給排水專業(yè)的發(fā)展及未來的水處理技術(shù)-胡真虎

1、給排水專業(yè)的發(fā)展及未來的水處理技術(shù)胡 真 虎合肥工業(yè)大學(xué)2015-12-25水的自然循環(huán)和社會循環(huán)水的自然循環(huán)水的社會循環(huán)城市給排水的發(fā)展歷程 發(fā)展經(jīng)歷三個階段發(fā)展經(jīng)歷三個階段 第一階段第一階段20世紀(jì)世紀(jì)50年代以前年代以前 主要解決城市水量問題主要解決城市水量問題 第二階段第二階段20世紀(jì)世紀(jì)50年代年代 20世紀(jì)末世紀(jì)末 開始重視水質(zhì)問題開始重視水質(zhì)問題 第三階段第三階段21世紀(jì)開始世紀(jì)開始 以水質(zhì)為中心，水作為商品進(jìn)入市場，出現(xiàn)了以水質(zhì)為中心，水作為商品進(jìn)入市場，出現(xiàn)了水工業(yè)水工業(yè)給排水專業(yè)歷史沿革概覽土木工程的專門化方向（給水工程、下水道工程等課程）5依附于土木工程，依附于土木工程，

2、尚未獨(dú)立設(shè)置專尚未獨(dú)立設(shè)置專業(yè)階段業(yè)階段1952年年孕育著給水排水工程專業(yè)的雛形孕育著給水排水工程專業(yè)的雛形 我國早期給水排水工程專業(yè)的基礎(chǔ)我國早期給水排水工程專業(yè)的基礎(chǔ) 1231952年起在高等教育的學(xué)科專業(yè)體系中單年起在高等教育的學(xué)科專業(yè)體系中單獨(dú)設(shè)置了給水排水工程獨(dú)設(shè)置了給水排水工程（哈工大、清華、同濟(jì)）（哈工大、清華、同濟(jì)） 6獨(dú)立設(shè)置專業(yè)，獨(dú)立設(shè)置專業(yè)，探索與成長階段探索與成長階段1952-1965年年 至至50年代末，全國九所院校設(shè)有給水年代末，全國九所院校設(shè)有給水排水工程本科專業(yè)排水工程本科專業(yè) ，年招生，年招生400余人余人（哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、重慶建筑工程學(xué)哈

3、爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、重慶建筑工程學(xué)院、湖南大學(xué)、天津大學(xué)、太原工學(xué)院、西安冶金建筑學(xué)院、院、湖南大學(xué)、天津大學(xué)、太原工學(xué)院、西安冶金建筑學(xué)院、蘭州鐵道學(xué)院蘭州鐵道學(xué)院）60年代初，開始培養(yǎng)碩士生，但十幾年間年代初，開始培養(yǎng)碩士生，但十幾年間培養(yǎng)數(shù)量僅有培養(yǎng)數(shù)量僅有20余人。余人。 123之前名稱：給水排水工程專業(yè)。之前名稱：給水排水工程專業(yè)。 專業(yè)名稱變更與專業(yè)規(guī)范頒布實(shí)施專業(yè)名稱變更與專業(yè)規(guī)范頒布實(shí)施教育部教育部高等教育本科專業(yè)高等教育本科專業(yè)（20122012）中更名）中更名為為“給排水科學(xué)與工程（給排水科學(xué)與工程（081003081003）”專業(yè)。專業(yè)。20122012年，

4、年，給排水科學(xué)與工程給排水科學(xué)與工程本科指導(dǎo)性本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范專業(yè)規(guī)范頒布實(shí)施。頒布實(shí)施。132022年6月7日星期二9l 1987年，在農(nóng)田水利工程專業(yè)基礎(chǔ)上成立給水排水工程專業(yè)；年，在農(nóng)田水利工程專業(yè)基礎(chǔ)上成立給水排水工程專業(yè)；l 1988年，正式招收本科生；年，正式招收本科生；l 1996年，市政工程碩士點(diǎn)獲批；年，市政工程碩士點(diǎn)獲批；l 2011年，市政工程博士點(diǎn)獲批；年，市政工程博士點(diǎn)獲批；l 給排水科學(xué)與工程專業(yè)具有市政工程博士點(diǎn)、市政工程、水力給排水科學(xué)與工程專業(yè)具有市政工程博士點(diǎn)、市政工程、水力學(xué)及河流動力學(xué)、建筑與土木工程等碩士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)；學(xué)及河流動力學(xué)、建筑與土木工程等碩

