生态建筑雨污水ICAST回用处理系统设计研究.docx
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生态建筑雨污水ICAST回用处理系统设计研究
生态建筑雨污水ICAST回用处理系统设计研究
水污染及其水资源危机是制约我国当前城市建设可持续发展的重要因素，建立一个比较完善的、经济高效的生活污水回用处理系统，实现污水就地资源化和无害化,具有重大的社会、经济和环保价值。
生态建筑雨污水回用是上海市科委2003年科技攻关项目专项《生态建筑关键技术研究与系统集成》的一个子项目，它主要是对示范工程——上海建科院莘庄园区，包括环境实验楼在内的几栋建筑每日所排放出的污水及雨水进行回用处理。
在比较目前的国内外主流的几种污水回用处理技术的基础上，作者采用了一种装置集约化程度高、处理能力强、运行方式灵活、自动控制和监测、维护管理方便的改进型SBR——ICAST（IntermittentorCyclicActivatedSludgeTechnology，间歇/循环活性污泥技术）对生态建筑雨污水回用处理系统进行设计研究，为实施国家建设部和水利部2001年提出的“现代绿色小区40%以上的生活污水经处理后须回用”指标，以及为逐步实现小区污水零排放打下基础[1～5]。
1污水回用处理系统设计
1.1处理装置
污水回用处理装置系统如图1所示，占地约20m2，污水水源为上海建科院莘庄园区包括环境实验楼在内的几栋建筑的全部建筑污水和部分幕墙测试中心的冲墙排水及雨水，设计承担处理水量为20m3/d。
该系统的污水处理主要装置包括调节池、ICAST反应池、二沉池、中间池、过滤柱及消毒池，ICAST反应池由兼氧区和好氧区（主曝气区）组成，连接管道采用PVC塑料管。
主要处理装置及其材料如表1所示。
表1 主要处理构筑物及其材料
Tab.1Thetreatmentdeviceandmaterial
序号
名 称
尺寸
材料
1
调节池
4.4m×0.9m×2.5m
200mm厚钢筋混凝土
2
ICAST池
2.9m×1.2m×2.0m
20mm厚有机玻璃板
3
二沉池
Ф1.4m，h=2.15m
20mm厚有机玻璃板
4
中间池
1.3m×0.8m×1.3m
15mm厚有机玻璃板
5
过滤池（柱）
/
外壳为5mm玻璃钢
6
清水池
4.4m×0.9m×2.5m
200mm厚钢筋混凝土
1.2工艺流程
ICAST是作者基于SBR及其衍生的ICEAS、CAST/CASS/CASP处理技术发明的一种改进型的活性污泥技术。
该专利技术采用灵活的运行方式，可根据实际需要自由选择间歇式或连续式的运行方式。
工艺流程如图2所示，生态建筑雨污水经调节池进入ICAST反应池进行生化处理。
ICAST反应池可以采用间歇式和连续式两种运行方式。
考虑到维护的方便，本次设计采用连续式运行（如图3所示）。
连续运行为连续进水、连续出水，流入ICAST反应池的污水，在兼氧区与活性污泥充分混合后进入主曝气区进行好氧分解，自然停留一段时间后溢流入二沉池，沉淀后上清液出水至中间池，处理过程中回流主曝气区内的部分污泥至兼氧区。
这里将ICAST反应池设计分为一个较小的兼氧区和一个较大的好氧区，目的在于兼氧区不仅可有效地缓冲进水水质波动对好氧区活性污泥的冲击，而且可起到生物选择的作用，抑制丝状菌生长，控制污泥膨胀。
运行过程中，兼氧区还可减轻好氧区部分的有机物负荷，使残留有机物更有效地去除。
此外，考虑到进水水质可能有较大波动，因此在原污水污染物浓度较大时可在中间池加入微量混凝剂。
由中间池出水经过滤柱进行过滤，并送至清水池，消毒后的出水水质可达到中水回用标准（CJ/T95—2000）。
