污水處理工程循環(huán)經(jīng)濟(jì)

水務(wù)產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)“雙高計(jì)劃”水利水電建筑工程專業(yè)群主講人：李龍污水處理工程循環(huán)經(jīng)濟(jì)CHAPTER

4CONTENTS目錄1污水處理工程3污水廠再生水的利用2污水廠固體廢物的處置和利用1.1水務(wù)產(chǎn)業(yè)的定義SECTON1污水處理工程1.1污水處理工程的基本概念

污水處理工程是為使污水達(dá)到排放到某水體或再次使用的水質(zhì)要求，而使用各種方法將污水中所含的污染物分離出來或轉(zhuǎn)化為無害物，從而使污水得到凈化的工程。

圖1污水處理廠1.1污水處理工程的基本概念一級(jí)泵站自來水廠二級(jí)泵站提升泵站污水處理廠排水泵站市政管網(wǎng)圖2市政給排水工程流程圖1.2污水處理廠的基本工藝圖3典型的污水處理工藝流程圖一級(jí)處理系統(tǒng)二級(jí)處理系統(tǒng)污泥處置和利用系統(tǒng)將進(jìn)水提升到一定高度，隨后的工藝流程中通過重力自流進(jìn)入到各構(gòu)筑物和設(shè)備。柵渣柵渣沉砂進(jìn)水粗格柵提升泵房細(xì)格柵沉砂池初沉池生化處理池二沉池消毒池排放初沉污泥回流污泥濃縮消化脫水污泥處置和利用尾水泵房將出水提升至高于河流水位。柵渣、沉砂收集和處置深度處理系統(tǒng)1.3污水處理行業(yè)的前景城市區(qū)域污染源點(diǎn)多、面廣、強(qiáng)度大，極易污染水資源，即使是發(fā)生局部污染，也會(huì)因水的流動(dòng)性而使污染范圍逐漸擴(kuò)大。

伴隨著碧水保衛(wèi)戰(zhàn)穩(wěn)定推進(jìn)，我國污水處理廠數(shù)量逐年上升，污水處理能力不斷加強(qiáng)。圖4水污染截止2020年我國污水排放已達(dá)到571.4億m3，同時(shí)隨著我國污水處理量也表現(xiàn)為逐年增長趨勢，且增速略大于排放量，2020年我國污水處理量達(dá)557.3億m3，整體污水處理率達(dá)97.5%，在政策推進(jìn)背景下，未來我國污水處理率將持續(xù)提高。1.3污水處理行業(yè)的前景我國城市污水處理市場規(guī)模隨著整體污水處理能力及處理量持續(xù)增長，并呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長趨勢。

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2020年我國城市污水處理市場規(guī)模達(dá)1312.8億元，同比2019年增長3.8%。2019年2020年

污水處理行業(yè)仍然是水務(wù)產(chǎn)業(yè)里最具發(fā)展?jié)摿Φ男袠I(yè)。圖42015-2020念中國污水處理市場規(guī)模（億元）及增長率（%）1.3污水處理行業(yè)的前景自2015年以后，伴隨著環(huán)保政策的不斷出來，廢水排放量得到一定程度控制。2017年全國廢水排放量為699.7億噸，同比降低1.6%。2018年全國有2,300個(gè)城市污水處理廠和1,620個(gè)縣城污水處理廠，城市平均每日能處理16,200億m3污水，縣城平均污水處理能力為3,300億m3/日。1.污水治理行業(yè)正處快速成長期1.3污水處理行業(yè)的前景圖52010-2018年全國污水廠數(shù)量和污水日處理能力（億m3）污水處理經(jīng)營服務(wù)可分為建設(shè)期服務(wù)、運(yùn)營期服務(wù)和投資運(yùn)營服務(wù)三大類型。

