污水处理工程循环经济

水务产业循环经济“双高计划”水利水电建筑工程专业群主讲人：李龙污水处理工程循环经济CHAPTER

4CONTENTS目录1污水处理工程3污水厂再生水的利用2污水厂固体废物的处置和利用1.1水务产业的定义SECTON1污水处理工程1.1污水处理工程的基本概念

污水处理工程是为使污水达到排放到某水体或再次使用的水质要求，而使用各种方法将污水中所含的污染物分离出来或转化为无害物，从而使污水得到净化的工程。

图1污水处理厂1.1污水处理工程的基本概念一级泵站自来水厂二级泵站提升泵站污水处理厂排水泵站市政管网图2市政给排水工程流程图1.2污水处理厂的基本工艺图3典型的污水处理工艺流程图一级处理系统二级处理系统污泥处置和利用系统将进水提升到一定高度，随后的工艺流程中通过重力自流进入到各构筑物和设备。栅渣栅渣沉砂进水粗格栅提升泵房细格栅沉砂池初沉池生化处理池二沉池消毒池排放初沉污泥回流污泥浓缩消化脱水污泥处置和利用尾水泵房将出水提升至高于河流水位。栅渣、沉砂收集和处置深度处理系统1.3污水处理行业的前景城市区域污染源点多、面广、强度大，极易污染水资源，即使是发生局部污染，也会因水的流动性而使污染范围逐渐扩大。

伴随着碧水保卫战稳定推进，我国污水处理厂数量逐年上升，污水处理能力不断加强。图4水污染截止2020年我国污水排放已达到571.4亿m3，同时随着我国污水处理量也表现为逐年增长趋势，且增速略大于排放量，2020年我国污水处理量达557.3亿m3，整体污水处理率达97.5%，在政策推进背景下，未来我国污水处理率将持续提高。1.3污水处理行业的前景我国城市污水处理市场规模随着整体污水处理能力及处理量持续增长，并呈现出稳步增长趋势。

根据数据显示，2020年我国城市污水处理市场规模达1312.8亿元，同比2019年增长3.8%。2019年2020年

污水处理行业仍然是水务产业里最具发展潜力的行业。图42015-2020念中国污水处理市场规模（亿元）及增长率（%）1.3污水处理行业的前景自2015年以后，伴随着环保政策的不断出来，废水排放量得到一定程度控制。2017年全国废水排放量为699.7亿吨，同比降低1.6%。2018年全国有2,300个城市污水处理厂和1,620个县城污水处理厂，城市平均每日能处理16,200亿m3污水，县城平均污水处理能力为3,300亿m3/日。1.污水治理行业正处快速成长期1.3污水处理行业的前景图52010-2018年全国污水厂数量和污水日处理能力（亿m3）污水处理经营服务可分为建设期服务、运营期服务和投资运营服务三大类型。

未来污水处理商通过改善经营体制、提高管理水平、推动污水处理基础设施的升级，能够开拓行业内各企业的业务合作模式的更多可能性，有效促进企业扩大业务规模，也有利于整个行业的进一步发展。2.运营模式多样化的探索和推广1.3污水处理行业的前景中国城市平均污水处理费呈现波动上升的趋势，且各省市污水处理费定价标准逐渐明晰。污水处理收费的提高有望改善污水处理运营企业盈利能力，提高对污水处理运营项目的接手动力。3.污水处理收费标准的提高1.3污水处理行业的前景作为污水处理的“衍生品”，随着污水处理量的上升，污泥产量随之不断增加。

污泥问题是我国生态文明建设的工作重点。2018年我国污泥年产量达到5,665万吨，同比增长3.3%。相关报告显示，中国污泥处理处置行业2018年市场规模为608亿元，预计未来3年年复合增长率为4%左右，到2020年将达到662亿元。据测算，污泥处理处置运营市场占比51%，工程市场占比49%。4.污泥治理市场集中度低，发展空间巨大1.3污水处理行业的前景

