城市生活污水深度处理水质回用中试研究.docx
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城市生活污水深度处理水质回用中试研究
城市生活污水深度处理水质回用中试研究
研究报告
《城市生活污水深度处理水质回用中试研究》
嘉应学院课题组
2004年11月19日
城市生活污水深度处理水质回用中试研究
研究报告
嘉应学院《城市生活污水深度处理水质回用中试研究》课题组
一引言
水是人类赖以生存的宝贵资源，没有水生命就不存在。
随着世界人口不断的增加和工农业生产的发展，用水量的逐年增加。
地球上水的总量不少，但能供人类利用的水量却不多，仅占总水量的0.0092%。
对于我国来说是属于世界上12个最贫水的国家之一，人均占有水量仅为世界人均量的1/4，因此珍惜水资源，节约用水，充分利用各种水就显得更加重要。
随着城市化速度的加快和生活水平的提高，城市生活污水的排放量也逐年增加。
城市生活污水污染物含量主要是有机物，如淀粉、脂肪、蛋白质、纤维素、糖类、矿物油等，其中CODcr、BODs、TKN（凯氏氮）、TN、TP也较高。
生活污水经一级物理处理、二级生化处理后CODcr、BODs、TKN、NH3-N等大幅度降低，但TN、TP仍较高，排入水体后易造成水体的富营养化，使藻类大量生长繁殖，造成赤潮和水华。
藻类生物原生质的组成是C106H263O110N16P，可知水中含少量的氮、磷就能促使藻类大量生长，而当藻类代谢大量死亡时，就使水域水体腐败发臭水质恶化。
国家环保总局制定了“一控双达标”关于实行污染物排放总量控制和对污染源限期治理达标的总政策。
为了实现对污染物总量控制，又重新修订并提高了第一类和第二类污染物的排放标准以及城镇污水处理厂污染物排放标准[1、2]，这些重大的措施和政策法规的颁布，对城市污水处理提出了更高要求。
城市生活污水，若用传统的二级生化处理工艺要求达到生产回用的水质是困难的，必须寻求新的工艺方法。
上世纪的最后10年，臭氧在用于污水脱色、除臭、消毒、降解有机物，在饮用水的灭菌等方面得到应用而引起关注，并发表过许多有价值的专著和论文[3、4、5]。
本研究就是针对我国水资源短缺进行污水回用的研究项目。
国务院在召开全国节水会议，并在通知中指出：
“大力提倡城市污水回用等非传统水资源的开发利用，并纳入水资源的统一管理和调配。
在国民经济和社会发展第15个五年计划纲要中将‘污水处理回用’第一次明确写入纲要。
”通过实施污水处理回用对缓解水资源的严峻危机具有重要意义。
二国内外发展趋势
美国上世纪末，美国在水领域的总体战略目标方面进行了调整，由单纯的水污染控制转变为全方位的水环境可持续发展（WaterPollutionControl→Watersheds）。
“Watersheds”的内涵是较深的，这是美国新近提出的关于“水”的新概念，正如“美国水区新概念”一书中所说的：
“这个国家（美国）在上一个世纪将水和水生环境作为一种物品或商品来对待，所以我们花掉了数万亿美元修建控制水的设施，在这个时期人与自然之间处于对立地位，为了经济的发展，对地球上亿万年来所形成的自然生存现象进行控制，以便在几年之内取得效益。
但是如果在这个过程中破坏了生态，大自然对人类的报复是等不到亿万年的，往往在几十年后就受到了报复。
因此在全面总结和检讨了以往的经验、教训之后，在上世纪的后20年提出了把恢复和修复国家水体的物理、化学和生物的自然完整性作为新的目标。
”“Watersheds（水区）”这一概念就是为了完成这个新目标而提出来的。
基于“Watersheds”的管理方式是综合协调人和自然之间的关系，以保证经济发展和环境质量。
这是一种将生态、经济、社会、以及公众参与综合起来的新的管理模式。
随着对水的战略目标的调整，带来了美国水的管理体制和技术路线两方面的变化。
