（环境工程专业论文）城市污水厂二级处理出水深度处理技术研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 本课题以城市污水深度处理资源化为目标，在客观分析已有污水深度处理技 术基础上，对无机陶瓷膜过滤技术、内电解技术及其组合工艺技术用于污水处理 厂二级处理出水深度处理的可行性进行了分析，同时对无机陶瓷膜过滤技术、内 电解技术及其组合工艺技术分别进行了实验室静态试验与现场动态试验研究。 无机陶瓷膜过滤技术研究结果表明，利用无机陶瓷膜过滤技术处理污水处理 厂二级处理出水，其膜孔径、膜操作压力和膜面流速是影响无机陶瓷膜渗透通量 的主要因素。在无机陶瓷膜处理能力方面，利用o 2l ai n 陶瓷微滤膜在晟佳运行条 件( 操作压力为0 2 0 m p a ，膜面流速为7 5 g p m ) 下，其对非溶解性污染物质如浊度 等具有非常良好的处理效果，其浊度去除率可以达到8 0 以上，对c o d 、t p 去除 率可以达到5 0 左右，但对于色度、n h 3 - n 、p 0 4 - - p 等溶解性污染物质去除效率较 低：无机陶瓷膜的再生方面，利用氧化剂、无机碱、表面活性剂等化学清洗剂进 行清洗再生，能够去除膜面上大部分的污染物，使无机陶瓷微滤膜得到较好的再 生清洗效果，同时反冲洗能够在一定程度上缓解膜污染，适当增加反冲洗时间与 缩短反冲洗周期有利于降低膜污染的程度。 内电解技术研究结果表明，利用内电解技术处理污水处理厂二级处理出水可 以有效地去除色度等污染物质，特别对于催化内电解技术可以大大提高内电解技 术的处理效率。内电解技术深度处理污水处理厂二级出水正交试验确定水力停留 时间、铁炭比、p h 值为影响内电解处理的主要因素。在水力停留时间为3 0 6 0 m i n ， 铁炭比为1 0 ，未调节原水p h 值条件下，内电解技术色度去除率为9 0 左右，c o d c 。 去除率为5 0 左右；连续流动态试验中，在曝气条件下内电解技术c o d c ，去除率 。为5 9 ，色度去除率为7 5 ，磷酸鼎去除率为9 6 ，硝氮去除率为2 8 。 、内电解一陶瓷微滤膜组合工艺技术研究结果表明，内电解预处理技术可以有 效去赊二级处理出水中包括色度、p 0 4 - p 、c o d 等大部分污染物质；无机陶瓷膜 过滤投术可有效去除预处理出水中悬浮颗粒和胶体等非溶解性污染物质。此外， 内电解预处理能够减轻后续过滤单元的膜污染，增大膜的渗透通量。 因此x 利用内电解一陶瓷微滤膜组合工艺技术深度处理污水处理厂二级处理 出水是可行牲的。内电解技术和无机陶瓷膜过滤技术的结合充分发挥了两种处理 i 技术的各自优势，可以解决目前污水深度处理存在的绝大部分难题，成为一种高 i 青岛理工大学工学硕：l 学位论文 效的污水深度处理技术。 关键词：城市污水， 深度处理， 无机陶瓷膜，过滤技术，内电解技术 v i 重墅堡三奎耋三耋堡圭童堡堡墨 a b s t r a c t t h ea i mo ft h i sp a p e rw a sa d v a n c e dt r e a t m e n ta n dc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no f m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ，t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gc e r a m i cm e m b r a n e s ，i n t e r n a le l e c t r o l y s i s a n dt h e i rc o m b i n a t i o np r o c e s st ot r e a tt h ee f f l u e n tf r o mm u n i c i p a ls e w a g ep l a n tw a s a n a l y s e db a s e do nt h ee x i s t i n ga d v a n c et r e a t m e n tt e c h n o l o g i e s a tt h em e a n t i m e ， c e r a m i cm e m b r a n e s ，i n t e m a le l e c t r o l y s i sa n dt h e i rc o m b i n a t i o np r o c e s sw e r eu s e di n t h es t a t i ct e s t sa n dc o n t i n u o u s - f l o wt e s t s t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tp o r es i z e o p e r a t i o np r e s s u r ea n dp e r m e a t ef l u xw e r e m a j o rf a c t o ri ns t u d yo nc e r a m i cm e m b r a n ef o ro f e f f l u e n