小区中水回用处理装置安装在小区内，减少了输水管线的基建投资和运行费 用，将污水处理到杂用水程度，其基建投资只相当于从3 0 千米外引水，若处理到可回 用作较高要求的工艺用水，其基建投资相当于从4 0 一6 0 千米外引水。 其次，比海水淡化经济。由于小区生活污水污染物浓度较低( 小于o 1 ) ，可生化 性较好，处理难度较小，而且可用深度处理方法加以去除。因此，当生活污水的排水作 为中水水源时，主要污染物的浓度指标c o d 。、b o d 5 、s s 、n h 3 - n 可满足处理技术要 求。而海水则含有3 5 的溶解盐和大量有机物，其杂质含量为污水二级处理出水的3 5 倍以上，因此无论基建费或单位成本，海水淡化都超过污水回用。 小区污水回用开辟了第二水源，降低了小区新鲜水取用量，经处理后的污水回用于 小区，减少了污水的排放量，减轻了受纳水体的污染，也减少了治理环境污染的投资。 所以污水回用既节约了水资源，也消除了环境污染，具有多重效益。中水回用，实现污 水资源化，是目前解决节水治污两大问题的最有效的途径，在水资源严重短缺的当今社 会有着重要意义。 1 2 石化企业废水的处理与回用 1 2 1 石化企业用水现状 中国石化的水资源状况可以用“地区不同，水资源状况差异很大”来概括。以人均 水资源占有量来衡量，中国石化下属企业所处地区的人均水资源占有量为1 6 0 4 7 0 t ，有 6 0 以上的企业处在严重缺水地区。如胜利油田和中原油田均属典型的水资源缺乏地 区，辽宁和华北的炼化企业更是位于严重缺水地区。有的企业已出现用水紧张现象，不 得不对职工用水实行限时限量供应。中国石化的用水、节水管理工作起步较早，成效也 比较显著。如表1 1 所示，2 0 0 2 年中国石化的取( 新鲜) 水量为1 3 5 g t ，比2 0 0 1 年减少 5 6 ：工业水重复利用率以约2 的水平逐年提高；2 0 0 2 年炼化企业加工每吨原油耗水 量1 6 4 t ，同2 0 0 1 年相比降低了1 3 3 ；在生产规模不断扩大的同时，万元工业产值耗 水量也成连年下降趋势。与全国工业企业目前的平均水平( 万元工业产值耗水量3 4 0 t ， 工业水重复利用率5 0 ) 相比较，中国石化用水情况处于领先地位。 张兴文：城市水循环经济模式与技术支持系统 表1 1 近年来中国石化用水情况 t a b l e1 1t h ew a t e rc i r c u m s t a n c eu s e df o rc h i n e s ep e t r o c h e m i c a lw o r k s 1 2 2 石化废水处理与回用的研究与应用现状 石化企业是用水大户，也是排污大户。由于在生产过程中消耗水量很大，国内外都 在探寻有效方法以节省耗水量。 目前中国石化集团公司循环水场已近3 0 0 座，冷却塔约18 7 0 座，循环水量约1 4 0 1 0 6 m 。据统计，国内石化企业消耗水量约占全国工业用水量的2 7 8 。这个比例远 高于工业产值所占的比例，而且与国外先进石化企业相比有较大的差距。 从企业本身考虑，因为如下需要，改革用水工艺，减少工业用水，提高循环用水率 势在必行。从而工业污水回用是开拓水资源，大量节约新鲜水的重要途径。 减少新鲜水使用率： 遵守排放许可； 考虑法律禁止排放物质： 经济上考虑。 使用回用水，会大大降低新鲜水消耗，在经济上会直接产生效益，多数企业对此非 常重视，这为此方面的研究与应用创造了良好条件。 石化污水深度处理回用，一方面可以降低难降解有机污染物排放总量，减少对环境 污染的危害；另一方面可以提高水资源重复利用率。节约水资源，降低生产成本；第三， 由于石化企业很多都位于城市，此举可以大大缓解城市缺水危机。 因此，自2 0 世纪9 0 年代以来，石化企业高度重视污水深度处理回用，国内外已有 小部分企业将污水经过二级生化处理后，再经过深度处理回用于部分工艺水、冷却循环 水补充水、锅炉水、清洁冲洗用水、绿化用水、建筑用水等。根据石化企业的特点，在 水质符合要求的前提下，回用于循环冷却水补充水是较好的选择。 