在处理过程中，各工艺阶段的水质监测指标及其分析方法如表2所示。
采用ICAST技术对生态建筑雨污水进行处理，装置一体化程度高，可以节省基建费用，连续式运行时，为保证在相对较短的停留时间内取得理想的处理效果，通过增设污泥回流系统，使回流混合液NH3-N在兼氧区内利用原水中的碳源反硝化，提高脱氮效果，处理量较大。
表2 水质监测指标及其方法
Tab.2 Detectingmethodsofthe
characteristicsofsewage
序号
水质指标
分析方法或仪器
1
CODcr
COD在线监测仪
2
BOD5
Oxi-Top压差法快速测定
3
SS
重量法
4
NH3-N
氨氮在线监测仪
5
MLSS
过滤烘干水份后称重
6
MLVSS
600℃灼烧30min后称重
7
PO43-
钼酸铵抗分光光度法
8
pH
玻璃电极法（在线监测）
9
DO
氧电极法（在线监测）
1.3回用系统
将生态建筑雨污水经调节池处理后进入ICAST池生化处理并由过滤消毒后的出水（其水质达到中水回用标准）用于回用的系统，称为中水回用系统，一般由管道、水泵及喷嘴等组成。
中水经回用系统可用于生态建筑楼顶平台浇灌绿化、景观水池用水、清洁道路等。
2自动控制及监测系统
利用上述污水回用处理装置，在文献[6]的基础上，进行处理运行和监测水质的自动控制系统设计，如图4所示。
2.1研究内容
a、ICAST处理流程可以通过PLC和计算机进行自动控制。
包括控制进水泵、鼓风机、过滤泵、污泥回流泵等设备的启动、运行和停止及不正常运行时的报警等。
b、监控污水回用处理的整个过程，监测进出水水质的主要指标CODcr、NH3-N及浊度；ICAST生化反应池内的DO和pH值；当各工艺阶段的水质指标达不到预定目标时，可由计算机通过PLC适时调整运行参数等。
c、对污水回用处理过程中的数据进行采集和定时存贮，根据需要可查询任意时刻各种设备的故障记录及仪表的历史记录，且对历史数据进行一定的分析。
2.2设计原则
a、以出水水质为目标监测及控制
自控系统除了监测进、出水的水质以外，应对ICAST反应池内的DO和pH值作在线监测记录，通过监测的数据确定反应池内生化反应条件与处理出水之间的关系，并以此为依据在自控界面上对ICAST反应池的运行和曝气量大小进行调整，使出水水质可达到中水回用标准。
b、实用性与经济性
自控系统采用进口和国产设备及电器结合，设计和编程考虑主要设备的自动运行，在保证可靠的前提下尽可能节约成本。
通过对系统主要设备的选型，可使其造价比国内同类型系统价格有较大幅度的降低。
c、安全性与可靠性
自控系统控制部分具有故障报警及故障处理功能。
从设计到设备选型和安装施工及运行维护均应尽可能确保系统的安全可靠性。
2.3自控硬件及软件
自动控制系统I/O量共计约38个点，目前可编程控制器（PLC）的种类有很多，如欧姆龙的CPM2A系列、西门子公司的S7200系列和S7300系列、A-BRockwell公司及三菱公司的产品等。
依据作者的选型经验及比较各设备的特点，西门子公司和A-B公司的中小型PLC质量好，但对本系统而言价格较贵；欧姆龙公司和三菱公司的小型PLC质量及价格优势明显，其性价比较高，且在同行业中应用较广泛；同时考虑到上位机组态软件的选用，因此选用欧姆龙公司的CPM2A系列。
它具有处理速度可满足系统要求、基本指令丰富、程序易于修改、维护工作量小、网络组态容易等特点。
监控软件是在Delphi软件的基础上进行编程，该软件可使系统维护人员在极短时间掌握，其性能在国内许多企业已经得到应用检验。
此外，该软件获得技术支持容易，其性能完全满足本系统需要，而价格却比其它同类型软件要低。
