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东北大学硕士学位论文 摘要 城市污水地下回灌深度处理技术的试验研究 摘要 2 l 世纪水资源短缺问题是世界关注的焦点。我国是一个水资源十分匮乏的国 家，尤其城市缺水问题更为突出。水资源短缺已经成为制约我国经济发展的重要 因素之一，而将城市污水处理、回用，实现污水资源化是解决水资源短缺即经济 又有效的途径。 经过处理后的城市污水可回用于工业、农业、城市景观、中水工程、地下回 灌、饮用水等诸多方面。在污水回用的各种形式中，地下回灌被认为是扩大污水 回用最有益的一种方式。地下回灌是将城市污水厂的二级出水经过深度处理后， 通过土壤渗滤或井灌的方式回灌地下，经过土壤含水层的处理后再作为新的水源 被开发出来。 生化处理后的城市污水中仍含有一定量的有机物、病原体等污染物，其中一 部分污染物可通过土壤的自净被去除，而另一部分污染物就会富集在土壤中或直 接进入地下含水层。如果直接回灌地下，可能会污染地下含水层，危害人类健康。 因此，必须进行深度处理。本文利用具有脱氮除磷功效的s b r 系统出水，采用化 学混凝、过滤、活性炭吸附、消毒等深度处理方法对城市污水进行资源化处理。 本文系统地给出了城市污水地下回灌深度处理的工艺流程，确定了主要技术 参数，为实际应用提供了参考依据。采用该工艺处理后的城市污水，出水水质良 好，其主要水质指标达到了地下回灌的水质标准。并且处理药剂费用较低。试验 证明，该工艺是一种经济且有效的城市污水资源化的途径。 关键词：城市污水回用地下回灌深度处理s b r 处理脱氮除磷混凝 活性炭吸附 蔓苎查兰壁堂堡笙塞 ! ! ! ! 竺! ! s t u d yo nf u r t h e rt r e a t m e n to fm u n i c i p a l w a s t e w a t e rd r a i n a g ef o rg r o u n d w a t e r r e c h a r g e a b s t r a c t t v a t e rr e s o u r c es h o r t a g ew i l lb et h ef o c u sf a c e db ya 1 1o v e rt h ew o r l d i n2 1 r s tc e n t u r y c h i n ai sac o u n t r ys h o r to fw a t e rr e s o u r c e ，e s p e c i a l y i n c it i e s w a t e rr e s o u r c es h o r t a g eh a sb e c o m eo n eo fi m p o r t a n tf a c t o r s ， w h i c hc o n d it i o n sc h i n a e c o n o m yd e v e l o p m e n t b u t t h e m u n i c i p a ls e w a g e r e c l a i m i n ga n dr e u s i n gw i1 1b ea ne c o n o m i c a la n da v a il a b l ea p p r o a c ht os o l v e w a t e rr e s o u r c es h o r t a g e r e c l a i m e dm u n i c i p a ls e w a g ec a nb eu s e di na g r i c u l t u r e ，i n d u s t r y ，c i t y s i g h t ，r e u s i n ge n g i n e e r i n g ，g r o u n d w a t e rr e c h a r g e ，d r i n k i n gw a t e ra n ds o o n a n di na l1t h er e u s i n gw a y s ，g r o u n d w a t e rr e c h a r g ei st h o u g h to fa st h e m o s te f f e c t i v ew a yt oi m p r o v ew a t e rr e s o u r c e g r o u n d w a t e r r e c h a r g ei sa f t e r f u r t h e rt r e a t m e n tm u n i c i p a ls e w a g eb er e c h a r g e du n d e r g r o u n dt h r o u g hs o l l i n f i i i r a t i o uo rw e l lr e c h a r g e a f t e rs o i la q u i f e rt r e a t m e n t ，t h ew a s t e w a t e r w i1 1b e e x p o jt e da sn e wr e s o u r c e t h es