节水技术第七、八章.ppt

雨水利用 对天然降水进行收集 存蓄并加以利用 7 1雨水利用 方式 1 直接设置收集雨水的集流面 把集流面上的雨水通过集水槽 管收入蓄水器 置于地上或地下的罐或窖 中进行储存以备利用 2 采取措施促进雨水的渗透 回灌 补充地下水 调节地下水的采补平衡 一 城市雨水利用 1 有利于增加可供水量2 有利于控制城市雨洪3 有利于控制非点源污染4 有利于回灌城市地下水5 具有生态意义和经济效益可起到调节气候 净化空气 增进城市绿化 遏制城市热岛效应等作用 改善城市生态环境 经济效益 一节省巨额的市政排水投资 二节省市政 用水单位和居民用水开支 三有良好的产业前景 能形成新的经济增长点 一 城市雨水利用的作用 1 必要性我国城市化发展势头强劲 城市雨水具有利害双重性 雨水利用是兴利除害 保障城市水安全的需要 2 可行性 1 水量方面 雨水水量可观 2 水质方面 雨水矿化度低 水质优于污水的水质 3 技术方面 多国实践证明 屋面雨水利用 下凹式绿地雨水利用 土壤入渗 道路小区和广场雨水利用 雨水收集回用等模式都是可行的 二 城市雨水利用的必要性和可行性 三 城市雨水利用的现状及发展趋势1 现状20世纪80年代初期 由于全球范围内的水资源危机 世界各地掀起了雨水利用的高潮 国际雨水集流系统协会IRCSA InternationalRainwaterCatchmentsystemsAssociation 应运而生 1982 2009年间 该协会已在世界各地召开了14次国际雨水收集大会 1 日本在楼顶集雨修建空中花园 修建地表 地下的蓄洪池 将雨水作为城市杂用水 修建渗井 渗沟 渗池等将地面径流就地渗入地下 2 德国 是欧洲开展雨水利用工程最好的国家之一 德国的城市雨水利用可分为两大类 a 家庭房屋屋顶雨水集蓄利用系统利用房屋屋顶作为雨水集流面 将雨水导入设置于房屋外或半地下室的水池中 每个水池容积3 5m3 储存于水池的雨水通过管道和小型水泵输水系统用作家庭杂用水 当雨水集蓄池中存水用完时 可自动和原有供水系统连接 当水池已装满时 雨水可自动溢流 排入小区排水系统 b 公共建筑和绿地等集蓄和导渗系统公共建筑集蓄入渗回补系统规模相对较大 将公共建筑或铺装地面的雨水集蓄于地下水池 容积一般在100m3以上 蓄水池顶部有溢流口 当暴雨入流超过蓄水容量 可排入城市河道或洼地 a 柏林居民的雨水收集装置 b 品种齐全的雨水利用产品德国的家庭雨水收集利用装置及产品 3 美国美国的雨水利用以提高天然入渗能力为宗旨 多个州制定的 雨洪管理条例 规定 新开发区的暴雨洪水洪峰流量不能超过开发前的水平 所有新开发区必须强制实行 就地滞洪蓄水 滞洪设施的最低容量均应能控制五年一遇的暴雨径流 2 发展趋势 1 雨水利用设施向标准化与产业化发展 2 雨水利用技术向国际化与集成化发展 3 雨水利用向多目标和综合性技术发展 四 城市雨水利用技术 1 雨水渗透利用技术 雨水渗透设施包括渗水管 渗水沟 渗水地面 渗水洼塘和渗水浅井等 渗水管渗水管是多孔管材 雨水通过埋设于地下的渗水管向四周土壤层渗透 其优点 占地面积少 管材四周填充粒径20 30mm的碎石或其它多孔材料 有较好的调蓄能力 缺点 发生堵塞或渗透能力下降时 很难清洗恢复 且要求汇集的雨水中不含悬浮固体 渗水沟采用多孔材料制作或是自然的带植物浅沟 底部铺设透水性好的碎石层 1 雨水渗透利用技术 续 渗水地面分为天然渗水地面和人工渗水地面 前者以绿地为主 其透水性好 能美化环境并对雨水中的污染物有较强的截留和净化作用 但其渗透流量受土壤性质的限制 人工透水地面是人工铺设的透水性地面 如多孔沥青地面 碎石地面和草坪砖地面等 多铺设在道路两侧的透水人行道 