tf r o mm u n i c i p a ls e w a g ep l a n t w h e nm e m b r a n ep o r es i z ew a s0 2um ，o p e r a t i o np r e s s u r e0 2 m p a ，s u r f a c ev e l o c i t y 7 5 g p m ，t h ec e r a m i cm e m b r a n ec o u l de f f e c t i v e l yr e m o v ei n s o l u b l ep o l l u t a n ts u c ha s t u r b i d i t ya n dc o u l dh a r d l yr e m o v es o l u b l ep o l l u t a n ts u c ha sc o l o r , n h 3 一na n dp 0 4 3 - p , t h er e m o v a lo ft u r b i d i t yw a sm o r et h a n8 0 a n dt h eo n e so fc o da n dt pw e r ea b o u t 5 0 r e s p e c t i v e l y f o rc h e m i c a lc l e a n i n go fc e r a m i cm e m b r a n e ，o x i d a n t ，b a s ea n d s u r f a c ea c t i v a t e dr e a g e n tw e r ee f f e c t i v e c l e a n i n ga g e n t s n ep o l l u t a n t s o nt h e m e m b r a n es u r f a c ec o u l da l m o s tc o m p l e t e l ye l i m i n a t eb yc h e m i c a lc l e a n i n ga n dt h u s r e s u l t e di na ne f f e c t i v er e c o v e r yo fp e r m e a t ef l u x m o r e o v e r , t h er e s u l t ss h o wt h a t m e m b r a n e f o u l i n gc o u l d b ep r e v e n t e dm o r eo rl e s sb yb a c k w a s h i n g n l er e s u l t ss h o wt h a ti n t e r n a le l e c t r o l y s i sc o u l dr e m o v ep o l l u t a n ts u c ha sc o l o ra n d s o0 1 1 ，e s p e c i a l l yu s i n ga c t i v a t o r t h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，r e t e n t i o nt i m e ，f e c a n dp hv a l u ew e r ec o n f i r m e da sp r i m a r yc o n t r o lf a c t o r s 西er e m o v a lr a t eo fc o l o ra n d c o d c rw e r er e s p e c t i v e l ya b o u t9 0 a n d5 0 i ns t a t i ct e s t ( h r t = 3 0 6 0 m i n ，f e c 2 1 ) ， w h i l et h eo b e so f c o d e r ，c o l o r ，p 0 4 。乙pa n dn o r - nw e r er e s p e c t i v e l y5 9 ，7 5 ，9 6 a n d2 8 i nc o n t i n u o u s f l o wt e s tw i t ha e r a t i o n n er e s u l t ss h o wt h a ti n t e m a le l e c t r o l y s i s m fc o m b i n a t i o np r o c e s st h ei n t e m a l e l e c t r o l y s i sp r e t r e a t m e n tc a nr e m o v ep o l l u t a n ts u c ha sc o l o r , p 0 4 。