到目前为止美国已建有近千项污水回用工程[6]，年回用水量达9~15亿m3，其中62%用于农灌，31.5%回用于工业，5%用于地下回注，1.5%用于娱乐、渔业等。
工业上主要用于电厂冷却系统、炼钢厂；在修复方面用于地下回注；在城市主要用于绿化、冲刷和娱乐景观用水等。
污水回用在美国正处于方兴未艾，值得我们借鉴。
日本境内没有大江、大河可作跨流域调水之用，靠的是什么支撑了日本六十年代的经济复兴呢？
靠的就是污水回用。
在各大城市创建并保留至今的“工业用水道”纵贯全市，形成与自来水管道并存的又一条城市供水动脉。
再生水中41%回用于工业，32%作为环境用水，8%用于农业灌溉[6]。
以色列是地处大面积沙漠的国家，严重缺水，但在污水净化和回用方面，始终处于世界领先地位。
通过立法规定城市的每一滴水至少回用一次，污水回用于灌溉、工业、城市绿化、冲刷。
再生水42%用于灌溉，30%回灌地下，回灌到地下的水再抽至管网系统，如此循环再利用。
中国中国污水回用的历程可分为三个阶段，1985年之前的“六五”期间是起步阶段，1986~2000年的“七五”、“八五”、“九五”这十五年间是技术储备、工程示范与引导阶段，2001年以“十五”纲要明确提出污水回用为标志，进入到全面启动阶段。
到目前为止，北京、大连、长春、沈阳、青岛、秦皇岛、深圳、太原、邯郸等城市已设计污水回用工厂，并相继投入污水回用工程的运行，在全国起到工程示范引导的积极作用。
三污水回用的技术路线原则
在污水处理回用的技术路线上，关键性的转变是由单项技术转变为技术集成。
以往是以达标排放为目的，针对某些污染物去除而设计工艺流程，现在要调整到以水的综合利用为目的，将现有的技术进行综合、集成，以满足所设定的水资源化目标。
污水处理回用的原则与技术路线是一致的，即由传统意义上的“污水处理”（Watewatertueatmenl）转变为“水回用”（Waterreuse）。
由“水回用”发展到“水再利用”（Waterreclamation）进一步具有开发资源化的含义，已在有关的规定和标准中用“水循环”（Waterrecycling）代替了“水再利用”。
“水循环”更加符合水在自然界的大循环，污水经处理后可用于工业、市政、农业以及地面、地下等多种用途。
从污水处理回用原则可以清楚地看出，污水处理回用体现了战略目标上的转变，这将必然促使技术路线和工艺流程的升级换代，具体表现在：
3.1城市二级污水处理厂升级换代
二级污水处理厂普遍增加了三级处理工艺流程，以便于实现再利用的目的，在生化处理的二沉池之后增加过滤、消毒已是普遍的要求，原有的大型二级污水处理厂，几乎都计划增加多层滤料滤池之后加氯或用紫外消毒。
三级处理后的水用于城市绿化、洗刷、冷却、娱乐、景观用水等。
3.2污水三级处理后增加高级深度处理
经上述三级处理后的出水，采用微滤膜过滤，和反渗透膜处理的方法，是目前较为成熟并已进入应用阶段的工艺技术。
处理后的出水水质可达到饮用水的标准，目前多用于补充作为饮用水水源的地面或地下水。
3.3建立“水银行”（WaterBank），将地面水和地下水互补使用
将丰水期剩余的自来水，以及经深度处理后的达标水回注到地下含水层储存，当干旱或需要用水时，从“水银行”中调出所需的地下水以满足供水需求。
在地下水缺乏地区提出了“从地下取一滴水就要注回一滴水（dropofwaterout,dropofwaterin）的原则[6]。
凡是在干涸河床之处，都要利用作为深度处理的场所，以便于将处理后的水回灌地下，利用这种土地处理的方法，其出水水质与采用膜技术的效果相当。
与地面相比，地下水银行具有三大优越性：
（1）不存在因建水库或大坝而造成对环境的影响
（2）不需要修建长距离输水系统
（3）蒸发量远比地面水库少
3.4城市污水的集中处理与分散处理
（1）分散处理就地回用，根据回用对象不同，对水质的要求和处理工艺也可不同，同时还可以节约输水管线。
