慕杨——面向未来可持续城镇污水处理系统构建研究

1、 青岛理工大学大学生科技创新项目申请书（2014年度）项目名称： 面向未来可持续城镇污水处理系统构建研究 申 请 人： 慕杨 辛旭东 贺勇杰 王天宇 于宏伟 所在学院： 环境与市政工程学院 专业年级： 给水排水11/12级 联系电话：指导教师: 毕学军 职称 教授 申报日期： 2014 年 2 月 23 日成果类别： 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文R科技发明制作A类 科技发明制作B类共青团青岛理工大学委员会 填 表 说 明 一、 填写立项申请书前，请先咨询指导教师或有关专业教师。申请书的各项内容要求实事求是，逐条认真填写，表达明确、严谨。 二

2、 、申请书一律要求用A4纸的打印稿件，于左侧装订成册。一式三份（至少一份原件），由指导教师和所在学院团总支审查并签署意见后报送校团委。三 、“项目等级”不填，由学校统一填写。四、如表格不够，可以加附页。五、为了环保节约，请双面打印。一、简表项目简况项目名称面向未来可持续城镇污水处理系统构建研究申请经费5000 元起止年月2014.3-2014.9申请等级重点项目 一般项目申请者（集体项目代表）情况姓名慕杨性别男年龄21电院环境与市政工程年级11级专业给水排水工程项目组成员姓 名性别出生年月年级专业班级所在学院上学年成绩名次项目中的分工辛旭东男1993.3.14给水排水

3、112环境与市政工程55贺勇杰男1991.10.18给水排水112环境与市政工程27王天宇男1992.10.9给水排水123环境与市政工程113于宏伟男1993.12.9给水排水123环境与市政工程28指导教师情况姓名毕学军性别男学位工学博士职称教授研究方向水污染控制技术工程授课名称水质工程学姓名性别学位职称研究方向授课名称项目简介有关资料表明，城镇污水处理能耗已占全社会能耗的3%左右，是节能降耗的重要领域，尤其我国城镇污水处理系统的建设运营粗放低效，并成为一个高耗能的行业。分析现有城镇污水处理系统存在的主要问题在于可持续发展理念的缺失，导致污水处理成为一个高能耗、高物耗行业，并在很大程度上阻

4、断了能源与资源的循环利用。当前污水处理行业正处于重大变革的前夜，城镇污水处理系统的功能将由单纯污染物削减，转变为集污染控制、能源生产和资源的回收利用。因此，现有传统城镇污水处理系统技术面临新挑战。本研究从可持续发展角度出发，研究构建面向未来的可持续城镇污水处理系统，实现在达到处理出水水质满足水资源可持续循环利用需要的前提下，提高污水处理系统能源自给并降低对社会资源与能源的消耗；实现污水中能源物质与营养物质的回收利用最大化与污水处理过程污染物排放最小化，实现可持续发展的目标。二、立项依据（项目研究的目的、意义、用途、国内外现状、水平与发展趋势）我国第一座大型污水处理厂于1984年在天津建成并投入

5、运行以来，经过三十年的发展，中国污水处理事业快速发展并取得了巨大成就。截至2013年，我国已建成并投入运行的县级以上城镇污水处理厂达3500多座，日总处理能力达到1.4亿立方米，其处理规模与美国基本相当，为遏制水污染加剧的态势发挥了关键作用。然而，但我国绝大部分污水处理厂采用了低负荷的高耗能污水处理工艺，其以较高的能耗为代价实现污染物削减，形成了“减排污染物、增排温室气体”的尴尬局面。在能源利用与回收方面更是几近空白。城镇污水处理作为能源密集型行业，其能源消耗的主要来源为电力和燃料。高能耗一方面导致污水处理成本较高，使一些中小型污水处理厂运行困难，同时也进一步加剧了当前的能源危机。因此，污水处

