箱式一体化污水处理设备技术路线调研报告.docx
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箱式一体化污水处理设备技术路线调研报告
箱式一体化污水处理设备技术路线调研报告
一、污水处理行业发展及机遇
最新监测数据显示，全国受到严重污染的劣V类水体约占地表水的10%，其中海河流域的比例高达39.1%；第二，城镇的一些河段，城乡接合部的一些沟渠塘坝污染严重，黑臭水体多，群众反映强烈，公众关注度高，不满意度高；第三，涉及饮水安全的水环境事件频发。
截止2012年，全国十大水系、62个主要湖泊分别有31%和39%的淡水水质达不到饮用水要求。
一些地区的水环境、水生态、环境隐患已经影响到当地的社会经济发展。
1、相关政策及要求
为切实加大水污染防治力度，保障水安全，更好的建设“蓝天常在、青山常在、绿水常在”的美丽中国，2015年4月国务院发布了“关于印发水污染防治行动计划的通知”（以下简称“水十条”）。
2014年底国家发改委发布《环境污染第三方治理指导意见》，拟设立500亿元环保基金，为环境污染治理公司提供低息、长周期贷款。
2015年3月北京市质监局发布实施《城镇污水处理能源消耗限额》地方标准。
2014年底国务院印发《关于创新重点领域投融资机制鼓励社会投资的指导意见》，环保领域为引导社会资本投资的七个重点领域之一。
2、发展机遇
“水十条”要求到2020年，长江、黄河等七大重点流域水质优良（达到或优于Ⅲ类）比例达到70%以上，地级以上城市饮用水水源水质达到Ⅲ类的比例要高于93%，要求到2017年前全面消灭劣V类水。
由此将带来约2万亿元的投资规模，水处理市场将迎来极大机遇。
“水十条”提出县级及以上城市应于2015年底前全面实行居民阶梯水价制度。
今年4月到5月期间，乌鲁木齐、济南、张家口等北方城市开始密集执行阶梯水价调整，水价上涨已成为普遍现象，有的地方综合平均水价上涨超过70％。
北京2014年开始执行阶梯水价，由每立方米4元调整为一阶段4．95元、二阶段7元、三阶梯9元；杭州由每立方米1．85元调整为一阶段2．9元、二阶段3．85元、三阶梯6．7元。
污水处理价格的翻倍上涨导致工矿企业生产运营成本快速攀升，企业迫切需要减少污水排放。
自行处理或预处理污水是企业乐意选择的解决方案。
箱式一体化污水处理设备具备技术优势和先行优势，将迎来全新的发展机遇。
二、污水处理一般技术路线
随着城市人口的增加和工农业生产的发展，污水排放量日益增大，全国年污水处理量增长连续多年在20%以上。
污水按来源分，可分为生产污水和生活污水。
生产污水包括工业污水、农业污水及医疗污水等；生活污水是无机物和有机物的复杂混合物。
按污染杂质分，可分为化学性污染、物理性污染和生物性污染。
污染物主要包括未经处理而排放的工业废水、与生活污水，大量使用化肥、农药、除草剂的农田污水，堆放在河边的工业废弃物和生活垃圾，水土流失及矿山污水等。
污水处理按照作用可分为物理法、生物法和化学法。
物理法：
是利用物理作用分离污水中的非溶解性物质，在处理过程中不改变化学性质。
常用重力分离、离心分离、反渗透、气浮等。
物理法处理构筑物较简单、经济，用于村镇水体容量大、自净能力强、污水处理程度要求不高的情况。
生物法：
是利用微生物的新陈代谢功能，将污水中呈溶解或胶体状态的有机物分解氧化为稳定的无机物质，使污水得到净化。
常用的有活性污泥法和生物膜法。
生物法处理程度比物理法要高。
化学法：
是利用化学反应作用来处理或回收污水的溶解物质或胶体物质的方法，多用于工业废水。
常用混凝法、中和法、氧化还原法、离子交换法等。
化学处理法处理效果好、费用高，多用作生化处理后的出水处理，提高出水水质。
污水处理按照处理程度可分为一级处理、二级处理和三级处理。
一级处理主要是去除污水中固体物质，通过机械处理，如格栅、沉淀或气浮，去除污水中所含的石块、砂石和脂肪、油脂等。
一级处理后的废水BOD去除率只有20%，仍不宜排放，还须进行二级处理。
二级处理的主要任务是大幅度去除污水中呈胶体和溶解状态的有机物，BOD去除率为80%～90%，悬浮物去除率达95%。
污水中的污染物在微生物的作用下被降解和转化为污泥。
一般经过二级处理的污水就可以达到排放标准，常用生物膜处理法。
三级处理是污水的深度处理，目的是进一步去除某种难降解的特殊的污染物质，包括营养物的去除和通过加氯、紫外辐射或臭氧技术对污水进行消毒，常用化学法。