2.4自控工艺
2.4.1自控工艺流程
打开计算机，进入自控检测界面，输入密码及相关原始设定值，开始运行，实现过程控制自动化。
生态建筑雨污水经提升泵从集水井输送到调节池，根据调节池中的液位信号控制开停泵的时间，调节池低位时开泵，高位时停泵。
经调节池沉淀处理后出水，由进水泵输送到ICAST生化池，进水泵根据调节池和生化池的液位信号以及设备运行状态一同控制。
经连续式ICAST处理后出水则自流至二沉池去掉细小颗粒，再溢流至中间池。
中间池内蓄水由过滤泵输送至微滤池进行过滤，过滤后出水加消毒剂送至消毒池停留一段时间即为中水。
其中过滤泵靠中间池水位控制，高位开泵、低位停泵；加药泵与过滤泵联动。
2.4.2控制系统结构及特点
依据国内外常用的自控系统形式，本系统采用PC+PLC结构，与常规智能直接数字控制仪表相比，具有投资少，寿命长，易维护且故障率低等特点。
现场控制站主要负责所有设备和过程的数据采集控制和参数调节，由PLC完成该功能且通过PLC承担事故预处理并与控制室计算机进行通讯。
控制室可提供CRT显示及故障报警、部分参数设置、远程人工干预操作和数据存储等工作。
控制室通常由1台工控机来完成，该管理机除含有现场操作功能外，还具备数据处理、报表打印等功能。
2.4.3自控系统组成及功能
根据地理位置及工艺功能划分，本系统由控制室和现场控制站组成，控制室与处理装置相邻，回用系统的喷泉景观池与住宅楼相连。
本系统可通过计算机界面实现数据采集、画面显示、参数修改、存储及打印等功能，具体可由4大部分组成。
a、工艺流程图动态显示
流程图共5张，包括总工艺流程图、进水部分流程图、生化处理部分流程图、中间池和二沉池处理部分流程图、过滤及加药消毒部分流程图。
这5张流程图、管道和设备都可以动态显示当前的工作状态。
设备故障时用声光报警并可作适当处理。
b、实时监测和显示有关数据
通过扩展的模拟量模块，可将相应的仪表数据传入上位机，在上位机上实现实时监测和显示有关数据，包括进水的流量、进出水的CODcr、NH3-N指标值、出水的浊度值、以及ICAST反应池中的DO值和pH值。
c、设备控制及参数设定
可以在自动控制的状态下强行控制某台设备的开关，根据处理的要求进行多种参数的设定，同时，可根据在线监测仪器的反馈值自动调整运行参数。
d、数据采集查询及处理
根据要求对处理过程中的数据进行采集和保存，可以查询任意时间各种设备的故障记录及仪表的历史数据，提供历史趋势图功能，自动生成24小时、1个月、1年的趋势图，同时提供数据报表功能，生成班报表和日报表。
2.5试验验证
根据以上所述，作者在上海理工大学校园内，设计加工搭建了ICAST用于18高层住宅的雨污水就地回用处理的自动控制运行和监测水质的装置系统，并经2003年6—8月３个月的调试运行，其出水水质达到中水回用标准。
调试运行结果表明，该处理装置、自动控制运行及监测水质的系统是可行的，为生态建筑雨污水回用处理系统的设计提供了可靠的依据。
3结论
a、以出水水质达到中水回用标准为目的，设计了生态建筑雨污水回用的ICAST处理装置系统。
b、采用在线监测仪器对出水水质、ICAST反应池内的运行条件以及系统设备的运行参数等进行监测，根据进水水质、水量和ICAST反应池内DO值，自动设定各工艺阶段的运行参数，可经济、安全、可靠地实现系统处理运行和水质监测的自动化。
窗体顶端
生态-生物方法水体修复技术
一、概述
据2000年统计，我国河流水质在11.4万km评价河长中，符合和优于Ⅲ类水的河长占评价河长的58.7%，比上年下降3.7%。
在评价的24个湖泊中，9个湖泊水质符合或优于Ⅲ类水，4个湖泊部分水体受到污染，11个湖泊水严重污染。