未來污水處理商通過改善經(jīng)營體制、提高管理水平、推動(dòng)污水處理基礎(chǔ)設(shè)施的升級(jí)，能夠開拓行業(yè)內(nèi)各企業(yè)的業(yè)務(wù)合作模式的更多可能性，有效促進(jìn)企業(yè)擴(kuò)大業(yè)務(wù)規(guī)模，也有利于整個(gè)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。2.運(yùn)營模式多樣化的探索和推廣1.3污水處理行業(yè)的前景中國城市平均污水處理費(fèi)呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢，且各省市污水處理費(fèi)定價(jià)標(biāo)準(zhǔn)逐漸明晰。污水處理收費(fèi)的提高有望改善污水處理運(yùn)營企業(yè)盈利能力，提高對(duì)污水處理運(yùn)營項(xiàng)目的接手動(dòng)力。3.污水處理收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的提高1.3污水處理行業(yè)的前景作為污水處理的“衍生品”，隨著污水處理量的上升，污泥產(chǎn)量隨之不斷增加。

污泥問題是我國生態(tài)文明建設(shè)的工作重點(diǎn)。2018年我國污泥年產(chǎn)量達(dá)到5,665萬噸，同比增長3.3%。相關(guān)報(bào)告顯示，中國污泥處理處置行業(yè)2018年市場規(guī)模為608億元，預(yù)計(jì)未來3年年復(fù)合增長率為4%左右，到2020年將達(dá)到662億元。據(jù)測算，污泥處理處置運(yùn)營市場占比51%，工程市場占比49%。4.污泥治理市場集中度低，發(fā)展空間巨大1.3污水處理行業(yè)的前景

再生水主要是指城市污水或生活污水經(jīng)處理后達(dá)到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可在一定范圍內(nèi)重復(fù)使用的非飲用水。我國再生水處于剛起步階段。我國的再生水從“十一五”開始大面積使用，主要用于景觀、工業(yè)用水?！笆濉逼陂g國家對(duì)再生水行業(yè)投資344億元。根據(jù)發(fā)改委、住建部共同發(fā)布的《“十三五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，“十三五”期間再生水投資量約為158億元，處理規(guī)模達(dá)到4,158萬噸/日，新增1,505萬立方米/日規(guī)模的再生水生產(chǎn)設(shè)施規(guī)模。5.再生水未來增量空間巨大1.3污水處理行業(yè)的前景在階梯水價(jià)和再生水工藝成本下降的驅(qū)動(dòng)下，2017-2020年再生水運(yùn)營市場規(guī)模年復(fù)合增速達(dá)20%，市場規(guī)模初步估計(jì)為200億元。考慮到目前再生水利用率低，現(xiàn)有市場規(guī)?；鶖?shù)較小，再生水未來增量空間值得期待。5.再生水未來增量空間巨大1.3污水處理行業(yè)的前景1.4本章重點(diǎn)由于污水處理是耗費(fèi)大量資源，同時(shí)產(chǎn)生各種廢棄物的過程，因此如何在處理過程中的節(jié)約能耗以及妥善處理廢棄物則是特別重要的課題。本章主要介紹污水處理廠的處理工藝及其節(jié)約資源以及資源循環(huán)再利用的方法和措施。1.1水務(wù)產(chǎn)業(yè)的定義SECTON2污水廠固體廢物的處置和利用2污水廠固體廢物的處置和利用污水處理廠在工作運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生大量固體物質(zhì)，包括柵渣、沉砂、初沉污泥、剩余污泥等，這些物質(zhì)都富含有機(jī)物，不妥善處理的話會(huì)污染環(huán)境，同時(shí)也是巨大的資源浪費(fèi)。因此需探索更綠色環(huán)保的污水廠固體物質(zhì)的處置和回收方法。2.1柵渣、沉砂的處置和利用格柵是由多個(gè)柵條組成的，用于攔截和收集污水中的懸浮物質(zhì)的機(jī)器，避免堵塞水泵葉輪和管道等，收集的懸浮物質(zhì)稱為柵渣。柵渣的產(chǎn)生量較大，并富含有機(jī)物，不進(jìn)行妥善的處理又可能污染環(huán)境。圖6格柵和柵渣2.1柵渣、沉砂的處置和利用沉砂由砂水分離器對(duì)沉砂池的沉砂物質(zhì)和水的混合物脫水處理而來，但脫水后的固體物質(zhì)仍有較高的有機(jī)物含量。圖7沉砂池2.1柵渣、沉砂的處置和利用國內(nèi)污水處理廠對(duì)柵渣和沉砂最廣泛的處理方法是對(duì)柵渣和沉砂等的固體廢物進(jìn)行壓縮、脫水處理后實(shí)行衛(wèi)生填埋或是焚燒。雖然這種方法是經(jīng)濟(jì)適用，但是并不符合綠色環(huán)保的新時(shí)代要求。

