CN103073135B - 一种城市生活污水回收再利用的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种城市生活污水回收再利用方法，即将生活污水处理厂由单纯的污水处理厂改进为污水处理与给水一体化；该方法对生活污水处理厂进行技术改进，保证其出水符合相应回用水质标准；即，生活饮用水卫生标准，或者自来水给水厂进水要求，其它再生水回用水质标准；城市生活污水回用措施引起的财务负担由用水主体承担，通过将水污染治理的责任主体与排污主体的有机耦合，实现水资源的有效循环利用，促进原排污受纳水体的水质恢复，最终使得水资源环境得到有效的改善与恢复。
Description
技术领域
本发明属于污水的污染控制和再生利用领域，特别是涉及一种城市生活污水的污染控制和循环再生利用的方法。
背景技术
目前，污染水体治理技术按照治理手段划分可分为化学处理、物理处理和生物处理方法。化学法需大量投加化学药剂，其运行费用较高，常用于特定行业的污水处理；生活污水处理厂大部分采用生物法，生物方法主要指的是活性污泥法，主要包括（1）传统活性污泥工艺和其改进型A/O、A2/O工艺，A/O处理效果稳定，能实现脱氮和除磷的目标；A2/O在通过设置厌氧区、缺氧区和好氧区，达到同步脱氮除磷的效果，通过良好运行，能取得稳定的出水水质；（2）AB法工艺将曝气池分为高低负荷两段，各有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷A段以生物絮凝吸附为主，B段与常规活性污泥法相似，负荷较低，泥龄较长，AB法A段效率很高，去除BOD达50％ 以上，并有较强的缓冲能力。B段处理稳定性较好；（3）SBR工艺是序批式活性污泥法的简称，一般有五个步骤，分别是进水、曝气、沉淀、排水、闲置。该工艺优点是节省占地，减少污泥回流量，有节能效果；静止沉淀可以获得较高的沉淀效率和较好的水质。另外，有SBR的改进工艺，CASS工艺、MSBR工艺、ICEAS工艺等；（4）氧化沟是一种改良的活性污泥法，曝气池成封闭的沟渠形，其流态是一种首尾相接的循环流，延时曝气使得污水和污泥同时得到净化。氧化沟处理设施简单，没有初沉池和污泥消化池，具有脱氮功能；运行简便且处理效果稳定。
以上为城市生活污水处理厂的几种常用处理工艺。可以看到，大部分工艺属于二级处理，处理效果一般能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918—2002。然而对于大中型城市来说，即使按照最严格的一级A标准进行排放，由于城市人口众多，排污量大，其对环境的污染负荷十分巨大。排污受纳水体很有可能无法对所有污染物进行自净，从而造成受纳水体水质恶化。将会大大增加水体治理成本。
发明内容
针对上述城市生活污水处理中存在的问题，本发明旨在提供一种城市生活污水回收再利用方法，该方法是一种高效循环利用水资源，减少环境负荷，并间接使受纳水体水质提高的技术方法。该方法在原有污水处理厂的工艺基础上，对其进行分级技改，使出水水质符合不同回用水水质标准，回用水回用途径包括：生活饮用水、河湖景观用水、工业冷却用水、城市绿化用建筑冲厕用水、道路浇洒剂降尘用水、农业灌溉用水和地下水回灌等多种用途。
本发明方法具体操作如下：
（1）常温下，将污水处理厂二级出水（出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》 GB 18918-2002一级标准）输入澄清池中，加入混凝剂，澄清池水力停留时间为30~60min，其中混凝剂是投加量为10~20mg/L的聚合氯化铝、投加量为20~30 mg/L的硫酸铝、投加量为10~20 mg/L的聚合硫酸铁中的一种。