一pa n dc o d e r e f f e c t i v e l y ；w h i l e t h ec e r a m i cm e m b r a n e sc a nr e m o v ei n s o l u b l ep o l l u t a n ts u c ha s s u s p e n d e dp a r t i c u l a t em a t t e ra n dc o l l o i d a lm a r e re f f e c t i v e l ya n dh a r d l y f u r t h e r m o r e ， u s i n gi n t e r n a le l e c t r o l y s i s a s p r e t r e a t m e n tc a nc u td o w nm e m b r a n ep o l l u t i o na n d i n c r e a c ep e r m e a t i o nf l u x ：童墅塞三奎童三耋堡圭童堡堡圣 i na l l ，i ti sf e a s i b i l i t yu s i n gi n t e r n a le l e c t r o l y s i s m fc o m b i n a t i o np r o c e s st ot r e a t t h ee f f l u e n tf r o mm u n i c i p a ls e w a g ep l a n t c o m b i n i n go fi n t e r n a le l e c t r o l y s i sa n d c e r a m i cm e m b r a n e sb i n ge a c ha d v a n t a g ei n t op l a y ，w o r ko u tm o s t l yp u z z l eo fa d v a n c e t r e a t m e n ta n dp r o v e dt ob ea ne c o n o m i c a la n de f f e c t i v e t e c h n o l o g y o fa d v a n c e t r e a t m e n t k e y w o r d s ：m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ，a d v a n c e dt r e a t m e n t ，c e r a m i cm e m b r a n e s ，f i l t e r i n g t e c h n o l o g y ，i n t e r n a le l e c t r o l y s i st e c h n o l o g y i v 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 水资源的现状 水是人类的生命，地球上所有的动植物都依赖水而生存。它是不可替代的宝 贵资源。随着人类的不断进步和社会生产力的高速发展，人们逐渐认识到水并不 是取之不尽，用之不尽的资源。水资源短缺和日益严重的水污染阻碍了经济和农 业的发展，破坏了生态系统。在2 0 5 0 年左右人类将面i 晦前所未有的严重水资源危 机。 1 1 1 世界水资源状况 地球1 3 8 6 亿k i n 3 的总水量中，有1 3 3 8 1 0 8 m 3 在海洋中，约占9 6 5 。 在全球总水量中，淡水只占2 5 2 ，而这些淡水中的6 8 7 分布在人迹罕至的南极、 北极和高山上，3 1 分布在地下，只有o 3 分布在湖泊、江河等地面。在现在的 技术条件，海水、深层地下水、冰川固态水等还难以被人类直接利用；可以被人 类利用的主要是河流、湖泊、浅层地下水的淡水资源，他们经常得到降雨和降雪 的补充和更新，可以持续使用。这部分人类可利用的淡水资源仅为0 1 k m 3 , 只是地 球上的很少一部分，约占全球水储量的0 0 0 7 。 由于降水时空分布不均，而且随着城市化的加速、工农业发展的迅速加快、 世界人口的迅猛增加，导致用水取水量大幅度增加、水资与短缺形势日趋加剧。 联合国在2 0 0 3 第三届世界水论坛大会前公布的水资源报告提供的水危机数据指 出，全世乔1 3 的人口生活在缺水地区，如果任由水危机发展，陷入困境的人口比 率在2 0 2 5 年以前便会增至2 3 ：全球1 5 的人得不到安全饮用水，平均每天有6 0 0 0 人死于肮脏的饮用水。到2 0 5 0 年，全球人口将增加到9 3 亿，但是有2 0 7 0 亿人将 面对缺水问题。 目前全球不仅存在水资源严重短缺的问题，水环境污染状况也相当严重。根 据世界卫生组织公布的资料，全世界每年排入自然水体的污水达到4 2 0 0 x1 0 8 t ，相 当于世界河川径流量的1 2 ，几乎等于2 0 0 0 年全世界的用水量。 在这种形势下，人们不得不在天然水资源( 地下水、地面水) 之外，通过异 域调水、海水淡化、雨水蓄用、极地拖冰、人工降雨、污水回用等途径开发新的 青岛理工大学工学硕士学位论文 水资源，如原苏联把北部欧洲的湖水和河水引向里海流域和自鄂毕河经2 5 0 0 k m 引向中亚阿姆河流域的两大引水工程，但前者在建设过程和前期论证工作中遇到 了很多困难，很多专家怀疑其工程的效益：后者有专家认为效益费用比小于l ， 很有可能一美元投资效益仅几美分。相比之下，污水回用，提高水的重复利用率 比较现实易行，可应用于许多方面，因而可以作为一种稳定的再生水源。杜绝城 市生活用水的浪费和回收处理废弃水，可望节水1 4 1 3 。