現(xiàn)階段應(yīng)提倡應(yīng)用更加環(huán)保的方法處置和利用柵渣和沉砂等的固體廢物，達(dá)到變廢為寶的目的。2.1柵渣、沉砂的處置和利用柵渣主要由糞便、廁紙、塑料和各種有機(jī)物組成，有機(jī)物含量最高可達(dá)90%，并且含水量很高；而沉砂主要由砂、石等的無機(jī)固體物質(zhì)組成，但表面會(huì)黏附各種有機(jī)物，因此仍有較高的含水量和有機(jī)物含量。因此柵渣和沉砂等的固體物質(zhì)需要進(jìn)行壓縮脫水處理。2.1柵渣、沉砂的處置和利用如果在壓縮脫水的同時(shí)進(jìn)行洗滌處理，洗滌出來的有機(jī)物雖然提高了污水廠的進(jìn)水濃度，但都較容易就降解，而有機(jī)物可以促進(jìn)后續(xù)的生物反硝化和生物除磷過程，減少污水廠后續(xù)的污水處置費(fèi)用。若柵渣的處置方式是堆肥，則無需洗滌處理。2.1柵渣、沉砂的處置和利用根據(jù)下表，可知德國HESSEN州的污水處理廠所產(chǎn)生的柵渣和沉砂沒有被用作填埋，而是大多用于景觀/生態(tài)修復(fù)，其它的用于焚燒。

從德國的經(jīng)驗(yàn)來說，柵渣經(jīng)過堆肥處理以及沉砂經(jīng)過洗滌和脫水處理后能應(yīng)用于景觀/生態(tài)修復(fù)，值得我們借鑒。2.2污泥的理化性質(zhì)污水廠污泥是污水廠在工藝運(yùn)行過程中產(chǎn)生的污泥，主要有初沉池污泥、二沉池污泥、生化反應(yīng)池污泥、深度反應(yīng)池污泥等。圖8二沉池上浮污泥圖9氧化溝污泥城市污水廠污泥中的有機(jī)成分與一個(gè)城市的工業(yè)化程度有關(guān),而化學(xué)污泥的組成主要取決于工業(yè)生產(chǎn)的類型。

我國城市污水廠污泥（主要指生活污水污泥）有以下特點(diǎn)。（1）有機(jī)物含量高

生活污水中參雜著大量的有機(jī)物，因此容易發(fā)酵產(chǎn)生惡臭，污染環(huán)境。2.2污泥的理化性質(zhì)（2）污泥泥質(zhì)差，碳水化合物含量高而脂肪類含量低