（2）对已建了集中污水处理厂的城市，再建新厂可采用将污水与污泥分开处理的方案，污水就近收集、处理、回用，污泥输送到集中污水处理厂处理。
污泥集中处理有利于实现处理设施的规模效益，节约投资，回收能源。
随着科学技术的发展，尤其是膜技术的发展，污水处理设施实现了装置化、小型化，使污水分散处理和回用得以实现。
污水处理离不开能源，随着世界性的能源短缺和大气污染的加剧，新能源的使用已刻不容缓，而太阳能、燃料电池等适合于分散使用，为居民小区建造小型污水处理回用装置提供条件，这就使污水处理回用随之走向分散化、小型化。
城市污水的分散处理实现水回用，将引起城市水规划方向的变革。
四城市污水生化处理与除磷脱氮
4.1水解——好氧生物处理工艺
由于传统活性污泥工艺基建投资高、运行费用高以及电耗高等问题，提出了水解——好氧生物处理工艺。
4.1.1基本原理
厌氧发酵生产沼气过程，例如城市污水污泥消化过程分为四个阶段，即第一阶段——水解阶段，第二阶段——酸化阶段，第三阶段——酸性衰减阶段，第四阶段——甲烷化阶段。
在水解阶段，固体有机物颗粒降解为溶解性物质，大分子有机物降解为小分子有机物，淀粉、纤维、糖类、碳水化合物水解为醋酸、丙酸和丁酸，水解和酸化是同时进行；酸性衰减阶段是蛋白质、脂肪的水解和氨化，水解产物主要是甘油、脂肪酸、乳酸、多肽和氨或胺以及少量的碳酸盐和CO2、H2等，在此阶段中由于氨化菌的活动使氨氮浓度增加，氧化还原电势降低，pH上升、pH的变化为甲烷菌创造了适宜条件。
酸性衰减的副产物有H2S、吲哚、粪臭素和硫醇，所以厌氧过程带有很强烈的臭气；甲烷化阶段是产甲烷菌把有机酸转化为沼气。
水解反应就是把反应控制在第二阶段完成之前，不让进入第三阶段。
水解较之全过程的厌氧具有以下优点：
（1）对于固体有机物（悬浮物）的降解减少污泥量，降低污泥的VSS，其功能完全和消化池一样，仅产生很少量难于厌氧降解的剩余污泥，故可在常温下使悬浮固体迅速水解，实现污水、污泥同步处理，不需加热实现中温消化。
（2）不需密闭的池，不需搅拌，不需水、气、固三相分离，降低工程造价和便于维护。
（3）由于反应控制在第二阶段完成之前，故出水无大量厌氧臭气。
（4）由于第一阶段水解，第二阶段酸化反应进行较快（停留时间短），水解池体积小，与初沉池相当，节约工程造价。
（5）水解酸化主要产物是小分子有机物，生物降解性较好，因而提高原污水的可生化性。
4.1.2水解——酸化工艺与全厌氧过程的区别
从原理上讲，水解——酸化是厌氧消化过程的第一、二两个阶段，但水解——酸化——好氧处理工艺中的水解——酸化阶段与厌氧消化的目标不同，因而是两种不同的处理方法。
水解——酸化——好氧处理系统中的水解——酸化的目的在于将城市污水中非溶解态有机物截留并逐步转变为溶解态有机物；对于工业污水是将其中难生物降解的物质转变为易生物降解的物质，提高废水的可生化性，以利于后续的好氧生物处理。
城市污水的有机物浓度较低（CODcr在300mg/L左右）适合于水解——酸化——好氧处理，与高浓度水的厌氧消化中的水解——酸化过程不同。
在连续厌氧过程中水解——酸化的目的是由混合厌氧消化过程中的甲烷化阶段提供基础。
而水解——酸化——好氧中的产酸段是将混合厌氧全过程中消化中的产酸与产甲烷段分开，以便形成各自的最佳环境。
因此，尽管水解——酸化——好氧处理工艺中的水解——酸化段也产生有机酸，但各自的运行环境和条件存在明显的差异：
（1）氧化还原电位
不同
在混合厌氧消化系统中，由于完成水解、酸化的微生物和产甲烷微生物共处于同一反应器中，整个反应器的氧化还原电位
值必须首先满足对电位要求严格的甲烷菌，控制为300mv以下，水解一酸化一好氧处理工艺中的水解一酸化段为一典型的兼性过程，
只需在0mv左右，该过程即可顺利进行。
（2）pH值不同
