给排水专业的发展及未来的水处理技术-胡真虎

1、给排水专业的发展及未来的水处理技术胡 真 虎合肥工业大学2015-12-25水的自然循环和社会循环水的自然循环水的社会循环城市给排水的发展历程 发展经历三个阶段发展经历三个阶段 第一阶段第一阶段20世纪世纪50年代以前年代以前 主要解决城市水量问题主要解决城市水量问题 第二阶段第二阶段20世纪世纪50年代年代 20世纪末世纪末 开始重视水质问题开始重视水质问题 第三阶段第三阶段21世纪开始世纪开始 以水质为中心，水作为商品进入市场，出现了以水质为中心，水作为商品进入市场，出现了水工业水工业给排水专业历史沿革概览土木工程的专门化方向（给水工程、下水道工程等课程）5依附于土木工程，依附于土木工程，

2、尚未独立设置专尚未独立设置专业阶段业阶段1952年年孕育着给水排水工程专业的雏形孕育着给水排水工程专业的雏形 我国早期给水排水工程专业的基础我国早期给水排水工程专业的基础 1231952年起在高等教育的学科专业体系中单年起在高等教育的学科专业体系中单独设置了给水排水工程独设置了给水排水工程（哈工大、清华、同济）（哈工大、清华、同济） 6独立设置专业，独立设置专业，探索与成长阶段探索与成长阶段1952-1965年年 至至50年代末，全国九所院校设有给水年代末，全国九所院校设有给水排水工程本科专业排水工程本科专业 ，年招生，年招生400余人余人（哈尔滨工业大学、清华大学、同济大学、重庆建筑工程学哈

3、尔滨工业大学、清华大学、同济大学、重庆建筑工程学院、湖南大学、天津大学、太原工学院、西安冶金建筑学院、院、湖南大学、天津大学、太原工学院、西安冶金建筑学院、兰州铁道学院兰州铁道学院）60年代初，开始培养硕士生，但十几年间年代初，开始培养硕士生，但十几年间培养数量仅有培养数量仅有20余人。余人。 123之前名称：给水排水工程专业。之前名称：给水排水工程专业。 专业名称变更与专业规范颁布实施专业名称变更与专业规范颁布实施教育部教育部高等教育本科专业高等教育本科专业（20122012）中更名）中更名为为“给排水科学与工程（给排水科学与工程（081003081003）”专业。专业。20122012年，

4、年，给排水科学与工程给排水科学与工程本科指导性本科指导性专业规范专业规范颁布实施。颁布实施。132022年6月7日星期二9l 1987年，在农田水利工程专业基础上成立给水排水工程专业；年，在农田水利工程专业基础上成立给水排水工程专业；l 1988年，正式招收本科生；年，正式招收本科生；l 1996年，市政工程硕士点获批；年，市政工程硕士点获批；l 2011年，市政工程博士点获批；年，市政工程博士点获批；l 给排水科学与工程专业具有市政工程博士点、市政工程、水力给排水科学与工程专业具有市政工程博士点、市政工程、水力学及河流动力学、建筑与土木工程等硕士学位授权点；学及河流动力学、建筑与土木工程等硕

5、士学位授权点；l 2012年，专业名称更名为给排水科学与工程；年，专业名称更名为给排水科学与工程；l 2013年，通过住房与城乡建设部专业评估；年，通过住房与城乡建设部专业评估；l 在校本科生约在校本科生约350余人、研究生、留学生余人、研究生、留学生80余人。余人。未来的水处理技术2022年6月7日星期二10给水排水行业面临的问题28行业面临的问题行业面临的问题水的安全输配技术水的安全输配技术亟待提高亟待提高饮用水安全问题饮用水安全问题突出突出用水效率低用水效率低Immense Visual Appeal水环境污染严重水环境污染严重水资源短缺水资源短缺发展趋势。新工艺新工艺新技术新技术经济高

6、效的水经济高效的水污染控制污染控制非传统水非传统水资源利用资源利用污水再生、雨污水再生、雨洪储蓄利用、海洪储蓄利用、海水淡化水淡化节水减排节水减排新技术新技术建筑节水、消防建筑节水、消防安全、节水技术安全、节水技术与装置、循环循与装置、循环循序和分质利用序和分质利用饮用水安全饮用水安全保障保障提高水质，安全提高水质，安全输配，保证安全输配，保证安全2022年6月7日星期二13海绵城市建设城市地下综合管廊2022年6月7日星期二14城市污水中的能源、资源1能耗：能耗：0.34度/m3，年耗电超过120亿度，占全国能耗占全国能耗0.4物耗：物耗：除磷药剂除磷药剂10万吨，脱水药剂8000吨排碳排碳

