（环境工程专业论文）给水厂生产废水回用的小试研究.pdf

哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 摘要 我国水资源日益匮乏和水污染日趋严重的现状使污水回用成为解决城市 缺水问题的有效途径。给水厂生产废水约占水厂总制水量的3 7 ，这部 分废水未经工业污染，相对城市污水，水质较好易于处理；但目前大部分水 厂将这些生产废水直接排入水体，这样做不仅浪费了大量的水资源，更造成 下游河体的淤积和污染。 本课题即是寻求给水厂生产废水回用的最佳方式，即生产废水回用的最 经济含固率。给水厂生产废水包括沉淀池或澄清池排泥水和滤池反冲洗废 水，试验对这两种生产废水及它们的混合水回用的作用效果进行了研究，结 果表明在相同的含固率条件下三种回用水对混凝过程的改善效果大致相同。 通过烧杯试验确定回用不同含固率生产废水所需的达标药耗，与原水的 达标药耗值进行比较，从而确定不同原水条件下的最经济含固率。并利用正 交试验，研究原水水质对最经济含固率的影响，研究结果表明最经济含固率 的大小主要受到原水浊度的影响。 在已知最经济含固率的情况下，测定回用最经济含固率后沉淀水和滤后 水的水质指标，并与未回用生产废水的沉淀水和滤后水的水质指标( 包括浊 度、浊度、p h 值、耗氧量、氨氮和铁、铝离子含量) 进行比较，发现除了沉 淀水耗氧量、氨氮略有增加，沉淀和滤后水p h 值略有降低外，其余各项均 要优于未投加值，且所有检测的指标均在允许范围内，这说明回用最经济含 固率对测定的水质指标没有不良影响。 本文还对回用生产废水的经济效益进行了分析，结果表明：采用最经济 生产废水回用方式，每年可以节省混凝剂费用2 0 3 5 ，经济效益十分显 著。 关键词给水厂；生产废水；最经济含固率；模型 堕玺鎏三、业查兰三兰垒；：兰堡丝塞 a b s t r a c t w a s t ew a t e rr e c y c l eh a sb e c o m i n gt h ee f f e c t i v em e t h o de m p l o y e di nr e l e a s e t h el a c ko fw a t e rs u p p l yi nc i t i e s ，b e c a u s eo ft h ed e c r e a s i n go fw a t e rr e s o u r c e a n da g g r e g a t i n go fw a t e rp o l l u t ep r e s e n t l yi no u rc o u n t r y w a s t ew a t e rp r o d u c e d f r o mw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e st a k e st h e t o t a l o u t p u tb y 3 7 ，w h i c h d o e s n ts u f f e rf r o mi n d u s t r i a lc o n t a m i n a t i o ni sa v a i l a b l ef o rt r e a t m e n t c o m p a r e d w i t h m u n i c i p a ls e w a g e ， s u c hk i n do f w a s t e w a t e ri sm o r ea v a i l a b l e f o r t r e a t m e n t h o w e v e r ，a tp r e s e n t ， m a j o r i t yo f t h i sp a r to fw a s t e w a t e rh a sb e e n d i s c h a r g e di n t o r e c e i v e dw a t e rb o d yi n s t e a d ，t h i sr e s u l t sn o to n l yi ns e r i o u s w a s t eo fw a t e rr e s o u r c e ，b u ta l s oi ns i l t i n ga n d p o l l u t i o nt ol o w e r r e a c h e s t h i s p a p e r i s a i m i n g a t f i n d i n g a l l o p t i m i s t i cp a t h w a y f o rr e u s eo f w a s t e w a t e rg e n e r a t e df r o mw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s t h em o s te c o n o m i c a l s o l i d - c o n t a i n i n gr a t eo fr e u s eo fw a s t e w a t e r g e n e r a l l y ， w a s t e w a t e rp r o d u c e d f o