在厌氧消化系统中，消化液pH控制在甲烷菌生长的最佳pH值范围，一般为6.8~7.2，水解一酸化一好氧处理过程，由于浓度低不存在酸的抑制问题，因此pH值一般可在6.5~7.5之间。
（3）温度不同
厌氧消化系统的厌氧菌要求温度较高。
中温消化30~35℃，高温消化50~55℃，而水解——酸化——好氧过程对温度无特殊要求，通常在常温下运行即可。
（4）工艺系统中优势菌群不同
在厌氧消化系统中，由于要求严格控制在厌氧条件下，系统中的优势菌群为专性厌氧菌，因此完成水解酸化段的微生物主要为厌氧菌，水解——酸化——好氧工艺在兼性条件下进行，系统中的优势菌群也是厌氧菌，但以兼性厌氧菌为主，完成水解——酸化过程的微生物包括专性厌氧菌和兼性厌氧菌。
（5）反应的最终产物不同
微生物优势种群的差异，使得工艺系统中的最终产物不同。
在厌氧消化系统中，水解产生的有机酸迅速转化为甲烷和二氧化碳（沼气）；水解——酸化——好氧工艺中的最终产物为低浓度的有机酸，即使在个别情况下产生甲烷，其含量也极少。
4.2生活污水磷的去除
水解酶
生活污水中除磷的主要机理生活污水进入厌氧区在无需外界供氧（DO=0）的条件下，兼性菌（亦有部分专性厌氧菌）将大分子有机物快速水解转化为低分子有机酸（主要是乙酸），这时聚磷菌（异养小型革兰氏阴性短杆菌）迅速吸收水解产物（乙酸为主），并将其输送到细胞内，同化为细胞内碳源贮存聚β羟基丁酸（PHB）和聚磷酸盐（Poly-P），这一过程所需的能量由胞内聚磷菌提供（ATP-三磷酸腺苷是核苷酸的组成部分，它与ADP-二磷酸腺苷、AMP-一磷酸腺苷一起在体内构成生物系统能量交换中心的作用）：
ATP+H2OADP+H3PO4+Q
水解酶
ADP+H2OAMP+H3PO4+Q
（Q——代表能量）
并伴随进行糖酵解释放出磷酸；当这些消解物与活性微生物（活性污泥形式）进入好氧区后，在有充足供氧的条件下，聚磷菌将贮存的PHB和Poly-P进行氧化代谢产生能量促使聚磷菌超量吸收水中的磷酸盐，在细胞内聚合为聚磷（ATP、ADP），多余的能量以高能磷酸键的形式捕积贮存，使磷从水相中转移到沉淀污泥中，以剩余污泥形式排放，使磷从系统中去除。
在厌氧区聚磷菌吸收的有机酸（乙酸为主）越多，合成的PHB越多，释放出的磷酸也越多，则在好氧区超量吸收的磷更多，除磷效果越好。
4.3城市生活污水的脱氮
在生活污水中总氮的含量是比较高的（蛋白质、肽、氨基酸、胺、核酸中都含氮），靠二级生化处理去除。
一般在厌氧和好氧条件下，异养菌都能使含氮有机物水解或氧化，把它们所含有的氮以氨氮的形式释放出来：
蛋白质→多肽→二肽
RCHNH2CO-NHCHR’+H20→RCHNH2COOH+R’CHNH2COOH
RCHNH2COOH+H20→RCHNH2COOH+NH3
RCHNH2COOH+H20→RCHNH2COOH+CO2+NH3
NH2
0=C+H20→2NH3++CO2
NH2
氨态氮在严格好氧条件下在亚硝酸菌的作用下氧化为亚硝酸，然后在硝酸菌的作用下进一步氧化为硝酸
2NH3+3O2→2HNO2+2H2O+Q
2NH3+2O2+CO2→2HNO2+[CH2O]+H2O
2HNO2+H2O+CO2→2HNO3+[CH2O]
硝酸及其盐类在缺氧条件下，以有机物作为碳源的异养型反硝化脱氧菌的作用下还原为氮，以气体形式逸散到空气中从而达到脱氮的目的。
有机碳源以甲醇为例，同时考虑同化异化两个代谢过程的反硝化反应可用下式表示
+0.67CH3OH+0.53H2CO3→0.04C5H7NO2+0.48N2+1.23H2O+H
+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.056C5H7NO2+0.47N2+1.68H2O+H
4.4生活污水深度处理的臭氧氧化
