城生活污水处理技术的新发展.docx

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城生活污水处理技术的新发展

城市生活污水处理技术的新发展

1新的处理工艺开发研究的主要目标

∙进一步提高出水水质：

降低悬浮物

降解富营养物

去除生物难降解物

减少其它溶解性无机物含量

改善卫生指标

∙降低在相同处理能力和效果时的处理费用（和投资）

∙减少占地面积

∙提高处理能力

2活性污泥法－膜分离处理技术

膜分离技术－概念

在膜分离技术中，膜就相当于普通滤池中的滤料，它可以让混合液中的一部分组分顺畅通过，让其余组分不能通过，从而达到分离混合液的目的。

膜的分类及分离特征

微滤：

细菌、原生动物

超滤：

乳化剂、病毒

纳米过滤：

腐殖酸、酶、活性剂/颜料

反渗透：

溶解盐

城市生活污水处理中主要采用：

微滤、超滤

工业废水处理：

纳米过滤、反渗透

2.1膜分离技术－基本运行方式

IDead-end－方式：

待过滤的混合液的流动方向与过滤膜正交。

混合液进水压力一般为0.5-2.5bar。

固体污染物（尤其当浓度高时）易于在膜的表明形成覆盖层，引起膜的堵塞。

因此需要经常清洗。

当固体浓度高时，这种运行方式效率不高。

IICross-flow－方式：

待过滤的混合液的流动方向与过滤膜平行。

混合液流的一部分透过膜，截留下来的固体污染物也会在膜的表明形成一层薄膜。

但是由于进水的水流速度高（1－6米/秒），附着在膜表面的固体污染物大部分又被水流带走。

因此清洗的周期相对较长。

但是形成快速水流需要较高能量消耗。

2.2膜技术的应用

∙填埋渗滤液的处理

∙重金属废水处理

∙多种工业废水处理

∙....