再生水主要是指城市污水或生活污水经处理后达到一定的水质标准，可在一定范围内重复使用的非饮用水。我国再生水处于刚起步阶段。我国的再生水从“十一五”开始大面积使用，主要用于景观、工业用水。“十二五”期间国家对再生水行业投资344亿元。根据发改委、住建部共同发布的《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》，“十三五”期间再生水投资量约为158亿元，处理规模达到4,158万吨/日，新增1,505万立方米/日规模的再生水生产设施规模。5.再生水未来增量空间巨大1.3污水处理行业的前景在阶梯水价和再生水工艺成本下降的驱动下，2017-2020年再生水运营市场规模年复合增速达20%，市场规模初步估计为200亿元。考虑到目前再生水利用率低，现有市场规模基数较小，再生水未来增量空间值得期待。5.再生水未来增量空间巨大1.3污水处理行业的前景1.4本章重点由于污水处理是耗费大量资源，同时产生各种废弃物的过程，因此如何在处理过程中的节约能耗以及妥善处理废弃物则是特别重要的课题。本章主要介绍污水处理厂的处理工艺及其节约资源以及资源循环再利用的方法和措施。1.1水务产业的定义SECTON2污水厂固体废物的处置和利用2污水厂固体废物的处置和利用污水处理厂在工作运行过程中，会产生大量固体物质，包括栅渣、沉砂、初沉污泥、剩余污泥等，这些物质都富含有机物，不妥善处理的话会污染环境，同时也是巨大的资源浪费。因此需探索更绿色环保的污水厂固体物质的处置和回收方法。2.1栅渣、沉砂的处置和利用格栅是由多个栅条组成的，用于拦截和收集污水中的悬浮物质的机器，避免堵塞水泵叶轮和管道等，收集的悬浮物质称为栅渣。栅渣的产生量较大，并富含有机物，不进行妥善的处理又可能污染环境。图6格栅和栅渣2.1栅渣、沉砂的处置和利用沉砂由砂水分离器对沉砂池的沉砂物质和水的混合物脱水处理而来，但脱水后的固体物质仍有较高的有机物含量。图7沉砂池2.1栅渣、沉砂的处置和利用国内污水处理厂对栅渣和沉砂最广泛的处理方法是对栅渣和沉砂等的固体废物进行压缩、脱水处理后实行卫生填埋或是焚烧。虽然这种方法是经济适用，但是并不符合绿色环保的新时代要求。

现阶段应提倡应用更加环保的方法处置和利用栅渣和沉砂等的固体废物，达到变废为宝的目的。2.1栅渣、沉砂的处置和利用栅渣主要由粪便、厕纸、塑料和各种有机物组成，有机物含量最高可达90%，并且含水量很高；而沉砂主要由砂、石等的无机固体物质组成，但表面会黏附各种有机物，因此仍有较高的含水量和有机物含量。因此栅渣和沉砂等的固体物质需要进行压缩脱水处理。2.1栅渣、沉砂的处置和利用如果在压缩脱水的同时进行洗涤处理，洗涤出来的有机物虽然提高了污水厂的进水浓度，但都较容易就降解，而有机物可以促进后续的生物反硝化和生物除磷过程，减少污水厂后续的污水处置费用。若栅渣的处置方式是堆肥，则无需洗涤处理。2.1栅渣、沉砂的处置和利用根据下表，可知德国HESSEN州的污水处理厂所产生的栅渣和沉砂没有被用作填埋，而是大多用于景观/生态修复，其它的用于焚烧。

从德国的经验来说，栅渣经过堆肥处理以及沉砂经过洗涤和脱水处理后能应用于景观/生态修复，值得我们借鉴。2.2污泥的理化性质污水厂污泥是污水厂在工艺运行过程中产生的污泥，主要有初沉池污泥、二沉池污泥、生化反应池污泥、深度反应池污泥等。图8二沉池上浮污泥图9氧化沟污泥城市污水厂污泥中的有机成分与一个城市的工业化程度有关,而化学污泥的组成主要取决于工业生产的类型。

