污水处理与回用技术及计算机模拟的研究山东大学空间热科学中心王世峰污水处理与回用技术及计算机模拟的研究
0 概述水资源危机的原因中国水资源情况与节水措施
1 污水种类、污水中污染物危害及污水回用标准
1.1污水的种类
1.2 污水中污染物的种类及危害
1.3 污水水质指标项目
1.4 污水回用标准
2 污水处理技术与回用方式
2.1 污水处理技术与回用方式分类 （ 作用原理 治理程度 回用方式 ）
2.2 常见的污水处理技术与回用方式
2.3 我国城市污水处理与回用概况 （处理工艺 1 2 3 ）
2.4 工业污水处理与回用方法
3研究方向
3.1 城市污水处理与回用
3.2 膜技术应用 （ 作用原理 MBR工艺 ）
3.3 计算机模拟水资源危机的原因
水资源分布与人囗、土地分布的极不平衡。
工农业发展迅速,人囗增长过快,需水量超出可供水源。
天然存在的劣质水体,以及水资源污染造成的污染水体所占水资源比例过高,造成“水质型”缺水。
水资源开发不合理、利用率低、浪费严重。
大量抽取地下蓄水层中的水。
城市公路等使地球表面的硬壳化、全球气候变暖、大量砍伐森林、大规模水库水的蒸发使淡水资源减少等原因，
全球许多国家与地区已严重缺水，人类面临。
中国水资源情况与节水措施
人均水资源占有量不到世界平均水平的 1/3（全国水资源总量约 28000× 108m3,人均 2281 m3;世界人均 6918 m3）。
目前有 400多个城市缺水，正常年份城市缺水 60
亿 m3。预计 2010年,总用水量达 7300× 108 m3,
总供水可达 (6200～ 6500) × 108 m3，缺水约
1000× 108 m3; 2030年需水达 10000× 108 m3,
缺水 (3000～ 4000)× 108 m3。
节水措施 加强水资源管理、节水与治污工作，研制与开发适合国情的污水处理与回用技术。
1.1污水的种类
生活污水、工业废水、雨水与渗流、自然界中其它被污染水 。
工业废水及其来源废水种类 废水来源重金属废水放射性废水含铬废水含氰废水含油废水含酚废水硝基苯类废水有机废水含砷废水酸性废水碱性废水采矿、冶炼、金属处理、电镀、电池、特种玻璃及化工等工业铀、钍、镭矿的开采加工、核动力站运转、医院同位素试验室等采矿冶炼、电镀、制革、颜料、催化剂等工业电镀、提取金银、选矿、煤气洗涤、焦化、金属清洗、有机玻璃等炼油、机械厂、选矿厂及食品厂等焦化、炼油、化工、煤气、染料、木材防腐、塑料、合成树脂等染料工业、炸药生产等化工、酿造、食品、造纸等制药、农药、化工、化肥、采矿、冶炼、涂料、玻璃等化工、矿山、金属酸洗、电镀、钢铁等制碱、造纸、印染、化纤、制革、化工、炼油等
1.2 污水中污染物的种类及危害
污水中的污染物 有机物质、酸碱及无机盐、有毒物质三大类，如有毒的合成有机物 (多环苯烃类化合物、多氯联苯、有机磷农药、有机氯农药、
增塑剂 )、重金属、氰化物、酚类、放射性物质、
油类物质、悬浮性物质、带色的污染物、微生物、
热污染等。
各种污染物进入水体带来水体污染,危害农牧渔业及人类健康,破坏自然生态环境及景观,并带来其它方面的危害。
1.3 污水水质指标项目
（ 1）物理指标,色度、气味、电导率、温度等。
（ 2）化学指标,PH值、碱度、固体物质 (SS)、总氮 (TN)、总磷
(TN)、硫、蛋白质、碳水化合物、动植物油脂、石油类、表面活性剂、酚、农药及农用化学药品、金属与重金属 [镍 (Ni)、锰
(Mn)、铅 (Pb)、铬 (Cr)、镉 (Cd)、锌 (Zn)、铜 (Cn)、铁 (Fe)、汞
(Hg)等 ]等。
（ 3）生物化学指标,生化需氧量 (BOD)、化学需氧量 (COD)、总氧量 (TCD)、总有机碳 (TOC)
(4）毒理学指标,有毒性的化学物质,包括氟化物、有毒重金属、