b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) e f f l u e n ts t i l lc o n t a i l i sac e r t a i n q u a n t i t yo fo r g a n i cc o m p o u n d p a t h o g e ne c t t h e r e i n t os o m ec o n t a m i n a t i o n c a nb er e m o v e db yp u r l f y s e i fo fs o l l b u tt h eo t h e r sw i1 te n r i c hi ns o l l o re n t e ri n t og r o u n da q u i f o r i ft h ew a t e ri sr e c h a r g e d ( i i r e c t l y ，i tw i l l p o l l u t eg r o u n da q u i f o r ，a n dh a r mp e o p l e sh e a l t h s of u r t h e rt r e a t m e n t i sn e c e s s a r y c e n t e r e do nt h es b re f f l u e n t ，al o to fw o r ki sc a r r i e do u t c h e m i e a l c o a g u l a t i o n ，f i l t r a t i o n ， n c t i r a t e dc a r b o n a d s o r p t i o n a n d s t e r i l i z a t i o na r ea d o p t e di nt h i sd i s s e r t a t i o nt ot r e a tm u n i c i p a ls e w a g e f u r t h e r t h ef l o wd i a g r a mo ff u r t h e rt 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 rd r a i n a g e f o rg r o u n d w a t e rr e c h a r g ei s g i y e ns y s t e m a t i c a l l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n p r i m a r yt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r ed e f i n e d ，a n do f f e rt h er e f e r e n c e dg i s t t op r a c t i c a la p p l i c a t i o n i nt h ep r o c e s s ，t h ee f f l u e n tq u a l i t yi sg o o da n d i i 东北大学硕士学住论文 t h em a i nq u a i t yc r i t e r i o no ff u r t h e rt r e a t m e n te f f l u e n tc a na t t a i nt ot h e s t a n d a r do fg r o u n d w a t e rr e c h a r g e t h ec h e m i c a le x p e n s ei sl o w ，e x a m i n a t i o n p r o v e dt h a tt h ep r o c e s si sa ne c o n o m i c a l a n da v a i 】a b l ea p p r o a c ht os o l v e w a t e rr e s o u r c es h o rr a g e k e y w o r d s m u l l i c i p a ls e w a g e r e u s e ，g r o u n d w a t e rr e c h a r g e ，a d v a n c e d t r e a t m e n t ，s b rp r o c e s s ，r e m o v a lo fn it r o g e na n dp h o s p h o r u s ，c o a g u l a t i o n ， a c t ir a t e dc a r b o na d s o r p t i o n i i i 东北大学硕士学位论文 声明 声明 本人声明，我所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做出的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 本人签名：张聪璐苏幕，潞 日期：2 0 0 4 年1 月二日 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 城市污水资源化的意义 水是人类生命最基本的要素，是不可代替的资源。