（2）澄清池出水经过增压泵加压进入超滤预处理系统，依次经过盘滤器、超滤器、碳滤器、软化器、精滤器进行处理，增压泵加压后水进入超滤预处理系统的压力为超滤膜工作压力0.05 ~ 0.20 MPa；其中盘式过滤器为超滤预处理系统的前段处理部分，根据处理水质水量要求合理选择相应精度过滤单元（5μm、10μm、20μm、50μm、100μm、130μm、200μm）以及过滤单元个数；超滤器中使用的常规超滤膜参数为：产水通量60~145L/（m2·h）；膜面积 20~60m2；pH值范围 2.0~13.0；耐最大氯浓度1×10-6mg/L·h；最高温度 40℃；工作压力0.05~0.20MPa；超滤器中的超滤膜需进行反洗，水反洗时间 30~60S，然后加药反洗，反洗时间 1~10min，反洗频率1~2次/天；加药反洗药剂为200~500mg/L的NaOH，0.1%~0.5%的HCl，50~100mg/L的NaClO（以Cl2计）的一种；盘滤器、超滤器、碳滤器、软化器或精滤器根据需要可以配置一个以上。
（3）超滤预处理系统出水进入缓冲池，以保证反渗透系统进水稳定，并投加反渗透专用阻垢剂，投加量1~3mg/L，其中经过超滤预处理的出水污泥密度指数：SDI＜1~3；
（4）缓冲池出水经过高压泵加压进入反渗透系统，根据不同出水水质要求，设计为一级或者二级反渗透装置，一级反渗透产水达到景观环境用水的再生水水质控制指标，二级反渗透产水达到生活饮用水水质卫生规范。反渗透装置中膜元件排列方式为一级二段式，1:1或1:2排列，其中高压泵加压后水进入反渗透系统的压力为膜的工作压力0.4~0.8 MPa；
反渗透系统常用膜为市购聚酰胺卷式复合膜，其参数：膜通量15~50L/(m2·h)，膜面积30~40m2；脱盐率98~99.7%；透水量 25~50m3/d；工作压力0.4~0.8 MPa；反渗透回收率为60~80%，反渗透出水进入消毒单元；
（5）反渗透出水消毒方式选择紫外消毒法，出水即为回用水。
本发明中根据出水回用用途的区别，设计组合处理工艺。中间处理为反渗透工艺（包括一级反渗透和二级反渗透），分别对应自来水给水回用和常规再生水回用。预处理及后处理采用相同工艺，分别为超滤工艺和消毒。
本发明中通过投放混凝剂强化超滤工艺的截留效果，混凝剂可选择投加量为10~20mg/L的聚合氯化铝、投加量为20~30 mg/L的硫酸铝、投加量为10~20 mg/L的聚合硫酸铁中的一种。
本发明中预处理采用超滤预处理系统，目的在于去除悬浮固体和胶体，降低浊度；控制微生物生长；抑制与控制微溶盐的沉积；有机物的去除等。如图2所示，随水流方向依次为盘滤器、超滤器、碳滤器、软化器、精滤器。该预处理系统中，碳滤器、软化器的功能是去除游离氯、小粒径有机物与原水硬度，而精滤器的功能仅在于截留软化器等前级可能的泄漏滤料。
本发明中超滤器，采用分置构内压式有机中空超滤膜工艺，其膜丝内径一般0.6 ~ 1.2 mm，外径一般为1.0~1.6mm。水处理领域使用的膜组件结构形式为轴向产水结构，可直立式或者平卧式安装，并采用多支膜组件的简单并联结构。超滤膜的实际流程为单只膜长，一般在1.5m以内。
本发明中，预处理出水进入反渗透装置前，需将水中所含氧化性物质完全还原，防止膜元件氧化。在超滤预处理系统处理出水进入反渗透装置前需投加反渗透专用阻垢剂，投加量1~3mg/L。以防止水中的难溶盐、金属氧化物、活性硅等因其浓度大于其溶解度而结晶析出，阻塞反渗透膜的产水通道，使产水量及脱盐率下降；反渗透专用阻垢剂为美国纳尔科PC-191T阻垢剂、海德能HY-520阻垢剂、通用贝迪MDC220阻垢剂中的一种。
本发明中反渗透膜的膜元件排列方式为一级二段式，2:1排列；或一级二段式，1:1排列。二级反渗透的产品水质可达饮用水水质卫生规范，详细指标如表1 所示。