∙城市生活污水处理？

？

城市生活污水处理中用于：

∙特殊的出水水质

∙新建、扩建时受污水厂使用面积限制

∙处理污水需要回用－特殊的出水水质

∙小型污水厂

∙高浓度污水

近期在欧洲德国英国等形成持续的膜技术研究热；

为什么还不能普及？

？

缺点

高新科技：

∙设计、运行经验不足？

∙投资高？

∙运行费用高－膜过滤的能源消耗大？

∙膜组件的使用寿命短－运行费用高？

∙膜的化学清洗过程，清洗效果和自动化等等尚需要优化？

∙运行的灵活性问题－雨季水力冲击负荷？

优点

•水力停留时间与污泥停留时间相分离－可以实现高污泥浓度

•高污泥浓度（4－5倍于传统活性污泥法，由于受供氧的限制，不宜过高

）－所需处理容积小

•工艺流程简化－可省去二沉池

•占地少

•没有污泥膨胀

•剩余污泥量少－是传统活性污泥法的三分之一

•出水水质好、卫生指标高－有效的除磷（在污泥厌氧处理中30％的磷又会释放出来，重新回到污水中）、无悬浮物（由悬浮物引起的COD可以全部去除）、无细菌

出水的水质相当于传统活性污泥法工艺与砂滤（进一步去除悬浮物）和UV或臭氧氧化（杀菌，消毒）。

这些优点在设计、建设和运行过程中都得到了验证。

2.3研究方向

研究的方向：

发扬优点；克服缺点。

但是实质性的突破方向是后者。

∙膜材料的种类：

聚丙烯氰有机膜

聚乙烯有机膜

无机陶瓷膜

∙解决承压、耐用

∙工艺和运行方式

∙防止结垢－在膜的表面和内部

这些研究要解决的实质性问题是什么？

经济可行性！

－工艺形式

分置式：

对膜组件加压

∙通量大

∙易于操作、易于膜的清洗和更换

∙加压（大于1bar）－消耗动力

∙为减少污物在膜表明的沉积，需要通过（泵）水力循环提高水流速度，因此能耗大，且对活性污泥的活性产生负面影响。

一体式I：

∙真空泵抽吸（负压）过滤液，压力差小于0.5bar－可以通过改变负压（压力差）的高低来调节通量大小。

化学清洗次数少（每年2次）

∙通过曝气水流与膜组件顺流设置，减少了污物在膜表明的沉积，省去（泵）水力循环，因此降低了能耗。

∙占地少

因此这种工艺形式应用较广泛。

∙充氧能力设计时要考虑：

大孔径曝气＝0.17－0.2（TS=15－10g/l）；

微孔曝气＝0.5-0.6（TS=15-10g/l）

∙传统活性污泥法：

＝0.8（TS=3-4g/l）

一体式II：

∙不设置真空泵。

利用重力，能耗低。

∙没有真空泵监测系统。

计量技术要求低

∙操作简单

∙通量小，适合小型污水厂。

－工艺的经济可行性

在城市污水厂应用膜分离技术的经济性（单位污水处理总费用）取决于三大因素：

∙能耗

∙膜组件费用：

∙过滤能力

影响过滤能力的因素：

－结垢

－膜的老化

－膜组件的构造

－膜的材料

－膜的清洗

－运行方式

－生物状态等等

其中影响过滤能力的最主要的因素：

结垢：

在膜的表面形成薄膜和生物膜或膜内部沉积污物

其原因一方面是膜本身的特性，另一方面是沉积物的形式

孔道堵塞主要由于细胞外多聚物（EPS）。

表面沉积主要由于污泥结构。

如图所示在膜的表面形成薄膜和生物膜或膜内部沉积污物现象。

－防止在膜的内部结垢：

德国亚琛工业大学2001年的攻关项目：

科学家利用原生质技术防止蛋白质在心导管上附着的科研成果。

准备在水的膜处理技术中借用该项科研成果。

如果成功，将为膜技术在水处理中的应用带来极大的好处。

－膜的化学清洗：

另一个课题：

一旦结垢堵塞，怎样消除？

冲洗：

效果不理想。

需要采用膜的化学清洗

由于膜的造价比较高，清洗工作要仔细。

清洗要注意：

物理方面：

温度，机械性能，膜组件的设计；

化学方面：

清洗水的质量，选择合适的化学清洗剂。

膜的化学清洗要根据污染物选择合适的化学清洗剂。