我國人均肉類和牛奶的消耗量偏低，因此污泥的揮發(fā)性懸浮物含量低；而碳水化合物（如淀粉、糖類等）含量較高，因此污泥中含有較多的碳水化合物。表2城市污水污泥中有機(jī)物含量的對(duì)比表2.2污泥的理化性質(zhì)（3）有較高的熱值污水廠污泥具有較高的熱值,在一定含水率下具有自持燃燒和用作能源的可能性。表3我國城市污水廠污泥熱值2.2污泥的理化性質(zhì)（5）有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)污泥中含有大量的可被植物利用的營養(yǎng)成分,如氮、碳、鉀、腐殖質(zhì)等。表5國內(nèi)城市污水廠污泥的營養(yǎng)物含量2.2污泥的理化性質(zhì)（4）含大量病原微生物如細(xì)菌、霉菌、藻類、原生動(dòng)物、輪蟲、線蟲等。經(jīng)過規(guī)范處理的污泥，其病原微生物可被有效殺死。2.3污泥的處置和利用我國有多種的污泥處置方法，這些技術(shù)與污水廠的規(guī)模和最終處理方法有關(guān)，現(xiàn)階段最常用的處置方法為“干化+焚燒+填埋”。圖10污泥處置技術(shù)路線（1）穩(wěn)定填埋污泥填埋只需對(duì)污泥進(jìn)行基本的減量化和無害化處理，操作流程簡單、處理量大，而且運(yùn)行的過程中成本耗費(fèi)較低。但污泥（含水率80%）既會(huì)影響垃圾填埋場的機(jī)械作業(yè)，又極易引起滲濾液收集系統(tǒng)的堵塞，縮短了垃圾填埋場的使用壽命。填埋場地占地廣、選址困難，地理位置偏僻，使得污泥轉(zhuǎn)運(yùn)成本高，并且污泥填埋處置周期長，城市污泥的有毒成分（有機(jī)無機(jī)化合物、重金屬細(xì)菌和病原體等）經(jīng)過雨水侵蝕產(chǎn)生的滲濾液進(jìn)入土壤、地下水，導(dǎo)致土壤、地下水污染。因此，污泥填埋正逐步被摒棄。2.3污泥的處置和利用（2）干化+焚燒+填埋干化+焚燒+填埋是我國現(xiàn)階段最常用的污泥處理處置方式之一，經(jīng)簡單脫水處理的污泥含水率、灰分和重金屬含量高，熱性能差，燃燒效率不高，通常不能被完全處理。因此，還需對(duì)脫水后的污泥進(jìn)行半干化處理。污泥干化焚燒后填埋相比于直接填埋具有減容減重效果好、占地少的優(yōu)勢。且焚燒利用高溫燃燒對(duì)污泥中的有機(jī)物、蟲卵及病原體進(jìn)行處理，使污泥成為穩(wěn)定的灰渣。能否減少污泥焚燒的成本，控制污泥焚燒產(chǎn)生的二次污染物量，降低焚燒衍生產(chǎn)品的毒性，成為制約污泥焚燒技術(shù)發(fā)展瓶頸。

2.3污泥的處置和利用（3）干化+土地利用鑒于污泥中的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀以及微量元素，在一定程度上能改良土壤性質(zhì)，提高肥力。由于污泥較高的含水率而不能直接作土地利用材料，需對(duì)其進(jìn)行干化處理,根據(jù)相關(guān)規(guī)定的要求，農(nóng)用污泥含水率需低于60%。2.3污泥的處置和利用（4）厭氧消化/好氧堆肥+土地利用國內(nèi)污泥厭氧消化處理規(guī)模最大的上海白龍港污水處理廠日產(chǎn)沼氣達(dá)44512m3，提純后的沼氣可用于生產(chǎn)以及汽車燃料，節(jié)約能源的消耗。污泥沼渣中有機(jī)質(zhì)含量低，且泥質(zhì)穩(wěn)定，適宜用于園林綠化有機(jī)肥。厭氧消化具有能耗低、含碳量少、污泥總體積小、產(chǎn)甲烷量高等優(yōu)點(diǎn)，有較大的發(fā)展?jié)摿Α?.3污泥的處置和利用（4）厭氧消化/好氧堆肥+土地利用我國用此技術(shù)路線處置污泥比例不高的原因包括：①污泥所含懸浮有機(jī)物量大，產(chǎn)甲烷微生物代謝率低，有機(jī)物去除率低（20%～40%），需要較長的水力停留時(shí)間（10～20d)；②無論是厭氧消化還是厭氧堆肥工藝，成本投入較高，構(gòu)筑物占地面積大；③城市污泥土地利用涉及到市政、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等多個(gè)方面，各部門對(duì)可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度大相徑庭，遲遲未能統(tǒng)一意見，不能推廣應(yīng)用。2.3污泥的處置和利用（5）干化＋熱解污泥熱解是在無氧條件下使有機(jī)物熱裂解，形成利用價(jià)值高的污泥熱解油、熱解氣體、焦炭等。污泥熱解油作為污泥熱解過程的中間產(chǎn)物，可作鍋爐和運(yùn)輸燃料，是一種潛在的清潔優(yōu)質(zhì)燃料。由于技術(shù)和成本等原因，目前國內(nèi)的污泥熱解技術(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。2.3污泥的處置和利用（6）燒制+建筑材料將污泥干化后燒制作建筑材料，主要包括燒制墻體材料（磚、陶粒等）、水泥窯協(xié)同處理等，用于污泥資源化處置。將干化污泥直接作為建筑材料原材料，從工藝特點(diǎn)上來看，經(jīng)過高溫煅燒制備建材可以殺死污泥中的病原菌及寄生蟲卵，使重金屬固化于高溫礦物的結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)重金屬離子的穩(wěn)定化，降低對(duì)環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)。將污泥用作建筑材料的技術(shù)難點(diǎn)在于能否嚴(yán)格保證建材符合國家和地方的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是否會(huì)在使用中對(duì)環(huán)境和人體造成危害；且目前污泥類建材產(chǎn)品大眾接受度不高。該類處理方法在部分發(fā)達(dá)國家已逐步發(fā)展起來，我國將其用作建材處理的案例較少。2.3污泥的處置和利用2.4小結(jié)