r mw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sc o m p o s e so fs l u d g ei nw h i c hw a t e ri si n v o l v e d f r o ms e d i m e n t a t i o nt a n ko rc l a r i f i e ra sw e l la sw a s t e w a t e rf r o mb a c kw a s hf o r f i l t e r t h i s p a p e rg i v e s a s t u d yo nr e u s ee f f e c t i v e n e s s o fs u c ht w ok i n d so f w a s t e w a t e rr e s p e c t i v e l ya n dm i x t u r e r e s u l td e m o n s t r a t e st h a ta m e n d m e n tt o c o a g u l a t i o nb yt h e s et h r e es o r t so f r e u s ew a t e ri s a p p r o x i m a t ei d e n t i c a la tt h e s a m es o l i d c o n t a i n i n gr a t e c o a g u l a n t c o n s u m ew a sd e t e r m i n e db y j a rt e s tw i t hv a r i o u ss o l i d - c o n t a i n i n g r a t eo fw a s t ew a t e l c o m p a r e dw i t i lc o a g u l a n td o s a g e o fr a ww a t e rw i t h o u t a d d i n gw a s t ew a t e r ， w ec a l lg e tt h em o s te c o n o m i c a ls o l i d - c o n t a i n i n gr a t eo f v a r i o u sr a ww a t e r a tt h es a m et i m e ，d u r i n go r t h o g o n a lt e s t ，w e i n v e s t i g a t e d t h ee f f e c to ft h em o s te c o n o m i c a ls o l i d c o n t a i n i n gr a t ef r o mt h eq u a l i t yo fr a w w a t e r t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h et u r b i d i t yo fr a ww a t e ri st h em o s te f f e c t i v e f a c t o rt ot h em o s te c o n o m i c a ls o l i d - c o n t a i n i n gr a t e u n d e rg i v e ne c o n o m i c a l s o l i d - c o n t a i n i n g r a t e c o n d i t i o n ， w a t e r - q u a l i t y 堕尘堡三些查兰王耋堡当兰堡篁兰 i n d e xr i n c l u d e s t u r b i d i t y ，t e m p e r a t u r e ，p h ， c o d m n ，a m m o n i a n i t r o g e n ， a l u m i n u mi o nc o n c e n t r a t i o n ) i sd e t e r m i n e dt ot h es e t t l e dw a t e ra n d f i l t e r e dw a t e rw i t ha d d i n gt ot h ew a s t ew a t e rw i t ht h em o s te e o n o m i c a ls o l i d - c o n t a i n i n gr a t e ，a n dc o m p a r e d w i t hr a ww a t e rw i t h o u ta d d i n gt ow a s t ew a t e r ， w ef o u n dt h a tt h ef o r m e ri n d e x e sg e n e r a l l ya p p r o p r i a t et h a nt h el a t e r ， e x c e p t c o d m na n da m m o n i an i t r o g e no f s e t t l e dw a t e