酚、汞、砷、硒等和各类致癌、致畸、致基因实变的有机污染物等。
( 5）细菌学指标,大肠杆菌、细菌总数、寄生虫卵、余氯等。
（ 6）其它指标,工农业生产与生活中对水质有要求的其它指标。
2.1 污水处理技术与回用方式分类根据作用原理物理法,
利用物理过程分离或回收污水中的悬浮性物质,不 改变污染物质的组成和化学性质。常用的有沉降与气浮、隔截与过滤、离心分离与蒸发浓缩化学法,
利用化学反应分离污 (废 )水中的胶体物质、溶解性物质等。如化学沉淀与混凝法、中和法、氧化还原法等。
物理化学法,
利用物理化学原理（如传质过程）来分离污水中的溶解性物质。
如吸附法、萃取法、电解法、汽提法、吹脱法、膜分离法等。
生物化学法,
利用微生物的作用将污 (废 )水中的有机物氧化分解为无机物。如好氧活性污泥法、厌氧消化池法、生物膜法、天然生物治理法等。
依治理程度的要求
一级处理：主要是预处理，用机械方法或简单的化学方法,使废水中的悬浮态或胶体态物质沉淀,并初步中和酸碱度。
二级处理：将一级处理后的出水再进行生物化学处理,一般可除去 90%左右的可被生物降解的有机物,90 ～ 95%的固体悬浮物以及 80 ～ 95% BOD,能明显改善水质,甚至可达到出水排放标准。
三级 (或深度 )处理：将二级处理后的水再用物理化学方法等去除可溶性无机物、不能分解的有机物、病毒、病菌、磷、氮及其它杂质,以达到地面水或生活用水标准。污泥处理即对污水处理过程产生的污泥进行无害化处理。
污水处理单元操作与工艺流程：粗格栅、细格栅、沉砂池、厌氧或好氧生物反应器、混凝沉淀、过滤、吸附消毒等分步工艺技术称为单元操作。要达到回用水水质标准，需将各种处理方法或单元技术结合使用。
污水回用方式,林业灌溉、农业灌溉、景观用水、湿地用水、
工业冷却用水及工艺用水、城市生活杂用水、饮用水及锅炉给水等。
2.3 我国城市污水处理与回用概况
2.3.1 发展过程
2.3.2采用工艺与技术
20世纪 60-70年代，氧化沟和 SBR工艺为我国城市污水处理厂主导性工艺 80年代末,90年代初，曝气生物滤池和一级强化工艺、水解 -好氧生物处理工艺。
2.3.3 污水处理率与投资估算机械加工等传统产业 (机电产品：如水泵、风机等 )占了大约 15-30%的份额，建筑业占 35-45%的份额；这两者之和占总投资的 60%以上，自控和仪表和技术服务所占的比例在 8-15%左右，相对产值较高；运行管理费用约占投资的 10％。
物化处理工艺 （适用优质杂排水）
生物处理和物化处理相结合工艺
(适用溶解性有机物低和 LAS较低的杂排水）
当利用含有生活污水的排水作为中水水源时，宜采用二段生物处理与物化处理相结合的处理工艺流程利用污水处理站二级处理出水作为中水水源时，应选用物化或与生化处理结合的深度处理工艺流程。
(a)物化法深度处理 (b) 物化与生化结合的深度处理
3.1 城市污水处理与回用
城市污水处理厂普遍采用以除磷脱氮为重点的强化二级生物处理技术并增加三级处理流程，包括多种类型的过滤技术和现代消毒技术。
采用当代高新技术如微滤膜过滤、反渗透、
膜生物反应器等。
处理后的再生水达到市政杂用、生活杂用、
园林绿化、生态景观、工业冷却、回注地下水、发电厂锅炉补给水等多种用途要求。
3.2 膜技术应用
3.2.1 膜的种类与性能膜分离技术分为微滤膜 (MF)、超滤膜 (UF)、纳滤膜 (NF)、反渗透 (RO)、渗析 (D)、电渗析 (ED)、气体渗透 (GP)和渗透气化 (PV)
等
3.2.2 膜组件膜装置的核心元件是膜组件,目前有管式、中空纤维式、板框式、
卷式四种
3.2.3 膜分离技术的应用
3.2.4 需研究内容
a 膜应用工艺设计 b膜污染形成机理与控制
c 膜生物反应器 (MBR)的设计计算与优化膜技术的作用原理和功能膜 膜功能 推动力 作用机理 膜孔径 透过物质 被截留物质膜机理