然而全球性的水荒问题己 日益严重地摆在全人类面前。科学家预测，城市缺水在2 l 世纪将成为一个世界性 的问题，甚至提出，水的危机很可能会比粮食危机或石油危机更早地到来，用水 问题很可能将与7 0 年代的能源问题一样，成为2 l 世纪初世界大部分国家和地区 面临的最严峻的自然资源问题。为缓解水的危机，目前，人们已寻找出的解决水 资源不足的主要途径有：第一，改变生产结构，革新生产工艺及装备，调整用水 方式，提高水的重复剥用率，最大限度的节约用水；第二，远距离跨区域调水， 以丰补缺，改变水资源分布不均匀的自然状况；第三，将城市污水资源化。 我国是一个水资源十分匮乏的国家，人均水资源仅为世界平均水平的1 4 。居 世界1 0 9 位，被联合国列为1 3 个贫水国之一。1 。在总量不足的情况下，水资源在 时间和地区上分布很不平衡，南多北少，北方大部分地区人均水资源更低。目前， 我国正面临着人口增长，人均水资源将降到低谷；经济快速增长，工业用水量增 加；水的需求增长，供需矛盾：地区河道断流情况加剧等挑战。随着经济发展和 城市化进程的加快，城市缺水问题尤为突出。我国每年因缺水造成的经济损失达 1 2 0 0 亿元”! 。对缺水城市而言，城市污水再生回用比开发建设新水源更为重要， 更符合我国贫水的客观现实，更具有深远和现实意义。“污水资源化”将污水作为 第二水源是解决水危机的重要途径。 城市污水资源化的重大意义在于： ( 1 ) 污水处理回用可以缓解水资源的供需矛盾。 由于全球性的水资源危机正威胁着人类的生存和发展，世界上的许多国家和 地区已对城市污水处理回用做出总体规划，把适当经过处理的污水作为一种新水 源，以缓解水资源的紧缺状况。 污水回用到底能给城市增加多少水量昵? 可以粗略的估计一下，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，n - 者 合计起来，即城市供水量的一半以上，可以变成回用水，返回到城市水质要求低 的用户上，替换出等量的自来水，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财富。这种潜力的开发非常值得。 我国城市污水年排放量已经达到4 0 0 亿1 1 1 3 9 。已建成的污水处理设施4 0 0 余座， 城市污水处理率达到3 0 ，二级处理率达到1 5 。根据2 0 0 1 年初通过的“十五” 东北大学硕士学位论文第一章绪论 计划的要求，2 0 0 5 年城市污水集中处理率达4 5 。这就给污水回用创造了条件， 凡是污水处理厂都可将污水再次适当处理回用。全国污水回用率如果平均达到2 0 ( 南水北调要求到2 0 3 0 年要达到3 0 ) ，则“十五”末期回用量可达到4 0 亿m a ， 是正常年份缺水6 0 亿m 3 的6 7 。污水回用规模潜力之大，足以环节一大批缺水城 市的供水紧张问题。 综上所述，污水经处理后回用，具有深远与现实的意义，它是解决水资源短 缺的有效途径，是缺水城市势在必行的重大决策。 ( 2 ) 污水处理回用体现了水的“优质优用、低质低用”原则。4 。 备科，用途的用水并非都需要优质水，以生活用水为例，其中用于烹饪的水约 5 而对于占2 0 3 0 不与人体直接接触的生活杂用水并无过高水质要求。为了 避免市政、景观、娱乐、环境用水过多占用居民生活所需优质水，美国佛罗里达 州规定：这些“用户”必须采用能满足其水质要求的较低水质的水源，即不允许 将高一级水质的水用于低一级水质的场合，这是合理利用水资源的一条普遍原则。 ( 3 ) 污水处理回用，有利于提高城市水资源利用的综合效益。 城市污水一般是由生活污水和工业废水两者混合组成的，其水量往往很 大，约占整个城市用水量的5 0 8 0 ，水质污染较轻，污染物质仅占0 1 ，其余 绝大部分是可再用的清水，同时水质相对稳定，不受气候等自然条件的影响，且 城市污水就近可得，易于收集，不需要长距离引水，其再生处理比海水淡化成本 低廉，处理技术也比较成熟，其基建投资比远距离引水经济得多。所以，污水回 用在经济上有明显的优势。 除实行摊污费外，污承回用所收取的水费可以使污水处理行业获得有力的 财政支持，使水污染防治得到可靠的经济保证。 污水处理回用减少了污水排放量减轻了对水体的污染，并能使部分被污 染的水体逐渐变新、复活，可有效的保护水源，降低该水源的处理费用。因为将 严重污染水源的水处理至合格的程度不仅费用高，往往难度很大。 ( 4 ) 污水处理回用，是实现环境保护战略的重要措施。 污水处理回用与“清洁生产”、“源头削减”、“废物减量化”等环境保护战略 措施是密切相关的。事实上污水回用也是污水的一种“回收”和“削减”，而且水 中相当一部分污染物质只能在水回用的基础上才能回收。 1 2 污水回用的途径 城市污水回用到目前为止已开展了5 0 多年，就其回用目标而言，大致有如下 几种： ( 1 ) 工业用水。 东北大学硕士学住论文 第一章绪论 在城市用水中，工业用水量所占比例相当大，其主要用途如下所述。 