表1：二级反渗透系统设计出水水质
本发明的优点与效果：
（1）负荷消除：原污水处理厂的排水负荷与水源补水负荷差即为负荷消除量，将污水处理厂出水进行深度处理后再生回用，能够确保污水处理厂出水不排入受纳水体，避免了原有处理方式对受纳水体负荷的增加；由于城市人口数量巨大，用水需求量大，所以减少进入受纳水体的负荷量相当可观；
（2）促进受纳水体水质提高，本发明将污水处理厂的出水进行处理后回用，等量优质水源可作为补水进入受纳水体（污水处理厂出水排放污染物的受纳水体）。通过增加优水质补水的进入量，可加快稀释受纳水体中的污染物浓度，够缩短水体换水周期，从而促进受纳水体水质提高；
（3）财务支付转移，污水处理厂的改建以及运行费用由用水主体以缴纳水费的方式支付，使用水主体直接参与生活污水的污染控制，实现排污主体与责任主体的统一；
（4）监管力度增加，回用水作为饮用水源时，用水主体会尤其关注污水处理厂处理情况即水源水质与供水情况，使得监管力度更大更广，从而保证水资源的循环高效利用，并促进原受纳水体水质的恢复。
附图说明
图1本发明城市生活污水回收再利用工艺流程示意图；
图2 本发明超滤预处理系统工艺流程示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1 ：城市生活污水回收再利用方法，具体内容如下：
1、概况
（1）昆明供水情况：昆明市主城区现拥有12座自来水厂，城市日供水设计能力为162.5万立方米，实际每日供水量为83万立方米左右，取83万立方米计算得每年供水量为3.0295亿立方米。
（2）原水源水质及水量
表2：昆明市主要供水源
由上表可得，原有水源水质优良，且供水能力能够满足需求，可保证其作为补水进入滇池对滇池水体中污染物质的稀释作用。
（3）昆明市污水处理现状：第一至第八污水处理厂，呈贡污水处理厂，晋宁污水处理厂。十个污水处理厂的总设计处理能力为103.5万立方米每天。可以保证城市污水全部得到处理，且排水标准执行一级A标排入滇池。以《国家环境保护“十二五”规划》，城市污水处理率85%计算污水处理量。
表3：一级A标准出水水质
| 基本控制项目 | 一级标准（A标）mg/L |
| 化学需氧量COD mg/L | 50 |
| 生化需氧量BOD5 mg/L | 10 |
| 总氮（以N计）mg/L | 15 |
| 总磷（以P计）mg/L | 0.5 |
| 悬浮物（SS）mg/L | 10 |
| Ph值 | 6-9 |
2、污水处理厂处理工艺改进
昆明市各污水处理厂工艺主要包括：A2/O工艺、ICEAS工艺、生物膜反应器工艺。设计污水处理量为6万m3/d~18.5万m3/d不等。此处技改工艺以10万m3/d为设计处理水量，进水水质为一级A标准（水质如表3所示）。具体操作如下：
（1）常温下，将污水处理厂二沉池出水输入澄清池中，澄清池总面积500m2，池高4.5m，加入混凝剂聚合氯化铝，投加量为20mg/L，澄清池水力停留时间为30min；
（2）澄清池出水进入超滤预处理系统，依次经过盘滤器、超滤器、碳滤器、软化器、精滤器，盘滤器为超滤预处理系统的前段处理部分，选择模块化过滤单元，根据处理水质水量要求，选择5μm精度过滤单元6个，单元处理流量为700m3/h；超滤膜材料选用PVDF聚偏氟乙烯，根据入水量，设置20个超滤膜箱，每个膜箱安装膜组件58件，单个膜组件的表面积为40m2；超滤膜需进行反洗，水反洗时间 30s，然后再加药反洗，反洗药剂采用次氯酸钠，加入量为100mg/L（以Cl2计），反洗频率2次/d，反洗时间5min。以超滤制水率90%计算，碳滤器组件选用15套，规格为直径3000mm，柱内填充2000mm厚的粒状活性炭，滤速为8~10m/h。软化器组件设置70套，规格：2-直径1000mm，盐箱容积1000L，树脂装填量90%。精滤器采用法兰式，孔径选择5μm，设置20套，规格：直径1000mm，内置100支滤芯，流量为180~200T/H。
