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
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- 关 键 词:
- 生活 污水处理 技术 新发展