世界上绝大多数城市， 已修建有汇集城市居民和公共设施污水的管道，城市污水经二级或三级处理净化 后可回收利用。从美国、日本等国以往的实践来看，减少用水量、增加重复利用 水量可以有效地降低取水量，保护有限的水资源。美国从2 0 世纪2 0 年代就开始 尝试利用经过处理的污水，1 9 7 1 年美国已有3 5 8 家工厂企业利用处理后的城市污 水，1 9 9 5 年污水的回用量已经达到1 4 占全国总用水量的0 3 左右，美国加利福 尼亚每年利用净化污水2 7 x1 0 8 m 3 , 相当于1 0 0 万人口一年的用水量。日本1 9 5 6 年 到1 9 8 7 年工业用水重复利用率从3 6 2 增加到7 4 9 ，目前每年污水回用量达 到2 1 0 s m 3 ，占全国总用水量的1 5 左右。1 9 8 5 年前西德城市7 5 8 0 的污水 已经经过处理后加以利用。污水回用的主要对象有工业用水、农业用水、城市杂 用水、园林景观用水以及排入地表水体或地下水体作补充水等。目前只见到极度 缺水的南非和纳米比亚等地有直接用再生污水作为饮用水的报道。 1 1 2 我国水资源供需状况 我国是一个水资源短缺的国家。首先，我国的水资源并不丰富，是世界1 3 个贫水国之一，年均降水量只有6 3 0 m m ，低于全球陆地面积年均降水量( 8 8 0 m m ) 。 虽年均水资源总量为2 ，8 1 万亿m 3 居世界第六位，据2 0 0 3 年第三届水资源论坛大会 中联合国发表的“世界水资源开发报告”，对世界上1 8 0 个国家和地区的水资源丰 富状况进行排名，中国以人均占有水资源量近2 2 6 0 m 3 位居第1 2 8 位。其次，水资 源在时空上分布的不均匀，更使一些地区处于严峻的缺水状态，华北地区显得尤 为突出。随着我国经济的发展和城市化进程的加快，城市缺水问题日益突出。据 资料统计，目前全国6 6 6 个城市中，缺水城市就达3 3 3 座，其中严重缺水1 0 8 座， 主要集中在北方，高峰季节只能满足需水量的6 5 7 0 ，全国城市日缺水量达 1 6 0 0 万m 3 ，年缺水量6 0 亿m 3 。由于缺水，每年都将影响工业产值2 0 0 0 多亿元。 水资源短缺已成为制约我国经济发展的重要因素。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 一方面我国水资源严重短缺，另一方面水环境污染状况却相当严重。大量工业废 水不达标外排，绝大部分生活污水不经处理直接排放，广大农村地区不合理使用 化肥、农药等农用化学物质，对地表水影响日趋严重。根据2 0 0 3 年发布的中国环 境状况公报，全国工业和城镇生活污水排放总量为4 3 9 5 亿t ：其中工业污水排放 量2 0 7 2 亿t ，比上年增加2 3 ；城镇生活污水排放量2 3 2 3 亿t ，比上年增加0 9 【ij 。我国主要水系长江、黄河、松花江、珠江、辽河、海河、淮河、太湖、巢湖 以及滇池的断面监测结果表明，3 6 9 的河段达到优于地面水环境质量m 级标准 其中i 类水质占8 5 ，i i 类水质占2 1 7 ，i l i 类水质占6 7 ：6 3 1 河段的水质为 i 、v 或劣v 类，失去了作为饮用水源的功能，其i v 类水质河段占1 8 _ 3 v 类水 质7 1 ，劣类水质占3 7 7 。我国城市污水集中处理率不高，近6 0 的污水未经 处理就直接排放，导致全国近1 2 的河流遭受污染。未来几年内，国家将投入巨 资提高污水处理率，即使这样，仍然有大量的污水进入水体，水体污染不可避免。 随着城市化进程的不断加快以及工业的快速发展，城市居民用水量和工业用水量 不断增加，水资源短缺的情况会越来越严重，水资源供需矛盾将更加突出。因此， 为了缓解这种供需矛盾，解决我国城市缺水问题迫在眉睫。一方面要提高人们的 节水意识，采用各种节水措施；另一方面就是寻找新的可利用水源，而城市污水 无疑就是一种潜在的第二水源1 2 j 。 1 1 3 城市污水回用的必要性和可行性 解决缺水的主要途径有节水和开辟新水源两种：一方面要提高人们的节水意 识，采用各种节水措施：另一方面就是寻找新的可利用水源。在开辟新水源方面， 由于地下水的过量开采，地面沉降现象屡屡发生，因此绝大多数地区的地下水不 仅不能再开采，而且还要进行回灌。地表水由于受到普遍的污染，能利用的也越 来越少。城市污水是水量稳定、供给可靠的一种潜在水资源，城市污水的再生利 用是开源节流、减轻水体污染程度、改善生态环境、解决城市缺水问题的有效途 径之一。 污水厂二级出水经过适当处理后可以回用于工业冷却水、绿化、市政景观等 方面，在技术上也是可行的。城市供水中5 0 8 0 是工业用水，工业用水中8 0 是冷却用水，其对水质的要求不高，而水量很大。考虑循环使用之外，补充用水 量就占工业总取水量的3 0 以上。市政用水如浇洒、绿化、景观、消防、补充河 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 湖用水，杂用水如冲洗汽车、建筑施工、冲洗厕所用水等在水质上要求也不高， 总水量亦占城市总取水量的7 1 0 。因此，在对人体健康无影响的前提下，将 污水回用于上述各方面可以节约大量的新鲜用水，经济、社会效益显著。因此， 城市污水回用为我们提供了一个开辟水资源的新途径。 