我国城市污水厂污泥（主要指生活污水污泥）有以下特点。（1）有机物含量高

生活污水中参杂着大量的有机物，因此容易发酵产生恶臭，污染环境。2.2污泥的理化性质（2）污泥泥质差，碳水化合物含量高而脂肪类含量低

我国人均肉类和牛奶的消耗量偏低，因此污泥的挥发性悬浮物含量低；而碳水化合物（如淀粉、糖类等）含量较高，因此污泥中含有较多的碳水化合物。表2城市污水污泥中有机物含量的对比表2.2污泥的理化性质（3）有较高的热值污水厂污泥具有较高的热值,在一定含水率下具有自持燃烧和用作能源的可能性。表3我国城市污水厂污泥热值2.2污泥的理化性质（5）有丰富的营养物质污泥中含有大量的可被植物利用的营养成分,如氮、碳、钾、腐殖质等。表5国内城市污水厂污泥的营养物含量2.2污泥的理化性质（4）含大量病原微生物如细菌、霉菌、藻类、原生动物、轮虫、线虫等。经过规范处理的污泥，其病原微生物可被有效杀死。2.3污泥的处置和利用我国有多种的污泥处置方法，这些技术与污水厂的规模和最终处理方法有关，现阶段最常用的处置方法为“干化+焚烧+填埋”。图10污泥处置技术路线（1）稳定填埋污泥填埋只需对污泥进行基本的减量化和无害化处理，操作流程简单、处理量大，而且运行的过程中成本耗费较低。但污泥（含水率80%）既会影响垃圾填埋场的机械作业，又极易引起渗滤液收集系统的堵塞，缩短了垃圾填埋场的使用寿命。填埋场地占地广、选址困难，地理位置偏僻，使得污泥转运成本高，并且污泥填埋处置周期长，城市污泥的有毒成分（有机无机化合物、重金属细菌和病原体等）经过雨水侵蚀产生的渗滤液进入土壤、地下水，导致土壤、地下水污染。因此，污泥填埋正逐步被摒弃。2.3污泥的处置和利用（2）干化+焚烧+填埋干化+焚烧+填埋是我国现阶段最常用的污泥处理处置方式之一，经简单脱水处理的污泥含水率、灰分和重金属含量高，热性能差，燃烧效率不高，通常不能被完全处理。因此，还需对脱水后的污泥进行半干化处理。污泥干化焚烧后填埋相比于直接填埋具有减容减重效果好、占地少的优势。且焚烧利用高温燃烧对污泥中的有机物、虫卵及病原体进行处理，使污泥成为稳定的灰渣。能否减少污泥焚烧的成本，控制污泥焚烧产生的二次污染物量，降低焚烧衍生产品的毒性，成为制约污泥焚烧技术发展瓶颈。

2.3污泥的处置和利用（3）干化+土地利用鉴于污泥中的有机质、氮、磷、钾以及微量元素，在一定程度上能改良土壤性质，提高肥力。由于污泥较高的含水率而不能直接作土地利用材料，需对其进行干化处理,根据相关规定的要求，农用污泥含水率需低于60%。2.3污泥的处置和利用（4）厌氧消化/好氧堆肥+土地利用国内污泥厌氧消化处理规模最大的上海白龙港污水处理厂日产沼气达44512m3，提纯后的沼气可用于生产以及汽车燃料，节约能源的消耗。污泥沼渣中有机质含量低，且泥质稳定，适宜用于园林绿化有机肥。厌氧消化具有能耗低、含碳量少、污泥总体积小、产甲烷量高等优点，有较大的发展潜力。2.3污泥的处置和利用（4）厌氧消化/好氧堆肥+土地利用我国用此技术路线处置污泥比例不高的原因包括：①污泥所含悬浮有机物量大，产甲烷微生物代谢率低，有机物去除率低（20%～40%），需要较长的水力停留时间（10～20d)；②无论是厌氧消化还是厌氧堆肥工艺，成本投入较高，构筑物占地面积大；③城市污泥土地利用涉及到市政、农业、环保等多个方面，各部门对可能产生的风险态度大相径庭，迟迟未能统一意见，不能推广应用。2.3污泥的处置和利用（5）干化＋热解污泥热解是在无氧条件下使有机物热裂解，形成利用价值高的污泥热解油、热解气体、焦炭等。污泥热解油作为污泥热解过程的中间产物，可作锅炉和运输燃料，是一种潜在的清洁优质燃料。由于技术和成本等原因，目前国内的污泥热解技术还停留在实验室阶段。2.3污泥的处置和利用（6）烧制+建筑材料将污泥干化后烧制作建筑材料，主要包括烧制墙体材料（砖、陶粒等）、水泥窑协同处理等，用于污泥资源化处置。将干化污泥直接作为建筑材料原材料，从工艺特点上来看，经过高温煅烧制备建材可以杀死污泥中的病原菌及寄生虫卵，使重金属固化于高温矿物的结构中，实现重金属离子的稳定化，降低对环境的潜在风险。将污泥用作建筑材料的技术难点在于能否严格保证建材符合国家和地方的相关标准，是否会在使用中对环境和人体造成危害；且目前污泥类建材产品大众接受度不高。该类处理方法在部分发达国家已逐步发展起来，我国将其用作建材处理的案例较少。2.3污泥的处置和利用2.4小结