MF
UF
NF
RO
D
ED
去除微粒子；压力差；筛分； >0.1～ 5.0 um；
水、溶剂、溶解物；悬浮物、细菌类、较大颗粒。
去除溶液中的胶体及各类大分子；压力差；筛分； 0.01～ 0.1 um；
水、微小粒子；蛋白质、酶、细菌、病毒、乳酸、较大颗粒、胶体。
去除溶液中的多价盐类及低分子物质；压力差；筛分，扩散；
0.001～ 0.01 um；水、较微小粒子、溶质；离子无机盐、糖类、
氨基酸,BOD,COD、离子型无机物。
去除溶液中盐类及低分子物质；压力差；扩散、不相容；
0.0001～ 0.001 um；水、非常微小粒子、溶质；
粒子无机盐、糖类、氨基酸,BOD,COD、离子型无机物。
去除溶液中的胶体及各类大分子；浓度差；扩散；水、溶质离子；
蛋白质、酶、细菌、胶体、离子型无机物。
去除溶液中的离子；电位差；离子交换；水、溶质离子；无机及有机带电颗粒。
MBR工艺流程
1
2
3
4
5
6
7
1.空气 2.生化反应器 3.生化反应器进水 4.污泥排出 5.生化反应器出水 6.膜分离器 7.膜分离器浓水返回生化反应器 8.膜分离器淡水出水图 3 膜生物反应器（分体式）
8
1
2
3
4
5
6
1.空气 2.生化反应器 3.生化反应器进水 4.污泥排出 5.膜分离器 6.膜分离器淡水出水图 4 膜生物反应器（一体式）
3.3 计算机模拟
3.3 计算机模拟
3.3.1研究方法 (现场测试、物理模拟实验、数学模拟、模拟计算机模拟、
数值计算机模拟 )
3.3.2.主要研究内容、方法及技术路线
3.3.3,系统结构模型 广义数学模型 系统模拟模型
3.3.4模拟程序编制与计算机模拟系统计算机模拟系统由数据库子系统、数据资料输入与分析子系统、动态模拟与模拟结果分析子系统、计算机辅助设计子系统等组成
3.3.5.模拟实验谢谢
0 概述水资源危机的原因中国水资源情况与节水措施
1 污水种类、污水中污染物危害及污水回用标准
1.1污水的种类
1.2 污水中污染物的种类及危害
1.3 污水水质指标项目
1.4 污水回用标准
2 污水处理技术与回用方式
2.1 污水处理技术与回用方式分类 （ 作用原理 治理程度 回用方式 ）
2.2 常见的污水处理技术与回用方式
2.3 我国城市污水处理与回用概况 （处理工艺 1 2 3 ）
2.4 工业污水处理与回用方法
3研究方向
3.1 城市污水处理与回用
3.2 膜技术应用 （ 作用原理 MBR工艺 ）
3.3 计算机模拟水资源危机的原因
水资源分布与人囗、土地分布的极不平衡。
工农业发展迅速,人囗增长过快,需水量超出可供水源。
天然存在的劣质水体,以及水资源污染造成的污染水体所占水资源比例过高,造成“水质型”缺水。
水资源开发不合理、利用率低、浪费严重。
大量抽取地下蓄水层中的水。
城市公路等使地球表面的硬壳化、全球气候变暖、大量砍伐森林、大规模水库水的蒸发使淡水资源减少等原因，
全球许多国家与地区已严重缺水，人类面临。
中国水资源情况与节水措施
人均水资源占有量不到世界平均水平的 1/3（全国水资源总量约 28000× 108m3,人均 2281 m3;世界人均 6918 m3）。
目前有 400多个城市缺水，正常年份城市缺水 60
亿 m3。预计 2010年,总用水量达 7300× 108 m3,
总供水可达 (6200～ 6500) × 108 m3，缺水约
1000× 108 m3; 2030年需水达 10000× 108 m3,
缺水 (3000～ 4000)× 108 m3。
节水措施 加强水资源管理、节水与治污工作，研制与开发适合国情的污水处理与回用技术。
1.1污水的种类
生活污水、工业废水、雨水与渗流、自然界中其它被污染水 。