6、理行业高速取得的巨大成就之下也同样隐存着短视、粗放乃至劣质。面向未来，值得我们进行反思。随着水污染控制工作的不断深入和城镇化进程推进，我国城镇污水处理设施建设还将持续高速发展，并有可能在未来10年内完成城镇污水处理设施的基本建设任务。但是，基本建设完成并不意味着发展停滞。中央城镇化工作会议已将能源利用效率、环境质量等列入新时期城镇化的重要内涵，包括提标和提效的提升改造将是污水处理的一个长期任务。这些预示着，中国城市污水处理事业将迎来以可持续发展为核心的全新时期，在相当长一段时期内，中国仍将是世界上最大的污水处理市场。随着环境污染、气候变化、能源危机以及资源枯竭等人类面临的重大问题日益突显，近几

7、年国际污水处理行业出现了以下三个明显趋势：污染物削减功能被进一步强化。一方面，随着经济社会发展，污染强度不断增大，污染物种类日趋复杂；另一方面，随着公众环境意识增强，水环境质量要求不断提高。为应对这一局面，污水处理不断提标改造成为必然趋势。发达国家在强化传统有机污染物去除的同时，生物脱氮除磷（BNR）总体上在朝着强化脱氮除磷（ENR）方向发展，有些地区甚至达到了技术极限（LOT）水平。为应对内分泌干扰物（EDCs）、药物和个人护理品（PPCPs）等新兴污染物。以提高能源自给率为目标的提效改造进展迅速。应对气候变化和能源危机要求城市污水处理必须节能降耗，并开发能源提高能源自给率，实现低碳污水处理

8、。城市污水处理是高能耗行业，美国城市污水处理电耗占全社会总电耗的3%以上；然而，城市污水中又蕴含着巨大潜能。据估计，污水所含潜在能量是处理污水能耗的10倍，全球每日产生的污水潜在能量约相当于一亿吨标准燃油，污水潜在能量开发可解决社会总电耗的10%。基于欧洲经验，在提效改造的基础上，仅以高效厌氧消化等成熟技术进行能量回收，污水处理能源自给率就可达到60%以上，有的处理厂甚至实现了完全能源自给。污水处理过程的资源回收引起重视。城市污水处理将成为资源循环利用的重要载体。除水资源循环利用外，污水处理过程还可实现有机质及磷等资源的循环利用。特别是磷，全球磷资源行将枯竭，中国储量也只能有效供给2050年。

9、因此，构建磷素的持续循环体系引起重视，而城市污水处理将是实现磷循环的重要途径。日本相关机构曾经测算，如将污水中的磷（每年5万吨）加以回收，可解决本国磷矿石进口量的20%。由于我国城镇污水处理厂的建设运营普遍存在粗放低效问题，不仅其节能空间巨大，而且污水中含有的有机物蕴含一定的能量，合理利用污水中蕴含的能量不仅可以降低污水处理过程能源的消耗与减少污水处理过程二次污染物的排放。因此，从可持续发展角度出发，研究构建面向未来的可持续城镇污水处理系统，实现在达到处理出水水质满足水资源可持续循环利用需要的前提下，提高污水处理系统能源自给并降低 对社会资源与能源的消耗；实现污水中能源物质与营养物质的回收利用

10、最大化与污水处理过程污染物排放最小化，实现可持续发展的目标。 2014年伊始，中国科学院生态环境研究中心、中国工程院院士曲久辉研究院联合5位业内知名专家撰文如何十年内达到世界领先，实现中国水务跨越发展，提出了 “用5年左右时间，建设一座（批）面向2030年、具备一定规模的城市污水处理厂。它应该是绿色的，是低碳的，能够真正体现出可持续发展这一普世理念”。同时从世界范围看，污水处理行业正处于重大变革的前夜，城市污水处理厂的功能将由单纯污染物削减，转变为集污染控制、能源生产和资源现有污水处理政策、技术、标准、规范以及行业标杆都将面临新考验，中国污水处理事业将面临新挑战。我国污水处理事业急需在立足国情

11、和自身需要的基础上，进行一次面向未来的系统探索，以期寻找到再出发的方向。为此，本研究组提出“面向未来可持续城镇污水处理系统构建研究”课题，意义重大、势在必行。三、项目研究的基本内容（主要技术关键及预期达到的主要技术经济指标）1.项目研究的主要内容我国绝大部分污水处理厂取消了初沉池设计，大量采用延时曝气等高能耗工艺，以高能耗为代价实现污染物削减与减排。并且现有污水处理厂设置厌氧消化设施的数量不足3%，在硬件上直接否定了污水潜能的开发利用。在能源利用与回收方面，我国污水处理行业的具体行动更是几近空白。为此我们小组主要研究方向放在如下几个方面：(1) 城镇小区生活污水中的黑水，灰水分管道收集与利用下