目前我国有4 0 0 多个城市缺水，正常年份缺水达6 0 x1 0 8 m 3 ，预计2 0 3 0 年缺水 量将达到( 4 0 0 5 0 0 ) x1 0 8 m 3 , 而目前全国城市污水排放量大约为4 1 1 1 0 8 m 3 a , 预计2 0 3 0 年和2 0 5 0 年将分别达到9 6 3 1 0 8 i n 3 和1 3 7 0 1 0 8 m 3 。目前城市污水处 理率和二级处理率分别仅达3 0 和1 5 ，污水回用率更低，预计2 0 3 0 年和2 0 5 0 年城市污水处理率将分别达到8 0 和9 5 ：污水回用率将分别达2 0 和1 5 。根 据“十五”计划纲要的要求，到2 0 0 5 年我国城市污水集中处理率要达到4 5 。如 果污水回用率平均达到2 0 ，那么“十五”末期污水回用量可达到4 0 1 0 8 m 3 a ， 这可解决全国城市缺水量的一半以上。 城市污水回用与开发其它水源相比具有以下优势：( 1 ) 城市污水回用具有就近 可得、易于收集处理、量大稳定且稳定可靠，不受季节、洪枯水等因素影响等优 点。城市供水量的8 0 变为城市污水排入管网中，收集起来再生处理后7 0 可以 安全回用，二者合计起来，即城市供水量的一半以上可以变为再生水，返回到城 市水质要求较低的用户上，相应增加了城市一半供水量，可见对缺水城市来说， 这种水源是一笔宝贵的财富。目前我国有4 0 0 多个城市缺水，正常年份缺水达6 0 1 0 8 m 3 , 预计2 0 3 0 年缺水量将达到( 4 0 0 5 0 0 ) x1 0 8 m 3 , 而目前全国城市污水排放 量大约为4 1 1 1 0 8 m 3 a ，预计2 0 3 0 年和2 0 5 0 年将分别达到9 6 3 1 0 8 m 3 和1 3 7 0 1 0 8 m 3 。目前城市污水处理率和二级处理率分别仅达3 0 和1 5 ，污水回用率更低， 预计2 0 3 0 年和2 0 5 0 年城市污水处理率将分别达到8 0 和9 5 ：污水回用率将分 别达2 0 和1 5 。根据“十五”计划纲要的要求，到2 0 0 5 年我国城市污水集中处 理率要达到4 5 。如果污水回用率平均达到2 0 ，那么“十五”末期污水回用量 可达到4 0 x1 0 8 m 3 a ，这可解决全国城市缺水量的半以上，这就给城市污水的回 用创造了基本条件，凡是污水处理厂都可以将污水再次适当处理后回用。( 2 ) 经 济上的优势：比远距离引水便宜，我国水资源分布不均衡，对于西北部贫水的 城市，如果从东南部水资源丰富的地区引水，引水距离至少为上百公里，甚至达 到上千公里，工程是十分浩大的。污水回用( 包括污水二级处理) 的投资是跨流 域调水的1 2 1 3 ，运营成本是跨流域调水的l 2 左右。比海水淡化经济。城市 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 污水所含杂质少于o 1 ，而且可用深度处理方法加以去除，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，处理费用相 对要高的多。污水回用的投资是海水淡化的i 3 1 4 ，运营成本是海水淡化的i 4 左右【i j i 。总之，城市污水回用与其它各种非传统水资源相比，具有水源水质水量 稳定可靠、处理技术成熟、投资和运行费用低、能减少城市排入水体的污染物总 量、降低城市排水管网负荷等优点，是一种可以在资源型缺水干旱地区推广应用 的第二水源。 综上所述，城市污水回用是解决城市缺水的有效途径，它既是一种开源的新 途径，又是一种规模大、效益高的节水措施。此外，城市污水的回用还减少了污 水的排放总量，在一定程度上缓解水体污染问题，可以起到减轻水体污染程度、 改善生态环境，实现水资源可持续利用的重要作用。因此在我国缺水城市大力 开展污水回用有其必要性和紧迫性 4 1 。 1 2 我国城市污水回用研究及应用现状 面对我国水资源严重短缺的现状，城市污水处理厂的二级出水回用越来越受 到人们的重视。中国污水回用研究会的一位专家认为，污水回用在我国将有着巨 大的发展潜力，一方面，有许多的城市闹水荒，另一方面，这些城市大量的废水 却自白流失，既污染了环境，又浪费了水资源。城市污水数量巨大就近可得易 于收集，作为城市的“第二水源”要比远距离引水经济得多，不但花钱少，而且 还保护了环境。这位专家还算了一笔账，城市供水量的百分之八十最后变成了污 水排入了下水道，如果将其收集起来经过净化处理，7 0 可以回用，即城市供水量 的一半可以变成再生水，回用到对水质要求较低的用途上，从而替代出等量的自 来水，这样就等于增加了城市一半的供水量，这对缺水的城市来说，是一笔宝贵 的财富。现在，我国城市一年的缺水量达6 0 亿立方米，如果全国废水回用率 达到2 0 ，就可达4 0 亿立方米，是缺水量的6 7 ，即通过废水回用，可解决全 国城市缺水量的一多半，足以缓解一大部分缺水城市的水荒。城市的中水回用有 利于提高水资源的综合利用的经济效益 1 4 1 。首先，利用中水所需要的投资及年运 行费用一般低于长距离引水所需投资和费用；其次，除实行排污收费外，城市污 水回用所收取的水费可以使污水处理。 