其中，太湖Ⅳ类水质断面占64%，Ｖ类水质断面占12%。
滇池水质劣于Ｖ类，处于富营养状态。
在评价的139座主要水库中，有118座达到Ⅱ、Ⅲ类水质标准，在未达到Ⅲ类水标准的水库中，有8座劣于Ｖ类。
在对93座水库进行营养化程度评价时，处于中营养化状态的水库65座，处于富营养化状态的水库14座。
这些情况说明我国江河湖库水体污染状况严重，且有明显恶化趋势。
对受污染的江河湖库水体进行治理修复是社会经济发展及生态环境建设的迫切需要。
特别是南水北调东线沿线的治污工程，量大面广，需要的投资大，寻找先进实用、造价低廉的技术迫在眉睫。
我国的江河湖库水体污染主要包括氮磷等营养物和有机物污染两方面。
另外，湖泊水库蓝藻及赤潮给水域生态、人体健康也造成了严重危害。
对于富营养化的控制，发达国家以控制营养盐为主，大多采取“高强度治污－自然生态恢复”的技术路线，即控制外源磷污染负荷并配合生态恢复措施，在这方面已经取得较大成效。
去除藻类与控制其生长是湖泊水库水体恢复与保护的难题，目前国际上采用的技术主要有三类：
①化学方法：
如加入化学药剂杀藻、加入铁盐促进磷的沉淀、加入石灰脱氮等，但是易造成二次污染；②物理方法：
疏挖底泥、机械除藻、引水冲淤等，但往往治标不治本；③生态—生物方法：
是国外近年来发展很快的一种新技术，水体生态—生物修复技术是按照自然界自身规律去恢复自然界的本来面貌，强化自然界自身的自净能力去治理被污染水体，这是人与自然和谐相处的合乎逻辑的治污思路，也是一条创新的技术路线。
生态—生物污水处理技术，是利用培育的植物或培养、接种的微生物的生命活动，对水中污染物进行转移、转化及降解作用，从而使水体得到净化的技术，具有处理效果好、工程造价相对较低、不需耗能或低耗能、运行成本低廉等优点。
另外，这种处理技术不向水体投放药剂，不会形成二次污染。
还可以与绿化环境及景观改善相结合，在治理区建设休闲和体育设施，创造人与自然相融合的优美环境。
所以，这种廉价实用技术预计适用我国江河湖库大范围的污水治理。
二、主要处理工艺方法
生物处理技术包括好氧处理、厌氧处理、厌氧—好氧组合处理，利用细菌、藻类、微型动物的生物处理，利用湿地、土壤、河湖等自然净化能力处理等。
以下重点介绍几种针对江河湖库污染大水体的修复技术。
1.生物膜法处理技术
生物膜法是指用天然材料（如卵石）、合成材料（如纤维）为载体，在其表面形成一种特殊的生物膜，生物膜表面积大，可为微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用。
其反应过程是：
①基质向生物膜表面扩散，②在生物膜内部扩散，③微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应，④代谢生成物排出生物膜。
生物膜法主要工艺方法有生物廊道、生物滤池、生物接触氧化池等。
生物膜法具有较高的处理效率，对于受有机物及氨氮轻度污染水体有明显的效果。
它的有机负荷较高，接触停留时间短，减少占地面积，节省投资。
此外，运行管理时没有污泥膨胀和污泥回流问题，且耐冲击负荷。
日本、韩国等都有对江河大水体修复的工程实例。
2.人工湿地处理技术
人工湿地的原理是利用自然生态系统中物理、化学和生物的三重共同作用来实现对污水的净化。
这种湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料（如卵石等）混合组成填料床，污染水可以在床体的填料缝隙中曲折地流动，或在床体表面流动。
在床体的表面种植具有处理性能好、成活率高的水生植物（如芦苇等），形成一个独特的动植物生态环境，对污染水进行处理。