ra n db o t ht h ep h ，w h i c hc a n i n d i c a t e dt h e r ei sl i r l ei n v e r s ea f f e c t i o nw i t ha d d i n gt h em o s te c o n o m i cs o l i d c o n t a i n i n gr a t ew a s t e w a t e rt ot h er a ww a t e r w ea l s oa n a l y s e dt h ee c o n o m i cb e n e f i t sb yr e u s ew a s t ew a t e lt h er e s u l t s h o w si th a sa l lo b v i o u se f f i c i e n c ya n dc a ns a v et h e c o s to fc o a g u l a n t b y 2 0 3 0 k e y w o r d s w a t e rt r e a t m e n t p l a n t ；w a s t e w a t e r ；e c o n o m i c a ls o l i d - c o n t a i n i n g c o n c e n t r a t i o n ；m o d e l - i l i 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景与意义 1 1 1 我国水资源的现状与问题 水，作为人类所需的不可替代的一种资源，是社会持续发展的重要支柱 之一。近百年来城市化、工业化和农业集约化的高速发展，人口爆炸性的增 长，给全球资源、环境都带来了巨大的压力。人类自身生存发展不仅消耗巨 量水资源，而且还向环境中排放大量的污染物，造成水环境的明显恶化，使 全球可利用的淡水资源曰益减少，供需矛盾加剧【l j 。 我国水资源总量为2 8 万亿m 3 ，居世界第6 位，然而由于人口众多， 人均水资源量为2 4 0 0 m 3 ，约为世界人均占有量的1 4 ，排在世界第1 2 l 位， 是世界1 3 个严重缺水的国家之一f 2 。据有关部门统计，全国6 6 9 个城市中 4 0 0 个城市常年供水不足，其中有1 1 0 个城市严重缺水，日缺水量达1 6 0 0 万m 3 ，年缺水量6 0 亿m 3 【3 】。由于缺水，每年影响工业产值2 0 0 0 多亿元， 天津、长春、大连、青岛、唐山和烟台等大中城市已受到水资源短缺的严重 影响。水资源的匮乏已经在一定程度上制约了国民经济的发展和人民生活水 平的提高，在个别缺水地区，水资源问题甚至已严重影响了人民群众的正常 生活f4 1 。 我国水资源在时空分布的不均匀是造成水资源短缺的一个方面。我国水 资源主要来源于降水，降水遭受大气环流、海陆位置以及地形、地势等因素 的影响，在地区分布上不均匀，总格局是南方多，北方少，东南多，西北 少。在时间分布方面更显不平衡，大多数降水集中于7 、8 、9 三个月份。我 国西北、华北以及沿海缺水地区首水资源匮乏的影响，国民经济发展受到严 重的制约1 5j 。另外我国传统的社会经济发展模式以“高投入、高消耗、高污 染”为特点，水污染防治措施不够完善，缺乏有效的管理和明确的水污染防 治目标，大量城镇污水未经处理或处理但未达标就直接排入水域，已造成 1 3 以上的城市河段污染，全国9 0 以上的城市水环境恶化，全国监测的河 哈尔滨工业大学丁学硕士学位论文 段有一半水质不符合饮用水源标准1 6 j 。 随着人口的增加，经济的发展，水资源匮乏及水环境污染的问题会越来 越严重。处理好水资源和经济发展的关系已经成为我国社会和国民经济可持 续发展的一个关键性因素。 1 1 2 污水回用是解决城市缺水的有效途径 我国的缺水形势在2 0 世纪8 0 年代就已经显露出来，而且呈逐年发展的 趋势。为了解决缺水问题，许多城市采取了相应的措施：海水淡化利用；建 立水库，储存雨水；提高水价；天津、青岛、西安等大城市更是投巨资远程 调水【7 1 。通过采取这些措施在一定程度上缓解了城市缺水的问题，但是，海 水淡化成本较高，建立水库、远程引水等工程的基建投资和运行费用往往很 高，实施起来有很大难度。目前世界各国尤其是比较发达的国家大都采用将 城市污水回用的做法作为解决城市缺水问题的首选方案【8 。1 ”。 长期以来，人们把用过一次的水称为“污水”，总把这种水认为是“污 浊的”、“肮脏的”，事实上水在自然界中是唯一不可替代的，也是唯一可以 重复利用的资源。人类使用过的水，污染物质含量仅为0 1 左右，比海水 的3 5 的杂质含量低得多。经过适当的再处理，可以重复利用，实现水资 源使用的良性循环。城市污水就近可得易于收集，再生处理比海水淡化成本 低，处理技术也比较成熟，基建投资比远距离引水经济，当今世界各国解决 缺水问题时，城市污水被选为可靠的第二水源【1 2 】。 城市再生污水回用是兼具节省水资源、开发水资源和减少水环境污染的 有效途径，因此，污水回用技术具有一定的环境效益、经济效益【l3 和社会 效益。 1 1 3 低浊度水处理问题 浊度是判断水澄清与否的标准，浑浊的水中可能含有微生物和有机物等 对人体有害的物质，造成水浑浊的粒子主要来自于剥蚀的土壤、排放的废水 和大量水中生物的尸体。 