虽然我国早在2 0 世纪5 0 年代开始采用污水灌溉的方式回用污水，但真正将 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 污水深度处理后回用于城市生活和工业生产则是近2 0 年才发展起来的。最先采用 污水回用的是大楼污水的再利用，随着社会经济的发展和人们环境意识的不断提 高，污水回用逐渐扩展到缺水城市的许多行业。我国从“六五”开始进行城市污 水回用方面的研究工作，1 9 9 0 年我国将“污水净化与资源化技术研究”列入“八 五”国家科技攻关计划。“八五”科技攻关计划项目“城市污水回用技术”已成功 地对a + a 2 0 、a 2 0 、a o 及常规二级处理等工艺技术进行了深入研究和工程化，为 不同环境和水质条件下的污水回用提供了投资省、运行费用低、效率高、处理效 果好的污水二级净化成套技术。处理工艺出水可达到或超过各相关部门的水质指 标，解决了低温、低c n 比生物脱氮除磷技术的关键难题。“九五”攻关相关项目 为“污水处理与水工业关键技术研究”，专题名称为“城市污水处理技术集成化与 决策支持系统建设”。“九五”具体攻关有两部分内容：回用技术集成化研究：城 市污水地下回灌深度处理技术研究。1 9 9 2 年全国第个城市污水回用于工业的示 范工程在大连建成，并已成功运行了十余年。目前，大连、太原、天津、北京等 城市再实行城市污水回用解决城市水荒方面已取得实质性进展。此外，全国还有 十几个大型污水回用工程在建设中。实践证明，在我国开展污水再生利用的研究 和应用是符合国情的，是必要而且可行的。污水回用措施既节水又能减轻环境污 染，环境效益、经济效益和社会效益都非常显著。 太原市以北郊污水处理厂为依托工程，以太原公司为用户，经深度处理后的 污水回用于太原钢铁工业的冷却水取得突破性成果。 中国市政工程华北设计研究院给排水设计研究所，与协作单位泰安市污水处 理厂和泰安市园林管理处，对城市污水回用于景观水体进行了研究，取得满意效 果。 引滦入津工程虽然暂时缓解了天津市的水荒，但是其代价高昂。纪庄子污水处 理厂建成投产后，其二级处理水的基建费用比引滦工程低，水价也比引滦水便宜。 山东即墨市阳横岛是一个观光度假的旅游胜地，岛上水资源严重不足，为解 决这一问题，将污水经预处理和地下渗滤处理后，可达到饮用水标准，经一段稳 定运行后，抽取作为清洁水补充水，成本也很低。 北京市于1 9 8 4 年开始进行中水回用工程示范，并在1 9 8 7 年出台的北京市中 水设施建设管理试行办法中明确规定小l 建筑面积超过2 1 0 4 m 2 的旅馆、饭店和 公寓以及建筑面积超过3 1 0 4 m 2 的机关科研单位和新建生活小区都要建立中水设 6 青岛埋工大学工学硕士学位论文 施。 目前，我国城市污水的回用率还很低，但是西方发达国家已经有了许多成功 的实例。近年来，我国每年排放的废水总量约3 6 5 亿i l l 3 ，其中约7 0 为工业废水。 工业废水处理率虽达7 0 左右，但其中只有3 0 左右的处理设施的出水能到达标 准。我国城市废水处理率不到1 0 。根据中国2 l 世纪议程提出的目标，到2 0 1 0 年我国城市污水处理率达到3 0 4 0 。 1 3 污水回用方式及常用的回用技术 1 3 1 污水回用方式 污水经处理净化后，回用于农业、工业、地下水回灌、市政用水等，不但可 以弥补水资源的缺乏，而且减轻了水环境污染。在污水回用计划实施过程中，再 生水的用途决定了污水需要处理的过程和程度。 污水回用的方式主要包括城市生活用水和市政用水：工业用水：农业用水； 地下水回灌等。 目前，国外利用生活污水二级处理出水回用的方式有下列几种： ( 1 ) 农业灌溉。生活污水回用于农田灌溉时，通常对其处理程度要求不高，处 理后一般仍含有较高的氮、磷、钾等成分，用于灌溉可以给土壤提供水分和肥分， 而且通过土壤的自净作用能使污水得到进一步净化。但是应考虑富营养化问题。 此外还必须考虑水中存在或者有可能存在的致病生物在公共卫生方面可能造成的 影响，以及污水对农作物生产、土壤结构及土壤中金属和其他有毒物质积累等农 学方面的影响。就农作物生长而言，对水的化学指标比细菌学指标要求高。在发 达国家，如美国、英国、瑞士、以色列等，它们将污水作为农业灌溉的同时，对 污水进行农灌的准则和水质标准进行了严格的控制，尤其是美国加利福尼亚州， 在制定农业灌溉标准时，要求污水处理需达到很深的程度，且需要消毒。但实践 证明，过高要求水质标准是不够合理的，只能限制和阻碍城市污水回用于农田灌 溉。为此，世界卫生组织讨论并推荐了“污水回用于农业及水产养殖业的卫生准 则”。这样对发展中国家合理利用城市污水回用于农业起到重要作用。 ( 2 ) 工业用水。工业回用对象一般用水量较大。对处理程度要求不高的冷却水 和工艺低质用水，污水处理厂二级处理出水只需进行物化处理即可满足许多工业 用水水质要求，处理工艺简单，成本低。南非早在1 9 4 2 年就丌始使用净化的污水 7 胃岛理工大学工学硕士学位论叉 作冷却水：美国3 5 7 个城市污水回用总量的4 0 5 回用于工业；日本城市污水回用 总量的4 1 回用于工业，可见工业回用是污水资源化利用的主要方式之- - 1 1 5 , 1 6 】。 ( 3 ) 城市用水。城市用水可分为饮用水和非饮用水。非饮用水水质指介于上、 下水水质标准之间，故又名中水。