人工湿地的显著特点之一是其对有机污染物有较强的降解能力。
废水中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留进而被微生物利用；废水中可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。
随着处理过程的不断进行，湿地床中的微生物也繁殖生长，通过对湿地床填料的定期更换及对湿地植物的收割而将新生的有机体从系统中去除。
由于这种处理系统的出水质量好，适合于处理饮用水源，或结合景观设计，种植观赏植物改善风景区的水质状况。
其造价及运行费远低于常规处理技术。
这种技术已经成为提高大型水体水质的有效方法。
英、美、日、韩等国都已建成一批规模不等的人工湿地。
3.土地处理技术
土地处理技术是一种古老、但行之有效的水处理技术。
它是以土地为处理设施，利用土壤—植物系统的吸附、过滤及净化作用和自我调控功能，达到某种程度对水的净化的目的。
土地处理系统可分为快速渗滤、慢速渗滤、地表漫流、湿地处理等几种形式。
国外的实践经验表明，土地处理系统对于有机化合物尤其是有机氯和氨氮等有较好的去除效果。
德、法、荷等国均有成功的经验。
三、国外工程实例
1.日本坂川古崎净化场
位于日本江户川支流坂川古崎净化场，是采用生态—生物方法对河道大水体进行修复的典型工程，从1993年投入运行至今已有8年的运行历史，观测结果表明，河道污染水体的水质有了明显改善。
江户川是日本东京都和千叶县附近的主要河流，从河道中引出70m3/s的流量为该地区城市、农业、工业供水，其中城市供水占60%。
靠江户川下游的金町、古崎和栗山三个水厂为630万人供水。
坂川是江户川的一条支流，在金町等三个水厂上游附近汇入江户川。
由于坂川河道治理不力，大量生活污水排入坂川，致使水质恶化，BOD等指标严重超标，同时浮游植物繁殖迅速。
坂川水质恶化，直接对金町等三个水厂构成威胁，居民对饮用水味道不佳多有怨言。
为治理坂川，采取工程设施将坂川改道，先流入古崎净化场。
经过古崎净化场后，坂川的污染减少了60%～70%，处理过的河水流入称为松户川的新开人工渠道，然后注入江户川。
古崎净化场是利用卵石接触氧化法对水体进行净化。
古崎净化场建在江户川的河滩地下，充分节省了土地，是地下廊道式的治污设施。
净化场结构十分简单，主体结构是高4.5m、长28m的地下矩形廊道，内部放置直径15～40cm不等的卵石。
用水泵将河水泵入栅形进水口，经导水结构后水流均匀平顺流入廊道。
另外有若干进气管将空气通入廊道内。
净化作用主要由以下三方面组成：
①接触沉淀作用：
污水经过卵石与卵石间的间隙，水中的漂浮物触到卵石即沉淀；②吸附作用：
由于污染物自身的电子性质，或由于卵石表面生物膜的微生物群产生的黏性而产生吸附作用；③氧化分解作用：
卵石表面形成一种生物膜，生物膜的微生物把污染物作为食物吞噬，然后分解成水和二氧化碳。
通过净化场后，水质明显提高，效果十分显著，见表1。
其中BOD反映有机物的含量；SS反映浮游于水中的固体物，造成水体浑浊；2-MIB反映水中蓝藻类物质，蓝藻类异常繁殖是造成水体腐臭的主要原因。
坂川的河水经改道注入古崎净化场后，清洁的水流入新开的人工渠道——松户川。
其设计理念颇有新意，它一改传统设计形式，不采用混凝土或块石衬砌的直线渠道，而以微弯曲的河道形态，岸坡间有大小卵石，植有繁茂的芦苇和其他植物，适于鲫鱼、鱼等鱼类生长，两岸种植树木，适于鸟类栖息。
这种环境不但可以为居民提供一个与自然相融合的休闲环境，而且对水体也能起进一步的净化作用。
松户川注入江户川后，大大缓解了江户川的环境压力。
2.日本渡良濑蓄水池的人工湿地