整个过程为通过粗格栅的原污水经过污水提升泵提升后，经过格栅或者筛率器，进入沉砂池，经过砂水分离的污水进入初次沉淀池，以上为一级处理（即物理处理），初沉池的出水进入生物处理设备，有活性污泥法和生物膜法，（其中活性污泥法的反应器有曝气池，氧化沟等，生物膜法包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法和生物流化床），生物处理设备的出水进入二次沉淀池，二沉池的出水经过消毒排放或者进入三级处理，一级处理结束到此为二级处理，三级处理包括生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂滤法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗析法。
二沉池的污泥一部分回流至初次沉淀池或者生物处理设备，一部分进入污泥浓缩池，之后进入污泥消化池，经过脱水和干燥设备后，污泥被最后利用，详见图1。
图1
三、污水处理技术简介
1、膜分离技术
利用膜对混合物中各组分的选择渗透作用性能的差异，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分混合的气体或液体进行分离、分级、提纯和富集的技术。
既能对废水进行有效的净化,高效地去除污染物，又能回收一些有用物质,同时具有节能、无相变、安全性高、生物稳定性好、设备简单、操作方便等特点,因此在工业废水处理中得到了广泛的应用并显示了广阔的发展前景。
从材料的角度，膜可分为有机、无机及有机无机混合；根据膜结构，又可分为对称膜和不对称膜；按分离原理，膜分离技术分为微滤（MF）、超滤（UF）、渗析（D）、电渗析（ED）、纳滤（NF）和反渗透（RO）、渗透蒸发（PV）等。
尤为令人瞩目的是，膜分离与蒸发、吸附、萃取、化学反应和生物技术等相结合，形成了膜蒸馏、膜分相、液膜、膜萃取和膜生物反应器等一系列新型膜分离技术。
2、MBFB膜工艺
MBFB用于污水深度处理，能在原有污水达标排放的基础上，经过生物流化床和陶瓷膜分离系统，进一步降低COD、NH-N、浊度等指标，一方面可直接回用，另一方面也可作为RO脱盐处理的预处理工艺，替代原有砂滤、保安过滤、超滤等冗长过滤流程，同时有机物含量的降低大大提高RO膜使用寿命，降低回用水处理成本。
无机陶瓷膜分离系统，是世界第一套污水处理专用的无机膜分离系统，和其它的有机膜、无机膜相比，具有膜通量大、可反冲、全自动操作等优势。
详见图2。
图2
3、MBR工艺
MBR是将分离工程中的膜分离技术与传统废水生物处理技术有机结合，大大提高了固液分离效率，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌的出现，提高了生化反应速度。
同时，通过降低F/M比减少剩余污泥产生量，从而基本解决了传统活性污泥存在的许多突出问题。
详见图3。
图3
膜生物污水处理技术应用于废水再生利用方面的几个特点：
1）能高效地进行固液分离，将废水中的悬浮物质、胶体物质、生物单元流失的微生物菌群与已净化的水分开。
分离工艺简单，占地面积小，出水水质好，一般不须经三级处理即可回用。
2）可使生物处理单元内生物量维持在高浓度，使容积负荷大大提高，同时膜分离的高效性，使处理单元水力停留时间大大的缩短，生物反应器的占地面积相应减少。
3）由于可防止各种微生物菌群的流失，有利于生长速度缓慢的细菌（硝化细菌等）的生长，从而使系统中各种代谢过程顺利进行。
4）使一些大分子难降解有机物的停留时间变长，有利于它们的分解。
5）膜处理技术与其它的过滤分离技术一样，在长期的运转过程中，膜作为一种过滤介质堵塞，膜的通过水量运转时间而逐渐下降有效的反冲洗和化学清洗可减缓膜通量的下降，维持MBR系统的有效使用寿命。
6）MBR技术应用在城市污水处理中，由于其工艺简单，操作方便，可以实现全自动运行管理。
4、磁分离技术
磁场本身是一种具有特殊能量的场，经磁场处理过的水或水溶液，其光学性质、导电率、介电常数、粘度、化学反应及表面张力和吸附、凝聚作用及电化学效应等方面的特性都产生了可测量的变化，并且当撤掉磁场后，这种变化能保持数小时或数天，具有记忆效应。
磁分离技术是将物质进行磁场处理的一种技术，是利用元素或组分磁敏感性的差异，借助外磁场将物质进行磁场处理，从而达到强化分离过程的一种新兴技术。