（3）超滤预处理系统出水进入缓冲池，保证反渗透系统进水稳定，同时加入反渗透专用阻垢剂，选用美国纳尔科PC-191T阻垢剂，加入量为3mg/L，经过超滤预处理的出水污泥密度指数：SDI＜1~3，一般来说反渗透进水SDI应小于5；
（4）缓冲池出水进入反渗透系统，设计为二级反渗透装置，二级反渗透产水水质设计达到生活饮用水水质卫生规范。反渗透装置中膜元件排列方式为一级二段式2:1排列。反渗透系统采用聚酰胺卷式复合膜，其参数：膜通量50L/(m2·h)，膜面积40m2 ；脱盐率99 %以上；工作压力0.4~0.8 MPa。根据超滤预处理出水量以及设计回收率80%，装备25套装置，一级14套，二级11套；每套装置产水量为216m3/h，每套装置采用膜元件108支，(12:6)×6排列。对反渗透膜的化学清洗频率为1次/月，清洗时间为1.5h。
（5）反渗透出水进入消毒单元，采用紫外线消毒器，设置3台，单台水处理量为900T/H。消毒后出水即可作为生活饮用水水源回用（见图1-2）。
3、负荷及财务转移核算
（1）负荷消除核算
居民生活用水量为3.0295亿立方米/年；则污水处理厂处理量约为2.575亿立方米/年；表3中原水为原污水处理厂排水。
表4：负荷消除量
| 水质指标项目 | 原水（一级A标准） | 补水 | 负荷消除量t/a |
| COD mg/L | 50 | （）15 | 9012.76 |
| BOD5 mg/L | 10 | （）3 | 1802.55 |
| TNmg/L | 15 | （ |
3733.86 |
| TPmg/L | 1 | （）0.025 | 251.07 |
（2）财务转移核算：
计算工艺技改的工程造价和运行费用。工程造价：（投资成本为5000元/m3~7000元/m3）；运行费用（二级常规反渗透法运行费用为3.5元/m3~4.0元/m3）。
以昆明市污水处理总量（假设所有生活用水得到处理）计算。技改建设成本经核算为58.1亿元，运行成本增量为10.6亿元/年。人均负担运行成本增量为217.17元/年。
实施例2：城市生活污水回收再利用方法，具体内容如下：
1、概况
以大中型城市进行核算：人口数100万、人均用水定额200L/天。供水量为0.730亿立方米/年，则污水处理量为0.6205亿立方米/年。设补水量与污水处理量相当，补水水质分为、
、
类。其污水处理厂排水取一级A标准和B标准。
2、污水处理厂工艺技改
结合图1 采用一级反渗透处理工艺对污水处理厂出水进行深度处理。总废水量20万m3/d，此处设计处理水量为5万m3/d，进水水质为一级A标准（水质如表2所示）；具体操作如下：
（1）常温下，将污水处理厂二沉池出水输入澄清池中，澄清池总面积400m2，池高4m，加入混凝剂硫酸铝，投加量为20mg/L，澄清池水力停留时间为40min。
（2）澄清池出水进入超滤预处理系统，依次经过盘滤器、超滤器、碳滤器、软化器、精滤器，盘滤器为超滤预处理系统的前段处理部分，选择模块化过滤单元，根据处理水质水量要求，选择20μm精度过滤单元5个，单元处理水量为500 m3/h；超滤膜材料选用PVDF聚偏氟乙烯，根据入水量，设置10个超滤膜箱，每个膜箱安装膜组件58件，单个膜组件的表面积为40m2；超滤膜需进行反洗，水反洗时间 40s，然后再加药反洗，反洗药剂采用次氯酸钠，加入量为80mg/L，反洗频率1次/d，反洗时间5min。以超滤制水率90%计算，碳滤器组件选用7套，规格为直径3000mm，柱内填充2000mm厚的粒状活性炭，滤速为8~10m/h。软化器组件设置35套，规格：2-直径1000mm，盐箱容积1000L，树脂装填量90%。精滤器采用法兰式，孔径选择5μm，设置10套，规格：直径1000mm，内置100支滤芯，流量为180~200T/h；