国内外学者对石化污水深度处理工艺研究所做的工作目前还较少，工艺各有利弊， 大连理工大学博士学位论文 主要有生化处理、混凝沉淀、活性炭过滤、选择性离子交换、微滤、：超滤、反渗透等技 术。现将其中较典型的工艺介绍如下。 ( 1 ) 臭氧预氧化与生物活性炭组合工艺 台湾学者l i nc h i k a n g 等人1 5 】采用臭氧预氧化，改善石化二级出水的可生化性：然 后用流化床生物活性炭生物膜反应器进行好氧生物处理。所处理的石化二级出水含有丙 烯腈丁二烯一苯乙烯( a b s ) 。试验结果表明为改善难生物降解有机物降解率而进行的臭 氧预氧化，最佳反应时间和最佳臭氧投加量分别为3 0 m i n 和1 0 0 2 0 0 m 9 0 3 h 。在经3 0m i n 的臭氧预氧化后，进水与出水的b o d 5 c o d 。，有了明显的增长，大约从2 0 增长至3 5 。 但当预氧化时间超过3 0 r a i n 时，b o d 5 c o d 。，会随时间增长而下降。因此，3 0 r a i n 的预 氧化是最有效与最经济的。深度处理石化二级出水时，臭氧的利用率为6 0 左右。臭氧 预氧化时溶液p h 值的变化不明显。流化床b a c 深度处理反应器最佳进水流量和最佳 曝气量分别为1 6 l h 和1 2 0 1 5 0 m l m i n 。在二级处理系统中，当有机负荷为 3 2 6 3 k g c o d 。r r n 3 * d a y ，h r t 为6 0 h 时，c o d 。，去除率为8 5 9 5 ；当用作深度处理系 统时，h r t 也为6o h ，有机负荷为0 6 1 6 k g c o d 。r m 3 * d a y ，c o d 。，去除率为7 0 9 0 。1 b a c 床中的活性炭由热再生系统进行再生，再生之前的使用时间比g a c ( 粒状活性炭) 系统延长了4 5 倍。b a c 的运行费用比g a c 的运行费用节省2 3 倍。估计生物膜加强 的c o d 。，去除能力不仅由于驯化微生物增长的c o d 。，去除能力，而且还因为生物膜生态 系统中微生物的种类演替。 此工艺在实际工业应用上尚有几处难点，一是臭氧发生器投资与电耗太高：二是臭 氧预氧化会产生生物毒性的增长，可能反而会不利于生物降解；三是移动床填料生物炭 再生较为复杂，费用较高。 ( 2 ) 混凝沉淀一过滤一消毒工艺 国内学者姚钟伦【6 】单独采用高效纤维过滤器石化废水处理厂二级出水的处理试验。 高效纤维过滤器运行流速高，截污能力大，易于清洗，具有深层过滤机理。试验所处理 的石化污水厂的污水来源主要是各生产厂的工业废水，有机物主要有甲苯、二甲苯、甲 醇、甲醛、乙醇等碳氢化合物，试验原水取自石化厂污水二级处理出水，原工艺流程如 图1 1 所示。 应用高效纤维过滤器对石化污水进行深度处理是去除水中的c o d 。，和s s ，因为在 污水回用水冷却及生活用水中的这两项主要指标，只有降到建议指标的水平( c o d c r 4 0 m g l ，浊度 5 m g l ) ，刁能很好地满足回用的需要。因此，根据这一要求，研究以混凝 沉淀一过滤一消毒作为试验的技术流程。由于二级出水中悬浮物数值大，浊度也大，而水 中的c o d 。，分为溶解性c o d 。，和悬浮性c o d 。，两部分。后者也含在二级出水的悬浮物中， 因此若能有效地去除水中的悬浮物，即可同时降低二级出水的浊度和c o d 。，。试验重点 做了不投药，二级出水直接经高效纤维过滤器过滤的研究，以考察在各种进水浊度下， 张兴文：城市水循环经济模式与技术支持系统 高效纤维过滤器对水中悬浮物和c o d 。，的去除作用。 各工厂污水 - - - - - - - - - - - - 二同 图1 1 石化污水二级处理工艺流程图 f i g1 1t h ef l o wd i a g r a mo f t h ep e t r o c h e m i c a lw a s t e w a t e rs e c o n d a r yt r e a t m e n tp r o c e s s 结果表明高效纤维过滤器对低浊度原水的处理效果最理想，但从浊度和c o d 。