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澳门新葡新京天津开发区污水再生利用综合研究

发布日期:2020-06-21 22:25

  全国城市污水再生利用经验交流和技术研讨会——国家城市给水排水工程技术研究中心

  介绍了天津开发区污水处理厂污水再生利用工程的前期工作、工程建设、运行管理以及规划、配套政策和市场开发的基本情况,并系统地介绍了万吨级“双膜法”污水再生利用工程的运行成本情况,简要地介绍通过引进-消化-吸收研制出的两台单机2 500m3/d的PVDF微滤膜装置的情况。

  提要:介绍了天津开发区污水处理厂污水再生利用工程的前期工作、工程建设、运行管理以及规划、配套政策和市场开发的基本情况,并系统地介绍了万吨级“双膜法”污水再生利用工程的运行成本情况,简要地介绍通过引进-消化-吸收研制出的两台单机2 500m3/d的PVDF微滤膜装置的情况。

  关键词:污水再生利用工程;可行性研究;中间试验;工程;运行管理;规划;配套政策;成本分析;设备研发

  随着经济发展和城市化进程的加快,城市缺水问题尤为突出。当前相当部分城市水资源短缺,城市缺水范围不断扩大,缺水程度日趋严重,许多城市已受到水资源短缺的严重威胁。

  天津市是严重缺水的城市之一,人均水资源占有量仅为160m3,是全国人均占有量的1/15,位居全国各省市之末,已经成为制约社会经济发展的因素之一。天津开发区政府历来重视环境保护和水资源综合利用工作。开发区污水处理厂自1999年12月投入调试运转至2000年5月调试工作结束,运行情况良好,为开发区解决污水污染,改善投资环境起到极为重要的作用,缓解了渤海湾流域污染严重的现状。同时对二级处理出水进行再生利用奠定了坚实的基础。

  通常情况下,城市污水处理厂二级处理出水,在经过常规深度处理工艺后是可以满足相关再生水的水质标准。但是,由于天津开发区地处渤海之滨,在原来盐碱滩上填土垫地开发建设而成,地质条件差,地下水位高,排水管网不可避免的渗入地下苦咸水。尽管采用了“切、堵、截、分流”等工程措施,最大限度减少高含盐量水的流入,可是污水处理厂的进水中氯化物和全盐量浓度仍然很高。经现场调研与系统分析,在实施下水道的“切、堵、截”等工程措施以后,天津开发区污水氯离子和全盐量旱季分别为1 220 mg/L和2290mg/L;雨季分别为2550mg/L和5075mg/L。

  这样,经过污水处理厂二级处理的出水经常规方法很难进行再生利用,只有对污水处理厂出水采用深度脱盐处理,才能使处理后的水质满足未来再生水用户的水质要求。因此,本工程项目的核心技术是脱盐工艺。脱盐工艺在技术上是否可行,经济上是否合理,将决定或直接制约天津开发区污水再生利用工程的实施。

  脱盐水处理达到商品化和工业生产规模仅限于几种方法:低温蒸馏、多级闪蒸、压气蒸馏、离子交换、电渗析和反渗透等方法,其它方法实际应用较少。蒸馏方法主要适用于以海水为原水的热力发电厂,它所使用的是发电厂低品位余热,即初级能源,计算价格大大低于商品化价格。而在其它领域最广泛使用是反渗透脱盐水处理方法。

  通过对这四种脱盐工艺进行综合比较,并结合了污水处理厂二级出水水质情况以及再生水最终的不同用途和要求,确定天津开发区污水再生利用工程采用反渗透脱盐工艺。

  我国“七五”、“八五”、“九五”期间完成的重大科技攻关项目“城市污水资源化研究”,研究开发出适用于部分缺水城市的污水再用成套技术、水质指标及再用途径,为我国城市污水再用提供了技术设计依据,并积累了丰富的经验。

  但是我国污水再用工程规模较小,基本不能构成本地区水资源的重点和支撑。与我国水资源的现状极不相符,与各级政府和广大人民的迫切期望相差很远。这种情况在我国沿海和北方缺水城市尤其突出。

  21世纪水厂在1976年10月首次将RO处理再生水、碳吸附处理水和深井水组成的混合水注入到沿海屏障中。

  该产品水符合加州当地水质标准其价格成本等同于使用输入型水源,再生水的使用在很大程度上缓解了旱情,解决了水源紧张的问题。

  新加坡于1998年开始再生水研究(“新水研究”Newater)。由新加坡公共事业局与国家环保部共同发起倡导并形成理念。

  新水厂采用双膜及紫外线。该厂位于BEDOK再生水厂。按照US EPA饮用水标准,以及WHO(世界卫生组织)饮用水标准,研究小组进行了190种有关的物理学,化学及微生物学参数分析。提交了“新加坡再生水研究”报告。

  (1)新水可以作为饮用水,新水的质量标准始终达到了美国环保局(U.S. EPA)和世界卫生组织(WHO)的饮用水质量标准。

  与水库水相混合,弥补在RO工艺中去除的微量矿物,有益于健康和饮水口味;可提供更多的安全性;能够得到民众的接受与认可。

  再生水厂的进水水源主要来自奥林匹克体育场。通过CMF和RO工艺将其处理成再生水,并通过加氯处理进行消毒后将其输送到奥林匹克基地周边的管网中,主要用于该区厕所冲水、园林绿地浇灌和其他各种冲洗用途。

  “再生水项目工程”于2000年悉尼奥运会期间如期通水,成功地向奥运会场馆、奥运村输送高效、高质的再生水,充分显示了废水再利用的功效,实现了悉尼奥委会“绿色奥运”的承诺。

  澳大利亚太平洋电力公司——Eraring发电厂将来自Dora Creek 污水处理厂的二级出水作为Eraring发电厂的再生水水源。采用CMF(连续流微滤)和RO(反渗透)工艺进行有效去除所含悬浮固体物(SS)、细菌、病毒和溶解盐。处理后的再生水用做电厂高压锅炉的纯水供给。