7、：0.55 kgCO2 /m3，年排CO2近2000万吨，=18亿辆汽车总排放量现有污水处理工艺消耗大量外部能源和资源现有污水处理工艺消耗大量外部能源和资源 被动污染减负处理污染减负处理 污染物去除 污染物减排 达标水排放- - 可持续的积极行动可持续的积极行动 有机碳回收 矿物质回收 碳能源回收必须必须从污水中从污水中去除什么去除什么能够能够从污水中从污水中回收什么回收什么 能源 资源 能耗 物耗以污染物完全矿化为主导以污染物完全矿化为主导以低能耗、物耗为前提的以低能耗、物耗为前提的 新工艺、技术、方法、设备新工艺、技术、方法、设备理念转换：理念转换：污水是重要的可再生、可利用资源污水是重要

8、的可再生、可利用资源新思路新思路 污水中资源化的技术途径污水中资源化的技术途径 污水污水资源资源化化1污水回用污水回用Sewage reuse地下水补给地下水补给非直接注入方式非直接注入方式地表引渗方式地表引渗方式处理过的生活污水放在蓄水塘，经过土壤入渗补助地下含水层，然后地下水再用处理过的生活污水放在蓄水塘，经过土壤入渗补助地下含水层，然后地下水再用水井抽出来作所谓的间接饮用，已有五十年以上的历史水井抽出来作所谓的间接饮用，已有五十年以上的历史美国美国Orange County 1污水回用污水回用Sewage reuse深度处理深度处理-微滤微滤+反渗透反渗透+UV+双氧水双氧水美国加州美国

9、加州Orange County 21世纪污水厂世纪污水厂1污水回用污水回用Sewage reuse海水淡化海水淡化新加坡新加坡 NEWater海水淡化厂海水淡化厂1污水回用污水回用Sewage reuse绿色屋顶绿色屋顶纽约纽约2磷回收磷回收Phospaq技术技术荷兰荷兰Olburgen 污水厂污水厂Phosphorus recovery3硫回收硫回收荷兰荷兰PaquesSulphur recovery4氮回收氮回收Nitrogen recovery生物干化技术生物干化技术生产氮肥耗能是生产氮肥耗能是 40-50 MJ/kg N现有的氮回收技术耗能现有的氮回收技术耗能 50-100 MJ/kg

10、 N生物堆肥生物堆肥高温高温(80)水份蒸发水份蒸发 NH3硫酸硫酸硫酸氨硫酸氨肥料肥料污泥污泥肥料或焚化炉燃料肥料或焚化炉燃料干化干化热能热能5有机物回收有机物回收organic recovery挥发性脂肪酸挥发性脂肪酸5有机物回收有机物回收organic recoveryPHA PHA 可以经聚合形成不同的有机物，如可降解的塑料、造纸添加剂可以经聚合形成不同的有机物，如可降解的塑料、造纸添加剂、禽畜或养鱼饲料、甚至生物燃油、禽畜或养鱼饲料、甚至生物燃油从有机物中提取从有机物中提取 PHA 可加工为塑料产品可加工为塑料产品回收回收 PHA 的技术可行的技术可行, 但目前成本过高但目前成本过高

11、能源回收技术1协同厌氧协同厌氧Co-digestion不仅可以提高污泥厌氧消化效果，而且可以减少碳排放量不仅可以提高污泥厌氧消化效果，而且可以减少碳排放量奥地利奥地利Strass 污水厂污水厂德国汉堡污水厂德国汉堡污水厂荷兰荷兰Apeldoorn污水厂污水厂德国曼海姆污水厂德国曼海姆污水厂已经成为欧洲城市污水处理厂污泥处置的发展趋势已经成为欧洲城市污水处理厂污泥处置的发展趋势能源回收技术3污泥热水解污泥热水解污泥厌氧消化预处理污泥厌氧消化预处理Thermal hydrolysis 提高厌氧消化的产气率提高厌氧消化的产气率 提高污泥无害化的程度提高污泥无害化的程度 提高污泥的脱水效果提高污泥的脱

12、水效果 显著降低污泥臭味显著降低污泥臭味 厌氧消化池的池容减小厌氧消化池的池容减小优优点点 Cambi 公司的公司的 Cambi 威立雅公司的威立雅公司的 Exelys SH+E公司的公司的 Lysotherm 主主要要技技术术能源回收技术4气化气化Gasification曼海姆污水处理厂曼海姆污水处理厂太阳能电池模组安装在太阳能电池模组安装在2300m2滤池表面滤池表面提供约提供约 238000kWh 的太阳能电力的太阳能电力满足全厂满足全厂 1%的电力需求的电力需求未来能量平衡计划未来能量平衡计划资源回收技术1氮回收氮回收Nitrogen recoverykwh/m3污水中有机物的潜能污水