（3）超滤预处理系统出水进入缓冲池，保证反渗透系统进水稳定，同时加入反渗透专用阻垢剂，选择海德能HY-520阻垢剂，加入量为1mg/L。经过超滤预处理的出水污泥密度指数：SDI＜1~3，一般来说反渗透进水SDI应小于5。
（4）缓冲池出水进入反渗透系统，设计为一级反渗透装置，一级反渗透产水水质设计达到景观环境用水的再生水水质控制指标。膜元件排列方式为一级二段式，1:1排列。反渗透系统采用聚酰胺卷式复合膜，其参数：膜通量40L/(m2·h)，膜面积40m2 ；脱盐率99 %以上；工作压力0.4~0.8 MPa。根据超滤预处理出水量以及设计回收率75%，装备10套装置，每套装置产水量为153.6m3/h，每套装置采用膜元件96支，(8:8)×6排列。对反渗透膜的化学清洗频率为1次/月，清洗时间为1.5h。
（5）反渗透出水进入消毒单元，采用紫外线消毒器，设置2台，单台水处理量为800T/H，消毒后出水即可作为景观环境用水回用。
3、负荷及财务转移核算
（1）负荷消除量计算
下表列出了水环境质量标准基本项目的负荷消除量。
表5：基本项目负荷消除量
（2）财务转移核算：
计算工艺技改的工程造价和运行费用。工程造价：（投资成本为6000元/m3~7000元/m3）；运行费用（2.0元/m3~3.0元/m3）。
以该市污水处理总量（假设所有生活用水得到处理）计算。技改建设成本经核算为10.2亿元，运行成本增量为1.551亿元/年。人均负担运行成本增量为155.1元/年。
实施例3：城市生活污水回收再利用方法，具体内容如下：
1、概况
以中小型城市进行核算：人口数20万、人均用水定额200L/天。供水量为0.1460亿立方米/年，则污水处理量为0.1241亿立方米/年。设补水量与污水处理量相当，补水水质分为、
、
类。其污水处理厂排水取一级A标准和B标准。
2、污水处理厂工艺技改
采用一级反渗透处理工艺对污水处理厂出水进行深度处理。总废水量3.4万m3/d，此处设计处理水量为4万m3/d，进水水质为一级A标准（水质如表2所示）；具体操作如下：
（1）常温下，将污水处理厂二沉池出水输入澄清池中，澄清池总面积500m2，池高4.5m，加入混凝剂聚合硫酸铁，投加量为15mg/L，澄清池水力停留时间为60min。
（2）澄清池出水进入超滤预处理系统，依次经过盘滤器、超滤器、碳滤器、软化器、精滤器，盘滤器为超滤预处理系统的前段处理部分，根据处理水质水量要求，选择200μm精度过滤单元4个，单元处理水量为500 m3/h；超滤膜材料选用PVDF聚偏氟乙烯，根据入水量，设置5个超滤膜箱，每个膜箱安装膜组件58件，单个膜组件的表面积为60m2；超滤膜需进行反洗，水反洗时间 60s，然后再加药反洗，反洗药剂采用氢氧化钠，加入量为300mg/L，反洗频率1次/d，反洗时间10min。以超滤制水率90%计算，碳滤器组件选用7套，规格为直径3000mm，柱内填充2000mm厚的粒状活性炭，滤速为8~10m/h。软化器组件设置28套，规格：2-直径1000mm，盐箱容积1000L，树脂装填量90%。精滤器采用法兰式，孔径选择5μm，设置8套，规格：直径1000mm，内置100支滤芯，流量为180~200T/h；
（3）超滤预处理系统出水进入缓冲池，保证反渗透系统进水稳定，同时加入反渗透专用阻垢剂，选用通用贝迪MDC220阻垢剂，加入量为1mg/L。经过超滤预处理的出水污泥密度指数：SDI＜1~3，一般来说反渗透进水SDI应小于5。