  Eraring发电厂再生水利用工程,其水质不但好于淡水水质,大幅度降低淡水,同时还有效降低了Eraring发电厂的运营成本。

  2000年4月,天津开发区正式启动中水再用可研工作,由天津市政设计院、环境科学院承担。经过大量的实地考察、水质分析、试验研究,第一阶段可研工作明确了天津开发区污水再用的主要方向,提出了以集中再用为主,就地分散再用为辅的总体方案,取得了可喜的成果。但同时也发现本地区污水水质独特特征需要进一步的深化研究。针对这些问题,2000年8月天津开发区开始了第二阶段的可研工作,对污水水质进行的深入现场调研,同时对改善水质的方法和污水深度处理工艺方案进行论证。经过反复论证,并结合国外实地工程的考察,确定了以微滤为预处理,反渗透为脱盐处理的工艺方案。2000年12月~2001年11月,不失时机开展污水再用中间试验,污水再生利用试验工艺流程如图1所示。所得出的结论与建议以实验研究数据为依据,科学合理,具有很强的说服力,得到了众多专家与开发区各级领导的肯定。

  2、长度1.5m、反冲水量8~10%(占进水量)、厂家提供耗电量0.15kWh/m3水。RO系统采用三支Osmonics Desal公司生产的AG4040F反渗透膜,每支膜组件直径98.6 mm、长度1.016m、有效面积8.36m2。试验目的主要是:考察CMF及RO处理装置的性能和运行情况;考察污水处理厂出水经过CMF及RO处理装置后的出水水质;为实际工程的设计提供相关的设计参数。

  1.4.1 试验运行结果分析天津开发区污水深度处理中间试验分,第一阶段自元月3日开始,3月9日连续运行66天,提交实验报告。第二阶段连续试验至年底。

  工艺连续运行66天分两个半周期进行。以CMF两次化学清洗之间时间间隔为一个周期。

  (1)浊度、悬浮物固体经过CMF系统处理后的出水浊度都小于0.1 NTU;出水中悬浮物固体都小于1 mg/L。CMF系统对水中浊度和悬浮性物质有优良的去除效果。

  经过CMF系统处理后的出水中细菌总数都小于10个/ml,几乎不含大肠菌群,这充分证明了CMF系统能够有效去除水中的绝大部分细菌,从而充分保证了后续RO系统膜组件避免微生物的污染。

  5经过CMF系统处理后的浓度都在最低检出线)SDI值测定SDI是评价RO进水预处理效果的最主要指标。本次试验CMF出水SDI值为1.6~2.5。

  只要进水中溶解性物质在适当范围内,经过CMF系统处理后的污水就能满足传统目的污水再生利用的要求。

  以及总磷、总氮和氨氮等指标,也都在分析方法的最低检出线以下。对溶解性固体、氯化物、总硬度和电导率,RO系统也表现出优良的去除能力,平均去除率分别达到了96.8%、94.8%、96.8%和95.0%。概括起来,经过反渗透系统处理后处理水质远远好于国内外自来水水质指标。1.4.2 中间试验的初步结论:

  (1)连续微过滤与反渗透组合系统运行稳定、整体性能可靠。(2)经连续微过滤与反渗透组合系统处理后的再生水水质优良,出水各项指标明显好于国内外自来水水质和标准。

  (3)连续微过滤设备的装置简单、处理效率高和自动化程度高、能耗低,对水中浊度、悬浮性固体、细菌总数和大肠菌群等的去除效果明显,充分保证了后续反渗透系统的正常运行,这是传统常规反渗透预处理工艺无法达到的。

  (4)与反渗透系统的传统常规预处理方法相比,连续微过滤系统的设备投资和运行费用并不高,因而是一种高效、经济的污水再生利用处理装置。

  (5)连续流微滤和反渗透工艺几乎不投加化学药剂,与传统工艺相比,大幅度减少污泥处理费用。

  在完成可行性研究,特别是深入进行中试后,天津开发区深入了解了本地区污水水质特征,进一步明确了本地区实现污水资源化的处理方法和工艺路线月初第一阶段中试结束,提交试验总结研究报告。4月18日,研究成果顺利通过了专家组评议。根据专家审查意见和研究成果,及时上报申请工程立项,同时继续开展第二阶段中间试验,继续深入考察工艺设备运行的稳定性。2001年5月经主管部门批准,开始示范工程—天津开发区新水源一厂工程设计和前期工程准备。

  ,远期规模连续流微滤(CMF)5~6万m3/d。反渗透(RO)3~4万m3/d。厂房及主工艺输水管道一次建成,设备分期建设。2.1 工艺流程及工艺描述

  由于国内尚无污水脱盐处理的研究成果和工程实践,从2001年1月3日开始进行的污水脱盐深度处理中间试验,经过近一年试验确定天津开发区污水脱盐深度处理工艺路线:

  污水处理厂生化处理后出水由污水处理厂出水泵至再生水厂(新水源一厂)调节池,为抑制微生物繁殖,可投加液氯(1~2mg/L)。若废水中不含氨氮,需投加氢氧化氨(2~4mg/L)以确保游离氯含量少于0.05mg/L。

  原水调节池设有液位计,以监控池内液位。原水由泵送至两列(每列含五台)CMF连续微过滤系统,CMF供给泵共三台(二用一备)。每列一台CMF供给泵,澳门新葡新京每台CMF供给泵由一台变频器控制。变频器由总PLC根据流量、进流压力和过膜压差(TMP)控制。每列CMF总流量由一台流量计监控,并设有pH计、ORP计、总氯计、自由氯计、浊度计、压力计和温度计以监测进流水水质。废水进入CMF前经过一个自动清洗粗滤器(500 m)。粗滤器反冲是按压差或时间自动操作。

  经过连续微滤设备(CMF),废水中大于0.2微米的固体细菌及不溶性的有机物被CMF隔除。滤液从滤液收集管排出后至处理后水贮槽。水质由浊度计监控。反冲水回流至污水厂再进行处理。每台CMF设有独立PLC控制器,以激活各程序,如气反洗、CIP等。一部份CMF滤液流至两台反渗透系统供给槽,槽内设有液位计及空气过滤器。CMF滤液由高压泵泵至两台反渗透设备。反渗透设备进水及出水设有导电计及ORP计以监控其运行。