，的平 均去除率来看，则呈相反情况，高浊度时去除率最大，低浊度时去除率最小，中浊度介 于两者之间。这是因为原水浊度越大，悬浮物量越大。因此，虽然高浊度时出水水质较 差，但对水中悬浮物总的去除率却要优于前两种工况，而又由于水中的5 0 左右的 c o d 。，是包含在悬浮物中的，过滤器对溶解性c o d 。，没有很强的去除能力，所以在高浊 度时对浊度去除率最大，则c o d 。，的去除率也最大。 综上所述高效纤维过滤器在技术性能上有其独特的优点；而从经济效益看，高效纤 维过滤器也有其它过滤器不可比拟的优点。 设备投资少 由于高效纤维过滤器运行流速高，平均可达3 0 m h ，是石英砂过滤器运行流速的4 倍左右。因此。可以说同等规格的高效纤维过滤器的设备效率是石英砂过滤器的4 倍左 右，即采用一台高效纤维过滤器可以起到4 台石英砂过滤器的作用。 节省占地面积和基建投资 由于高效纤维过滤器运行流速高，一台高效纤维过滤器可以起到4 台同等规格的石 英砂过滤器的作用：凶此，在获得同样设备效率条件下，高效纤维过滤器占地只相当于 石英砂过滤器1 4 ，就是一台高效纤维过滤器可以节省三台同等规格石英砂过滤器的占 地面积及厂房。 自用水耗低 高效纤维过滤器的反洗，由于可将纤维置于松散状态下用气水同时进行清洗，而且 还可以从正反两个方向进行清洗，所以清洗比较彻底。另外，高效纤维过滤器的反洗自 用水耗大致在2 0 3 左右，由于高效纤维过滤器在自用水耗方面明显优于传统的石英 砂过滤器，从而可以大量节约水费、排污费及各种费用。 试验结果表明：在原水水质正常情况下，经过高效纤维过滤器的处理，其出水浊度 3 m i g ，l ，c o d c r 4 0i t i g l ，满足二级出水回用于工业的需要。 r 大连理j ：大学博士学位论文 = - t 试验把原水分为低浊度( 1 0m g l ) 、中浊度6 1 0 4 2 0m g l ) 、高浊度( 9 2 0i t i l ) - - 种 工况。经高效纤维过滤器对低浊度原水的处理效果最为理想，浊度小于3m g l ，c o d c r 小于4 0m g l ，完全可以满足二级出水回用的水质要求。 此工艺在当时( 1 9 9 8 年) 适用，但随着工业冷却循环水补充回用水标准的提高( 一般认 为标准为c o d c r 3 0 m g l ，浊度 5m g l ；b o d s 3 m g l ) ，因此单独用高效纤维过滤器己 无法满足水质标准。主要是因为此工艺对溶解性c o d 。，无法有效去除。 ( 3 ) 混凝沉淀、活性炭吸附和反渗透除盐混合工艺 清华大学尤作亮等人【7 j 以齐鲁石化橡胶厂排放的丁苯废水和顺丁废水为对象，对石 化行业橡胶工业废水深度处理的可行性进行了试验研究，并对处理方案进行了经济分 析。结果表明，橡胶废水以混凝沉淀、活性炭吸附和反渗透除盐进行深度处理在技术上 可行，并具有一定的经济效益。 该厂废水排放量约为2 0 0 t h ，其中丁苯废水约8 0 t h ，经气浮处理后与约1 2 0 t h 的 顺丁废水混合，再经沉淀隔油和二级生化处理后达到外排标准，各种废水水质情况见表 1 2 。 、 表1 2 橡胶废水水质情况 t a b l e1 2t h ew a t e rq u a l i t yo f t h er u b b e rw a s t e w a t e r 试验中将丁苯废水和顺丁废水混合生化处理后的出水为原水，进行深度处理，见图 1 2 。 由于生化处理出水中含有较多的悬浮物，造成砂滤池滤料截污量过大，反冲困难， 出水变差，因而在生化出水与砂滤池间增加混凝沉淀以去除过高的悬浮物和胶体物质， 并加氯消毒；活性炭对废水中少量可溶性难生物降解有机物具有良好的吸附性能，广泛 应用于废水的深度处理：废水中含有较多的无机盐类，一般在1 1 0 0 m g l 左右，回用前 必须进行脱盐处理，考虑到反渗透淡水回收率较高、能耗较低，并能在一定程度上去除 水中其它杂质，因而采用反渗透除盐。 