通常情况下，将污水处理到非饮用水程度，作 为中水回用于清洁、绿化、沈车、消防，或补给河湖、地下水。研究表明，中水 的长期使用不会对用水器具产生不利影响；其水质也满足消防要求，对消防系统 几乎不产生危害：经过除磷脱氮后，将总磷控制在0 5 m g l 以下可以有效控制回用 水体的富营养化进程。中水回用是一项投资省，见效快的切实可行的节水技术， 将其补给河湖、地下水，打破了仅在工厂内直接循环的管对管的污水处理系统， 使之参与水体循环，缓解了用户的心理障碍，为其作为饮用水回用奠定基础。纳 米比亚温得和克市自1 9 6 9 年开始将处理后的污水回用于饮用水；美国丹佛市日处 理3 7 8 5 m 3 的污水回用于饮用水的示范工程在1 9 8 5 年开始运行。实践证明，现有 技术完全可阻将出水水质提高到大多数饮用水水源水平，处理后的污水回用于饮 用水是可行的，但目前仍没有解决好回用废水作饮用水带来的公共卫生方面的问 题，因此，一般不轻易回用作为饮用水。目前在新加坡已有规模较大的深度处理 生活污水用作饮用水的实例【”之o l 。 ( 4 ) 地下水回灌。将城市污水处理厂二级处理出水经深度处理达到一定水质标准 后回灌于地下，水在流经一定距离后同原水源一起作为新的水源开发。这种战略 要求污水处理程度高，循环复用的周期长，可提供较高质量的源水。它既可减少 污水量，又可减少原有水资源的开发量，充分体现了“小量化、无害化、资源化” 的可持续发展原则。 地下水回灌是扩大污水回用最有益的一种方式，它以土壤基质作为生物反应 器，使再生的废水借助物理一化学和生物作用将其中的有机物和病原体进一步去 除，使其水质与天然地下水没有差别。由于不受水文条件制约，将会带来污水回 用的长远利益。地下水回灌可以水力阻拦海水入渗，扩大地下水资源的存储量， 减少或防止地下水位下降，控制或防止地面沉降及预防地震，调节水温，大大加 快被污染地下水的稀释和净化过程，使水体的生态得到不同程度恢复。美国洛杉 矶市的经济一效益分析结果表明，在该市中期回用水计划中，地下水回灌是最可 取的日用方法，美、澳、俄、德、丹麦等国都在大力推行地下水回灌技术。 我国目前应用最多的是浇洒绿地道路、洗车、冲厕等杂用水和农田灌溉、地 r 青岛理工大学工学硕士学位论文 下水回灌等，也有用作冷却水甚至锅炉补给水。 1 3 2 城市污水回用工艺技术概论 城市污水回用处理技术是在城市污水处理技术的基础上，融合给水处理技术、 工业用水深度处理技术等发展起来的。在处理的技术路线上，城市污水的处理技 术以达标排放为目的，针对某些污染物去除设计工艺流程，而城市污水回用处理 则以综合利用为目的，根据不同用途，将城市污水净化到满足相应的回用水水质 要求。因此，需要在传统城市污水处理技术的基础上，将各种技术上可行，经济 上合理的水处理技术进行综合、集成，达到处理和特种水处理的界限，促使技术 路线和工艺流程的升级换代、优化组合，为实现回用目标服务。 1 3 2 1 常规处理技术的发展 以生物处理工艺为主体，以达到排放标准为目的的现代城市污水处理技术， 经过长期的发展，以达到比较成熟的程度。城市污水生物处理经历了三个发展阶 段。级处理，主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，般采用物理处理 法。经过一级处理后的污水，b o d 去除率为2 5 4 0 左右，达不到排放标准。 一级处理属于二级处理的预处理。二级处理，主要去除水中呈胶体和溶解状态的 有机污染物质( 即b o d 、c o d 物质) ，b o d 去除率可达9 0 以上，使有机污染物 达到排放标准的要求。二级强化处理，是指在去除污水含碳有机物的同时，能脱 氮除磷的工艺。三级处理，实在一级、二级处理后，进一步去除难降解的有机物、 氮磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物脱氮处理法、 混凝沉淀法、沙滤法活性炭吸附法、膜处理法、离子交换法和电渗析等。三级处 理和深度处理是同义词，但又不完全相同，三级处理常用于二级处理之后，以提 高处理效率和去除二级处理不能处理的污染物，达到排放标准为目的；而深度处 理一般以污水的回收、回用为目的，是在一级、二级或三级强化处理之后增加的 处理工艺。 1 3 2 2 深度处理技术的应用 为了向多种回用途径提供高质量的再生水，需对二级或二级强化处理后的城 市污水进行深度处理，去除城市污水处理厂出水中剩余的污染成分，达到回用水 水质要求。这些污染物质主要是氮磷、胶体、细菌、病毒、微量有机物、重金属 以及影响回用的溶解性矿物质等。去除这些污染物的技术有的是从给水处理技术 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 移植过来的，有的是单独针对污水处理的。由于回用对象和水质标准与给水处理 有所不同，不能简单的套用给水处理的工艺方法和参数，而应根据回用水处理的 特殊要求采用相应的深度处理技术。 城市污水回用深度处理基本单元技术有混凝沉淀( 气浮) 、化学除磷、过滤、 消毒等。对回用水质要求更高时采用的深度处理单元技术有活性炭吸附、臭氧活 性炭、生物炭、脱氮、离子交换、微滤、超率、纳滤、反渗透、臭氧氧化等。 目前，我国城市污水深度处理或三级处理己在应用的工艺有：混凝、沉淀、 过滤等常规工艺、微絮凝过滤法以及生物接触氧化后纤维球过滤、生物炭过滤等 方法。 