12、的新概念污水厂的分类回收系统的设计。通过计算选择最优的主要环节具体处理方式。黑水与灰水分管道收集。黑水就地处理，在城镇化的小区可以建造化粪池，把黑水中的固体污染物截留，处理之后的上清液再与灰水汇集进入管网，输送入污水处理厂处理。（2）设计对污水的能量提取技术，尤其是对生活污水的黑水中氮磷元素的提取与利用。在化粪池截留的高浓度固体污染物输送进入能源回收厂，进行厌氧处理，生成甲烷气体用于沼气发电或者生成天然气。同时可提取黑水污染物中的磷，用现存成熟的方法将磷元素转化为磷酸盐回收。（3) 如何在现有的污水处理技术的基础上，针对处理工艺的局部环节的创新或是改良，做到减少污水厂的能源的消耗和污水的回用。

13、（4） 提高污水处理厂的污泥的厌氧消化处理沼气的产量和效率，选择合适的方式对此方面进行改良。产生的沼渣也蕴藏氮磷元素和大量有机质能量，寻求新的方法将其利用，例如制作化肥。2. 主要技术经济指标（1）设计出一套新型的污水处理系统，做到对污水能源的回收与利用和减少对环境的二次污染。或者对原有工艺的改良与革新，提高处理效率，对污泥高效利用。四、技术可行性分析和研究工作准备情况今年年初，中国工程院院士、中国科学院生态环境研究中心研究员曲久辉和国内其他5位环境领域专家关注到这一新变化，并决定基于各自的学识，共同在中国构建一个“新概念”的污水处理厂。关于新概念污水处理系统的设立在技术上是可行的。上世纪60

14、年代，美国提出了具有超前思维的“21世纪水厂”概念，将污水处理标准提升至饮用水标准，对行业发展产生深远影响。沿此思路，本世纪初，新加坡开发了“NEWater”工艺，通过传统生物处理加双膜法，实现了污水到饮用水的深度回用，带动本国水业跨越式发展，使其一跃成为世界性水务中心。当前，我国的污水处理领域发展成为技术门类最为齐全、各类业态最为成熟的环保产业，并且需要进一步的处理系统的革新。在国外已经出现对污水能量利用的实验或是处理系统。所以在处理装置与所需的理论上对我们此次研究已经不存在障碍。为更好的对新概念生活污水处理系统有更深的认识，阅读了中国水网六专家欲建“新概念”污水处理厂一文。还查阅大量资料与

15、文献，并对当前国外的污水处理发展趋势进行了深入研究。并将在查阅资料中所产生的问题进行汇总，并行指导老师做了深入交流。五、预期成果（成果应用前景或预期达到的目的） 预期达到的目的：设计出一套我们自己的新型污水处理系统，做到污水中的能源回收与利用。以减少在排水管网以及污水处理的投资。并且通过我们的试验证明设计的系统的可行性，或是对现有的工艺进行改良并做出我们的改良成果报告。六、项目进度安排（起止时间、年进度、结题时间）此项目为半年立项时间为2014年3月至2014年12月4月-5月 查阅相关及设计研究实施方案5月-7月 方案比较及具体环节设计8月-10月 实验验证10月-11月 污水处理概念模型设计与构建11月-12月 课题总结12月 提交报告七、本项目的特色与创新之处本项目主要特色与创新之处在于，将以往以能耗能的污水处理方式转变为污水中提取能量用于污水收集与处理全过程的方式。并结合打破现有传统的处理工艺的技术，建立新概念的处理方式，对污水的能源进行回收与利用。例如将厨房垃圾与截留物通过适当方式结合一起处理，既提取生活垃圾中的能源质，也回收利用了污水中的各种微量元素和能源质，达到减少环境的污染和排水管网及污水处理的投资。八、结题方式R论文 实物 申请专利 R结题报告 成果鉴定