5、士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)；l 2012年，專業(yè)名稱更名為給排水科學(xué)與工程；年，專業(yè)名稱更名為給排水科學(xué)與工程；l 2013年，通過住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部專業(yè)評估；年，通過住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部專業(yè)評估；l 在校本科生約在校本科生約350余人、研究生、留學(xué)生余人、研究生、留學(xué)生80余人。余人。未來的水處理技術(shù)2022年6月7日星期二10給水排水行業(yè)面臨的問題28行業(yè)面臨的問題行業(yè)面臨的問題水的安全輸配技術(shù)水的安全輸配技術(shù)亟待提高亟待提高飲用水安全問題飲用水安全問題突出突出用水效率低用水效率低Immense Visual Appeal水環(huán)境污染嚴(yán)重水環(huán)境污染嚴(yán)重水資源短缺水資源短缺發(fā)展趨勢。新工藝新工藝新技術(shù)新技術(shù)經(jīng)濟(jì)高

6、效的水經(jīng)濟(jì)高效的水污染控制污染控制非傳統(tǒng)水非傳統(tǒng)水資源利用資源利用污水再生、雨污水再生、雨洪儲蓄利用、海洪儲蓄利用、海水淡化水淡化節(jié)水減排節(jié)水減排新技術(shù)新技術(shù)建筑節(jié)水、消防建筑節(jié)水、消防安全、節(jié)水技術(shù)安全、節(jié)水技術(shù)與裝置、循環(huán)循與裝置、循環(huán)循序和分質(zhì)利用序和分質(zhì)利用飲用水安全飲用水安全保障保障提高水質(zhì)，安全提高水質(zhì)，安全輸配，保證安全輸配，保證安全2022年6月7日星期二13海綿城市建設(shè)城市地下綜合管廊2022年6月7日星期二14城市污水中的能源、資源1能耗：能耗：0.34度/m3，年耗電超過120億度，占全國能耗占全國能耗0.4物耗：物耗：除磷藥劑除磷藥劑10萬噸，脫水藥劑8000噸排碳排碳

7、：0.55 kgCO2 /m3，年排CO2近2000萬噸，=18億輛汽車總排放量現(xiàn)有污水處理工藝消耗大量外部能源和資源現(xiàn)有污水處理工藝消耗大量外部能源和資源 被動污染減負(fù)處理污染減負(fù)處理 污染物去除 污染物減排 達(dá)標(biāo)水排放- - 可持續(xù)的積極行動可持續(xù)的積極行動 有機(jī)碳回收 礦物質(zhì)回收 碳能源回收必須必須從污水中從污水中去除什么去除什么能夠能夠從污水中從污水中回收什么回收什么 能源 資源 能耗 物耗以污染物完全礦化為主導(dǎo)以污染物完全礦化為主導(dǎo)以低能耗、物耗為前提的以低能耗、物耗為前提的 新工藝、技術(shù)、方法、設(shè)備新工藝、技術(shù)、方法、設(shè)備理念轉(zhuǎn)換：理念轉(zhuǎn)換：污水是重要的可再生、可利用資源污水是重要

8、的可再生、可利用資源新思路新思路 污水中資源化的技術(shù)途徑污水中資源化的技術(shù)途徑 污水污水資源資源化化1污水回用污水回用Sewage reuse地下水補(bǔ)給地下水補(bǔ)給非直接注入方式非直接注入方式地表引滲方式地表引滲方式處理過的生活污水放在蓄水塘，經(jīng)過土壤入滲補(bǔ)助地下含水層，然后地下水再用處理過的生活污水放在蓄水塘，經(jīng)過土壤入滲補(bǔ)助地下含水層，然后地下水再用水井抽出來作所謂的間接飲用，已有五十年以上的歷史水井抽出來作所謂的間接飲用，已有五十年以上的歷史美國美國Orange County 1污水回用污水回用Sewage reuse深度處理深度處理-微濾微濾+反滲透反滲透+UV+雙氧水雙氧水美國加州美國

9、加州Orange County 21世紀(jì)污水廠世紀(jì)污水廠1污水回用污水回用Sewage reuse海水淡化海水淡化新加坡新加坡 NEWater海水淡化廠海水淡化廠1污水回用污水回用Sewage reuse綠色屋頂綠色屋頂紐約紐約2磷回收磷回收Phospaq技術(shù)技術(shù)荷蘭荷蘭Olburgen 污水廠污水廠Phosphorus recovery3硫回收硫回收荷蘭荷蘭PaquesSulphur recovery4氮回收氮回收Nitrogen recovery生物干化技術(shù)生物干化技術(shù)生產(chǎn)氮肥耗能是生產(chǎn)氮肥耗能是 40-50 MJ/kg N現(xiàn)有的氮回收技術(shù)耗能現(xiàn)有的氮回收技術(shù)耗能 50-100 MJ/kg