停车场等 渗水洼塘利用天然或人工修筑的洼地或池塘进行雨水渗透 补给地下水 2 雨水径流收集利用技术 雨水径流收集利用技术是对来自屋顶 道路等的降水径流进行收集 稍加处理或不经处理即直接用于冲洗厕所 浇洒绿地等 城市雨水利用不仅是水利和城建系统的任务 还牵涉到很多部门 需要工程措施与非工程措施的有机结合 五 促进城市雨水利用的途径 1 把雨水利用纳入城市总体规划 2 在城市防洪思路和措施上应有所创新和改革 3 尽快制定雨水利用的法规和条例 4 对原有排水设施进行改造 蓄排结合 先蓄后排 5 强化管理 制定符合实际的雨水利用规范和标准 城市雨水利用涉及面广 具体实施时需要水利 城建 市政管理 环境保护等许多部门合作 包含城市雨水资源管理 雨水径流污染控制 雨水的收集处理回用系统 城市生活小区水系统的合理设计及生态环境建设等技术性很强的内容 应借鉴国外先进技术 结合我国国情制定相应的技术规范和标准 二 农业雨水利用 农业雨水利用是指通过自然过程或人类活动过程将雨水用于农业生产以提高作物产量和改善农业生态系统的做法 1 集雨系统集雨系统主要是指收集雨水的集雨场地 应选择具有一定产流面积的地方作为集雨场 不具备天然条件的地方 需人工修建集雨场 2 输水系统输水系统主要是指截流沟和输水沟 渠 其作用是将集雨场上的来水汇集后引入沉砂池 而后流入蓄水系统 3 蓄水系统蓄水系统含蓄水建筑物及其附属设备 其作用是存储雨水 并作简单的水质处理 蓄水建筑物主要有水窖 水窑 水池 水罐 水柜等类型 一 农业雨水集蓄利用技术 续 4 用水系统对于以人和家畜 家禽饮用水为目的的庭院集雨工程 集雨 输水 蓄水和用水都在庭院内 一般采用电动水泵或手压泵提水 个别缺电地区也常采用人工水桶提取 当雨水集蓄主要用于农业灌溉时 用水系统即灌溉系统 利用海水节约淡水资源途径 1 利用海水节约淡水资源的途径 全世界70 以上的人口居住在离海洋120km以内的区域 面对淡水资源日趋紧张的局势 世界各国纷纷将目光投向占全球水储量96 5 的海水 海水利用近来得到蓬勃发展 7 2海水利用 一 概述 2 国内外海水利用概况 美国工业取水量自1970年后开始下降 日本工业取水量自1975年后呈缓慢下降趋势 在一定程度上都与海水利用有关 目前日本工业用海水量每年达到3000亿m3 美国达到1200亿m3 海水代用方面目前 日本已经完成工业布局调整 将耗水量大的炼钢 电力和化工等布局在沿海 美国预计2025年前后完成调整 我国一些沿海城市 在上世纪30年代就开始用海水作为发电厂的冷却水 目前 大连 青岛 天津 上海等主要沿海城市的工业取水量中海水取水量一般在80 以上 电力 化工行业 海水利用率高达95 但我国大陆目前工业用海水量每年仅240亿m3 仅为日本的1 12 美国的1 5 2 国内外海水利用概况 续 海水淡化方面全球有40多个国家开展了 海水淡化技术 研究 全球现有海水淡化厂近两万家 日产淡水近3000万吨 在海水淡化装置制造国中 美国和日本分别占30 的市场份额 韩国 海水淡化 技术研究虽起步于20世纪80年代 但依靠价格优势 也已打入中东市场 我国早在40多年前就开始研究 海水淡化 技术 最初主要是为了满足船舶和岛屿的生活用水 国家海洋局先后组建了多个与 海水淡化 有关的研究所 2000年 低温多效蒸馏海水淡化技术示范工程 被列入国家重大研究项目 并应用于山东黄岛发电厂 2 国内外海水利用概况 续 海水淡化方面 续 2005年我国制定了 海水利用专项规划 提出了2020年的目标 海水淡化能力达到250 300万m3 d 海水直接利用能力达到1000亿m3 a 大幅度扩大和提高海水化学资源的综合利用规模和水平 