  连续流微滤膜(CMF)工艺是在膜的一侧施加一定的压力,使水透过膜,而将大于膜孔径的悬浮物、细菌、有机污染物等截留的处理工艺。连续式微过滤是由微滤膜柱、压缩空气系统和反冲洗系统以及PLC自控系统等所组成。微滤膜柱的直径为120mm,高度为1 500 mm,内装的中空纤维外径为550μm,内径为300μm,壁孔径0.2m,膜表面积为33m

  ,200C时单根微滤膜柱通水量为1.26 m3/h。CMF系统的操作由PLC自动控制,水由中空纤维膜外向膜内渗透,正常工作压力很低,工作范围为30~100kPa,最高达到200 kPa。一般30~40min用压缩空气反冲一次,反冲时,压缩空气由中空纤维膜内吹向膜外,反冲压力为600kPa(相当于6kg/cm2),时间为l~2min,这种压力一般的膜材料是难以承受的。当进水浓度不稳定时,膜污染加重超过膜前后设定的压差指标时会自动强制冲洗,以保护膜的使用寿命。反冲洗水量(反冲洗水采用原水)为进水量的8~10%。对于经二级处理后的污水处理厂出水作为CMF系统进水时,CMF系统一般工作14~30天需化学清洗一次。CMF系统是模块式设计,易于增容,膜柱中的子模块和附属子模块可以进行更换、隔离、修补,因此即使膜有损坏,也可及时修补,不影响整个系统的正常运行,膜的工作状况可进行完整性测试。(2)反渗透渗透是以外加压力克服渗透压的一种膜分离技术,整个分离过程不发生相变,从而节能、经济、装置简单、操作方便。近30年来,随着膜材料组件、工艺技术长足的发展和工业化水平的提高,反渗透在水处理领域得到越来越广泛的应用。反渗透工艺对于溶解有机物质、溶解盐类、金属离子、微生物病毒和胶体物质等均具有较高的去除能力,其中当原水含盐量大于400 mg/L时,用其进行含盐水的淡化处理是比较经济合理的。

  反渗透工艺包括预处理工艺、膜分离工艺和膜的清洗工艺,其中预处理工艺是保证反渗透系统安全运行的必要条件。膜分离工艺可采用组件的不同组合方式,以满足不同处理对象的要求,组件组合又分为一级多段、多级多段等,本项目污水再用采用一级二段式。膜的清洗是反渗透系统中的重要环节,在分离过程中,可溶性无机盐被浓缩,当超出溶解度时,被截留在膜表面形成硬垢,所以要在进水中添加阻垢剂,并适时进行膜的清洗以提高回收率。在进入反渗透前,投加阻垢剂以防止反渗透膜结垢。每台反渗透系统各设一台高压泵和中间加压泵。反渗透出水排至清水池再输送至用户。浓缩液回流至污水处理厂再进行处理或另辟渠道直接排放。

  2002年12月上旬完成单机调试联动试车和收尾工程。2002年12月6日举行建成庆祝仪式。

  天津开发区污水处理厂出水泵房原来设置六台KSB潜水排污泵(四用二备),单台设计流量290L/S,扬程5m。为满足开发区再生水利用近期设计流量2.9万m

  /d,远期设计流量6.5万m3/d的供水要求,并满足后续处理设施扬程要求,对原出水泵房进行改造,近期换两台泵(一用一备),远期增换一台泵(二用一备),新换泵单台设计流量376L/S,扬程7.5m,功率40kW。近期两台泵后分别设蝶式止回阀、蝶式闸阀。两台泵出水管经DN800管连通后从出水泵房侧墙穿出,经总图管线进入后续调节池。经改造对原出水泵房土建和其他设施未作大的调整。出水泵房的运转应首先满足再生水设计流量,优先运转再生水利用泵,再用泵的运转由新水源一厂PLC控制。(2)调节池① 调节池流量的确定:为满足开发区再生水利用近期设计流量2.9万m

  /d,远期设计流量6.5万m3/d连续的供水要求,必须设置具有一定调蓄容量的调节池。根据开发区污水处理厂2001年7月26日~29日连续几天流量统计数据分析,目前开发区污水处理厂流量变化比较大,并有长时间断流现象发生,最长断流时间长达4个多小时,此时满足开发区再生水利用近期设计流量2.9万m3/d连续供水,要求调蓄容量需4833m3。而在大的节假日断流时间会更长,为保证再生水,特别是反渗透连续供水,设计调节池调蓄容积4833m3。当大的断流时间出现时,再生水利用处理系统应首先满足反渗透系统连续运转。② 调节池的设计:调节池调蓄容积4833m3

  。近期(2.9万m3/d)调节时间4小时,远期(.5万m3/d)调节时间1.77小时,有效水深3m,池长50m,分两格,池宽32m。每个调节池中各设两台潜水搅拌器,单机功率5.5kW,两池之间设置一台800mm×800mm电动铸铁闸门。在调节池进水管路上设流量计井一座,内设DN800电磁流量计一台,计量再生水深度处理量,并设有检修用闸阀。调节池为地上式钢筋混凝土结构。2.3.2 再生水处理车间

  为保证近期设计出水量,需选用10台108M1OC型CMF处理设备,日处理量29000m

  ,处理后CMF出水25500m3/d。远期再增加12台同型号CMF设备,共计22台,可达到65000m3的日处理量,处理后CMF出水55000m3/d。本工艺设备采用压缩空气反冲洗,同时间隔一段时间后分别用酸、碱清洗CMF膜。在CMF进水前投加抑菌剂,以防止CMF膜及R0膜滋生微生物。(2)RO反渗透处理设备

  考虑到进水中的高含盐量,根据设备的类型,采用一级两段式工艺,取产水率为75%。

  ,日出水量30000m3。(3)厂房设计根据方案批复意见,主厂房土建按远期规模建设,内设近期处理设备:10台108M1OC型设备和2台产水量为5000m

  /d的RO设备以及相应的辅助设备,预留安装位置,待远期时再增加12台108M1OC型CMF设备和4台产水量5000m3/d的RO设备以及相应的辅助设备。主体厂房:长×宽=99m×36m,厂房建设总面积约4000m2