循环冷却水； 工艺用水和锅炉上水； 冲洗与洗涤水： 杂用水，包括厂区灌溉、消防和除尘。 ( 2 ) 农业灌溉。 ( 3 ) 市政杂用。 生活杂用水，包括冲厕、浇花草、空调、冲洗车、浇洒道路等； 娱乐及美化环境用水，包括供游冰和滑水的娱乐湖、供调鱼和划船的娱乐 湖、在天然河道中增加流量和流动的用水、野生动物栖息地和湿地、美化景点。 ( 4 ) 中水工程。 ( 5 ) 地下水回灌。 ( 6 ) 饮用水。 1 3 国内外污水资源化的现状 1 3 1 国外情况 污水回用在国外已有悠久的历史，回用工程的实旅也有上千座，回用水的规 模也很大，已经收到了明显的效益。世界许多缺水的国家把污水资源化中水回用， 作为解决水资源贫乏的重要途径。有的把它作为国策，加以法律化、制度化。 日本早在1 9 6 2 年就开始回用污水，7 0 年代已初见规模。：【业企业用污水处理 厂的再生水用于工业循环冷却、空调和锅炉用水；在宾馆、学校、商场、居住区， 推，1 j 、型生活污水净化设备，将处理后的水作为冲厕、洗车和庭院绿化用水。到 9 0 年末己有大型中水回用工程9 2 座，日回用中水量8 5 5 1 5 ) f m 3 。 美国也是世界上采用污水再生利用最早的国家之，7 0 年代初开始大规模建 设污水处理厂，随后即开始回用污水。目前，有3 5 7 个城市【目用污水，再生回用 点5 3 6 个。全国城市污水回用总量约为9 4 1 0 9 m 3 年。1 ，其中包括：污灌用水、 景观用水、工艺用水、工业冷却水、锅炉补水以及地下回灌水和娱乐养鱼等多种 用途。 除日本和美国外。俄罗斯、西欧各国、以色列、印度、南非和纳米比亚的污 水回用事业也很普遍。莫斯科市东南区有3 6 家工厂用污水总量达5 5 1 0 5 m 3 d l ； 南非和纳米比亚等国甚至建起了饮用再生水制造工厂。南非的约翰内斯堡每天有 o 9 4 1 0 5 m 3 饮用水来自再生水工厂；纳米比亚于t 9 6 8 年建起了世界上第一个再生 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 饮用水工厂，日产水6 2 0 0 m 3 ，水质达到世界卫生组织和美国环保局公布的标准。 以色列也早在6 0 年代便把污水回用列为一项国家政策，至1 9 8 7 年，以色列全国 已有2 1 0 个市政污水回用工程，城市污水回用率达7 2 。 表1 1 是世界上几项污水重复利用的大型工程“1 。 表1 1 世界上几项污水重复利用的大型工程 t a b le 1 1s e v e r a li ，a r g e s c a ee n g i n e e rj n go fs e w a g er e u s i n gi nw o r l d 1 3 2 国内情况 我国的污水回用起步比较晚，“六五”才开始这方面的研究工作，但是发展很 快。北京、天津、大连、青岛、淄博、邯郸等缺水城市，城市污水回用已取得显 著成绩。特别是从上个世纪8 0 年代以来，各个城市都在兴建大中型污水处理厂， 为污水再生回用产生了量大、质优而稳定可靠的中水水源。伴随着污水处理厂的 建设，中水回用工程也都相继产生了。到目前为止，就北方缺水的1 1 个城市1 6 座污水处理厂的统计，日处理城市污水总量3 3 0 万m 3 ，中水回用量1 2 5 7 万m 3 ， 回用率达3 8 。表1 2 是国内污水回用的实例。 天津纪蒋子污水处理厂污水处理规模为2 6 万m 3 d ，其中有l o 万m 3 d 。1 的 出水经过滤、消毒处理后，用于厂内冲洗设备、厂园绿化；5 万m 3 d 。出水用于梅 江生态居住小区冲厕、绿化、景观环境；其余用于津南、静海等农灌区；冬季作 为环境水补给地表的水源。 青岛海泊河污水厂配套建设了4 万m 3 d 1 的中水回用水厂，铺设了1 8 公里的 中水道，供给附近的工厂冷却水：市政绿化、道路喷洒等用水：两岸生态公园景 观环境用水，建成了区域性，多功能的中水系统。 大连是个节制用水、定额供水的城市。早在1 9 9 0 年大连春柳污水厂就建立了 一4 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 回用水工程系统，是我国第一个污水回用示范工程。絮凝、澄清、过滤、消毒处 理后供应附近热电厂、化工厂的冷却水。马兰河污水厂采用曝气生物池( b i o f o r 工艺) 一体化构筑物，出水已达到回用水水质标准，供给市政绿化用水，剩余作 为海滨景观环境水。 鞍山西大沟污水处理厂，利用世行贷款将西大沟2 4 万m 3 d 。1 的鞍钢工业废水， 经过隔油，气浮过滤处理后，回用于钢铁生产。绿化和杂用，回用率达到9 0 以上， 使鞍山市的水环境和太子河的污染根本改善。 表1 2 北方部分城市污水处理回用情况表 t a b l e l 2s e w a g et r e a t m e n ta n dr e u s i n go fn o r t hp a r t i a lc i t i e s 1 4 污水回用处理技术 1 4 。1 城市污水处理技术 污水回用的关键是污水处理。城市污水处理按其处理程度分为一级处理、二 级处理和三级处理。 一5 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 一级处理。