海水利用对解决沿海地区缺水问题的贡献率达到26 37 实现大规模海水淡化产业化 海水利用 特别海水淡化国产化率 达到90 以上 建设若干个20 50万m3 d能力的海水淡化工程 沿海地区的高用水企业的工业冷却水基本上由海水替代 二 海水代用 1 海水作为工业冷却水海水作为冷却水有直流冷却和循环冷却两种系统 采用较多的是直流冷却方式 循环冷却系统取水量少 排水量也小 可减轻海水热污染 海水作工业冷却水涉及的技术问题很多 包括取海水 预处理 海水腐蚀和海洋生物附着等 其中最关键的是防腐和防海洋生物附着问题 3 海水作为洗涤用水 如海上水产品的洗涤等4 海水作为印染行业的漂白 染色 漂洗用水5 海水作为灌溉用水 2 海水作为生活用水海水作为城市生活用水 主要用于冲厕 道路洒水 消防等生活用水 其中以冲厕应用最广 目前香港每天冲厕用海水量达到35万m3 占全部该项用水量的70 蒸馏法 三 海水淡化技术 水的淡化 用化学 物理方法从溶液中将水和溶质分离 蒸馏法是将含盐水加热汽化 再将蒸汽冷凝成蒸馏水的淡化方法 目前我国可用于海水淡化和脱盐的工业化处理方法有蒸馏法 反渗透法 电渗析法和离子交换法 从实际应用情况看 使用最多的为蒸馏法 其次为反渗透法 再次为电渗析法 从世界范围看 淡水处理装置主要分布在沙特 阿联酋 科威特 美国 日本等国 蒸馏法的优点 不受水的含盐量限制 适用于有废余热可利用的场合 故多设于沿海的火力发电厂 核电站 蒸馏法的缺点 设备费用高 系统设备 管路的结垢与腐蚀严重 三级蒸发淡化系统工作原理 反渗透法 反渗透法属于膜分离技术 半透膜 孔隙率大 表面结构对水分子具有亲和作用 对溶质具有排斥作用 机械强度大 稳定性好 经久耐用 制造方便 价格低 目前最常用的是醋酸纤维膜 渗透压 的计算公式 S 千分数表示的含盐量 T 绝对温度 板框式反渗透装置 1 保持PH值在适当范围内 防止半透膜水解破坏 2 保持适当的水温以提高产水量 适宜水温在20 30 C 3 原水需经严格的预处理 以防半透膜上微孔被堵塞 4 定期清洗半透膜上的沉积物并防止微生物繁殖 同等水质条件下 用反渗透装置淡化海水的单位制水成本比蒸馏法高50 100 24 一 概述1 发展概况 萌芽于20世纪初 直到1940年才出现了具有实用价值的多隔室电渗析器 1950年w Juda试制出具有高选择透过性能的阴离子交换膜和阳离子交换膜 从而奠定了电渗析技术的实用基础 1952年2月 美国首次将电渗析咸水淡化器的样机公开展出 同年 美围 英国均研制出实用的离子交换膜并于1954年正式用于淡化苦咸水制取饮用水和工业用水的生产实践 1959年苏联开始研究和推广应用电渗析技术 日本引进电渗析技术后 首先并且主要用于海水浓缩制盐 电渗析法 电渗析法属于膜分离技术 25 2 主要用途 主要是咸水淡化 可将含盐量为6000mg L的咸水淡化成含盐量为500mg L的饮用水和工业用水 电渗析海水淡化站并不普遍 主要原因是海水的含盐量过高 消耗的电能大 1974年日本旭化成公司在山口县野岛建成一座电渗析海水淡化站 淡水产量为120m3 d 1977年美国高温电渗析开始在现场进行海水淡化试验 淡水产量为379m3 d 26 电渗析有如下五个方面的特点 1 耗电低 经济效益显著 实践证明将2000 5000mg L的苦咸水淡化成500mg L的淡水最经济 2 系统应用灵活 操作维修方便 根据不同条件要求 可以灵活地采用不同形式的系统设计 并联可增加产水量 串联可提高脱盐率 循环或部分循环可缩短工艺流程 在运行过程中 控制电压 电流 浓度 流量 压力与温度几个主要参数 可保证稳定运行 3 不污染环境 4 使用寿命长 膜一般可用3 5年 