鑒于我國污泥產(chǎn)生量日益增多，且成分復(fù)雜，污泥的處理處置技術(shù)亟需發(fā)展。在現(xiàn)有技術(shù)中，污泥焚燒填埋較為常用，但污泥的資源化利用途徑更具潛力。

總之，在城市污泥處置中，需要兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)效益，選擇合適的污泥處置方式和再利用技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定無害化處置。1.1水務(wù)產(chǎn)業(yè)的定義SECTON3污水廠再生水的利用3.1再生水的基本概念我國再生水行業(yè)處于剛起步階段，2001年才正式啟動(dòng)再生水利用工程，并在近年來得到了快速發(fā)展。根據(jù)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2019年全國城市污水處理量達(dá)525.9億m3，污水處理率達(dá)96.8%，污水處理廠達(dá)2471座，全國城市再生水利用率為20.9%（污水再生利用量/污水處理量）。再生水主要是指城市污水或生活污水經(jīng)處理后達(dá)到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可在一定范圍內(nèi)重復(fù)使用的非飲用水。國外再生水利用率相對(duì)較高。

美國再生水利用涉及很多領(lǐng)域，工業(yè)用再生水占31%、農(nóng)業(yè)用再生水占60%，也就是說美國大部分再生水用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)。新加坡從2000年第一座新生水試驗(yàn)廠投用到2010年第4座新生水廠正式運(yùn)行，4座新生水廠供應(yīng)全國需水量的比例已達(dá)30%，在日本，再生水利用可回溯到20世紀(jì)60年代，現(xiàn)在對(duì)再生水的利用率已達(dá)到了90%，位居全世界首位。3.1再生水的基本概念3.2再生水的利用途徑（1）工業(yè)用水