宏观的物体在某种程度上都具有磁性，但按其在外磁场作用下的特性，可分为三类：
铁磁性物质、顺磁性物质和反磁性物质。
其中铁磁性物质是我们通常可利用的磁种。
各种物质磁性差异正是磁分离技术的基础。
磁分离法按装置原理可分为磁凝聚分离、磁盘分离和高梯度磁分离法三种。
按产生磁场的方法可分为永磁分离和电磁分离（包括超导电磁分离）。
按工作方式可分为连续式磁分离和间断式磁分离。
按颗粒物去除方式可分为磁凝聚沉降分离和磁力吸着分离。
磁分离作为物理处理技术在水处理中获得了许多成功应用，显示出许多优点。
磁分离利用废水中杂质颗粒的磁性进行分离，对于水中非磁性或弱磁性的颗粒，利用磁性接种技术可使它们具有磁性。
借助外力磁场的作用，将废水中有磁性的悬浮固体分离出来，从而达到净化水的目的。
与沉降、过滤等常规方法相比较，磁力分离法具有处理能力大、效率高、能量消耗少、设备简单紧凑等一系列优点。
随着强磁场、高梯度磁分离技术的问世，磁分离技术的应用已经从分离强磁性大颗粒到去除弱磁性及反磁性的细小颗粒，从最初的矿物分选、煤脱硫发展到工业水处理，从磁性与非磁性元素的分离发展到抗磁性流体均相混合物组分间的分离。
参见图4。
图4
5、高梯度磁分离技术
高梯度磁分离是在美国发展起来的一种新的磁分离技术，也是现代磁分离技术的一个标志。
它的应用已超越了磁选的传统对象（处理磁性矿物）而进入给水处理、废水处理、废气治理、废渣处理等环境保护领域。
废水中的污染物种类很多，对于具有较强磁性的污染物，可直接用高梯度磁分离技术分离；对于磁性较弱的污染物，可先投加磁种（如铁粉、磁铁矿、赤铁矿微粒等）和混凝剂，使磁种与污染物结合，然后用高梯度磁分离技术除去。
高梯度磁分离技术处理废水速度快、能力大、效率高；设备简易，操作容易，操作及维护费用低；可减少或避免使用化学药品，消除二次污染，且处理效果基本不受水温及气候变化影响。
四、超导磁分离技术
在高梯度磁分离技术环境下，提高磁场强度即可提高流速，提高废水处理量。
但随着处理量的增加，分离器的成本与耗电量也显著增高，若超过一定流速，高梯度磁分离器的分离能力就要下降。
超导磁分离可克服上述缺陷。
超导磁分离技术磁场强度可达14T，由于超导体在临界温度以下无电阻，因此，运行时耗电极低。
它能在较大的空间范围内提供强磁场及高梯度磁场，因而可提高处理量。
由于超导磁分离器能够产生很高的磁场强度，可使废水中的悬浮状弱磁性颗粒充分磁化，从而可直接去除而不需投加磁种。
2005年日本大阪大学Nshijima研究组最早开始超导磁分离污水处理研究，并建立了示范装置，用于分离造纸厂污水，分离后污水COD（化学需氧值）可由起始的110mg/L，降到25mg/L，去除率近80%。
他们采用的是预先在污水中添加Fe3O4“磁种子”颗粒和聚氯化铝絮凝剂，絮凝剂将污水中有害物质和Fe3O4磁性颗粒一起絮凝，这样通过超导磁体吸引分离。
尽管分离效果很好，但由于还需加入有机絮凝剂，没有完全摆脱因有机絮凝剂的加入带来的二次污染，此外超导磁体冷却采用的是液氦浸泡冷却。
图5
中科院理化研究所克服了以上难题，在磁种子材料和超导磁体冷却技术上取得了创新进展。
采用等离子有机覆膜技术在Fe3O4磁性颗粒表面生长带活性基团的有机薄膜，这层纳米厚度的薄膜可以有效地捕捉污水中的有机物、无机离子，代替了有机絮凝剂的加入，而且由于有机膜与Fe3O4有很强的结合力，使得这种新型复合“磁种子”材料可以重复使用，较单纯的Fe3O4磁种子材料有明显优势。
采用这种“磁种子”材料对造纸厂废水处理实验表明经磁分离处理的集水池废水COD值由起始的1780mg/L降到147mg/L，去除率超过90%，净化效果良好。
另一个技术创新点是采用制冷机直接冷却超导磁体，可以摆脱超导磁体采用昂贵液氦的束缚，这样将使得超导磁分离污水处理系统可以方便地用于缺少液氦的地区，特别适合于规模小、分散的中小企业。
图6
五、水处理企业产业分布
去年四季度以来，水处理行业发展迅速，上市企业在股市利好、政策利好刺激下开始扩大投资、“跑马圈地”。
个人认为在当期形势下进入水处理行业是一个契机。
上市企业业务详见图7。
从主营业务上看上市企业多没有涉及箱式一体化污水处理设备产业，但中小型企业多已开展同类产品的生产及销售。
图7
六、箱式一体化污水处理设备
箱式一体化污水处理设备具有占地面积小、工艺流程简单、结构紧凑、水处理效率高、投入运营成本小，运行费用低、隔绝性佳、运输安全性高，便于管理等优点，可被广泛用于单位水处理量小于10M3/h的各种需求环境。