无机物或絮凝剂结垢：

酸清洗，例如：

柠檬酸、乙酸等或盐酸；

蛋白质：

碱性清洗剂，可以选用次氯酸钠；

油污：

专门的表面活性剂。

清洗次数：

1－2次/年。

清洗效果：

90－95％

另外，德国亚琛工业大学的研究结果表明，用含氯清洗溶液短时间清洗可以延长膜的使用寿命，但是，由此产生的AOX问题不容忽视。

清洗剂应尽可能不含氯。

如果是生物膜引起的结垢：

杀菌消毒清洗剂。

例如：

过氧化氢

清洗次数：

2次/年。

可以取得满意的清洗效果。

当工业废水比例较高时，清洗需要频繁一些。

清洗过程：

将化学清洗剂放进清洗高位水箱，配制适当浓度的清洗液；

停止待清洗的膜组件的过滤；

将清洗液放进各个要清洗的膜组件：

放满后停止曝气；

反应：

反应时间根据使用的清洗剂而定，经验表明，最有效的反应时间是在第一个小时，更长的时间，并不意味着更好的效果；

清洗后将清洗液放进低位集水次，然后回到污水厂进水处；

清洗方法研究方向：

低剂量，尽可能无氯，就地清洗，不影响过滤，自动化，保证稳定的过滤通量。

－防止膜老化

大多数有效的化学清洁剂都对有机多聚物膜有破坏作用。

破坏作用：

通常表现是加速膜的老化。

膜老化现象－老化的原因和后果：

膜中亲水性组分在运行中析出

通过化学药剂改变膜的结构

膜的纤维弱化

膜的结构被压密实

从而膜的通量降低

因此要求膜具有以下的性能：

∙膜材料技术要求：

亲水性－可浸湿性好

结垢少

化学和热稳定性好

机械稳定性好

∙膜的形态要求：

孔径分布范围窄

膜的缺陷少

孔隙率高

水阻力小

∙经济要求：

价廉

－防止膜组件的表面结垢研究

膜组件的堵塞现象如图所示：

－防止膜组件的缠绕和污泥沉积

如图所示，膜组件的上部缠绕和下部污泥沉积现象：

因此对膜组件的要求：

∙膜组件的结构要求：

良好的固体物管理

便于清洗和反冲洗

均匀的水力负荷

机械稳定性好

充气效率高

便于安装

∙膜组件的经济要求：

组件密度高－过滤面积大

造价低廉

更换费用低

循环利用

－膜组件的形式

A平板板框组合式－淹没式（日本KUBOTA）

∙机械稳定性好

∙易于操作

∙过滤性能好

采用中孔径的膜做成平板板框组合，直接置于硝化区，膜组件底部不设其它构筑物，只设置曝气系统－在实现为硝化充氧的同时，形成很强的曝气水流（顺流）防止污泥在膜的表面沉积。

而且毛发和其它纤维物也不可能缠绕膜组件。

膜与塑料板框之间设置纤维保护网（衬托网）。

通过穿孔管形成强的曝气水流（顺流）防止污泥在膜的表面沉积

过滤面积为：

0.4m*1m*2＝0.8m2

每组膜块的过滤面积可以很精确计算，从而它的通量等也就可以很精确计算。

过滤液被真空泵抽吸走。

下图所示平板板框组合式－淹没式（日本KUBOTA）

B双层平板板框组合式－淹没式（日本KUBOTAK300）

为适应市场的要求，新开发的一种膜组件。

除了上述特点外，提高了容积的利用率（双层膜件），电能消耗减少40％。

总过滤面积为：

120×2＝240平方米（300板块，平板间距：

5－15毫米）两层膜组件之间留1米的空间，一方面过滤液可以分开被真空泵抽吸走，另一方面为优化上面膜组件的气、水流的滚动。

两层膜组件的的构造是相同的。

但是由于在曝气池中所处的水深不同，过滤液分开被真空泵抽吸走。

压力的控制也可以分别考虑。

两层膜组件的压力和通量的设计分别进行，每个膜组件都是独立的，为安全运行提供了保证。

避免污泥在膜的表面沉积

为了防止毛发及其它纤维物缠绕膜组件，要设置3毫米的细格栅预处理设施。

平板板框膜组件可以使曝气池污泥浓度高达20g/l（建议14－16g/l），污泥浓度的限制不是因为过滤的原因，而是因为氧的转移系数太低（20g/l时，<0.25）。