根据学者钟淳昌的一篇文献【1 4 】介绍，按浊度值的大小可将水源划分为 以下三类：( 1 ) 低浊度水源，指浊度低于3 0 n t u 的地面水；( 2 ) 高浊度水 哈尔滨工业大学：仁学硕上学位论义 源，指黄河以及长江上游河段，洪水期大量泥沙流入水体，形成高含沙量的 原水。具体而言，对于长江是指洪水期经常出现( 2 0 - 3 0 天) 浊度大于 1 0 0 0 n t u 且数次出现5 0 0 0 n t u 以上的浑水。( 3 ) 中浊度水源，指低浊度和 高浊度原水以外的水源。 深圳市水务集团水技术研究所为了对国家“8 6 3 ”项目“南方地区安全 饮用水保障技术”所取得的技术成果进行推广，对南方地区武汉、长沙、厦 门等1 2 个城市的应用水水源的水质状况进行了调查l l ”，其应用水水源地包 括了长江、汉江、湘江、岷江、九龙江等1 1 处，调查结果显示其中的低浊 度水源占了4 6 2 ；另外我国北方广大地区有长达5 - 6 个月的冰封期，水质 不仅长时间处于低浊度状态，江河水浊度为5 3 0 n t u ，水库水浊度为5 1 0 n t u ，而且还处于低温状态。 低浊水中的杂质，主要是以细的胶体分散体系溶于水中，而且胶体颗粒 比较均匀，胶体微粒具有很强的动力稳定性和凝聚稳定性，并且带负电的胶 体微粒数量很小。所以，为达到电中和所需的混凝剂也少，因此形成的絮凝 体细、少、轻，难于沉淀，易于穿透滤层。而且由于浊度较低，胶体颗粒数 目较少，使絮凝过程中颗粒碰撞的机率降低，影响絮凝过程的进行。因此， 低浊水的处理较常规水的处理困难。即使加大混凝剂的投加量，仍难以达到 要求的水质目标。解决低浊度水质净化技术的问题，是一项很有价值并十分 重要的现实问题【1 。 目前为提高低浊度原水的混凝效果，通常采用以下措施：( 1 ) 在投加铝 赫或铁盐的同时，投加高分子助凝剂，如活化硅酸或聚丙烯酰胺等，其作用 是为了改善絮凝体结构，促使细小松散的絮粒变的粗大而密实，作用机理是 高分子物质的吸附架桥。( 2 ) 投加矿物颗粒( 如粘土等) 以增加混凝剂水解产 物的凝结中心，提高颗粒碰撞速率并增加絮凝体密度。如果矿物颗粒能吸附 水中的有机物，效果更好，能同时收到部分去除有机物的效果。例如，若投 入颗粒尺寸为5 0 0 a m 的无烟煤粉，比表面积约9 2 c m 2 g ，利用其较大的比表 面积，可吸附水中某些溶解有机物，这在澄清池内国外已有应用。( 3 ) 采用 直接过滤法。即原水投加混凝剂后经过混合直接进入滤池过滤。滤料( 砂和 无烟煤) 即成为絮凝中心。( 4 ) 采用溶气气浮池。利用溶气气浮池处理低浊 哈尔滨工业大学工学硕士学位沦文 度水是近几年才开始研究的。其结构类似于浮滤池，但水流流态为紊流，而 且池底的滤床被布满圆孔的薄硬板所代替。v a l a d e 等7j 的试验显示，原水 温度和浊度分别为2 1 ，3 0 和o 7 9 1 2 7 n t u 时，采用溶气气浮工艺进行 处理，滤后水的浊度均可达到0 0 1 0 0 7 n t u ，效果良好。 1 1 4 给水厂生产废水的处理 在较长的时间里，人们更多的关注于工业生产的排污治理和污水回用 ”。而在给水处理方面，给排水工作者也只是对原水的微污染问题及饮用 水的深度处理问题进行了较多的研究。随着水资源可持续发展战略的提出， 给水厂的生产废水处理、环境保护及水资源的可持续利用逐渐得到重视。 给水厂在生产过程当中，自身会产生大量的生产废水。生产废水主要来 自沉淀池或澄清池排泥水和滤池反冲洗废水，其中包含了原水中的杂质以及 水厂投加的药剂残留物，其水量一般约占水厂总制水量的3 7 f 1 9 。 2 0 世纪7 0 年代以前，世界上先期建造的一些自来水厂排泥水处理设 施，很大程度上是沿用了污水厂的污水和污泥的处理方法设计，不能结合自 来水厂排泥水的特点综合考虑。随着经济的发展和人口的不断增长，近几十 年来，城市自来水厂的数量和规模显著增多和扩大，自来水厂集中排入水体 的排泥水也越来越多。大量的排泥水集中排入江河，不仅会淤积河床，妨碍 航运和行洪，而且还对水体造成了污染【2 。】。2 0 世纪6 0 年代，有人开始着手 认真研究自来水厂排泥水处理和污泥处置工作。各国研究人员调查了自来水 厂的排泥水处理与水厂净水工艺之间的关系，探讨了自来水厂排泥水与污水 厂污水处理之间的相同点和不同点，在总结已建成的自来水厂排泥水处理设 施的运行经验和教训基础之上，根据自来水厂排泥水特点，设计了许多自来 水厂排泥水处理和污泥处置的有效工艺、方法和设备。 目前，国内外对给水厂生产废水的处置主要有三种方式：( 1 ) 给水厂生 产废水直接排入附近水体。这种方法最为简单，但是国内外多数研究人员认 为给水厂生产废水外排后，其中含有的大量铝盐会对藻类的生长产生影响； 生产废水中污泥的沉积作用会造成水体中某些鱼类食物的短缺，影响鱼卵的 成活率等【z ”。但是，由于很难确定生产废水中的大量铝赫对受纳水体的实 际危害程度，各国现在仍允许生产废水外排，同时对外排还做出了具体的规 哈尔滨工业大学t 学硕十学位论文 定：l 对受纳水体中的水生生物作毒性试验，以确定外排是否有毒害作用； 2 含有铝盐的生产废水不能排入p h 6 的水体中；3 尽量避免将含有铝盐 的生产废水排入c a c 0 3 硬度小于5 0 m g l 的受纳水体；4 对受纳水体作奉献 评价。