在水处理量大于10M3/h时可设计为多箱配合作业，箱间模块化装配，组装、转运效率高。
1、设备特点
1）设备可置于地表以下，设备上面的地表可作为绿化或其他用地，不需要建房及采暖、保温。
2）采用玻璃钢、不锈钢结构，具有耐腐蚀、抗老化等优良特性，使用寿命长达50年以上。
3）全套装置施工简单、操作容易，所有机械设备均为自动化控制，配有全自动电气控制系统和设备故障报警系统，运行安全可靠，平时一般不需要专人管理，只需适时地对设备进行维护和保养。
4）产泥量少，三个月以上排一次泥（可用粪车抽吸或脱水成泥饼外运）。
5）除臭方式除可采用常规高空排气或配土壤脱臭措施。
6）出水水质接近自来水水质，可以作为中水满足绿化、消防、洗涤等用水。
2、适用范围
1）宾馆、饭店、疗养院、医院。
2）住宅小区、村庄、集镇。
3）车站、飞机场、海港码头、船舶。
4）工厂、矿山、部队、旅游点、风景区。
3、相似产品介绍
1）技术路线及结构：
2）设备参数及规格
污水处理装置不同条件下设备处理水量（m3/h）
进水BOD（mg/L）
200
300
400
500
300
400
500
600
400
500
600
700
出水BOD（mg/L）
20
20
20
20
30
30
30
30
60
60
60
60
WSZ—1
处理水量
2
1.5
1
0.8
2
1.5
1
0.8
1.3
0.9
0.8
0.8
WSZ--2
3
2.5
2
1.5
3
2.5
2
1.5
2.4
1.8
1.5
1.5
WSZ--5
6
5
4
3
5.5
4.5
3.5
2.5
4.8
3.6
3
2.5
WSZ--10
12
10
8
6
11
9
7
5
9.5
7.6
6
5
设备主要参数
项目\型号
WSZ-1
WSZ-3
WSZ-5
WSZ-7.5
WSZ-10
WSZ-15
WSZ-20
WSZ-30
WSZ-40
WSZ-50
处理量m3/h
1
3
5
7.5
10
15
20
30
40
50
设备件数
1
1
1
1
2
2
2
3
4
4
污泥吸附及初沉池
1.8
5.5
9
14
18
27
36
50
82
100
接触氧化池（m3）
5
14.5
24
36
44
63
83
130
170
200
二沉池表面负荷
1.2
1.3
1.3
1.3
1.2
1.2
1.5
1.5
1.5
1.6
（m3/m2h）
消毒池（m3）
0.6
1.8
2.8
4
5.5
8
10
15
20
25
风机
型号
HC-25IS
HC-30IS
HC-50C
HC-50IS
HC-60IS
HC-80S
HC-100S
HC1-100S
HC-100S
HC-100S
功率（kw）
0.4
0.75
1.5
2.2
2.2
3.7
5.5
5.5
5.5×2
5.5×2
台数
2
2
2
2
2
2
2
2
3
3
水泵
型号
AS10-2CB
AS16-2CB
AS30-2CB
功率（kw）
1
1.6
2.9
最大件重（t）
5
6
7
10
8
10
10.5
10.5
10.5
12
设备总重（t）
5.5
6.5
8
11
17
20
21
29
38
42
占地面积（m2）
6
14
20
30
50
65
75
115
155
185
3）销售价格
七、技术路线建议
鉴于行业现状及产品技术参数指标，建议采用以超导磁分离技术为主导、膜分离技术为补充的污水处理技术路线用于箱式一体化污水处理设备研发。
采用超导磁分离技术添加原料种类少、能耗小、产生污泥量少，运营维护成本底，水处理量大、不会产生二次污染，具有突出的技术优势和先发优势。
以超导磁分离技术研发的产品能够实现市场差异化竞争，保持市场话语权。
与中科院理化研究所、天津大学等科研院所开展产学研合作有利于争取到低息、长周期的国家专项贷款，中科院理化研究所、天津大学拥有多项原创性发明专利，合作将有利于布局知识产权保护，为迅速占领市场、保持市场占有率创造充分必要条件。
采用膜分离技术路线研发的产品能够满足一定的市场需求，及时填充、细分市场，实现迅速建立市场知名度的战略目的。
技术路线包括污水处理一级处理技术、过滤技术、臭氧消毒技术、污泥处理等周围技术。
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