  由于缺乏实际用水曲线资料,通过对绿化用水、节水区用水及工业企业用水规律的分析,近远期分别建造清水池,用以调节再生水处理车间RO均匀出水与用水不均匀之间的矛盾。近期建两座清水池每座尺寸:长×宽×有效水深=30m×20m×4m,调节容积4500m

  。远期增建两座清水池,每座尺寸:长×宽×有效水深=30m×20m×4m,远期四个清水池总调节容积9000m3

  /d的供水能力;远期增加三台清水泵,共计六台,五用一备,达到30000m3/d的供水能力。出水采用变频泵,可减小长期运行的电耗。2.3.5 出水加氯消毒

  为满足用户管网末稍对余氯的要求,本工程采用加氯消毒方法,利用原污水处理厂的加氯间及加氯设备,引至清水池进水处,可节省工程造价。

  天津开发区新水源一厂示范工程2002年9月底建成通水,10月底完成工艺设备调试,11月份进行试运转阶段,与试运行基本同步,开始向再生水用户供水。进入调试运行后,除了进行少量管道系统调整以外,整体工艺基本持续稳定运行,为示范工程生产性研究提供了良好的基础条件和基本保证。新水源一厂与有关部门相互结合,进行全面的工艺测试和水质分析化验,以评价设备运行效果和整体工艺运行状况。

  经过10个月的试运行和正常运行,管理水平显著提高,积累了较全面的经验,出水水质持续良好,新水源一厂已经达到正常运行的条件。

  新水源一厂一期采用10台澳大利亚Memcor连续微过滤单元(CMF)作为RO系统的预处理单元。CMF是一种膜过滤系统,分为两列,每列5台。每列各有一个总进水管和总出水管与本列各单元的CMF相连。每列进水设置一个110 kW压力提升泵,由变频器根据进水管压力控制其工作频率,工作压力为200 kPa左右。为保护CMF膜的正常使用,在进水管上装有pH、ORP、浊度、余氯、总氯等分析仪表,以监控进水质量。CMF具有自动化程度高,澳门新葡新京操作简单,易于维护的特点。每个CMF单元都有一套PLC控制,独立自动地完成所有工作时序和操作流程。其他外围设备和辅助设备由一台主PLC负责控制,主PLC和各单元PLC都串在DH+总线上,当CMF有进水或反洗要求时,先发出请求至主PLC,主PLC检查其所提请求的资源是否可用,如进水泵有无故障、反洗储罐液位、压缩空气压力、酸碱温度、电导等,一切无误后,允许请求。

  当设备正常滤水时,应在上位机上注意观察如下几个参数:(1)过膜压差(TMP);(2)当前阻力(Current Resistence);(3)进水污染指数(FFI);(4)膜的整体测试压降值(PDT)。

  3/d。每套反渗透各有一台PLC和触摸屏,独立控制本套设备的运行和与主PLC的联络,并能在线查询关键数据的历史纪录和实时曲线,故障报警等。为提高设备的产水率,同时保持每个膜组件处于相同的流态,每个系列的反渗透采用一级两段,使产水率达到75%。第一段32组压力管件,每组压力管件内串联六根DOW化学的BW30-365FR的反渗透膜,共192根膜。第一段加压泵250kW,出口额定压力2.2mPa,出水能力为277m3/h。第二段18组压力管件,共108根膜。第二段加压泵75kW,出口额定压力0.6mPa,出水能力为214m3/h。两台加压泵均由变频器控制运行,如此设计既提高了回收率,又降低了运行成本。第一段加压泵的变频器与产水流量计连锁,实现PID调节,保持出水的恒流量,第一年将泵的转数设定为额定转数的80%,每年上调10%。第二段加压泵的变频器与第一段加压泵出口的压力形成比例调解,具体由PLC控制,PLC首先读入第一段加压泵泵后的压力数据,在此数据的基础上加3bar,作为第二段泵变频器的比例调节参数。反渗透前各有一进水储水罐,以保证进水的稳定性和连续性。反渗透后有一清水池,暂时存放反渗透的出水。整个反渗透系统全自动运行,设备一切正常时,反渗透运行依靠外部信号,当进水储罐的水位达到90%,且清水池液位小于90%,阻垢剂泵正常自动启动,反渗透正常运行;当进水储罐的水位低于40%或清水池液位大于98%时,自动停机,若阻垢剂泵出现问题,延时一个小时停机。一切故障解除,报警复位后,条件满足启动时,自动开机。为避免频繁的开停设备,每次停机之后,延时10分钟后再允许启动。每套反渗透设备均配一反洗水灌和两台反洗泵,开机一分钟后时,由反渗透的出水向反洗罐注水,由反洗罐的液位开关控制进水阀的启停,停机或意外停机时,每次交替开启一台反洗泵强制冲洗,以冲刷膜表面,防止盐类或其他物质的沉积,损坏膜体。在进水中添加阻垢剂,减少钙镁离子的沉淀。阻垢剂添加在反渗透的进水管上,一般开始的投加量为3 mg/L,根据以后的运行数据和经验,可逐渐减小投加量,以降低运行成本。为避免微生物的繁殖和对膜的腐蚀,反渗透的停机时间不得超过48小时,否则加化学品浸泡保存。

  从2003年3月1日投产至今,10台108M10C型CMF处理设备、2台RO处理设备均已运行正常,经过逐台、逐项考察,各种设备运转达到了技术指标要求,系统运行正常,出水水质稳定,没有出现任何故障。膜处理本来是较复杂的工艺过程。对于给定的膜材料,其主要工艺参数和影响因素有:①工作压力;②膜通量,如料液性质;③悬浮物浓度;④温度;⑤粘滞度等。

  天津开发区新水源一厂建设工程自动控制系统达到国际先进水平,主要工艺参数、自动监测等都通过监视器显示,并建立较完整的报警监视系统。其目的:

  系统中还设有大量工艺设备、运行保护与报警值设计参数,以保证水质达标和设备稳定安全运行。工艺与设备运行参数全部由在线仪器仪表自动测定,在计算机程序中储存,不需人工测定与记录。

  天津开发区污水处理厂出水,即CMF进水基本达到国家污水处理厂排放标准。新水源一厂运行期间,月平均值:BOD2.3~4.6mg/L,远远低于设计标准;COD51~142mg/L,接近国家标准;SS19.0~35.4mg/L,低于国家标准。三项指标基本适合本工程设计的进水水质指标。(2)CMF系统处理效果评价