生活污水中含有有机污染（一般用BODs和CODcr表示）主要有淀粉、多糖、单糖、蛋白质、多肽、氨基酸、纤维素、半纤维素、木质素、果胶、脂肪、磷脂、洗涤剂、矿物油可能还有少量的芳香族化合物及其衍生物和烃类等。
这些污染物在二级生化处理过程中，首先在厌氧状态下由各种厌氧菌所产生的各类水解酶的作用下发生水解反应，变成小分子、易于生化降解的有机酸和醛、醇、酮等物质，一部分作为细菌生长发育所需的营养物质进入细菌体内，大部分在好氧条件下通过好氧菌（异养菌）提供的氧化酶作用下被氧化为二氧化碳和水，从而使有机污染物从水中得到降解。
由于生活污水中仍含有一些难被微生物降解的有机物，所以经二级生化处理后其出水水质仍达不到回用于工业生产的要求，因此必须用臭氧——活性碳进行深度处理。
臭氧由3个氧原子组成，很不稳定，分解时放出新生态的氧原子，在水中的电位为E°=2.07V，其氧化能力仅次于F，是很强的氧化剂，它可以氧化各种有机物，如烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃及它们的衍生物。
臭氧可以直接氧化有机污染物，也可以在pH>6的水中与
作用产生·OH（羟基自由基），其标准电极电位为2.8V，是具有最强活性的氧化基，可以把臭氧难以分解的饱和烃中H拉出来，因此它是有机物氧化、降解的引发剂，几乎能把所有有机物氧化。
臭氧在H2O2和UV等的协同作下可产生更多的·OH，加速有机物被氧化的速度，而且臭氧与紫外光（UV）联用时，有机物在UV照射下，亦能生成大量活化分子，使有机污染物被分解得更彻底。
臭氧在水中的溶解度是氧的三倍，它的强氧化性使它具有脱色、除臭、分解难被生物降解的有机物的能力外，还具有杀菌、消毒能力，它的杀菌速度比氯快600~3000倍，几分钟内便可杀死细菌且所需臭氧浓度很低。
因此臭氧用于深度处理生活污水既可分解难降解的有机物，又能杀菌（生活污水经二级生化处理后细菌总数都在10s个/L以上）以保证深度处理出水达到地面Ⅲ~Ⅳ类水的标准。
五实验部分
H/O双膜生物处理部分
5.1工艺装置
5.1.1水解池（H）、好氧池（O）均设计安装尼龙花瓣型滤料。
以膜法代替泥法，使产生的污泥大为减少，实现污水与污泥在同一装置中得到基本处理。
5.1.2由于采用膜法，污泥不需回流，污水处理系统趋于简单化，降低工程造价，工艺运行节约能耗。
5.1.3试验原水是直接引用居民区化粪池排出的生活污水。
水解池（H）和好氧池（O）结构基本相同，采用折流布水方式，穿孔隔板结构，使水力分布均匀，避免短流。
5.1.4污水进入水解池，在缺氧条件下通过异养菌和兼性厌氧菌的生长、代谢，使淀粉、多糖、纤维素等大分子有机物水解转化形成有机酸和其它小分子有机物，蛋白质、脂肪等水解或氨化转变成甘油、多肽和氨，提高了废水的可生化性。
5.1.5通过高程布置，污水进入好氧池，池底设微孔曝气装置，产生微气泡，好氧池分为两格，前段主要用于进行碳氧化，进一步降解小分子有机物；后一段主要用于氨的硝化。
5.1.6在好氧池后安装斜板沉淀池，加入Al2（SO4）3—PAM（聚丙烯酰胺）化学除磷混凝剂，Al2（SO4）3比Fe（SO4）价低，所以选用Al2（SO4）3，加入很少量的PAM大大提高化学除磷效果。
5.1.7斜板沉淀池后安装NLC紫外消毒装置，代替传统的液氯消毒。
5.2工艺流程（参见图1）
1、格栅2、沉砂池3、水解池4、好氧池5、斜板沉淀池
6、化学除磷药剂7、回流水8、紫外消毒9、处理出水
图1H/O双膜紫外消毒处理城市污水工艺流程
5.3主要工艺参数
5.3.1水力停留时间（HRT）：
沉砂池0.5；水解池2h；好氧池4h
5.3.2水力表面负荷（qF）：
1~3m3/m2·d
5.3.3BOD负荷，水解池BOD负荷（Ns）：
0.1kg（BODs）/m3（滤料）·d；好氧池BOD负荷（Ns）：
0.18kgBODs/m3（滤料）·d
5.3.4溶解氧（DO）：