出水水质可以达到欧盟游泳水质标准。

设计参数：

通量：

>32l/m2.h；过滤压力：

100－200mbar；污泥浓度：

16g/l－20g/l；

下图所示双层平板板框组合式－淹没式（日本KUBOTA）

C中空纤维组合式－淹没式（加拿大ZENON）

下图所示为中空纤维组合式－淹没式（加拿大ZENON）

这种膜组件由许多2毫米的中空纤维管组成。

中空纤维管的上下端被固定在框架上。

中空纤维管的长度稍微长于上下框架的距离，这样纤维管可以在曝气水流的作用下摆动。

从而防止污泥附着在纤维管上。

通过改进，新一代的中空纤维管膜组件，可以采用间歇曝气的方式，将曝气时间减少50％。

D平板转盘组合式－淹没式（德国MARTIN公司VRM系统）

下图所示为平板转盘组合式－淹没式

这种膜组件开发的指导思想：

边缘表面沉积和长条形表面沉积现象。

这种膜组件不仅利用曝气流造成膜表面的相对运动，膜组件的运动也能造成膜表面的相对运动。

膜组件的构造类似生物转盘。

具体组装与日本KUBOTA公司相似。

膜盘片安装在一个空心的转轴上，转轴与过滤液收集管连接，通过真空泵将过滤液抽出。

在转盘的中心，沿整个转轴方向安置曝气系统，压缩气体沿径向从盘片之间向上释放，由于转盘自身的转动，向上的水－污泥－气体的混合物可以在所有膜的表面造成紊动。

从而防止沉积和去除沉积的污泥。

（强度可以调节）

E中空纤维组合式－淹没式（德国PURON）

下图所示为中空纤维组合式－淹没式

中空纤维组合式－淹没式（德国PURON）

德国亚琛工业大学发明专利，由德国PURON公司生产和开发市场。

开发的指导思想：

着重解决城市污水厂毛发及其它纤维物缠绕膜组件上部的问题。

膜纤维管的下端被固定在膜组件的底座上，膜纤维管的上端封闭，而且不固定，任其在气水混合液中自由漂摆。

每一膜组件的中心安置一个曝气喷头，当气体喷出是，膜组件的纤维管由里向外，且同时向上漂摆。

这样沉积物和待沉积物就从纤维管上掉下来。

而且即使预处理效果不好，也可以避免毛发及其它纤维物缠绕膜组件上部的问题。

（曝气时间可以缩短5％－10％）

－冲击负荷试验：

亚琛工业大学的一研究表明：

在负荷率相同时，出水的氨氮峰值高一倍，但是24小时混合试样分析，氨氮总量少20％。

2.4经济比较

2.4.1概述

在大型城市污水厂应用膜分离技术的经济性（单位污水处理总费用）取决于以下三大因素：

能耗：

对于淹没式膜组件而言主要是曝气－间歇曝气过去几年明显降低。

过滤通量>30升/平方米*时，单位电能消耗水平比较低。

膜组件费用：

一次性费用和更换膜组件费用－使用寿命长（很受运行条件的影响），循环度高，更换简便。

膜组件在过去几年明显降低，125－200马克/平方米。

而且会继续下降。

过滤能力：

与前两项相比过去几年没有太大变化。

在活性污泥法中：

>150－300升/平方米*时*巴。

经济比较的内容：

∙投资－膜的价格（大约占污水厂总投资的30％）。

∙运行（总）费用：

－膜的使用寿命

－膜的更换费用

－能耗

下面以ERFT－水协会的GKW（大运河）－污水厂为例，对各种不同的处理工艺进行经济比较。

GKW污水厂是目前世界最大的采用膜分离技术的城市生活污水处理厂。

2001年设计。

ERFT－水协会的GKW污水厂的设计参数：

人口当量：

80000EW

污水量：

16000立方米/天

进水负荷

最低出水水质要求

BOD5

COD

TKN

Pges.