  从水质分析报告结果看,自试运行开始到正常运转,新水源一厂出水水质良好,各项指标均达到设计指标和设备供货合同规定的技术标准。同时示范工程中CMF系统处理效果与中试效果基本相同,甚至可以说完全一致,证明试验装置有很强的实际工程模拟性和代表性。由于间试工程代表性很强,以下仅作简单的处理效果分析评价。

  新水源一厂投入运行后,CMF进水浊度月平均值1.54~18.9NTU,经过CMF处理后出水浊度均小于0.62NTU。这主要与连续流微滤系统的过滤机理有关。CMF系统对水中浊度和悬浮固体有良好的去除效果。

  细菌可分为三种类型:球菌、杆菌和螺旋菌。球菌直径一般为0.5~2.0m;杆菌一般直径为0.5~1.0m;螺旋菌直径常在0.5~5m之间。膜过滤是世界公认的去除细菌的有效方法,CMF技术利用0.2m孔径的中空纤维为过滤屏障,基本能够去除水中各类细菌。新水源一厂投入运行期间细菌总数平均为:10

  3~106cfu以上,经过CMF处理后出水细菌总数均小于200 cfu。CMF系统对浊度、悬浮性固体、细菌和大肠杆菌具有良好的去除效果,在一般情况下,其出水的各项指标均能满足再生水用户的要求。同时,也可充分保证后续RO膜组件不受以上污染物的污染。

  的浓度较低,多在10mg/L以下,CMF系统对BOD去除效果达50%~79%,出水仅为0.65~1.9mg/L。② CMF系统对COD去除效果为15~37%,低于BOD去除效果,说明天津开发区污水处理厂出水COD主要是溶解性COD,用物理分离方法去除效果一般。③ 过CMF系统处理后,污水厂出水中溶解性固体、氯化物、总硬度和电导率指标变化不大。

  水中的溶解性物质包括有机物和无机物两类。有机溶解性物质主要来源于各类污染源,也有部分是天然存在的(如腐殖质等);无机溶解性物质是指水中所含的无机低分子和离子,它们与水所构成的均相体系属于真溶液,但有的无机溶解物质可使水产生色、嗅和味。从理论上讲,CMF系统不能去除水中的溶解物质,但实际上,由于水中的溶解性物质会吸附于水中的颗粒物质上,而水中的颗粒物质能够被CMF系统有效地去除,所以,经过CMF系统处理的出水中有机溶解性物质和无机溶解物质也具有一定的去除效率,其中以有机溶解物质的去除效果更加明显。

  以上对CMF系统去除水中主要物质的效果进行了分析。概括来看,通常情况下,只要保证CMF系统进水中溶解性物质在适当范围内,经过CMF系统处理后的再生水就能够满足一般传统目的的污水再生利用要求。

  (1)RO进水水质分析也即CMF进水水质。新水源一厂运行期间,CMF出水月平均值:电导率4517~11553us/cm;氯化物1340~3470mg/L,(CMF进水)含盐量2860~6885mg/L。运行期间,上述指标略高于设计指标。同时也再次证明天津开发区污水水质指标与其它城市污水处理厂水质明显不同,这种污水不经深度脱盐处理,基本不能实现再用目标。

  )RO系统处理效果评价从试验结果可以看出,经过RO系统处理后的出水几乎无色无味,对于CMF系统只能部分去除的色度等指标,也在分析方法的最低检出线以下;对CMF系统不能有效去除的总溶解性固体、氯化物和电导率,RO系统也表现出优异的去除能力,月平均去除率分别达到了93.9~98.6%、97.5~99.3%和97.9~98.7%。出水色度全部为零,嗅味全部为无。概括起来,经过反渗透系统处理后,出水中各项指标完全可以超过国内外规定饮用水的指标要求。

  目前对反渗透的透过机理尚无一致公认的解释,主要的理论是选择性吸附-毛细流动理论。它是把反渗透膜看作是一种细微多孔结构物质,这是符合醋酸纤维素膜(CA膜)表面致密层的情况。该理论是以吉布斯吸附式为基础,认为当盐的水溶液与多孔的反渗透膜表面接触时,如果膜具有选择吸附纯水而排斥溶质(盐分)的化学特性,即膜表面由于亲水性原因,可在固-液界面上形成厚度为1个水分子厚(0.5nm)的纯水层。在施加压力作用下,纯水层中的水分子便不断通过毛细管流过反渗透膜,盐类溶质则被膜排斥,化合价愈高的离子被排斥愈远。膜表皮层具有大小不同的极细孔隙,当其中的孔隙为纯水层厚度的一倍(约1nm)时,称为膜的临界孔径。当膜表层孔径在临界孔径范围以内时,孔隙周围的水分子就会在反渗透压力的推动下,通过膜表皮层的孔隙源源流出纯水,因而达到脱盐的目的。至于反渗透去除有机物的机理,纯属筛分作用,因此去除率与有机物的大小和形状有关。由于有机物的分子不能被膜表面所排斥,又由于有机物倾向于降低溶液与膜之间的表面张力,一些小分子有机物(分子量100)很容易聚集在膜的表面上,因而很容易通过膜的孔隙;分子量在100~200之间的有机物,能够被去除一部分,分子量在200以上的有机物,基本上能够全部被去除。

  突如其来的“非典”疫情袭击了我国大部分地区,使人们再一次深刻领悟到公共卫生和环境安全的重要性。香港淘大花园下水管道原因使集体感染SARS的消息公开后,国内再生水设施基本停产。天津开发区新水源一厂所采用的微滤工艺可以将水中包括细菌在内的大于0.2微米的所有杂物去除,而反渗透工艺不仅可实现脱盐处理,还可以将分子量在150以上的小分子量有机物和无机物质全部去除。在突如其来的“非典”期间,在国内采用传统工艺进行再生水处理设施纷纷停运的情况下,我们基于对工艺控制和机理的把握性,仍保持了新水源一厂正常的运行。这有力证明天津开发区新水源一厂采用国际领先水平的CMF+RO工艺(即“双膜”法工艺)处理出水是卫生安全的,运行是稳定可靠的。