电极可用7 8年 隔板可用15年左右 5 原水回收率高 海水 高浓度苦咸水原水回收率可达60 以上 一般苦咸水回收率可达65 80 3 电渗析技术的发展特点 27 3 电渗析技术的发展特点 续 采用电渗析法进行海水深度除盐 制取含盐量约为500mg L的初级纯水 电渗析法和离子交换法联合应用 制取高纯度水 电渗析淡化水站向自动化 电子计算机控制的无人操作方向发展 离子交换膜可称为电渗析器的心脏 研制各种性能的离子交换膜就可以扩展电渗析的应用领域 28 4 我国发展概况 我国1957年开始研制离子交换膜 最早研制成功了牛皮纸膜和羊皮纸膜 1966年聚乙烯异相膜在上海化工厂投产 成为我国第一代具有实用性的商品膜 并且使用至今 年总产量已超过20万m2 我国第1台小型实用化的电渗析淡化器是在1964年由解放军海军医学科学研究所研制成功的 1969年在北京化工厂内建立了我国最早的工业用水淡化站 该站将地下水经电渗析和离子交换 制成化学试剂用的高纯度水 100m3 d以上 供水至今 可以认为1970年标志着我国电渗析技术进入了生产实用的成熟阶段 29 1978年郑州铁路局商丘电渗析淡化站建成投产 由地下苦咸水制取蒸汽机车锅炉用水 产水量为1200m3 d以上 1982年商丘西站建成电渗析淡化站 产水量为2400m3 d 1981年国家海洋局第二海洋研究所等单位 在我国西沙群岛的永兴岛上建立了我国规模最大的电渗析海水谈化站 将海水淡化成饮用水 产水量为200m3 d 我国电渗析器单台产淡水量可达50m3 d 制造电渗析淡化器的工厂有20多个 现有电渗析淡化器约有5000多台 淡水产量1000m3 d以上的电渗淡化站有数十个 30 我国电渗析水质除盐技术在工业生产上得到了广泛的应用 电渗析主要用在如化工 医药 电力 电子 轻工 饮料 纺织 印染 锅炉 化学分析等 工业生产中大多以自来水为原水 利用电渗析可以直接制取除盐水 在需要纯水的场合 电渗析可以作为离子交换的预处理手段 无论采用哪种方式 电渗析除盐均可取得降低制水成本 减轻污染的效果 31 电渗析适用范围 32 在物理化学中 将溶质透过膜的观象称为 渗析 将溶剂透过膜的现象称为 渗透 对电解质的水溶液来说 溶质是离子 溶剂是水 在电场的作用下 溶液中的离子透过膜进行的迁移可以称为 电渗析 电渗析是指在直流电场作用下 溶液中的荷电离子选择性地定向迁移透过离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术 见下图 二 电渗析过程原理 33 原理图示 所用的膜为离子交换树脂膜 有阴膜与阳膜之分 离子交换树脂膜是一种高聚物电解质薄膜 当浸入电解溶液后 其中的活性基团在水的作用下发生离解 对阳膜 离解后正离子进入水溶液 在膜上留下带有负电荷的固定基团 使树脂本体带负电荷 对阴膜 离解后负离子进入水溶液 在膜上留下带有正电荷的固定基团 使树脂本体带正电荷 以阳膜为例 当水溶液中的正离子在电场作用下向阳膜运动时 由于其电性与阳膜本体的电性相反 不产生排斥力 故能通过 而阴离子由于所带电性与阳膜本体的电性相同 受到排斥 故不能通过 双膜电渗析槽工作原理 中室内的溶液因NaCl的不断去除而淡化 电渗析法淡化海水的基础 电解质在直流电场中的定向迁移 离子交换树脂膜的选择通透性 电渗析装置工作原理 电渗析装置工作原理 38 电渗析法海水淡化的局限 妨碍电渗析用于高浓度苦咸水或海水淡化的因素 除电力消耗以外 还有电极寿命和电渗析膜的结垢和清洗问题 电渗折处理硫酸钙盐型水质 特别是阳离子的成分主要是钙 镁时 最大的威胁来自浓缩室特别是阳膜堆上析出的硫酸钙垢和碳酸钙垢 碳酸钙垢可以用酸清洗 