该研究以混凝沉淀、活性炭吸附和反渗透除盐混合工艺为研究重点，生化处理采用 张兴文：城市水循环经济模式与技术支持系统 普通方法。 混合污水+ 圆一区因一圈 回用 排放 淡水 图1 2 橡胶工业混合废水深度处理工艺流程 f i g1 2t h ef l o wd i a g r a mo f t h er u b b e ri n d u s t t i a lm i x - w a s t e w a t e rt e r t i a r yp r o c e s s 混凝沉淀：以浊度和c o d 。，为检测项目，对p f s ( 聚合铁) ，f e c l 3 、p a c ( 聚合铝) 和s e g 2 型液体聚合铝四种混凝剂进行了对比试验，结果见表1 3 。从表1 3 可知，p f s 的混凝效果最好，浊度与c o d 。，去除分别达8 8 7 和4 2 9 ，但是增加了水中的铁离子 含量和水体色度，对后续反渗透处理不利。p a c 和s e g 一2 型混凝剂的沉淀效果相近， 但p a c 形成的絮体小而轻，沉降速度约需3 0 m i n 才能完成沉降，而s e g 一2 型混凝剂形 成的絮体较大，沉降速度快，约2m i n 即能完成沉降过程。以p a m 为助凝剂，试验发 现可提高混凝剂的沉淀效果，其最佳投加量为3 m g c l 。根据试验选定的混凝剂为s e g 一2 型液体聚合铝，投加量3 0 0 m i l 。 表1 3 混凝沉淀试验结果 t a b l e1 3t h er e s u l to f t h ec o a g u l a t i o ns e d i m e n t a t i o n l 圃 一 火连理：【大学博士学位论文 活性炭吸附：采用z j l 5 型颗粒活性炭。由静态吸附试验结果设计了活性炭的动态 吸附试验，将砂滤出水以9 m h r 过直径为1 5 0 m m 的活性炭吸附柱，每隔2 h 取水样分析 其c o d 。，直至出水c o d 。，达1 5 m l ( 反渗透进水允许最大值) 为止，试验结果列于 表1 4 。 反渗透除赫：反渗透采用t f r o 低压中空醋酸纤维反渗透膜，运行压力1 2 m p a ， 淡水产量8 0l m 。初步试验结果表明，无机盐由1 2 5 0m g l 降至1 0 0m g l ，去除率在 9 0 以上，出水c o d 。，在5 m g l 以下，单次回收率3 0 左右，淡水回收率8 5 ，处理 后淡水含盐量低于当地地下水，可以作为生产工艺源水。 结果表明，深度处理可将废水s s 降至l m g l ，c o d 。，一 5 m g l ，含盐量1 0 0m g l 。 水质可回用于生产，直接用于生产工艺源水；处理方案可实现橡胶废水的深度处理，技 术上可行。 。 该研究工艺所处理后的水可以直接作为工艺源水，所以工程造价较高。其中反渗透 装置占一次性投资的6 0 。运行费用较高( 大部分为反渗透的药剂费与活性炭费用) ， 为1 5 5 元m 3 水。因此普通企业无法承受。所以推广受限。 另外反渗透装置对无机盐、有机物等都有较好的去除效果，但其耐用性能尚需进一 步试验确定。 如果回用水用于循环冷却水补充水，则水质要求不必过于严格。 ( 4 ) 生物接触氧化、絮凝沉淀、过滤、消毒杀菌混合工艺 徐宝成等人 8 以典型石化企业大庆石化公司为例，讨论了污水深度处理回用工程的 合理性、必要性及可行性，并以化肥、热电两厂排水和兴化生活污水为回用原水进行了 污水深度处理和回用的中型试验。 实验以化肥厂总排水、热电厂总排水、生活污水按1 ：1 ：l ( c o d 。，分别为1 1 4 、6 04 5 、 8 6 m j l ) 比例混合的污水为原水。根据原水水质特点和污水回用于循环水补充水的水质 要求，污水深度处理工艺应满足以下要求：能进一步降低原水中残留的c o d 。，、b o d s ； 尽可能去除n h 3 一n 和总磷；去除悬浮物、降低浊度；消毒、灭菌等。因此，选择工艺 张兴文：城市水循环经济模式与技术支持系统 为生物接触氧化、絮凝沉淀、过滤、消毒混合工艺。 