污水的一级处理其主要任务是去除污水中呈悬浮状态的固体污 染物质，故多采用物理处理法中的各种处理单元。污水一级处理后悬浮固体去除 率为7 0 8 0 ，而8 0 d 。的去除率只有3 0 左右，一般达不到排放标准，还必须进 行二级处理。 ( 2 ) 二级处理。污水的二级处理的目的是大幅度去除污水中呈胶体和溶解态的 有机( 污染物( 即g o d 物质) ，去除率可达9 0 以上。处理后的b o d 。一般可降至2 0 3 0 m g l ，二级处理通常采用生物处理法作为主体工艺，处理后的污水可达到排 放标准。 ( 3 ) 三级处理。目的在于进一步去除二级处理所未能去除的污染物。包括生物 未能降解的有机物、以及氮、磷等能加速水体富营养化的可溶性无机物。三级处 理方法多样，如生物脱氮、混凝沉淀、砂滤、活性炭吸附、离子交换法、电渗析 和反渗透等。通过三级处理，b o d 。可从2 0 3 0 m g l 1 降至5 m g l 1 以下，同时能 去除大部分的氩和磷。 三级处理是深度处理的同义语，只是三级处理是在常规处理后为了去除更多 有机物及某些特定污染物而增加的一项处理工艺，而深度处理是以污水回用为目 的进行的废水再处理。污水的三种基本方法和处理程度的大致功能对应关系如图 1 1 所示。 原污水 物理法l 不宣捌生物法l 可排n 化学法等l 可做 一级处理f 入水体i 二级处理f 水体i 三级处理f 回用水再生水 机械处理生化处理 c 预巳l i 常规处理 图1 1 污水处理方法和功能 高级处理 ( 深度处理) 城市污水处理厂各级出水水质排放标准见附表l 。 城市污水深度处理是以二级出水为处理对象。目前城市污水二级处理常采用 生物法，其中较成熟，处理效果良好且出水适用于回用水源的工艺有：缺氧一好 氧法( a o 工艺) 、厌氧一缺氧一好氧活性污泥法( a a o 工艺) 、两段活性污泥法( a b 工艺) 、浮动生物床( f l o o b e d 工艺) 、曝气生物滤池( b i o f o r 工艺) 、间歇式活性 污泥法( s b r 工艺) 、生物接触氧化法和生物一渗透膜处理法( m b r 工艺) ，其中s b r 东北大学硕士学位论文第一章绪论 法及其衍生出的处理工艺( 如i c e a s 工艺、d a t i a t 工艺、c a s s 工艺、u n i t a n k 工艺、m s b r 工艺等) 以其工艺简单、造价低：时间上具有理想的推流式反应器的 特性：运行方式灵活、蜕氮除磷效果好；良好的污泥沉降性能；对进水水质水量 的波动具有较好的适应性等优点，近年来被国内外广泛的研究和应用。 1 4 2 深度处理工艺 如前所述，污水深度处理是用于去除在常规二级处理过程中未被去除的和去 除不够的污染物，以使出水在排放时符合受纳水体的水质标准，而在回用时符合 具体用途的水质标准。随着环保要求的提高，以及因水资源短缺污水再生利用的 需要，过去人们曾认为二级处理是“完全”处理的观点是不正确的了。还有一些 污染物质，如营养型无机盐氮磷、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是二级处理不能完全去除的。这就需要二级处理后。选 择一些单元技术进步对二级出水进行后续处理。这些技术单元有的是从给水处 理技术移植过来的，有的是单独针对水处理的。由于处理对象与给水不同，因而 不能简单套用给水技术。为了满足回用水质的要求，深度处理提到了议程，它已 是污水处理整套技术的重要组成部分。 城市污水深度处理单元技术有：混凝( 化学除磷) 、沉淀( 澄清、气浮) 、过 滤、消毒。对水质要求更高时采用的深度处理单元技术有：活性炭吸附、反渗透、 除氨、离子交换、折点加氯、电渗析、臭氧氧化等，可选用一种或几种的结合。 城市污水回用设计规范给出了深度处理单元技术的处理效率和目标水质 ( 见表1 3 和1 4 ) 。 表1 3 二级出水进行程凝沉淀、过滤的处理效率与目标水质 t a b l e i 3t r e a t m e n te f f ic i e n c ya n do b j e c t i v ew a t e rq u a l i t yo f s e c o n d a r ye f f l u e n t t oc o a g e l a t i o n ，f i l t r a t i o n 一7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 地下回灌技术 从持续发展的观点，虽然工业和农业是污水回用的主要用户，但地下回灌被 认为是扩大污水回用最有益的一种方式。3 。它以土壤基质作为生物反应器，使再生 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，由于不受水文条件的制约，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侵，扩大地下水资源的存储量，控制或防止 地面沉降及预防地震，调节水温，保持取水构筑物出水能力，使河流的生态得到 不同程度的恢复，使溶解氧增加，美观上也有所改善，它实质是水的长循环，比 污染水仅在处理厂中管对管的循环要好得多。