( 2 ) 给水厂自身配置较完善的排泥水处理和污泥处置设施。一般是将 沉淀池或澄清池的排泥水和滤池反冲洗废水分开或者合并收集。输送至生产 废水调节池，调节池上清液回流至配水井重复利用或直接排入水体。调节池 底部出泥进入浓缩池，最后经脱水机脱水形成泥饼。( 3 ) 给水厂生产废水通 过下水管道排入污水处理厂与污水共同处理，其费用比单独处理少，同时也 会给污水处理过程带来好处：增加了悬浮固体的去除，提高了b o d 和c o d 的去除率等。但是，下排需满足污水处理厂提出的预处理要求，如限制生产 废水的排放时间、排放量、最大t s s 等【2 2 j 。 美国各州从本世纪5 0 年代就开始相继制定法规，禁止自来水厂向水体 赢接排放废水；7 0 年代，美国联邦政府颁布了水污染控制法，要求各州 制定标准，水厂污泥必须经过处理再行排放；并且拟定了一个污泥处理发展 草案。日本于1 9 7 5 年6 月颁布了水质污浊防治法，规定设有沉淀池和滤 池的自来水厂，其排泥水必须经处理至符合水质排放标准才能排出，从而在 法律上规定了自来水厂必须进行排泥水处理【2 3 1 。 目前我国大多数水厂是将这部分生产废水直接排放，既浪费能量，浪费 水资源，又造成环境污染，淤塞河道。近年来，随着人们环境意识的增强， 特别是强调可持续发展以后，我国自来水厂排泥水处理以及污泥处置问题越 来越受到重视，环保部门对自来水厂生产废弃物的排放和处置要求也逐渐提 高。我国许多规模较大的新建水厂和水厂改建工程也开始考虑排泥水处理和 污泥处置问题。 1 2 给水厂生产废水回用的现状 1 2 1 国外给水厂生产废水回用现状 近年来，美国、日本和欧洲等国的较大规模自来水厂，一般均配置有较 完善的、自动化程度高的排泥水处理和污泥处置设施。在水厂生产废水回用 方面已经积累了丰富的经验2 4 。2 7 1 。例如：美国洛杉矶a f f - ( t h el o s 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 a n g e l e sa q u e d u c tf i l t r a t i o np l a n t ) 处理能力可达2 2 7 力im 3 d ，水厂内设有反 冲洗水回用水池，总面积为9 2 m 2 ，共分8 格，每格池深2 7 4 m ，容积为 3 3 6 4 0 4 m 3 。用后的反冲洗水先在此处沉淀澄清，然后 二清液重新回到水厂 进口。 詹森( j e n s e n ) 水厂，处理能力达2 8 4 力- i n 3 d ，滤池冲洗后的水与污泥浓 缩池的上清液经加絮凝剂和氯进入2 组单池水量为3 7 8 5 万m 3 d 的池子， 每组池子中有1 个竖向涡轮快速混合器、4 个竖向涡轮絮凝器处理后送回滤 池，使9 0 的生产废水得以回用【2 8 】。 与美国相同，发达国家在生产废水回用方面主要是保证出厂水水质。考 察的主要对象有原生动物孢囊、消毒副产物、可同化有机碳、副产物前驱物 与锰等 2 9 - 3 1 】。 美国给水工程协会有关废水回用的专题报告，提出以下主要观点【3 2 1 。 ( 1 ) 滤池反冲洗废水和排泥水中含有明显高于原水浓度的原生动物孢 囊，虽然现在尚不能确定其活性。在直接回用的场合，尚不能确定滤池出水 中孢囊的浓度随回用的实施而增加。 ( 2 ) 在回用之前通过澄清去除悬浮颗粒，可明显减少回用对t h m f p 和 t o c 的影响；不经预处理直接回用将导致水厂出水t h m f p 和t o c 含量的 增高。 ( 3 ) 回用会增加滤池出水a o c 浓度，这将增加输水系统中的微生物再生 的能力。 ( 4 ) 较原水而言，回流水中含有的已形成的t h m s ，会导致混合后的进 水t h m s 增高，但通常不至于超出现行的水质标准。 美国环保局于2 0 0 1 年8 月颁布了滤池反冲洗水回用规则。该规则适 用所有以地表水及直接受地表水影响的地下水为水源，采用传统工艺并且将 废水回用的水厂。规则要求这些水厂的废水回用必须得到所在州有关部门的 核准。但美国老水厂中反冲洗废水沿用直接回收的目前仍占很多。 1 2 2 国内给水厂生产废水回用现状 随着城市缺水问题的日趋严重，水厂废水回用在国内日益受到关注，但 在工艺设计、运行管理及其对水质的影响方面尚缺乏研究。早期建成的老水 厂受到各种条件的限制，多数采用了简单的直接回用。在生产废水直接回用 对出水水质影响方面，柯水州等【3 3 】在长沙市第五水厂对滤池反冲洗废水回 用进行了生产性试验研究。试验结果表明，反冲洗废水直接回用至反应池不 仅回收了水资源，在回用水量比例合适时还可以改善混凝性能、减少矾耗， 因而具有较好的经济效益和环境效益。该研究还认为直接回收反冲洗废水至 反应沉淀池，不致造成出水锰、有机物含量增加的“二次污染”。韩宏大等 在天津市新开河水厂进行了反冲洗废水直接回用的生产性试验1 3 ”。该厂的 滤池反冲洗废水直接进入排水池，经排水池调节、均衡后回用。试验结果， 回用水比例在7 7 1 4 8 之间时，实施废水回用的二期工程的出厂水浊度 1 4 n t u ，色度1 0 度；而作为对照的一期工程出水浊度o 8 n t u ，色度5 度。