13、中有机物的潜能1.9污水脱氮的能耗污水脱氮的能耗0.8污水中的能量含量污水中的能量含量加州加州Monterey污水厂污水厂加州加州Watsonville污水厂污水厂p 污水经三级处理（没有硝化、除污水经三级处理（没有硝化、除磷）用于农业灌溉磷）用于农业灌溉加州加州Monterey污水厂污水厂p 污泥用于厌氧发酵，通过热电联污泥用于厌氧发酵，通过热电联产设备回收能源，能补给该污水产设备回收能源，能补给该污水厂厂 50%的能量消耗的能量消耗洋蓟洋蓟草莓草莓资源回收技术2磷回收磷回收Phosphorus recovery鸟粪石法回收磷的工艺已经成熟鸟粪石法回收磷的工艺已经成熟p PHOSNIX工艺工

14、艺p AirPrex工艺工艺p Ostara工艺工艺德国德国 Lingen 污水厂污水厂丹麦丹麦 Ejby Molle污水厂污水厂鸟粪石结垢后易堵塞管道鸟粪石结垢后易堵塞管道 解决消化池管线的堵塞问题解决消化池管线的堵塞问题 回收污水中的磷回收污水中的磷 提高污泥的脱水效果提高污泥的脱水效果 降低污泥脱水的药剂消耗降低污泥脱水的药剂消耗污水处理厂的能耗l 存在时间长存在时间长l 传质效率高传质效率高l 比表面积大比表面积大曝气系统的改进曝气系统的改进-纳米气泡曝气纳米气泡曝气解决思路解决思路可考虑取部分出水经膜滤后对其充氧，然后再与待处理污水混合，以达到给污水充氧的目的潜在问题潜在问题：曝气系

15、统堵塞充氧效率的提高l精确曝气精确曝气l精准曝气精准曝气污水中有机碳的生物富集技术存在问题存在问题l处理效果有限（介于一级和二级处理之间）l对溶解性有机物去除效果较差，TCOD：6080%，SCOD：3040%l二沉池COD脱附回溶进水出水回流剩余污泥再生池二沉池吸附池污泥对有机物的吸附过程污水生物脱氮污水生物脱氮脱脱氮氮方方法法不不断断涌涌现现同时硝化同时硝化-反硝化反硝化短程硝化短程硝化-反硝化反硝化厌氧氨氧化厌氧氨氧化反硝化除磷反硝化除磷 .反硝化脱氮反硝化脱氮甲醇反硝化甲醇反硝化硝化硝化-亚硝化亚硝化污水脱氮是近污水脱氮是近40年年来环境工程界最活来环境工程界最活跃的研究领域跃的研究领

16、域Anammox的发现和应用的发现和应用20世纪80年代末-90年代初，Deflt理工大学Kuenen教授指导的学生Mulder在运行一个三级反应器系统时，观察到第二级流化床反应器中氮“不明去向”的大量消失。他结合1977年奥地利理论化学家Broda的化学热力学预测，在国际上首次发现了anammox（厌氧氨氧化）现象由Jetten为主进行基础研究，在顶尖刊物上发表大量学术论文由van Loosdrecht拓展到工程应用领域Smeulders MJ, et al. (2011) Nature 478(7369): 412-416. Kartal B, et al., (2011) Nature

17、479 (7371): 127-130. Ettwig KF, et al. (2010) Nature 464: 543-548. Pol A, et al. (2007) Nature 450: 874-878. Raghoebarsing AA, et al. (2006) Nature 440: 918-921. Risgaard N, et al. (2006) Nature 443: 93-96. Strous M, et al., (2006) Nature 440: 790-794. Raghoebarsing AA, et al. (2005) Nature 436: 115

18、3-1156. Kuypers MMM, et al. (2003) Nature 422: 608-611. Sinninghe et al. (2002) Nature 419: 708-712. Strous M, et al. (1999 Nature 400: 446-449. 厌氧氨氧化颗粒污泥好氧颗粒污泥厌氧颗粒污泥借助厌氧、好氧和厌氧氨氧化污泥颗粒化技术的进步，实现主工艺厌氧氨氧化借助厌氧、好氧和厌氧氨氧化污泥颗粒化技术的进步，实现主工艺厌氧氨氧化低温下厌氧氨氧化菌生长慢问题的解决l生长速率慢；温度35时，10-12dl低温条件下，硝化菌群生长速率高于亚硝化菌群，难以去除硝化菌

19、群亚硝化菌好氧颗粒污泥技术目前普遍认定：污泥平均粒径大于0.2 mm即为好氧颗粒污泥Morgenroth + Wilderer, Technical University of Munich, 德国德国彭党聪彭党聪 + Moletta, Laboratoire de Biotechnologie de lEnvironnement, 法国 van Loosdrecht, Delft University of Technology, 荷兰郑俊华郑俊华+刘雨刘雨, Nanyang Technological University, 新加坡中国科学技术大学环境工程实验室, 中国与絮体相比，微生物颗