以往的经济一效益分析结果表明， 在城市中期回用水计划中，地下回灌是最可取的回用方法。在长期看来，直接回 灌后用作饮用水，也是经济一效益分析最为合适的回用方法。 1 5 1 地下回灌技术分类 地下回灌包括天然回灌和人工回灌。人工回灌按回灌对象分为地表水回灌、 雨水回灌和城市污水二级处理出水回灌。回灌方式有两种：一种是在透水性较好 的土层上修建沟渠、塘等蓄水建筑物，利用水的自重进行回灌；另一种方式就是 井灌，它适合于地表土层透水性较差或地价昂贵，没有大片土地的用水蓄水，或 要回灌承压含水层，或要解决寒冷地区冬季回灌越冬问题等情况。 实际上在谈到地下回灌时，只有两种概念：在土壤含水层处理( s o i la q u i f e r t r e a t m e n t ，s a t ) 前，污冰经过深度处理达到饮用永的水质，因此从地下提升出 来的水，可以不受限制的应用。将s a t 结合到回用流程中，污水在s a t 前只部 东北大学硕士学位论文 至二主竺笙 化学和生物净化作用，再生水则通过分净化，然后再借助土壤含水层中的物理、 取水井抽出。 1 5 2 地下回灌对水质的要求 再生水地下回灌要考虑四个因素，即致病菌、矿物质总量、重金属和稳定的有 机化合物。1 。对回灌水水质的要求取决于当地地下水的用途、自然和卫生条件、回 灌过程和含水层对水质的影响及其他技术经济条件。回灌水的水质应符合以下条 件： ( 1 ) 水质应优于原地下水水质或达到生活饮用水水质标准( 我国生活饮用水卫 生标准见g b 5 7 4 9 8 5 ) ； ( 2 ) 回灌后不会引起区域地下水的水质变化和污染： ( 3 ) 不会引起井管或滤水管的腐蚀和堵塞。 目前，各国都没有制定统一的标准。美国加州卫生署曾负责制定过几个与危害 健康有关的再生水水质标准。1 9 7 6 年与1 9 7 7 年分别制定了利用再生水回灌地下的 水质标准，1 9 7 6 年为建议标准。1 9 7 7 年为建议标准的修正，详见附表3 。迄今我 国尚未制定再生水回灌地下的水质标准，为了推动污水资源化，对回灌水水质除 与当地地下水水质相符外，我们还根据美国和德国的有关法规和建议指南对回灌 水水质提出以下建议并在试验研究中加以遵循，见表1 5 【6 】。 表1 f5再生水人工地下回灌水质控制标准 t a b l e j 5t h ec o n t r o ls t a n d a r do fw a t e ro u a l i t yo fg r o u n d w a t e rr e c h a r g e 1 5 3 地下回灌发展现状和工程实例 通过透水性良好的土层回灌潜水层已有很长的历史。而人工回灌在近二十几年 里才取得了长足发展。在提供饮用水进行高标准水处理方面积累了很多经验。据 统计，当前l o 个国家中7 0 多个人工回灌地下水的事例，回灌能力从每年的几千 立方米到几百万立方米不等，有资料可查的例子中有3 8 例在技术上是可行的。其 中以美国、以色列、荷兰居于世晃领先地位。加拿大、日本、澳大利亚、印度等 国家都在发展自己的地下水回灌技术。据统计美国加州有2 0 0 多个污水回用厂， 每年回用水量约为3 3 1 0 8 m 3 ，回用水中约1 4 被回灌到地下。其中， 9 6 2 年美国 一9 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 洛杉矶的w h i t t e rn a r r o w s 原城市污水经过一级处理一粉末活性炭的二级处理一 石灰澄清一再碳酸化一过滤一臭氧氧化一颗粒活性炭吸附等处理后深井回灌到地 下；1 9 7 6 年美国加州奥兰奇县( o r a n g ec o u n t r y ) 的海水入侵屏障工程，它利用 抽出注入系统城市污水经过二级处理一化学净化一氨解析一混合滤料滤池过滤 一活性炭吸附一氯化一反渗透等处理后，出水水质达到地下水质标准，然后注入 地层，有效控制了海水入侵；1 9 9 9 年w e s tb a s i n 再生水厂回灌工艺：二级出水一 脱碳一石灰澄清一再碳酸化一过滤一反渗透一消毒一深井回灌”1 。目前，全美每年 回用城市污水回灌地下为0 4 7 1 0 8 m 3 ( 占3 9 ) 。在德国，l a n g e n 市为解决地下 水位下降问题，采用就近污水处理厂的二级出水经曝气一沉淀一砂滤池过滤一臭 氧氧化一活性炭吸附等措旌深度处理后，通过土壤渗滤补充地下水”。 六七十年代，人工回灌曾在我国盛行一时，主要是为了补给地下水，缓解供 水紧张，同时也是东南沿海城市防止地面沉降和海水入侵的主要措施。没有得到 广泛推广的原因是注水井常常发生堵塞。“七五”期问，清华大学进行了地下回灌 土壤渗滤的实验研究，取得了一定成果。“九五”期间，由清华大学和北京高碑店 污水厂承担地下回灌的课题研究，提交了中试成果。其处理工艺如下： d g b 工艺：二级出水一d g b 吸附+ p a c 絮凝一沉淀一砂滤一土壤柱 厂一二级出水一p a c 絮凝一沉淀一砂滤一活性炭过滤一土壤柱 活性炭工艺：i l 一二级出水一d g b 吸附+ p a c 絮凝一沉淀一砂滤一活性炭过 滤一加氯消毒一土壤柱 目前沈阳市中科院生态所也在进行此项研究。