  在投产运行前,天津五洲联合合伙会计事务所根据可行性研究报告、中试报告、进口设备合同和工程设计等成本测算资料对再生水进行了成本预算,预算结果见表1:

  以2003年5月26日至6月25日生产水量为基数核算,平均日产水量(RO)为5275.5m

  3.3 RO水不同生产量处理成本预测RO产水处理成本与生产产量有关,不同规模产水量处理成本汇总见表2。

  2003年5月26日至6月25日是新水源一厂投入运行以来实现RO生产量最大的月份,日平均生产量达到5275.50m3

  ,RO水实际生产成本为3.3元/m3(含CMF0.7元/m3)。以该实际运行成本为基数,对照五洲会计事务所测算数据,当运行产量达到日平均1万m3时,推测实际生产成本为2.27元/m3,较五洲会计事务所测算数据(2.48元m3)少0.21元/m3。(上述成本中均包含全部设备、厂房及膜更换的折旧费用)如扣除设备及厂房折旧,运行成本应为1.67元/m3。同时以6月份实际运行成本为基数外延至规模达到每日2万m3时,推算的实际运行成本为1.90元/m3,除去折旧的成本为1.51元/m3,由数据可见当达到更大规模时,运行成本将进一步降低,表明双膜法再生水处理工艺不仅在技术上具有优势,经济上也是大部分地区,特别是缺水地区可以接受的,对于推广应用具有重要的借鉴意义。3.5 管理成本的测算

  新水源一厂的成本测算是在实行共享再生水单元与污水处理单元的运行管理及配套资源的基础上取得的。新水源一厂投入运行后不久,在实现了运行人员初步培训以后,为了有效的降低运行成本,将污水处理单元的运行人员与新水源一厂的运行人员进行了合并,由生产运行部统一管理,不仅做到了污水处理和再生水处理工艺的有效连接,同时也缓解了各运行单元人力紧张的状况,实现了人力资源共享,降低了人工成本。除此之外,新水源一厂的运行也共用了污水处理厂其它方面的配套资源,有了这些措施的采用,才使得再生水成本达到了现有测算水平,与单独建立再生水运行管理机构的模式相比具有较大的成本优势和效益优势。

  再生水管网的规划、建设以及用户推广和市场开发是天津开发区再生水利用工程的最终结点,也是研究本项工程的关键,它是关系到再生水利用项目是否成功的用户检验和最终市场检验。

  在推广用户、市场开发方面,天津开发区始终坚持把再生水定位于本地区经济发展主要基础设施和重要能源条件之一,遵循“政府引导下市场化运作”模式进行,在市场开发初期阶段给予政府扶持,由新水源公司负责再生水的生产,自来水公司利用顺畅的销售渠道负责用户推广工作,这在国内是一种全新的再生水产销模式。由于措施得力,整体工作到位,仅用3~4个月,天津开发区基本完成首批再生水用户推广工作。

  天津开发区污水处理厂出水含盐量高,这就决定了必须采取适合本地区污水性质的再生水再用工程方案和技术路线。经可行性研究阶段的反复论证,基本确定天津开发区再生水再用由两个部分组成:即分散再用和集中再用。为保持开发区经济长期可持续发展和供水对经济的保障,贯彻“开源与节流并举,节流先于开源”的基本思路,更好地指导今后水资源综合利用工作,天津经济技术开发区总公司以津开总2001年40号文件颁布编制完成了《天津经济技术开发区水资源综合利用总体实施计划》。

  《计划》指出:2000年,开发区正式启动再生水利用工程,根据不同的再用方向对开发区污水处理厂二级出水进行不同程度的处理,以满足绿化、景观补充水、地下水回灌、生活杂用水及部分工业纯净用水的水质标准。经过近一年深入细致的工作,天津开发区再生水利用工作经过严谨的科学调研与论证,不仅在工艺技术上找到了适合开发区高含盐再生水的处理方案,在再用方向和再用市场也大幅度地拓展,而且在对开发区水资源现状的认真分析与研究的基础上,在各级领导的大力支持和科研单位的密切配合下,开发区开发和利用水资源工作在污水再生再用的基础上又增加了苦咸水淡化和海水淡化的开发利用,逐步形成开发区水资源综合利用总体目标:

  2001年至2005年,经过五年的工作,最终形成以外调淡水为主要水源,污水再生利用为重要支撑,苦咸水淡化、海水淡化为必要补充,与经济发展相协调的天津经济技术开发区淡水资源优化配置的完整系统。(1)工程分期与初步目标

  根据滨海新区和开发区水资源利用的实际情况和目前的工作进度,开发区水资源综合利用分三期完成:一期工程(2001年1月~2002年6月)① 探索和完善开发区污水深度处理设计建设与管理经验。

  伴随着国家整体对节水工作的逐步重视,对分质供水的政府行为的推动以及这方面的科普工作的力度的加强,人们对使用再生水的这一趋势也较以前抱着更加务实的态度,普遍得到认可。展现在我们面前的再用方向显示出多元化的局面,水资源使用的市场也大幅度地拓展。“十五”期间再生水使用主要在以下几个方面开展工作:

  ① 按照可行性研究提出建立节水区的方案。扩展再生水用户的工作可与区域开发的进度相结合,以项目的入驻带动重点节水区的全面启动。

  ② 大面积的绿地是改善开发区自然环境的重要因素,相应的每年也要消耗可观的灌溉用水,再生水工程的首要目的就是缓解绿化用水给开发区带来的巨大的淡水消耗。

  在4~5年内,开发区再生水可达到:深度处理脱盐水30000~40000m

  /d(一期为1.0万m3/d)景观湖面用水(不脱盐)15000 m3/d。4.2 再生水利用水质标准的确定

  为规范和检验产品质量并提供法律依据,也为今后不断开拓市场提供了质量保证,天津开发区确定了再生水作为一种产品的水质标准。从试运营起有关部门就加大了对出厂水、管网水的水质检测频次,积累检测数据。通过对检测结果的统计分析,基本掌握了水质状况,为拟定再生水产品企业标准提供数据依据。根据再生水的制水工艺、用户对再生水水质的具体要求以及今后将把再生水应用于其它领域的实际情况,在参考国家相关标准的基础上,完成了再生水水质标准的起草工作。