（4）缓冲池出水进入反渗透系统，设计为一级反渗透装置，一级反渗透产水水质设计达到景观环境用水的再生水水质控制指标。膜元件排列方式为一级二段式，1:1排列。反渗透系统采用聚酰胺卷式复合膜，其参数：膜通量30L/(m2·h)，膜面积30m2 ；脱盐率99 %以上；工作压力0.4~0.8 MPa。根据超滤预处理出水量以及设计回收率75%，装备15套装置，每套装置产水量为86.4m3/h，每套装置采用膜元件96支，(8:8)×6排列。对反渗透膜的化学清洗频率为1次/月，清洗时间为1.5h。
（5）反渗透出水进入消毒单元，采用紫外线消毒器，设置2台，单台水处理量为800T/H，消毒后出水即可作为景观环境用水回用。
3、负荷及财务转移核算
（1）负荷消除量计算
下表列出了水环境质量标准基本项目的负荷消除量。
表6：基本项目负荷消除量
（2）财务转移核算：
计算工艺技改的工程造价和运行费用。工程造价：（投资成本为6000元/m3~7000元/m3）；运行费用（2.0元/m3~3.0元/m3）。
以该市污水处理总量（假设所有生活用水得到处理）计算。技改建设成本经核算为2.38亿元，运行成本增量为0.3102亿元/年。人均负担运行成本增量为161.3元/年。
Claims (3)
1.一种城市生活污水回收再利用方法，其特征在于按如下步骤进行：
（1）常温下，将污水处理厂二级出水输入澄清池中，加入混凝剂，澄清池水力停留时间为30~60min，其中混凝剂是投加量为10~20mg/L的聚合氯化铝、投加量为20~30 mg/L的硫酸铝、投加量为10~20 mg/L的聚合硫酸铁中的一种；
（2）澄清池出水经过加压进入超滤预处理系统，依次经过盘滤器、超滤器、碳滤器、软化器、精滤器进行处理，其中加压后水进入超滤预处理系统的压力为超滤膜工作压力0.05 ~ 0.20 MPa；
（3）超滤预处理系统出水进入缓冲池，并投加阻垢剂，投加量1~3mg/L，其中经过超滤预处理的出水污泥密度指数为SDI＜3；
（4）缓冲池出水经过加压进入反渗透系统，根据不同出水水质要求，可选择采用一级或二级反渗透装置，反渗透装置中膜元件排列方式为一级二段式1:1排列或一级二段式1:2排列，其中高压泵加压后水进入反渗透系统的压力为膜的工作压力0.4~0.8 MPa；
（5）反渗透出水进入消毒单元，采用紫外消毒法，出水即为回用水；
其中所述盘滤器为超滤预处理系统的前段处理部分，根据处理水质水量要求合理选择精度为5μm、10μm、20μm、50μm、100μm、130μm或200μm规格的过滤单元；
所述超滤器中的超滤膜需进行反洗，水反洗时间 30~60s，然后再加药反洗，加药反洗时间 1~10min，频率1~2次/天；
所述超滤器中使用的超滤膜的使用参数为产水通量60~145L/（m2·h），膜面积 20~60m2，pH值范围 2.0~13.0，耐最大氯浓度1×10-6mg/L·h，最高温度 40℃，工作压力0.05~0.20MPa；
所述反渗透系统中使用的膜为聚酰胺卷式复合膜，其参数为膜通量15~50L/(m2·h)，膜面积30~40m2，脱盐率98~99.7%，透水量 25~50m3/d，工作压力0.4~0.8 MPa。
2.根据权利要求1所述城市生活污水回收再利用方法，其特征在于：加药反洗药剂为200 ~500mg/L的NaOH，0.1%~0.5%的HCl， 50~100mg/L的NaClO中的一种。
3.根据权利要求1所述城市生活污水回收再利用方法，其特征在于：反渗透专用阻垢剂为美国纳尔科PC-191T阻垢剂、海德能HY-520阻垢剂、通用贝迪MDC220阻垢剂中的一种，投加量为1~3mg/L。
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