研究结论为废水直接回用时出厂水水质虽有下降，仍可满足国家水质标 准的要求。另外还有一些给水厂由于原水浊度偏低，而采取回用生产废水的 方法，由于生产废水中含有大量的粗颗粒，回用后不仅可以增加颗粒数目， 增加颗粒碰撞几率，还可以发挥大粒径颗粒的吸附能力，接触凝聚水中的胶 体杂质，从而改善低浊水的混凝条件，取得较好的絮凝效果。 一些新建的水厂，特别是实行了污泥处理的水厂，已经采用了较完善的 废水处理回收工艺【3 5 。如深圳市梅林水厂生产规模为6 0 万m 3 d ，水厂排泥 水经加2 m g l 聚合铝以及o 2 m g l 聚丙烯酰胺进入回收水沉淀池，絮凝沉 淀后上清液进入原水入口，污泥浓缩池前加p a m 和石灰，浓缩池的上清液 进入回收水沉淀池【36 1 。北京市第九水厂生产规模为1 5 0 万m3 d ，水厂排泥 水经上方下圆辐流式排泥池，单池尺寸为2 4 m x2 4 m ，池有效水深为 4 5 m ，上清液经浮动槽收集后回流至混合池【3 ”。上海市闵行一水厂生产规 模为6 7 0 0 0 m 3 1 ，水厂排泥水加p a m 后进入斜板式污泥浓缩池，上清液进 稳压井回收f 3 引。相关调研表明，建设资金较为充裕的新建水厂，许多已采 用了生产废水先经处理再回用的发达国家通行的做法，这代表了水厂生产废 水回用的发展方向【3 9 】。 1 3 给水厂生产废水回用的前景及意义 水资源的短缺与水源的污染，使我国城市自来水厂的水源开发成本不断 提高。给水厂生产废水占取水总量的3 7 ，合理的回用这部分废水具有 喻尔滨 二业大学t 学硕l 学位论文 一定的社会、经济和环境效益。 第一，节约用水，给水厂生产废水的回用有利于节省淡水资源，可以大 大缓解城市供水不足的情况。 第二，给水厂生产废水的回用，可以改善原水的混凝条件，尤其是低浊 度水的混凝条件，节省混凝剂的投加量；另外，给水，+ 生产废水的回用还大 大缩短了取水距离，节省了水资源费、远距离输水费，综上几方面，给水厂 生产废水回用的经济效益是十分可观 4 0 - 4 1 】。 第三，给水厂生产废水的回用，在节约用水的同时，也减少了向水体的 排污量，减轻了对下游河道的污染和淤积问题。 给水厂生产废水占水厂净水总量的3 7 ，对目前水资源日益紧缺的 现状来说弥足珍贵，是不容放任流弃的水资源，尤其是对一些严重缺水城市 的给水厂来说更是如此。从节约水资源和节约长距离引水的基建投资及日常 输水电耗等方面考虑，也不容许任意排放生产废水。我们必须坚持开源、节 流、保护并举，走可持续发展的道路，使水资源问题不再制约我国国民经济 的发展。 1 4 课题的目的和内容 目前我国大部分给水厂的生产废水依然未经处理直接排入水体，这样做 不仅污染河体，淤积河道，更浪费了大量水资源；部分给水厂为了节省水资 源，或者为了改善低浊水的混凝条件，考虑到回收利用生产废水，也仅仅是 简单的将生产废水沉淀回用其上清液或者直接将滤池反冲洗废水回用，这样 做虽然可以节省水资源，部分改善低浊水的絮凝，但往往由于投加的盲目 性，有时会增加澄清池、混凝池的负荷，加大混凝剂的投加量，使得混凝效 果不理想，影响后续处理，甚至影响到出厂水水质。 本课题的目的就是要找到利用生产废水回用改善低浊水混凝条件的生产 废水回用的最佳方式，即生产废水回用的最经济含固率。此中最经济含固率 指的是最节省混凝剂投加量的回用废水含固率( 以下简称最经济含圆率) 。 课题在厦门市杏林水厂进行，白2 0 0 3 年7 月至2 0 0 4 年7 月历时一年。 杏林水厂采用常规处理工艺，生产废水主要来自于机械加速澄清池的排泥水 及v 型滤池的反冲洗废水。课题的主要内容如下： 哈尔滨工业大学- t 学硕士学位论文 ( 1 ) 研究澄清池排泥水( 回用水1 ) 、滤池反冲洗废水( 回用水2 ) 、澄清池 排泥水和滤池反冲洗废水混合水( 混合比例1 ：3 ，回用水3 ) 在回用时的作用 效果是否一致。 ( 2 ) 通过试验确定生产废水回用的最经济含固率，以及原水水质( 包括 原水的浊度、温度、耗氧量、氨氮、p h 值) 对回用水最经济含固率的影响。 ( 3 ) 测定回用最经济含固率生产废水后，其沉淀水和滤后水的浊度、耗 氧量、氨氮、p h 值、铁离子和铝离子含量，确定回用最经济含固率生产废 水对上述水质参数的影响。 ( 4 ) 尝试性建立最经济含固率与原水水质相关性的简单数学模型。 ( 5 ) 对回用最经济含固率生产废水的经济效益进行评价。 哈尔滨工业大学t 学硕十学位论文 第2 章给水厂生产废水回用的方式及原理分析 给水厂的生产废水主要来自沉淀池或澄清池排泥水和滤池反冲洗废水， 其水量一般约占水厂总制水量的3 7 。对这部分水进行回用，不仅可以 节约水资源，提高水厂的运营能力，还可减少废水的排放量，特别是对废水 排放条件较差的水厂。目前国内外的大型水厂很多在设计时都考虑了生产废 水的回用措施，但由于水质的问题，有相当部分的水厂没有或不常回用。这 是因为这部分废水中不仅富集了原水中几乎所有的杂质，还包括了在生产工 艺中投加的各种药剂。这些物质重新回到生产系统中，再加上由此产生的生 物因素( 如贾弟鞭毛虫和隐孢子虫) 的确具有一定的风险。因此在考虑回用 时，必须要仔细研究【4 。 