运用混凝、沉淀过滤对二级出水进行处理，可去除浊度7 3 8 8 ，悬浮物 6 0 7 0 ，色度4 0 6 0 ，b o d 5 3 1 7 7 ，c o d 2 5 4 0 ，总磷2 9 9 0 。 据研究表明，该法不能去除氨氮。 活性炭是一种多孔性含碳物质，具有发达的微孔结构和巨大的比表面积，它 包括许多具有吸附能力的碳基物质，可有效地去除色度、臭味，能除去水中大多 数的有机物污染物和某些无机物，包括某些有毒的重金属。但二级出水中也含有 不被活性炭吸附的有机物，例如蛋白质的中间降解物( 如氨基酸) ，比原有的有机 物更难于被活性炭吸附u “。 臭氧能有效地去除水中杂质所造成的色、嗅、味，其脱色效果比氯和活性炭 都好。臭氧能降低出水浊度，起到良好的絮凝作用，提高过滤滤速或延长过滤周 期。但由于二级出水成分复杂，存在许多难以被臭氧氧化的有机物，而且臭氧直 接氧化具有高度的选择性，与有些有机物的反应速度太慢或难以反应。 土地渗滤也叫土壤含水层处理，它使水源水通过堤岸过滤或沙丘渗滤以利用 土壤中生长的大量微生物对水中污染物进行降解去除以净化水质的方法。此法处 理费用便宜，不需地表贮存设施，使水参与水文循环，缓解了饮用水和其他城市 污水回用的心理障碍。该方法投资省，处理效果好，对有机物尤其是对有机氯化 物和氨氮有较好的去除效果。但他的缺点是占地大，不易管理。 根据去除污染物的对象不同，二级处理出水常用的相应处理方法参见表1 1 。 1 0 表1 1二级处理出水常用处理方法 污染物处理方法 悬浮 快滤( 上向流、f 向流、重力式、压力式、移动床、x 义层和多层滤料) 、 混凝沉淀( 石灰、铝盐、铁盐高分子) 、微滤、气浮 有机物 活性炭吸附( 颗粒炭、上向流、f 向流、流化床、移动床、压力式重力 溶解 式吸附塔) 、臭氧氧化、混凝沉淀、生化处理 无机盐溶解 反渗透、电渗析、离子交换、蒸馏、冷却法、 磷 生物除磷、混凝沉淀( 加过滤) 营养盐 氮 生物硝化及脱氮、氯吹脱、离子交换、折点加氯 1 3 2 3 处理技术的组合与集成 回用水的用途不同，采用的水质标准和处理方法也不同：同样的回用用途， 由于原水水质不同，相应的处理工艺和参数也有差异。因此，城市污水再生处理 工艺应根据处理规模、再生水水源的水质、再合集成为合理可行的工艺流程。在 处理技术的组合继承中衡量的主要技术经济指标由再生处理单位水量投资、电耗 和制谁承包、占地面积、运行可靠性、管理维护难易程度、总体经济效益与社会 效益等。 实际工程中，应根据每一个回用工程的实际情况确定合适的工艺组合。以工 业用水为例，不同的工业回用对象有不同的回用水要求。回用水用作工厂冷却水 时，采用的工艺应能降低水中会引起冷却装置结垢的硬度，去除会引起装置腐蚀 和生物结垢的氨氮等污染物：而当回用水用作工艺用水时，则需根据所回用的工 艺用水水质要求来确定所采用的处理工艺方法。 在我国，污水回用处理常采用加药混凝、沉淀、过滤和消毒的组合工艺。由于目 前城市污水处理厂的进水浓度相对偏低，出水水质基本上已接近工业冷却、生活 杂用等水质标准。随着社会的发展，对回用水水质的要求也会不断提高，会提出 更高的标准。国外许多回用实际处理工艺已较多地采用膜处理技术，包括连续式 微过滤( c m f ) 、反渗透( r o ) 和消毒( u v ) 系统，如悉尼奥运会有l 1 0 4 i l l 5 d 的污水回用，其中7 5 0 0 m 3 d 采用c m f 系统，2 5 0 0 m 3 d 采用r o 系统。国内尚需 根掘国情，将常规的混凝、沉淀、过滤技术与膜处理技术做多方面的技术经济比 较，并根据回用对象、地区的具体情况确定合适的工艺组合口1 1 】。 1 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章无机陶瓷膜分离基本理论 2 1 无机膜分离的概念及其分类 2 1 1 无机膜的分类 2 1 1 1 按无机膜的表面结构分类 无机分离膜从表面结构上可分为致密膜和多孔膜两大类【2 4 j 。 致密膜中主要的一类是各种会属及其合会膜，如衾属钯膜、余属银膜以及钯一 镍、钯金、钯一银合金膜，这类金属及金属合余膜主要是利用其对氢的溶解机理而 透氢，用于加氢或脱氢膜反应以及超纯氢的制备。另一类致密膜则是氧化物膜， 主要是经三氧化二钇稳定的z r 0 2 膜、钙钛矿膜等，这种膜是利用离子传导的原理 而选择性透氧，其可能的应用领域为氧化反应的膜反应器用膜、传感器制造等。 2 1 1 2 按无机膜的几何外形分类 从几何外形来看，无机膜元件有多种形式，包括平板、管式、多通道以及中 空纤维等。 平板式主要用于实验室小规模分离和纯化，多采用死端过滤的操作方式；而 实际应用需要较大的膜过滤面积，于是管式，尤其是多通道或蜂窝体得到了广泛 的应用。多通道无机膜由于具有安装方便、易于维修、单位体积的膜过滤面积大， 机械强度比管式高等优点，已成为工业应用的主要品种。中空纤维陶瓷膜为今年 来开发成功的一种膜元件。本试验所用膜即为多通道陶瓷膜。 2 1 1 3 按无机膜的孔径分类 表2 - 1 无机膜分类表 t a b l e2 1c l a s s i f i c a t i o no fi n o r g a n i cm e m b r a n e sa c