可过滤悬浮物

NH4-N

Nges

5250公斤/天

9600公斤/天

897公斤/天

123公斤/天

5600公斤/天

20mg/l

90mg/l

2mg/l

10mg/l温度大于12度

18mg/l温度大于12度

在设计招标中对以下工艺进行了经济比较：

∙活性污泥－膜法：

出水水质最好

采用中空纤维组合式－淹没式，过滤面积为84480平方米，膜孔径：

0.1微米

∙传统法（污泥厌氧消化）：

出水水质合格

∙传统法（污泥好氧稳定）：

出水水质不合格

2.4.2投资比较

经过比较，膜法的投资最低。

传统法（污泥消化）设计方案的投资比膜法方案的投资高11％，传统法（污泥稳定）设计方案的投资比膜法方案的投资高3％。

比较结果见下表和图。

GKW污水厂单位投资

GKW污水厂总投资

（马克/人口当量）

（百万马克）

膜法设计投资

519

41.5

膜法投标最高价格

541

43.3

膜法投标最低价格

498

39.8

传统法（污泥消化）设计投资

576

46.1

传统法（污泥消化）投标价格

580

46.4

传统法（污泥稳定）设计投资

534

42.7

2.4.3静态运行费用比较

静态运行费用的比较考虑以下费用组成：

人员费用390000马克/年

能源费用720000马克/年

维修保养（没考虑膜的更新费用）240000马克/年

剩余物处理费用600000马克/年

运行消耗材料费用1100000马克/年

污水排放费250000马克/年

年费用总和3300000马克/年

经过比较，膜法的设计方案的运行费用最高，比传统法（污泥消化）设计方案的运行费用大约高20％，比传统法（污泥稳定）设计方案的运行费用大约高7％。

比较结果见下表。

主要原因在于膜法的电能消耗较大。

膜法的设计方案的电能消耗比传统法（污泥消化）设计方案的电能消耗大约高74％，比传统法（污泥稳定）设计方案的电能消耗大约高57％。

比较结果见下表。

电能消耗比较

（kWh/m3）

Roedingen污水厂（膜法，3000WE），2000年

2

Roedingen污水厂，改变循环/间歇运行方式

1.6

GKW污水厂

膜法

0.8

传统法（污泥消化）

0.46

传统法（污泥稳定）

0.51

2.4.4动态运行费用比较

动态运行费用即考虑投资、再投资费用时的运行费用。

根据“德国动态费用比较计算准则”进行，考虑的动态因素如下：

污水厂使用计算年限－25年

构筑物使用年限－25年（折旧）

机械设备和电器自动控制系统使用年限－12.5年

膜的使用年限－5年或8年

计算年利息－3％

物价增长率－0％

如果污水厂使用计算年限按25年考虑，并考虑到上述动态因素，两种传统法（污泥厌氧消化和污泥好氧稳定）的单位年费用均为：

0.89马克/立方米。

膜法相应的单位年费用取决于：

膜的一次性费用

膜的使用寿命

膜的更换费用

假设：

膜的使用寿命为5年或8年（目前均有先例）；

膜的更换费用为膜的一次性费用的二分之一。

从而可以推导出膜法与传统法可比的经济价格：

使用寿命为5年时的可比经济价格：

95马克/平方米；

使用寿命为8年时的可比经济价格：

115马克/平方米。

2.5膜法应用的展望

－技术前提

德国膜法在城市生活污水处理中应用多年的实践表明，尽管还存在一系列具体的问题，但是目前已经具备了应用的技术前提。

－膜的价格的发展

大型膜法城市生活污水处理的经济性目前尚未完全实现。

但是其发展趋势是令人乐观的。

1998膜的单价为2001年的2.88倍。

如果过去几年膜的单位价格的发展还能够继续，膜法的应用将日益增加，膜的生产量也将增加。

随着膜的生产规模的增加，其价格将会进一步下降。

这种良性循环一定会促进膜法的应用。

膜法的经济性将在不远的将来（最迟到2005年）就能够实现。

其发展趋势如图所示：

1997年有位德国教授分析了在污水处理中使用膜法的进水浓度（BOD5）经济临界点：

BOD5＝2500mg/l；

并估计8年后（2005年），膜的价格会降低一半，那么的进水浓度（BOD5）经济临界点可以降低到：

BOD5＝1300mg/l。

然而目前的膜的单价已经只是1997年的三分之一。

而且这种趋势仍然继续。

由此可见，在城市生活污水处理中大规模应用膜法已经为期不远了。

－电能消耗水平的发展

如图所示1998的膜法工艺的电能消耗水平为2001年的2.5倍。

随着膜组件种类的开发和研究，在不远的将来膜法工艺的电能消耗水平会接近传统活性污泥法。

－其它

膜的使用寿命达到8年会得到保证

膜的清洗方法将会不断优化

新工艺的开发也会不断发展

膜法在中国应用的展望

水源：

中国缺水，城市污水的回用一直是水管理领域的重要课题。

膜法无疑将在城市污水回用方面发挥重要作用。

排水体制：

膜的过滤面积决定污水厂的处理能力，膜的过滤能力比较稳定，膜的价格高，因此不能设计的太富于。

膜法对水力负荷的波动适应能力因此也较差。

分流制排水系统的污水量比较稳定，会有利于膜法的应用。

而中国大部分的城市或城区采用分流制排水系统，这也会有助于膜法在中国城市污水处理中的应用。

主要参考文献：

Gewaesserschutz·Wasser·Abwasser:

184卷，188卷

主编：

亚琛工业大学Dohmann教授