混合原污水首先进入调节池，在调节池内经沉砂、均质后提升进入生物接触氧化塔； 塔内填充烧结的耐水填料，以利微生物驯化、繁殖和挂膜，经生物接触氧化塔处理后， 污水中的c o d 。，、b q d 5 、n h 3 - n 、t - p 、o i l 等指标已明显降低；污水进入絮凝沉淀单 元后，通过投加絮凝沉淀药剂，污水中的s s 虽得到初步沉淀，但澄清出水s s 含量仍不 能满足要求，因此由压滤泵升压后进入压滤单元( 精密过滤单元) ；压滤单元采用l l y - 3 0 0 型精密过滤器，具有良好的s s 去除效果，压滤出水s s 含量已较低，自流进中间水箱， 中间水箱出水除提供一部份压滤( 精密过滤) 系统定期反冲洗用水外，全部自流入臭氧 消毒杀菌单元；经臭氧消毒杀菌后，回用于循环冷却水补充水。 通过试验，确定了混凝剂、助凝剂及杀菌剂的类型、浓度及过滤压力等参数。 混凝剂采用p a c ( 聚合氯化铝) ，投加浓度为1 6 2 4 m g l ：助凝剂为8 0 1 a ，浓度为 2 m g l ；杀菌剂采用臭氧，水中0 3 浓度为5 6 m g l ，投加时间为4 0 6 0 m i n ；过滤单元采 用l l y - 3 0 0 型纤维束精密过滤器，运行压力为o 5 0 6 m p a 。” 结果表明：深度处理工艺对原污水中c o d 。b o d 5 、总磷、氨氮、悬浮物、浊度、 o i l 、总铁等均有很好的去除效果，见表1 5 。作为冷却循环水补充水使用，经过静态阻 垢和旋转挂片试验及动态模拟试验，腐蚀速度达到中石化良好级水平，粘附速度和污垢 热阻达到中石化允许级水平。 表1 5 深度处理试验主要污染物去除效果 t a b l e1 5t h em a i np o l l u t a n t sr e m o v a lw i t ht h et e r t i a r yt r e a t m e n tp r o c e s s 该研究结果较好，有一定的实用性，但试验所采用的原水水质较好( c o d 。，平均值 为6 8 9 m g l ，b o d 5 平均值为3 5 7 m g l ，b o d 5 c o d 。，为o 5 2 ) ，可生化性非常好，因 此生化处理采用接触氧化可以将原水c o d 。，去除6 3 7 5 ，总去除率为8 1 o 。而多数 石化二级处理出水水质的可生化性较差。另外消毒采用臭氧发生器的投资较大，电耗较 高。 1 3 城市污水处理厂二级出水深度处理与回用 美国人均水资源拥有量接近1 2 0 0 0 立方米【9 】，虽是世界水资源较丰富的国家，仍对 大连理： 大学博士学位论文 污水资源化非常重视。其污水( 资源化) 回用率2 0 0 0 年达7 2 ，广泛用于工业冷却水 及锅炉用水的补给水、农业及绿地灌溉、城市环境景观、回灌地下水等，回用水量约为 9 4 1 0 9 立方米年i l 。日本1 9 9 6 年再生水使用情况如图1 3 。1 9 9 3 年德国污水二级处 理普及率达9 0 ，深度处理普及率达4 8 ，芬兰的这两项指标分别达到8 8 和7 7 ，瑞 典则分别达到9 5 和6 7 j ，而我国人均水资源拥有量不足2 3 0 0 立方米；处理率只能 达到2 0 左右l l ，为解决我国水资源危机，必须加快污水资源化的步伐。r 图1 3 日本再生水主要用途结构( 1 9 9 6 年统计) f i 9 1 3 t h ec o n f i g u r a t i o no f t h e m a i nh s eo f t h er e u s e d w a t e r i nj a p a n ( 1 9 9 6s t a r ) 1 3 1 污水用于农业灌溉 这是一个古老而且永不过时的应用方向。大约从1 9 世纪6 0 年代起，世界许多地方， 如德、英、俄等国就将城市污水用于大面积草地灌溉。现今美国洛杉矶等加州西部一些 城市、亚里桑娜州、得克萨斯州等都在将处理后的污水用于农业灌溉。原苏联曾计划在 1 9 8 0 年底有5 0 的城市污水处理后用于农灌。在以色列，污水回用于农业的比例达8 5 1 0 0 。科威特拥有317 t d 的市政污水回用系统，它是世界