2 1 给水厂生产废水回用方式及工艺流程 给水厂的生产废水主要来自沉淀池或澄清池排泥水和滤池反冲洗废水， 其水量一般约占水厂总制水量的3 7 ，其中滤池反冲洗废水约占总净水 量的1 2 5 ，它主要由悬浮盐类、粘土、有机物及化学药剂残余物组 成；沉淀池或澄清池排泥水可分为石灰软化污泥和化学絮凝沉淀污泥两种， 软化污泥主要产生于原水的软化过程，主要成分为碳酸钙、氢氧化镁、淤 泥、过剩软化药剂和有机物，化学絮凝沉淀污泥则由原水中的悬浮物、胶体 物质、有机物、微生物和加入的净水药剂组成 4 3 】。 2 1 1 给水厂生产废水回用方式 2 1 1 1 生产废水回用方式给水厂生产废水的回用方式主要分为直接回用和 处理回用。 ( 1 ) 直接回用直接回用是目前国内采用较多的方式，主要由滤池反冲 洗废水直接回用和生产废水上清液回收。前者设置回收池，将滤池反冲洗废 水加以收集，提升至原水絮凝前加以回收。后者设置污泥浓缩池，沉淀池或 澄清池排泥水和滤池反冲洗废水经过浓缩，上清液提升至原水絮凝前加以回 收。底部污泥进入污泥处理系统或直接排入河道或下水道。这种回用方式本 哈尔滨工业人学工学硕十学位论文 身费用较低，可以结合厂区的污泥处理系统一起使用，但需加强水质监测措 施，一旦回用水水质不能满足回用标准，必须降低回用负荷或不回用。 ( 2 ) 处理回用处理回用是对生产废水进行处理，使其水质满足原水的 常规化学指标和生物指标后再回用，处理方式与生产废水的水质有较大关 系，如果处理费用高于原水费用且原水水量充沛，则无法体现此方式的必要 性。 2 112 生产废水回用的水质问题及处理方式生产废水在回用的过程中需注 意铁、锰等常规指标及微生物指标( 如贾弟鞭毛虫和隐孢子虫) 。 铁、锰过量的摄入对人体是有慢性毒害的。锰的生理毒性比铁严重。给 水厂关注于铁、锰的去除，并非是考虑毒理学上的要求，而是因铁、锰的异 昧很大，而且污染生活器皿，令人难以忍受，在远未达到慢性毒害的程度前 早已不能饮用了。目前我国的地表水环境质量标准和生活饮用水标准中对铁 和锰的标准分别为o 3 m g l 和0 1 m l 。一般地下水含铁锰较高，但有些地 表水中铁、锰离子的含量也超出了水质标准，虽然尚在常规处理的能力内， 但如果对生产废水不加处理就进行回用，其富集作用将可能会影响到出水水 质。 去除水中铁的工艺，可采用的方式很多，在工程上主要采用空气自然氧 化法，氯氧化法和接触氧化法，各种处理方式的适应条件各不相同。除锰的 方法主要有高锰酸钾氧化法、氯接触过滤法、光化学氧化法和生物固锰除锰 法。 贾弟鞭毛虫和隐孢子虫这两项生物指标近年来越来越受到重视。1 9 9 3 年4 月美国密尔沃基发生隐孢子虫水质事故，全市1 5 0 万人感染，4 0 万人 生病，1 0 0 0 人住院，死亡5 0 1 0 0 人，这是美国供水以来最大的水质事故， 影响很大。 发达国家当前主要措施是降低浊度，但由于浊度低并不能保证隐孢子虫 等原生动物安全。想要安全的去除贾弟鞭毛虫和隐孢子虫，除了将水烧开 外，只能用膜法和臭氧消毒。 在水处理方面，膜分离技术脱离了传统的化学处理范畴，转入到物理固 液处理领域。与常规饮用水处理工艺相比，膜技术具有少投甚至不投化学药 哈尔滨工业犬学工学硕士学位论文 剂、占地面积小、便于实现自动化等优点，并已应用于城镇自来水的深度处 理上。常用的以压力为推动力的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤以及反渗透 等 4 4 - 46 1 。其特点是能够提供稳定可靠的水质，这是由于膜分离水中杂质的 主要机理是机械筛滤作用，因而出水水质在很大程度上取决于膜孔径的大 小。要想去除两虫至少要采用超滤。 超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜技术，其滤膜的孔径为5 n m o 1 u r e 。操作压力为0 1 1 o m p a ，可以去除分子量3 0 0 3 x 1 0 5 的大分子及 细菌、病毒、贾弟虫和其它微生物。由于超滤的成本较高，最好能结合水厂 的处理工艺一并考虑。 臭氧氧化消毒能力较强，能灭除隐孢子虫，能把部分不能降解的有机物 分为可降解有机物。但使用臭氧后有个很大缺点是醛酮等有机物大量增加， 为细菌繁殖提供了丰富的营养。这种水在管网中很容易繁殖细菌，故基本上 需要再处理，通常用活性炭。选择该工艺最好结合水厂的臭氧预处理或深度 处理一并考虑，否则为处理生产废水单独设置臭氧发生和活性炭设备，无法 满足经济性。 过去由于价格原因，膜处理【4 7 4 q 和臭氧处理在大型城市水厂中应用不 多。现在膜技术有很大进步，价格也有所下降，而生产臭氧的电耗和设备价 格也有所下降，随着技术进步和价格下降，使用膜法和臭氧技术杀灭两虫必 将逐步得以推广。 2 1 2 生产废水回用处理工艺流程 随着人们环境保护意识的增强，给水厂生产废水处理及污泥处置问题越 来越受到重视，国外许多发达国家的大型水厂以及我国许多规模较大的新建 水厂和水厂扩改建工程也开始考虑生产废水处理和污泥处置问题，所采用的 工艺流程也各不相同。 在工程设计中选择排泥水处理工艺流程时需考虑排泥水的沉降性能，上 清液是否能达标排放，集泥池中的泥水浓度是否能满足浓缩的体积要求等。 通常有下列几种布置方式可供选用参考 1 9 】： ( 1 ) 沉淀池或澄清池排泥水浓缩处理，滤池反冲洗废水直接回用或排 放。