  /d(休闲娱乐区景观用水)远期(2005年)规模:供应RO出水3.0万m3

  /d② 新水源二厂厂址:休闲娱乐区景观湖旁,引入新水源一厂CMF出水1.5万m

  /d,为保证景观湖水体循环与补充,在景观湖旁建设新水源二厂。建厂规模产RO水1.0万m3/d。2005年以前建成,向周边用户提供高质量RO再生水。最终供水管网与新水源一厂连通。③ 新水源三厂与天津开发区第二污水处理厂同期建成。

  考虑到开发区再生水的远期发展目标,本次再生水管网设计的水源供水量拟定为:开发区新水源一厂远期规模3.0万m3

  /d,新水源二厂远期规模1.0万m3/d,管道按上述用水量计算。由于目前再生水集中再用的主要用户暂时为绿化公司,管网供水峰谷差较大,再生水管网供水的时变化系数设为2.0,则供水干管的最大时流量为830~3000m3

  /h,以此计算各水厂总出水干管管径为DN500~DN800。根据用户的意见,确定再生水管网供水压力不低于0.28mPa,以满足绿化自动喷灌的要求,由于再生水利用的具体用户和水量情况尚存在许多不确定因素,因而,初步估算新水源一厂的出厂水压为0.38~0.45mPa。

  根据《天津开发区基础设施总体规划》,并结合开发区现状管网建设情况,在考虑近期建设有利,并与远期规划相接合的前提下,拟以北海路和第十一大街DN300~DN500管道为再生水管网主干线,并将新水源一厂和二厂有机相连。沿第十二大街和第九大街布置东西贯通的再生水干管,管径为DN300~DN400。新水源三厂将通过黄海路和东海路管径为DN500~DN600的干管,将其出厂再生水接入管网。天津开发区自来水公司负责再生水管网建设、运行管理及用户服务,通过对全区用户进行调查,基本确定供水方向,以利于合理利用建设资金。再生水管网的建设采取统一规划、分布实施,并随着开发区建设的不断发展,逐步完善的原则进行。

  再生水市场开发,政府是核心、政策是关键、市场是基础、运营企业是桥梁。“双膜法”工艺产品水质优异,天津开发区管委会遵循“政府指导下的市场运作”原则,在本项目市场化运作前期给予政府扶持。现阶段再生水定价2.4元/m3

  ,远低于自来水售价3.0元/m3,市场价格和生产成本差价部分政府补贴。2002年12月完成再生水管网一期工程建设以后,开发区自来水公司立即转入再生水用户推广和市场开发阶段。在政府政策指导下,采用舆论宣传,多种形式用户和市场调查,积极而稳妥全面推动再生水用户推广和市场开发,天津开发区再生水推广应用重点是企业用户。

  结合天津开发区推进再生水利用工作的具体思路在新兴区域范围内,在再生水利用工程实施的同时,开发区政府相关部门完成了区域性水资源综合利用规划方案,建立了配套的法律法规体系,促进了本地区污水治理及污水资源化工作进入健康发展的轨道。根据本地区社会发展的需要,相关部门结合污水再生利用工程的实施,编制完成了与之相配合的政策法规,近远期规划和目标及相关管理办法,主要包括:

  A. 天津经济技术开发区管委会第79号令“鼓励社会投资主体投资经营性基础设施项目的暂行规定”。

  B. 天津经济技术开发区管委会第80号令“天津经济技术开发区使用新水源暂行办法”。

  C. 天津泰达投资控股有限公司(津泰控[2002]27号文件)颁布实施了《中水用户管理办法》

  (1)再生水用户申报情况以舆论宣传,多种方式调查研究为基础,用户与企业自愿申请申报为原则,经有关部门统一组织有计划、有步骤的实施再生水实际应用。

  完全可以说:企业用户对再生水项目的支持率和认知率远远超过了我们的预想。再生水用户申报用水水量远远超过了一期工程建设规模。

  以价格调节为杠杆,自愿申报为前提,综合分析管网一期工程路径、申报用户用水性质、企业内工程改造难易程度,确定八家企业为首批再生水试点用户。经实施管网调整等工程措施,自2003年3月开始陆续向8家企业供水。

  天津开发区首批再生水试点用户见表2。从表中可以看出,仅8家首批试点用户申请用水指标已经基本达到开发区新水源一厂一期工程的建设规模。

  从目前供水量的统计来看,需求量在不断的大幅增加,日平均供水量从3月份的1000m

  /d,多至6月份的4400m3/d。每日呈跳跃上升趋势,“非典”时期曾连续出现7900m3/d的日需求量,已逼近了设备的产水能力极限,一度出现供水紧张的局面。4.8 再生水用户应用效果与分析

  热源厂担负天津开发区绝大部分生产和生活采暖用蒸汽,是再生水项目的主要用户之一。该厂2002年年底建成,经调试运行已经达到稳定运行阶段。5#热源厂从建厂到投产运行,一直按最初设计原则与思路积极支持和推进再生水利用项目,在生产工艺中广泛使用再生水。5#

  热源厂除锅炉补水近期采用自来水水源,远期考虑使用海水淡化水源以外,其它生产用水全部考虑采用再生水。该厂申请再生水用户指标1400~2200m3/d,截止到9月份,实际用水量800~900m3/d。5#

  热源厂自调试运行,把再生水作为热源厂冷却水,水质指标普遍好于其它地表水或地下水水质,特别是再生水含盐量和总硬度含量极低,可以大幅度降低阻垢剂的投加量,节约处理成本。5#

  热源厂准备进一步扩大生产规模,进一步增加再生水用量。(2)天津开发区污水处理厂天津开发区污水处理厂率先在全厂推广使用再生水。该厂再生水管网建设改造方案是为食堂用水重新铺设自来水管道,将原有自来水管网全部改为再生水管网。再生水的使用范围:① 园林绿地、景观水池、厕所冲洗用水;② 清洁卫生、洗涤、洗衣机、工厂员工洗澡、个人卫生洗手用水;③ 生产车间用水,如脱水机房、鼓风机房工艺用水等,“除入口用水以外,其余均采用再生水”。使用人员包括厂内全体员工和来厂工作的人员。除饮用以外,再生水间接或直接与人体广泛接触,自2003年5月初管网改造以后持续使用,即使在今年春季“非典”疫情横行之时,也没有间断停止。