工业废水及其来源废水种类 废水来源重金属废水放射性废水含铬废水含氰废水含油废水含酚废水硝基苯类废水有机废水含砷废水酸性废水碱性废水采矿、冶炼、金属处理、电镀、电池、特种玻璃及化工等工业铀、钍、镭矿的开采加工、核动力站运转、医院同位素试验室等采矿冶炼、电镀、制革、颜料、催化剂等工业电镀、提取金银、选矿、煤气洗涤、焦化、金属清洗、有机玻璃等炼油、机械厂、选矿厂及食品厂等焦化、炼油、化工、煤气、染料、木材防腐、塑料、合成树脂等染料工业、炸药生产等化工、酿造、食品、造纸等制药、农药、化工、化肥、采矿、冶炼、涂料、玻璃等化工、矿山、金属酸洗、电镀、钢铁等制碱、造纸、印染、化纤、制革、化工、炼油等
1.2 污水中污染物的种类及危害
污水中的污染物 有机物质、酸碱及无机盐、有毒物质三大类，如有毒的合成有机物 (多环苯烃类化合物、多氯联苯、有机磷农药、有机氯农药、
增塑剂 )、重金属、氰化物、酚类、放射性物质、
油类物质、悬浮性物质、带色的污染物、微生物、
热污染等。
各种污染物进入水体带来水体污染,危害农牧渔业及人类健康,破坏自然生态环境及景观,并带来其它方面的危害。
1.3 污水水质指标项目
（ 1）物理指标,色度、气味、电导率、温度等。
（ 2）化学指标,PH值、碱度、固体物质 (SS)、总氮 (TN)、总磷
(TN)、硫、蛋白质、碳水化合物、动植物油脂、石油类、表面活性剂、酚、农药及农用化学药品、金属与重金属 [镍 (Ni)、锰
(Mn)、铅 (Pb)、铬 (Cr)、镉 (Cd)、锌 (Zn)、铜 (Cn)、铁 (Fe)、汞
(Hg)等 ]等。
（ 3）生物化学指标,生化需氧量 (BOD)、化学需氧量 (COD)、总氧量 (TCD)、总有机碳 (TOC)
(4）毒理学指标,有毒性的化学物质,包括氟化物、有毒重金属、
酚、汞、砷、硒等和各类致癌、致畸、致基因实变的有机污染物等。
( 5）细菌学指标,大肠杆菌、细菌总数、寄生虫卵、余氯等。
（ 6）其它指标,工农业生产与生活中对水质有要求的其它指标。
2.1 污水处理技术与回用方式分类根据作用原理物理法,
利用物理过程分离或回收污水中的悬浮性物质,不 改变污染物质的组成和化学性质。常用的有沉降与气浮、隔截与过滤、离心分离与蒸发浓缩化学法,
利用化学反应分离污 (废 )水中的胶体物质、溶解性物质等。如化学沉淀与混凝法、中和法、氧化还原法等。
物理化学法,
利用物理化学原理（如传质过程）来分离污水中的溶解性物质。
如吸附法、萃取法、电解法、汽提法、吹脱法、膜分离法等。
生物化学法,
利用微生物的作用将污 (废 )水中的有机物氧化分解为无机物。如好氧活性污泥法、厌氧消化池法、生物膜法、天然生物治理法等。
依治理程度的要求
一级处理：主要是预处理，用机械方法或简单的化学方法,使废水中的悬浮态或胶体态物质沉淀,并初步中和酸碱度。
二级处理：将一级处理后的出水再进行生物化学处理,一般可除去 90%左右的可被生物降解的有机物,90 ～ 95%的固体悬浮物以及 80 ～ 95% BOD,能明显改善水质,甚至可达到出水排放标准。
三级 (或深度 )处理：将二级处理后的水再用物理化学方法等去除可溶性无机物、不能分解的有机物、病毒、病菌、磷、氮及其它杂质,以达到地面水或生活用水标准。污泥处理即对污水处理过程产生的污泥进行无害化处理。
污水处理单元操作与工艺流程：粗格栅、细格栅、沉砂池、厌氧或好氧生物反应器、混凝沉淀、过滤、吸附消毒等分步工艺技术称为单元操作。要达到回用水水质标准，需将各种处理方法或单元技术结合使用。
污水回用方式,林业灌溉、农业灌溉、景观用水、湿地用水、
工业冷却用水及工艺用水、城市生活杂用水、饮用水及锅炉给水等。
2.3 我国城市污水处理与回用概况
2.3.1 发展过程
2.3.2采用工艺与技术
20世纪 60-70年代，氧化沟和 SBR工艺为我国城市污水处理厂主导性工艺 80年代末,90年代初，曝气生物滤池和一级强化工艺、水解 -好氧生物处理工艺。