适用于滤池反冲洗废水可满足回用要求的情况，考虑到长时间回用可能 哈尔演工业人学工学硕士学位论文 引起的金属离子富集等问题，亦考虑排放措施。工艺流程见图2 1 。 ( 2 ) 沉淀池或澄清池排泥水浓缩处理，滤池反冲洗废水经废水调节池预 沉，上清液回用或排放，底部污泥水浓缩处理。适用于滤池反冲洗废水不能 满足回用要求，但预沉后上清液可以满足回用要求的情况。其工艺流程见图 2 2 。 ( 3 ) 沉淀池或澄清池排泥水和滤池反冲洗废水经调节池混合后，上清液 回用或排放，底部污泥水浓缩处理。适用于滤池反冲沈废水不能满足回用要 求，但单独浓缩无法满足脱水机械要求，只能与沉淀池或澄清池排泥水混合 浓缩的情况。工艺流程见图2 3 。 沉淀池排泥水一- 睦塑查塑苎垫l _ 一污泥浓缩脱水处理 作原水利用。1 一排入河流 滤池反冲洗废水，n 云i 丽鬲j i i l j 图2 - 1 排泥水处理常采用的工艺流程布置( 1 ) 图2 - 2 排泥水处理常采用的工艺流程布置( 2 ) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 - 3 排泥水处理厂采用的工艺流程布置( 3 ) 2 2 生产废水回用改善低浊水混凝效果原理分析 处理 2 2 1 低浊水难以净化的原因 低浊水中的杂质，主要是以细的胶体分散体系溶于水中，而且胶体颗粒 比较均匀，胶体微粒具有很强的动力稳定性和凝聚稳定性，并且带负电的胶 体微粒数量很少。所以，为达到电中和所需的混凝剂也少，因此形成的絮凝 体细、少、轻，难于沉淀。易于穿透滤层。而且由于浊度较低，胶体颗粒数 目较少，使絮凝过程中颗粒碰撞的几率降低，影响絮凝过程的进行。因此， 低浊水的处理较常规水的处理困难。即使加大混凝剂的投加量，仍难以达到 要求的水质目标。 2 2 2 生产废水回用改善低浊水混凝效果原理分析 目前国内部分水厂已经开始进行生产废水回用的生产性试验研究，研究 表1 明 4 9 - 5 2 1 ：生产废水的回用可以明显改善和加强混凝条件( 尤其是对低浊度 水) ，提高反应沉淀效果。而混凝效果的好坏主要取决于两个因素l 5 3 4 5 】：( 1 ) 混凝剂水解后产生的压缩双电层、吸附电中和作用机理及高分子络合物形成 吸附架桥的连接能力，这是由混凝剂的性质决定的；( 2 ) 微小颗粒碰撞几率 和如何控制它们进行合理有效的碰撞，这是由水力条件决定的。 混凝动力学就是研究混凝过程中颗粒状态的变化；颗粒是怎样从粒径较 细、数量较多，逐步演变为粒径较大、数量较少的。要使颗粒产生混凝需要 哈尔滨工业大学t 学颂上学位论文 有两个基本前提，颗粒间的接触( 即碰撞) 以及接触后的聚集。两个保持一定 距离作相对运动的颗粒，如无其它力的作用是无法接触的，因为它们之间将 始终维持原来的间距。当然，颗粒的接触并不等于聚集，如果颗粒不具备彼 此结合的能力，接触后的颗粒仍然处于分散状态，它取决于混凝剂的性质。 总之，使颗粒产生混凝的首要条件是接触碰撞，而颗粒在水中的接触碰撞， 主要有五种途径5 6 】：( 1 ) 颗粒的布朗运动；( 2 ) 颗粒间的沉速差异；( 3 ) 层流剪 切；( 4 ) 紊流剪切；( 5 ) 紊流惯性碰撞。后三种归结为流动水体的水力作用。 对传统混凝理论的讨论混凝通常是指水中的胶粒在加入凝聚剂进行脱稳 之后，相互接触、碰撞，在吸引力作用下合并成长为大混凝体的过程。 1 9 1 6 1 9 1 8 年s m o l u c h o w s k i 首先提出了层流条件下，单位体积水中，单位 时间内，颗粒碰撞频率【5 7 】： f n ：= 鱼d 3 n 2f 2 一1 ) 3 vp 。 式中_ 单位时间单位体积颗粒碰撞的次数( 次( c m 3 s ) ) ； 平均单位体积单位时间的有效能耗( e r g ( c m 3 s ) ) ； “水的粘滞系数( g ( e m s ) ) ； d 颗粒粒径( e r a ) ： 单位体积中的颗粒数 个c m 3 ) 。 1 9 6 2 年l e v i c h 提出了紊流条件下的颗粒碰撞基本式： 。杀矿 ( 2 - 2 ) 式中_ 单位时间单位体积颗粒碰撞的次数( o u ( c m 3 s ) ) ； 平均单位体积单位时间的有效能耗( e r g ，( c m 3 s ) ) ； p 水的粘滞系数( g ( c m 。s ) ) ； d 颗粒粒径( e r a ) ； 珂单位体积中的颗粒数( 个e m 3 ) ； 疗圆周率。 由式( 2 - 1 ) 和( 2 2 ) 可以看出，单位时间单位体积颗粒碰撞次数同水体中 颗粒数的平方及颗粒粒径的三次方成正比。颗粒数越多，颗粒的粒径越大， 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 碰撞的机会就越多，絮凝效果就越好。生产废水中含有大量的脱稳颗粒，且 颗粒粒径较大，是原水中颗粒粒径的数十倍甚至数百上千倍，适当回用生产 废水，不仅增加了水中颗粒的数目，粒径较大的颗粒数目也大大增加了，这 就极大的提高了颗粒碰撞的几率，促进了絮凝过程的进行。 由混凝的微过程研究成果还可知，向水中加入的铝盐混凝剂一般在水解 时形成多核的金属氢氧化物，是它被吸附到水中扩散的胶体粒子上而形成矾 花的核及细小的矾花。