水解池0.2mg/L；好氧池3~4mg/L
5.3.5pH：
水解池6.5~8；好氧池7~8.5
5.3.6污水回流比（r）：
0.5~1.0
5.3.7混凝剂投加量：
Al2（SO4）3以Al计6~8mg/L；PAM0.5~1mg/L
5.4H/O双膜生物处理试验结果
为期一年的研究试验，分三个阶段进行。
第一阶段是对城市污水进行采样监测、设计、制作、安装工艺装置；第二阶段是引生活污水进入菌种培养与驯化，选择工艺参数进行调试，投入试运行；第三阶段是根据第二阶段优化、筛选的工艺参数投入中试运行，采样监测，结果列于表1。
表1中试运行主要污染物考核指标处理效果及去除率（单位：
mg/L）
序号
CODcr
BOD5
油脂类
矿物油
TN
TP
LAS
S2—
进水
出水
进水
出水
进水
出水
进水
出水
进水
出水
进水
出水
进水
出水
进水
出水
1
106.7
25.9
86.6
2.4
4.0
1.5
14.6
0.52
28.2
3.0
1.88
0.52
3.10
0.78
8.10
0.01
2
106.7
17.8
77.8
14.1
4.4
2.0
9.86
0.91
33.2
13.7
2.12
0.48
2.97
0.45
10.6
0.02
3
130.6
13.4
92.8
3.4
4.0
2.8
10.2
1.04
30.6
5.5
2.23
0.47
1.98
0.36
8.4
0.02
4
225.3
22.1
107.3
4.6
5.12
2.4
35.4
1.34
28.2
11.6
2.0
0.48
3.19
0.29
11.3
0.01
5
208.7
25.8
86.5
3.34
3.0
0.0
15.5
0.9
30.6
13.0
2.0
0.46
2.44
0.39
9.15
0.01
6
206.7
15.5
81.8
4.5
37.0
4.0
8.78
0.8
28.5
13.7
2.2
0.5
2.65
0.35
12.0
0.02
7
156.7
15.6
68.5
4.2
5.0
0.0
9.69
0.03
28.3
12.2
2.27
0.48
2.18
0.27
26.5
0.01
8
166.5
22.7
84.3
4.9
10.0
0.0
8.0
0.05
26.2
12.4
2.4
0.48
2.98
0.3
50.5
0.01
9
162
31.1
110.4
5.8
22.8
10.0
6.03
0.21
21.2
11.6
2.2
0.48
2.44
0.29
20.4
0.01
10
157.3
16.7
71.3
5.1
12.0
4.0
9.48
0.15
24.3
10.4
1.9
0.46
2.89
0.21
15.6
0.01
平均
162.7
20.7
87.3
5.2
10.7
2.68
12.7
0.6
27.9
10.7
21.2
0.48
2.68
0.37
17.3
0.013
平均
去除率（%）
87.3
94
75
95.3
62.0
76.8
86.2
99.9
由于色度、悬浮物、氰化物、挥发酚等项指标，处理出水已经很低，因此这几项指标不需要与表1中的8项指标同时监测，只用抽检，监测结果列于表2。
表2色度、SS、
、挥发酚等项指标监测数据
序号
色度（稀释倍数）
SS（mg/L）
CN—（mg/L）
挥发酚（mg/L）
粪大肠杆菌群数（个/L）
PH
进水
出水
进水
出水
进水
出水
进水
出水
进水
出水
进水
出水
1
50
2
28.1
18.8
2.1
0.05
4.1
0.02
5×106
1×102
6.85
7.20
2
60
3
27.7
10.3
1.8
0.02
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