  绿化景观用水是本项目启动初期的重点再用用户和方向。绿化再生水使用包括绿地、草皮、树木和高价值花木。除开发区绿化公司,其余七家试点用户都将再生水用于绿化景观,特别是华纳高尔夫(球场)俱乐部已经全部采用再生水浇灌高级草皮绿地。

  再生水工程投运之初,许多用水公司对水质还心存疑虑,试探性使用再生水,一部分绿地用再生水浇灌,一部分用自来水浇灌,澳门新葡新京随着实践的检验,才慢慢放心使用。

  本地区土壤盐碱化土地占大多数,经换土等土壤改良措施后,土质有很大改善,但土壤仍然呈碱性。新水源一厂反渗透RO产水偏酸性,一般pH值在5~6左右,偏酸性再生水在偏碱性、盐碱化土地中采用,取得意外的好效果。半年来,使用再生水浇灌的花、草、树、木和高等级高尔夫球场草皮普遍长势良好,从来没有因水质引发事故。同时,反渗透RO产水含盐量极低,对于盐碱化土壤改良也起意想不到的效果。

  天津开发区在引进进口设备的同时,积极开发国产的微滤膜系统,以此大力推进利用膜技术污水再生利用的国产化和产业化。天津泰达新水源科技开发有限公司同天津膜天膜工程有限公司密切合作,按照关键技术突破,示范工程引路的指导思想,通过引进-消化-吸收,共同攻关。研制出两台单机2500m

  /d的PVDF微滤膜装置,并单独构建、集成了相配套的反渗透膜系统。通过对国产CMF系统的实验以及RO系统的检测,实验效果令人满意。国产CMF系统能够替代进口设备为反渗透处理系统供水,国产设备在保持同样的处理效果的同时,造价相对低廉,更能够满足市场的要求。通过对CMF-RO系统用于污水深度处理近6个月的实验,我们得到以下几个方面的结论。

  · 国产化CMF-RO系统的中试试验再生水的经济和技术指标都超过合同规定的要求;

  · 连续微滤和反渗透组合系统运行稳定、系统性能可靠,国产化CMF能够满足RO系统进水的要求;

  · 国产化连续微滤设备的装置相对简单,处理效率高、自动化程度高,运行、操作、管理和维护方便,几乎不需人员值班管理,运行费用低廉;

  · 国产化CMF系统对水体中的悬浮物、浊度、细菌总数和大肠杆菌等去除效果显著,保证了反渗透系统对进水的苛刻要求,这是传统反渗透预处理工艺无法达到的;

  · 国产化CMF系统采用滤过液反向清洗和空气外压振荡清洗相结合在线反冲洗技术,与现行方法相比,具有不需高压空气,对中空纤维膜无耐压和孔径的特殊要求,清洗效果好,运行成本低等优点,是本项目研究的重大突破和创新。

  (1)本研究主要围绕着“双膜法”污水脱盐深度处理工艺的研究,建立了中试方法,实现了大规模工程化技术集成及国产化,以再生水推广使用的市场化原则为导向,在成本优化、政策和法规配套、水质标准及运行管理模式等方面进行了广泛的研究和落实,形成一套完整的城市污水再生利用与运行管理技术体系,具有创新性和显著的综合示范作用。

  (2)“双膜法”,即连续流微滤(CMF)+反渗透(RO)工艺在我国首次大规模应用于城市污水再生处理,不仅技术上达到了国际先进水平,经济上亦可以接受,在我国缺水城市具有广泛的推广应用前景。对低含盐量的城市污水再生利用更具成本优势。(3)“双膜法”工艺生产的再生水水质优异,可作为工业纯净水,满足从高端用户到低端用户的广泛用途,打破了再生水小规模、低水质的应用局面,使再生水真正成为城市供水系统的组成部分。

  (4)“双膜法”工艺受进水水质的影响小,其严谨的过程机理和可靠的在线监测及控制手段可提供安全、卫生、稳定的供水保障,消除了用户对再生水的误解。

  (5)“双膜法”工艺中投加的化学药剂少,与传统再生水生产工艺相比,对环境的影响小。

  (6)国产连续流微滤(CMF)设备具有与进口设备相同的处理效果,满足反渗透(RO)对预处理水质的要求,且设备价格低于进口设备,预计运行成本约为进口设备的70%,实现大规模产业化工程后,再生水的生产成本将会进一步降低,为“双膜法”在城市污水再生处理中的应用创造新的空间,并带动我国膜技术及相关产业的产业化进程。

  (7)“双膜法”工艺系统采用模块式设计,占地省,便于增容,运行调度灵活。与传统工艺相比,适用于再生水厂建设的灵活性,并易于工程规模与市场需求的优化配置,为工程规模的近远期结合提供了方便。

  (8)在建立再生水利用总体规划的基础上,创造和完善政策、法规和标准体系;以市场化原则落实运行管理模式,建立生产和销售两个环节的统一体,最大限度地发挥资源共享优势,最大限度地挖掘降低成本的潜力,推动再生水开发利用走向良性循环。

  (1)将再生水列入未来城市总体发展规划中,进一步体现发展循环经济,建立节水型城市的先进理念,有效地缓解我国水资源缺乏的局面,为经济的可持续发展提供支持。(2)尽快使自来水价格向实际价值回归,以进一步为再生水市场化推进提供价格空间,实现再生水价格由政府补贴到有利可图的转变。

  (3)为从事再生水生产的企业提供免税和相应鼓励政策,为实施更大规模的产业化创造条件。

  (4)进一步跟踪和研究“双膜法”即连续流微滤(CMF)+反渗透(RO)工艺浓水排放回污水处理系统后对整体水处理系统工艺和成本的影响,摸清规律,在保证污水处理排放达标或达到容许的排放容量的前提下,确定一定的污水总量能够生产再生水的合理限度。

  (5)加大宣传力度,提高公众对再生水的认识水平,引导用户正确的理解和使用再生水。

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