而硫酸钙垢既不溶解于酸也不溶解于碱 只能借助于调换电极极性方能有效地防止其析出 在国内的工程应用中 就曾多次发生钙垢的析出而影响运转的实例 调换电极极性和降低原水利用率及脱盐率虽然能防止垢的生成 但对于水资源却是一种浪费 离子交换法 离子交换法是利用阴 阳离子交换树脂对水中离子的选择吸附性分别去除水中的阴 阳离子 使含盐水淡化 处理后出水的纯度高 当水的含盐量在500 1000mg l以下时较经济 而海水含盐量远高于此 达34400mg l 故离子交换法较少用于海水淡化 40 电渗析的经济性比较 左图为原水淡化的各种方法的成本比较 由图可知 在原水盐浓度较低时 离子交换法最为经济 随着溶液中盐浓度的增加 其费用急剧上升 当原水浓度在500mg L左右时 电渗析方法比较经济 若原水浓度超过5000mg L时 则以反渗透法为最佳 41 电渗析的经济性比较 由图还可看出 在中低浓度区的一个很大的范围内 多级闪蒸的成本较高 却不受原水浓度的影响 只有当原水浓度超过100000mg L时 多级闪蒸与其它几种方法相比 才显得比较经济 我国海水利用虽然起步较早 且是世界上少数几个掌握海水淡化先进技术的国家之一 但存在规模小 发展慢 时常竞争力不强等问题 主要表现在 四 我国海水利用中存在的问题 1 海水利用发展速度慢我国海水淡化水日产量仅占全世界的1 1000左右 海水作为冷却水用量仅占世界的6 左右 2 海水淡化成本仍相对较高海水淡化吨水成本虽然已降到目前的5元左右 但相对于大部分沿海城市偏低的自来水水价 仍然偏高 制约海水淡化发展 3 无法可依 无章可循 有条件利用海水但不利用的情况仍较严重 没有法规约束力 海水利用是解决我国沿海地区水资源供需矛盾的重要途径 针对问题 促进我国海水利用的途径 五 促进我国海水利用的途径 1 制定海水利用规划并出台相关技术标准2 制定产业政策 在信贷 税收等方面给予优惠3 积极开展海水利用示范工程并促其产业化4 组织有针对性的科技攻关 通过科技创新降低成本5 关注海水利用的环境影响 加强生态监测力度 第八章节水型社会建设规划 第一节概述第二节节水型社会建设规划的编制 节水型社会是一个耦合水资源系统 经济系统 社会系统在内的多层次化复合问题 8 1概述 节水型社会建设的内涵可以理解为 以提高水资源利用效率和效益为中心 通过法律 经济 行政 技术 宣传等措施 在全社会建立起节水的管理体制和运行机制 在水资源开发利用的各个环节 实现对水资源的节约和保护 逐步杜绝用水的结构型 生产型 消费型浪费 最终实现以水资源的可持续利用支撑经济社会的可持续发展 一 节水型社会建设内涵 当前我国节水型社会建设主要包括三种基本模式 1 宏观的国家模式 确立节水型社会建设的基本理念 强调经济 社会与资源环境的和谐发展 2 中观的区域模式 在节水型社会建设基本理念的指导下 结合区域资源 环境 社会 经济和文化等特征 建立特定区域节水型社会建设的总体思路和重点建设方向 3 微观的基层模式 如节水型企业 城市 灌区或社区建设等 我国当前的节水型社会建设实践以区域模式为重点和主导 一 节水型社会建设内涵 续 8 1概述 续 三个发展阶段 强制式阶段 自律式阶段 自觉式阶段 1 强制式发展阶段 节水主体的节水意识不高 主要靠政府的行政法规等硬性措施强制节水 二 节水型社会建设的发展阶段 2 自律式发展阶段 通过市场经济手段和社会激励机制 节水主体在进行用水活动时能够主动考虑用水成本及无效用水对自身和社会造成的消极后果而选择采取合理的用水方式 8 1概述 续 节水型社会的整个建设过程中各种作用机制的关系应当是 以市场经济调节为主的节水机制 辅以适当的行政手段 最终通过节水型社会良好环境氛围的建立 使节水