但由于多方面的限制因素，如系统 的运行与维护、公共健康与地下水污染、法律与经济等问题，一直没有得到大规 模的推广使用。 1 6 本文研究的主要内容和工作 根据国内外城市污水处理和回用的发展现状。本研究的目标是城市污水地下 回灌深度处理。以地下回灌为目的，通过试验研究，寻找出一条经济且有效的将 城市污水资源化的途径，为实际中的应用提供参考依据，而且对污水地下回灌早 日走出实验室，适应2 l 世纪水资源持续利用与保护的要求也具有重要的理论和实 际意义。研究中通过以脱氮除磷为目的s b r 技术，用实验室的中试系统处理城市 污水，重点通过试验确定其适宜的工况运行参数，进一步提高其出水水质。再以 化学絮凝、过滤、吸附、消毒等方法进行深度处理。 一1 0 东北大学硕士学位论文第二章s b r 工艺对城市污水的处理 第二章s b r 工艺对城市污水的处理 含有大量氮磷等营养物质的废水流入水体所引起的富营养化在世界各地日趋 普遍，已经成为人类所面i 临的严重水环境问题之一”】。采用常觇处理工艺的污水处 理厂( 包括生活污水和工业废水) 其排放水中都含有相当数量的氮和磷，并随出 水排入河道，成为藻类合适的营养料，引起水质的富营养化和黑臭的现象。自7 0 年代出现生物脱氮除磷的工艺以来，至今已开发了多种工艺流程，并被广泛采用。 但是在实际的运行过程中，经常出现脱氮效果好时除磷效果差、除磷效果好时脱 氮效果不佳的j 清况。因此，人们需要开发和研究兼有两种功效的污水处理工艺。 s b r 就是其中种兼有良好脱氮除磷功效的可行工艺。 s b r 是序批式间歇活性污泥法( 又称为序批式反应器，s e q u e n c i n gb a t c h r e a c t o t ) 的简称。它与传统的活性污泥法相比，具有以下特点：不需要二沉池 和污泥回流设备，投资及运行费用低：s v i 值较低，污泥易于沉淀，一般情况下 不产生污泥膨胀现象；s b r 操作管理比较简单，占地小；具有较好的脱氮除磷 效果。对于s b r 脱氮除磷的效果，国内外资料表明：s b r 系统中总磷的去除率可达 9 5 以上，总氮和氨氮的去除率也分别达到6 5 和9 0 ”。 由于s b r 工艺具有以上诸多优点，且利于现有污水厂的改建，加上自动化技 术的发展，自2 l 世纪8 0 年代以来，s b r 的研究和应用受到较广泛的重视。我国环 境污染与资金短缺的矛盾十分突出，而s b r 正是一种适合我国国情的处理工艺， 具有广泛的研究和应用前景。 2 1s b r 工艺的基本流程 序批式间歇活性污泥法工艺由按一定时间顺序间歇操作运行的反应器组成。 s b r 工艺的一个完整的操作过程，亦即每个间歇反应器在处理废水时的操作过程包 括如下五个阶段：进水期( 或称充水期) ；反应期；沉淀期i 排水排泥期； 闲置期。图2 1 所示为s b r 处理工艺一个运行周期内的操作过程1 “。 东北大学硕士学位论文 第二章s b r 工艺对城市污水的处理 进水 曝气 曝气或不曝气 曝气静置，不曝气 排水排泥 污泥活化 进水期反应期沉淀期排水排泥期闲置期 图2 】s b r 一个周期内的操作过程 f i g u r e 2 1o n e p e r i o d i co p e r a t i o np r o c e s so f s b r s b r 的运行工况以间歇操作为主要特征。所谓序批式有两种含义：一是运行 操作在空间上是按序列、间歇的方式进行的，由于污水大多是连续排放且流量的 波动是很大的，此时间歇反应器( s b r ) 至少为两个池或多个池如图2 2 所示。 剩余污泥 l 一格栅：2 - 沉砂池； 3 一初沉池；4 - 污泥管 图2 2 处理生活污水的三池s b r 系统 污水连续按序列进入每个反应期，它们运行时的相对关系是有次序的，也是 间歇的；二是每个s b r 反应器的运行操作在时间上也是按次序排列间歇运行的， 一般可按运行次序分为五个阶段，如图2 1 且所示。其中自进水、反应、沉淀、 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章s b r 工艺对城市污水的处理 排水排泥至闲置期结束为一个运行周期。在一个运行周期中，各个阶段的运行时 间、反应器内混合液体积的变化及运行状态等都可以根据具体污水的性质、出水 水质及运行功能要求等灵活掌握。对于单一的s b r 而言，不存在空间上控制的障 碍，只在时间上进行有效的控制与变换，即能达到多种功能的要求，运行是非常 灵活的。 对于问歇排污的情形，s b r 处理工艺中可省去污水贮存池，将水直接引人s b r 反应器，使之成为贮存污水、曝气池和二沉他使用。对于连续排污的情形，可按 如上所述使用多个s b r 问歇反应单元并联运行，按操作顺序依次对每个s b r 反应 器进行充水即第1 个反应器充满水后，将污水接入第2 个反应器，依次接入第3 、 第4 和第n 个反应器。当处理系统中的最后一个反应器充水完成后，第一个反应 器已完成整个运行周期并接着充水，如此循环往复运行。s b r 工艺运行过程中，进 水期接纳污水，有贮存和调蓄的功能，如果在进水期间进行曝气，则还可起到预 曝气的作用。图2 3 所示为多个s b r 反应器的运行系统操作示意。 