工業(yè)生產(chǎn)中需要用到大量的冷卻水。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，冷卻水占工業(yè)用水的40%～50%，消耗量很大。但工業(yè)用水等對(duì)水質(zhì)要求相對(duì)較低，要求水不腐蝕金屬設(shè)備、不產(chǎn)生大量泥質(zhì)沉淀及不產(chǎn)生水垢等。為此，可將再生水用于工業(yè)用水。城市中再生水量很大，如果再生水能接入工業(yè)用水系統(tǒng)，勢必將節(jié)省大量的水資源。因此，再生水在工業(yè)冷卻水中具有廣闊的應(yīng)用前景。（2）生活用水在一些缺水的地區(qū)，可將再生水用作居民的生活用水。需注意的是，居民生活用水的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較高，這就需要對(duì)污水采取更加復(fù)雜的處理工藝。目前，在技術(shù)上可將再生水轉(zhuǎn)化為可飲用水。在國外，已有技術(shù)能將馬桶水凈化成可飲用水。該技術(shù)雖然在理論上是可行的，但是還需要人們在心理上接受。3.2再生水的利用途徑（3）農(nóng)業(yè)灌溉用水中國農(nóng)業(yè)相對(duì)比較發(fā)達(dá)。中國一些地區(qū)干旱少雨，為了保證農(nóng)作物生長，需抽取地下水進(jìn)行灌溉。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國每年的灌溉用水達(dá)到了6×109m3。由此可見，農(nóng)業(yè)用水量也相對(duì)巨大。

但農(nóng)業(yè)用水對(duì)水質(zhì)要求不高，要求水中不能含過量的酸、堿及重金屬物質(zhì)。顯然，城市中的一些污水經(jīng)處理后形成的再生水可用于灌溉，能在很大程度上節(jié)約水資源。同時(shí)，有些水中的礦物質(zhì)還可作為農(nóng)作物養(yǎng)料，這在某種意義上降低了再生水處理成本。3.2再生水的利用途徑（4）市政用水城市公共設(shè)施運(yùn)行過程中還需要一些水資源，這些水資源被稱為市政用水。常見的市政用水主要有綠化帶澆水、路面灑水及消防用水等。

市政用水對(duì)水質(zhì)的要求也相對(duì)較低，主要是要求水資源無刺激性氣味、無毒及對(duì)設(shè)施無腐蝕性即可。若將一些污水經(jīng)過簡單處理用于市政用水，則會(huì)在很大程度上降低市政用水的成本。3.2再生水的利用3.3再生水利用的案例澳大利亞再生水的主要利用途徑包括城市雜用、景觀環(huán)境利用和農(nóng)業(yè)灌溉用水及其他3個(gè)方面，其中城市雜用(urban)指城市住宅、商業(yè)、工業(yè)、市政等用途；景觀環(huán)境利用和農(nóng)業(yè)灌溉用水指用于環(huán)境和灌溉等用途，如農(nóng)業(yè)灌溉、林地、濕地、補(bǔ)給環(huán)境水體等；其他指未指定特定最終用戶的再生水。澳大利亞再生水的使用案例2008—2011年澳大利亞全國再生水利用量逐年增加。2010—2011年全國再生水利用量達(dá)到3.5億m3。2006年澳大利亞遭遇千年難遇的旱災(zāi)，政府積極推進(jìn)水資源多樣化政策，大力發(fā)展污水再生利用。2006年起，再生水利用量不斷增加。但隨著降雨量的逐年增加，2011年開始再生水利用量相對(duì)減少，近幾年穩(wěn)定保持在3億m3/a左右。截至2020年，澳大利亞已有419座運(yùn)行的再生水廠，實(shí)現(xiàn)了城鎮(zhèn)污水的部分或全部循環(huán)利用。澳大利亞再生水的使用案例3.3再生水利用的案例目前，廣州市內(nèi)再生水主要考慮回用于工業(yè)用水、城市雜用水和環(huán)境用水三類。由于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧漁業(yè)單個(gè)用戶用水量小，而且比較分散，故暫不考慮在農(nóng)、林、牧、漁業(yè)使用再生水。另外廣州市為濱海城市，地下水位較高，城市水源主要依靠本地地表水和境外引水，地下水開采數(shù)量較少，因此不考慮再生水作為地下水的補(bǔ)充水源。廣州再生水的使用案例3.3再生水利用的案例廣州市再生水需水量預(yù)測（1）工業(yè)用水再生水需水量參考深圳市經(jīng)驗(yàn)，工業(yè)用水戶的再生水需求量一般占用水量的10%～30%等。根據(jù)廣州市節(jié)約用水規(guī)劃，2020年和2030年