渡良濑蓄水池位于日本枥木县，是一座人工挖掘的平原水库，总库容2640万m3，水面面积4.5km2水深6.5m左右。
平时为茨城县等6县市64万人口供水，日供水量21.6万m3。
蓄水池周围是渡良濑川的滞洪区，汛期蓄水池能提供1000万m3的调洪库容。
随着近年来上游用水造成生活污水以及含氮、磷的水流入，渡良濑蓄水池出现霉臭等水质问题。
为保护蓄水池的水质，自1993年起在蓄水池一侧滞洪洼地上建人工湿地，这是一座设有人工设施的芦苇荡。
将蓄水池的水引到芦苇荡，通过吸附、沉淀及吸收作用，去除水中的氮、磷及浮游植物，达到对水体进行自然净化的目的。
这种净化过程循环进行，确保蓄水池水质洁净，类似医学上的对病人血液体外透析处理。
芦苇具有很好的净化功能，污染物与其茎部接触产生沉淀作用，芦苇的根部与茎部可吸收某些污染物。
另外，附着在茎部上的微生物可对污染物产生吸附分解作用。
渡良濑人工湿地在蓄水池出水口建高3.5m、宽40m的充气式橡胶坝，用以控制出水口。
水流经引水渠到达设于地下的泵站。
其所以设于地下，是为满足景观的要求。
泵站安装单机流量为1.25m3/s的两台水泵水体加压后流入箱形涵洞再流入芦苇荡。
芦苇荡占地20hm2，最大净化水体能力为2.5m3/s。
水流在芦苇荡中蜿蜒流动，以增加净化效果，遂从出口汇入集水池，再回到蓄水池，完成一次净化循环。
人工湿地内主要种植芦苇，高2～3m。
此外，还种植同属稻科的荻，高为1.0～2.5m。
人工湿地建成后，不仅水质得到改善，动植物的生态系统也得以极大改善，生物多样性有所恢复，见表2。
该人工湿地已经成为日本最大的芦苇荡，也成为对居民、儿童进行环保及爱水教育的场所。
为净化渡良濑蓄水池的水体，还在蓄水池中部建一批人工生态浮岛，种植芦苇等植物，其根系附着微生物，可提供充足氧气，并通过迁移、转化水中的氮、磷等物质，降解水中有机质。
浮岛还设置为鱼类产卵用的产卵床，也为小鱼设有栖身地，水中的浮游植物成了鱼饵。
人工生态浮岛保证了蓄水池水质的洁净。
3.韩国良才川水质生态—生物修复设施
良才川是汉江的一条支流，位于汉城的江南区。
由于河流地处住宅区，加之治理不善，良才川的水质受到较大污染，也影响了汉江的水质。
1995年起主要采用生态—生物方法治理良才川。
水质净化设施主体是设于河流一侧的地下生态—生物净化装置。
采用卵石接触氧化法，即强化自然状态下河流中的沉淀、吸附及氧化分解现象，利用微生物的活动将污染物转化为二氧化碳和水。
净化设施日处理能力为32000t。
净化的工作流程如下：
拦河橡胶坝（长18m、高1m）将河水拦截后引入带拦污栅的进水口，水流经过进水自动阀，经污物滤网进入污水管，污水管连接有４座污水孔墙，污水孔墙两侧各有一座接触氧化槽（长20m、宽13.6m、高14.8m），共有8座。
污水从孔墙的孔中流入接触氧化槽，氧化槽中放置卵石，污水通过氧化槽得到净化后分别流入４座清水孔墙，再汇集到清水出水管中，由清水出口排入橡胶坝下游。
污水在接触氧化槽内被净化产生的主要作用是：
接触沉淀、吸附和氧化分解作用。
与上述日本古崎净化场相比，这种净化装置的主要优点是几乎不耗能，运行成本很低。
该设施建成至今已6年，治污效果显著，见表3。
除接触氧化槽以外，良才川的环境治理工程还包括恢复河流自然生态的方法，即用石块、木桩、芦苇、柳树等天然材料进行护岸，形成类似野生的自然环境，同时种植菖蒲等植物，恢复鱼类栖息环境，适于鳜鱼等鱼类生长，也为白鹭、野鸭等禽类群落生存创造条件，又开辟散步、骑自行车小路和木桥等，为居民提供与水亲近的自然环境。
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