鉴于我国污泥产生量日益增多，且成分复杂，污泥的处理处置技术亟需发展。在现有技术中，污泥焚烧填埋较为常用，但污泥的资源化利用途径更具潜力。

总之，在城市污泥处置中，需要兼顾经济、环境和生态效益，选择合适的污泥处置方式和再利用技术方案，实现污泥稳定无害化处置。1.1水务产业的定义SECTON3污水厂再生水的利用3.1再生水的基本概念我国再生水行业处于刚起步阶段，2001年才正式启动再生水利用工程，并在近年来得到了快速发展。根据住房城乡建设部统计数据,2019年全国城市污水处理量达525.9亿m3，污水处理率达96.8%，污水处理厂达2471座，全国城市再生水利用率为20.9%（污水再生利用量/污水处理量）。再生水主要是指城市污水或生活污水经处理后达到一定的水质标准，可在一定范围内重复使用的非饮用水。国外再生水利用率相对较高。

美国再生水利用涉及很多领域，工业用再生水占31%、农业用再生水占60%，也就是说美国大部分再生水用于工业和农业。新加坡从2000年第一座新生水试验厂投用到2010年第4座新生水厂正式运行，4座新生水厂供应全国需水量的比例已达30%，在日本，再生水利用可回溯到20世纪60年代，现在对再生水的利用率已达到了90%，位居全世界首位。3.1再生水的基本概念3.2再生水的利用途径（1）工业用水

工业生产中需要用到大量的冷却水。经统计，冷却水占工业用水的40%～50%，消耗量很大。但工业用水等对水质要求相对较低，要求水不腐蚀金属设备、不产生大量泥质沉淀及不产生水垢等。为此，可将再生水用于工业用水。城市中再生水量很大，如果再生水能接入工业用水系统，势必将节省大量的水资源。因此，再生水在工业冷却水中具有广阔的应用前景。（2）生活用水在一些缺水的地区，可将再生水用作居民的生活用水。需注意的是，居民生活用水的标准相对较高，这就需要对污水采取更加复杂的处理工艺。目前，在技术上可将再生水转化为可饮用水。在国外，已有技术能将马桶水净化成可饮用水。该技术虽然在理论上是可行的，但是还需要人们在心理上接受。3.2再生水的利用途径（3）农业灌溉用水中国农业相对比较发达。中国一些地区干旱少雨，为了保证农作物生长，需抽取地下水进行灌溉。据统计，中国每年的灌溉用水达到了6×109m3。由此可见，农业用水量也相对巨大。

但农业用水对水质要求不高，要求水中不能含过量的酸、碱及重金属物质。显然，城市中的一些污水经处理后形成的再生水可用于灌溉，能在很大程度上节约水资源。同时，有些水中的矿物质还可作为农作物养料，这在某种意义上降低了再生水处理成本。3.2再生水的利用途径（4）市政用水城市公共设施运行过程中还需要一些水资源，这些水资源被称为市政用水。常见的市政用水主要有绿化带浇水、路面洒水及消防用水等。

市政用水对水质的要求也相对较低，主要是要求水资源无刺激性气味、无毒及对设施无腐蚀性即可。若将一些污水经过简单处理用于市政用水，则会在很大程度上降低市政用水的成本。3.2再生水的利用3.3再生水利用的案例澳大利亚再生水的主要利用途径包括城市杂用、景观环境利用和农业灌溉用水及其他3个方面，其中城市杂用(urban)指城市住宅、商业、工业、市政等用途；景观环境利用和农业灌溉用水指用于环境和灌溉等用途，如农业灌溉、林地、湿地、补给环境水体等；其他指未指定特定最终用户的再生水。澳大利亚再生水的使用案例2008—2011年澳大利亚全国再生水利用量逐年增加。2010—2011年全国再生水利用量达到3.5亿m3。2006年澳大利亚遭遇千年难遇的旱灾，政府积极推进水资源多样化政策，大力发展污水再生利用。2006年起，再生水利用量不断增加。但随着降雨量的逐年增加，2011年开始再生水利用量相对减少，近几年稳定保持在3亿m3/a左右。截至2020年，澳大利亚已有419座运行的再生水厂，实现了城镇污水的部分或全部循环利用。澳大利亚再生水的使用案例3.3再生水利用的案例目前，广州市内再生水主要考虑回用于工业用水、城市杂用水和环境用水三类。由于农业、林业、牧渔业单个用户用水量小，而且比较分散，故暂不考虑在农、林、牧、渔业使用再生水。另外广州市为滨海城市，地下水位较高，城市水源主要依靠本地地表水和境外引水，地下水开采数量较少，因此不考虑再生水作为地下水的补充水源。广州再生水的使用案例3.3再生水利用的案例广州市再生水需水量预测（1）工业用水再生水需水量参考深圳市经验，工业用水户的再生水需求量一般占用水量的10%～30%等。根据广州市节约用水规划，2020年和2030年