2.3.3 污水处理率与投资估算机械加工等传统产业 (机电产品：如水泵、风机等 )占了大约 15-30%的份额，建筑业占 35-45%的份额；这两者之和占总投资的 60%以上，自控和仪表和技术服务所占的比例在 8-15%左右，相对产值较高；运行管理费用约占投资的 10％。
物化处理工艺 （适用优质杂排水）
生物处理和物化处理相结合工艺
(适用溶解性有机物低和 LAS较低的杂排水）
当利用含有生活污水的排水作为中水水源时，宜采用二段生物处理与物化处理相结合的处理工艺流程利用污水处理站二级处理出水作为中水水源时，应选用物化或与生化处理结合的深度处理工艺流程。
(a)物化法深度处理 (b) 物化与生化结合的深度处理
3.1 城市污水处理与回用
城市污水处理厂普遍采用以除磷脱氮为重点的强化二级生物处理技术并增加三级处理流程，包括多种类型的过滤技术和现代消毒技术。
采用当代高新技术如微滤膜过滤、反渗透、
膜生物反应器等。
处理后的再生水达到市政杂用、生活杂用、
园林绿化、生态景观、工业冷却、回注地下水、发电厂锅炉补给水等多种用途要求。
3.2 膜技术应用
3.2.1 膜的种类与性能膜分离技术分为微滤膜 (MF)、超滤膜 (UF)、纳滤膜 (NF)、反渗透 (RO)、渗析 (D)、电渗析 (ED)、气体渗透 (GP)和渗透气化 (PV)
等
3.2.2 膜组件膜装置的核心元件是膜组件,目前有管式、中空纤维式、板框式、
卷式四种
3.2.3 膜分离技术的应用
3.2.4 需研究内容
a 膜应用工艺设计 b膜污染形成机理与控制
c 膜生物反应器 (MBR)的设计计算与优化膜技术的作用原理和功能膜 膜功能 推动力 作用机理 膜孔径 透过物质 被截留物质膜机理
MF
UF
NF
RO
D
ED
去除微粒子；压力差；筛分； >0.1～ 5.0 um；
水、溶剂、溶解物；悬浮物、细菌类、较大颗粒。
去除溶液中的胶体及各类大分子；压力差；筛分； 0.01～ 0.1 um；
水、微小粒子；蛋白质、酶、细菌、病毒、乳酸、较大颗粒、胶体。
去除溶液中的多价盐类及低分子物质；压力差；筛分，扩散；
0.001～ 0.01 um；水、较微小粒子、溶质；离子无机盐、糖类、
氨基酸,BOD,COD、离子型无机物。
去除溶液中盐类及低分子物质；压力差；扩散、不相容；
0.0001～ 0.001 um；水、非常微小粒子、溶质；
粒子无机盐、糖类、氨基酸,BOD,COD、离子型无机物。
去除溶液中的胶体及各类大分子；浓度差；扩散；水、溶质离子；
蛋白质、酶、细菌、胶体、离子型无机物。
去除溶液中的离子；电位差；离子交换；水、溶质离子；无机及有机带电颗粒。
MBR工艺流程
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1.空气 2.生化反应器 3.生化反应器进水 4.污泥排出 5.生化反应器出水 6.膜分离器 7.膜分离器浓水返回生化反应器 8.膜分离器淡水出水图 3 膜生物反应器（分体式）
8
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1.空气 2.生化反应器 3.生化反应器进水 4.污泥排出 5.膜分离器 6.膜分离器淡水出水图 4 膜生物反应器（一体式）
3.3 计算机模拟
3.3 计算机模拟
3.3.1研究方法 (现场测试、物理模拟实验、数学模拟、模拟计算机模拟、
数值计算机模拟 )
3.3.2.主要研究内容、方法及技术路线
3.3.3,系统结构模型 广义数学模型 系统模拟模型
3.3.4模拟程序编制与计算机模拟系统计算机模拟系统由数据库子系统、数据资料输入与分析子系统、动态模拟与模拟结果分析子系统、计算机辅助设计子系统等组成
3.3.5.模拟实验谢谢