图2 3多个s b r 反应器的运行操作方式 f i g u r e 2 3t h eo p e r a t i o n a lm o d eo fn u t t i s b rr e a c t o t s 由图2 3 可看出，多个s b r 反应器处理系统中需要较多的控制阀门以根据需 要进行流量和污水水流的调节和控制。因而，s b r 处理工艺大多适用于处理水量比 较小的情形，但如有自动化程度较高的控制系统的话，则也可应用于大水量的处 理过程。这是s b r 处理工艺有别于其它污水生物处理工艺的个重要方面，也是 为什么此工艺在活性污泥法发明之初未能得到应用的原因所在。 1 3 东北大学硕士学位论文第二章s b r 工艺对城市污水的处理 2 2s b r 处理城市污水的试验 2 2 1 试验装置与试验流程 本研究的对象为实验室规模的动态试验，试验装置是具有自动控制系统的s b r 反应器，如图2 4 所示，其t 艺流程见图2 5 。 图巾从左至右依次为：调节池、s b r 反应池、曝气系统 进水斗 图2 4 试验装置图 可 co l 斗 出水 贮水池s b r 反应池 图2 5s b r 工艺流程图 i 4 东北大学硕士学位论文第二章s b r 工艺对城市污水的处理 2 2 2 分析方法 试验中测试项目及分析方法见表2 1 。 表2 1 分析项目及分析方法1 t a b l e 2l a n a l y t i c a l i t e l l i sa n da n a l y t i c a lm e t h o d 2 2 3 试验原水 试验中所用污水取自沈阳市区排向浑河沈阳段的罗士圈污水排放口，罗士圈 的污水来自于沈阳市和平区砂山地区的生活污水和部分生产废水。表2 2 为罗士 圈生活污水的水质。该污水的生物学特性为c o d 负荷中等，而总氮含量较高，原 水c 0 1 ) 。，在3 0 0 m g 一左右，氨氮含量平均为3 5 m g - l 1 左右，总磷含量平均为3 m g - l 。1 左右，悬浮物含量则较低，平均为8 0 m g l 1 左右 表2 2 原水水质 d h 值c o d c ，m g l - lb o d 5 m g l 一1 t n m g l 1氨氮m g l - 】t p m g k , - 1 一j _ 一一一一，一一一一一一一一一 一一一 6 5 7 52 0 3 4 2 8 1 0 8 2 3 03 5 8 5 7 3 1 7 ，【5 0 ，51 8 2 4 8 5 1 5 东北大学硕士学往论文第二章s b r 工艺对城市污水的处理 2 2 4 试验方案 试验采用的s b r 反应器是由有机玻璃制成。设计日处理量为8 0 l ，s b r 反应池 的有效容积为6 0 l ，调节池容积为1 0 0 。一个运行周期为6 小时，每周期进水量 为2 0 l 。进水量由调节阀控制，反应池底部设有曝气管，进行布气，空压机进行曝 气，曝气量由空气流量计控制。好氧阶段反应池内的溶解氧浓度可达2 o m g l 1 以上，厌氧搅拌阶段溶解氧浓度接近于0 ，出水由电磁阀控制。在本研究中首先进 行了两种工况的对比运行试验，选择出最佳工况，再以最佳工况作为最终s b r 的 运行参数。两工况的运行时间和运行参数见表2 3 和2 4 。 表2 3 各工况的阶段运行时间单位h t a b l e 2 3t h eo p e r a t i 0 1 1t i m eo fe a c hc o n d i t i o n 表2 4 运行参数 t a b l e 2 4o p e r a t i o np a r a m e t e r s 项目 参数 迸水量几d 1 污泥龄( s r t ) d 停留时间h 周期。 混合液悬浮物浓度( 札s s ) m g l 4 活性污泥有机负荷( f m ) 8 0 1 5 2 0 2 9 0 0 7 0 0 0 0 0 3 0 0 6 2 2 5 曝气方式的确定 通常情况下，根据开始曝气的时间与充水过程的时间顺序的不同，s b r 工艺分 为三神不同的曝气方式，即 非限量曝气一边充水一边曝气； 限量曝气充水完毕后再开始曝气； 一1 6 东北大学硕士学位论文 第二章s b r 工艺对城市污水的处理 半限量曝气在充水阶段的后期开始曝气； 采用非限量曝气时，在充水的同时进行曝气，使逐步向反应器内投入的污染 物能及时得到吸附、吸收和生物降解，从而限制了混合液中的污染物积累，并能、 在短时间内获得较高的处理效果。这种方式适用于有毒废水的处理，但对于污水 浓度不高、无毒性污水或需要脱氮时不适用。如果污染物浓度不高，采用非限量 曝气方式，在充水期也存在着污染物降解，从而使混合液中污染物浓度增加不多， 在反应期不能形成明显的浓度梯度，也容易引起污泥膨胀。采用半限量曝气时， 在充水的起始阶段，混合液中污染物的浓度不大，降解速度不大，耗氧量也不大， 但随着污染物的投入，混合液中污染物的积累量也逐渐增大，降解速度增大，耗 氧量也增大，因而在充水的后半期应开始逐渐加大供氧量。采用限量曝气时，由 于在充水前s b r 反应器有一个沉淀、排水和闲置过程，混合液中的溶解氧接近于 零，所投入的污染物仅能在厌氧条件下得到降解，而且速度缓慢，从而会形成污 染物的大量积累，使反应过程中有较大的浓度梯度，这