20、粒在比重、粒径大小、沉降速度与絮体相比，微生物颗粒在比重、粒径大小、沉降速度等方面具有明显优势，并提高了降解污染物的能力等方面具有明显优势，并提高了降解污染物的能力絮体絮体颗粒颗粒粒径 (mm)0.10.5-5.0SVI (ml/g)70-15020-80沉降速率(m/h)2.8-7.630-70比重1.0011.004-1.061脱氢酶活性 (mg TF/g SS/h)10-12.515-20微生物颗粒与絮体的比较微生物颗粒与絮体的比较密实的结构 良好的沉降性能高生物截留能力抗冲击能力强比重显著增加大小增大5-50倍沉降速度生物活性1-2倍增加10倍p无沉淀池，占地只有传统无沉淀池，占地只有

21、传统污水厂的四分之一污水厂的四分之一p无需污泥回流，能耗仅是无需污泥回流，能耗仅是传统工艺的传统工艺的 70%pMLSS 浓度达浓度达8,000 mg/L好氧微生物颗粒处理城市污水示范工程好氧微生物颗粒处理城市污水示范工程合肥经开区污水处理厂合肥朱砖井污水处理厂荷兰Garmerwolde污水厂l 厌氧高温氧化厌氧高温氧化l 生物质厌氧消化系统生物质厌氧消化系统Schwaigern 生物质厌氧消化系统生物质厌氧消化系统瑞典马尔默污水厂污泥瑞典马尔默污水厂污泥中温高固厌氧消化中温高固厌氧消化1展望展望Outlook1展望展望Outlookl 甲烷燃料电池甲烷燃料电池l 污水源热泵污水源热泵l 太阳

22、能太阳能污水处理厂的仿真、优化和调控污水处理厂的仿真、优化和调控ISIXNOSHBX,NDXNHSNDSPXSXABX,deathdeathdeathdeathdeathan,oxicgrowthanoxicgrowthaerobicgrowthaerobicgrowthdeathnitrificationaerobichydrolysisanoxichydrolysisammonificationaerobichydrolysisanoxichydrolysisSSanoxicgrowthaerobicgrowthSoluble inertorganic matterParticulatei

23、nert organicmatterReadilybiodegradablesubstrateSlowlybiodegradablesubstrateParticulate productsfrom biomass decayNitrate +nitrite nitrogenNH4+ + NH3nitrogenHeterotrophicbacteriaAutotrophicbacteriaParticulatebiodegradable organicnitrogenSolublebiodegradableorganic nitrogen发展污水处理复杂过程的模拟、仿真、优化、调控技术发展污水

24、处理复杂过程的模拟、仿真、优化、调控技术展望展望Outlook1怎么过好大学四年2022年6月7日星期二45大学一年级大学一年级FreshmanFreshman大学二年级大学二年级SophomoreSophomore大学三年级大学三年级JuniorJunior大学四年级大学四年级SeniorSenior彷徨？呐喊？伤逝？朝花夕拾朝花夕拾？有目标，才有动力，追求目标有目标，才有动力，追求目标的过程才不会迷茫的过程才不会迷茫 哈佛大学有一个非常著名的关于目标对人生哈佛大学有一个非常著名的关于目标对人生影响的跟踪调查。对象是一群智力、学历、环境影响的跟踪调查。对象是一群智力、学历、环境等条件都差不多

25、的年轻人，调查结果如下：等条件都差不多的年轻人，调查结果如下：2525年后再来看被调查的人年后再来看被调查的人 有清晰且长远目标的人：有清晰且长远目标的人：2525年来几乎都不年来几乎都不曾更改过自己的人生目标。他们都朝着同一个方曾更改过自己的人生目标。他们都朝着同一个方向不懈地努力，现在，他们几乎都成了社会各界向不懈地努力，现在，他们几乎都成了社会各界的顶尖成功人士，他们当中不乏白手创业者、行的顶尖成功人士，他们当中不乏白手创业者、行业领袖、社会精英。业领袖、社会精英。 有清晰但短期目标的人：大都生活在社有清晰但短期目标的人：大都生活在社会的中上层。他们的共同特点是，那些短期目标会的中上层。他们的共同特点是，那些短期目标不断被达成，生活状态稳步上升，成为各行各业不断被达成，生活状态稳步上升，成为各行各业的不可或缺的专业人士。如医生、律师、工程师、的不可或缺的专业人士。如医生、律师、工程师、高级主管等。高级主管等。 有较模糊目标的人：几乎都生活在社会的有较