10、 N生物堆肥生物堆肥高溫高溫(80)水份蒸發(fā)水份蒸發(fā) NH3硫酸硫酸硫酸氨硫酸氨肥料肥料污泥污泥肥料或焚化爐燃料肥料或焚化爐燃料干化干化熱能熱能5有機(jī)物回收有機(jī)物回收organic recovery揮發(fā)性脂肪酸揮發(fā)性脂肪酸5有機(jī)物回收有機(jī)物回收organic recoveryPHA PHA 可以經(jīng)聚合形成不同的有機(jī)物，如可降解的塑料、造紙?zhí)砑觿┛梢越?jīng)聚合形成不同的有機(jī)物，如可降解的塑料、造紙?zhí)砑觿?、禽畜或養(yǎng)魚飼料、甚至生物燃油、禽畜或養(yǎng)魚飼料、甚至生物燃油從有機(jī)物中提取從有機(jī)物中提取 PHA 可加工為塑料產(chǎn)品可加工為塑料產(chǎn)品回收回收 PHA 的技術(shù)可行的技術(shù)可行, 但目前成本過高但目前成本過高

11、能源回收技術(shù)1協(xié)同厭氧協(xié)同厭氧Co-digestion不僅可以提高污泥厭氧消化效果，而且可以減少碳排放量不僅可以提高污泥厭氧消化效果，而且可以減少碳排放量奧地利奧地利Strass 污水廠污水廠德國漢堡污水廠德國漢堡污水廠荷蘭荷蘭Apeldoorn污水廠污水廠德國曼海姆污水廠德國曼海姆污水廠已經(jīng)成為歐洲城市污水處理廠污泥處置的發(fā)展趨勢已經(jīng)成為歐洲城市污水處理廠污泥處置的發(fā)展趨勢能源回收技術(shù)3污泥熱水解污泥熱水解污泥厭氧消化預(yù)處理污泥厭氧消化預(yù)處理Thermal hydrolysis 提高厭氧消化的產(chǎn)氣率提高厭氧消化的產(chǎn)氣率 提高污泥無害化的程度提高污泥無害化的程度 提高污泥的脫水效果提高污泥的脫

12、水效果 顯著降低污泥臭味顯著降低污泥臭味 厭氧消化池的池容減小厭氧消化池的池容減小優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn) Cambi 公司的公司的 Cambi 威立雅公司的威立雅公司的 Exelys SH+E公司的公司的 Lysotherm 主主要要技技術(shù)術(shù)能源回收技術(shù)4氣化氣化Gasification曼海姆污水處理廠曼海姆污水處理廠太陽能電池模組安裝在太陽能電池模組安裝在2300m2濾池表面濾池表面提供約提供約 238000kWh 的太陽能電力的太陽能電力滿足全廠滿足全廠 1%的電力需求的電力需求未來能量平衡計劃未來能量平衡計劃資源回收技術(shù)1氮回收氮回收Nitrogen recoverykwh/m3污水中有機(jī)物的潛能污水

13、中有機(jī)物的潛能1.9污水脫氮的能耗污水脫氮的能耗0.8污水中的能量含量污水中的能量含量加州加州Monterey污水廠污水廠加州加州Watsonville污水廠污水廠p 污水經(jīng)三級處理（沒有硝化、除污水經(jīng)三級處理（沒有硝化、除磷）用于農(nóng)業(yè)灌溉磷）用于農(nóng)業(yè)灌溉加州加州Monterey污水廠污水廠p 污泥用于厭氧發(fā)酵，通過熱電聯(lián)污泥用于厭氧發(fā)酵，通過熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備回收能源，能補(bǔ)給該污水產(chǎn)設(shè)備回收能源，能補(bǔ)給該污水廠廠 50%的能量消耗的能量消耗洋薊洋薊草莓草莓資源回收技術(shù)2磷回收磷回收Phosphorus recovery鳥糞石法回收磷的工藝已經(jīng)成熟鳥糞石法回收磷的工藝已經(jīng)成熟p PHOSNIX工藝工

14、藝p AirPrex工藝工藝p Ostara工藝工藝德國德國 Lingen 污水廠污水廠丹麥丹麥 Ejby Molle污水廠污水廠鳥糞石結(jié)垢后易堵塞管道鳥糞石結(jié)垢后易堵塞管道 解決消化池管線的堵塞問題解決消化池管線的堵塞問題 回收污水中的磷回收污水中的磷 提高污泥的脫水效果提高污泥的脫水效果 降低污泥脫水的藥劑消耗降低污泥脫水的藥劑消耗污水處理廠的能耗l 存在時間長存在時間長l 傳質(zhì)效率高傳質(zhì)效率高l 比表面積大比表面積大曝氣系統(tǒng)的改進(jìn)曝氣系統(tǒng)的改進(jìn)-納米氣泡曝氣納米氣泡曝氣解決思路解決思路可考慮取部分出水經(jīng)膜濾后對其充氧，然后再與待處理污水混合，以達(dá)到給污水充氧的目的潛在問題潛在問題：曝氣系

15、統(tǒng)堵塞充氧效率的提高l精確曝氣精確曝氣l精準(zhǔn)曝氣精準(zhǔn)曝氣污水中有機(jī)碳的生物富集技術(shù)存在問題存在問題l處理效果有限（介于一級和二級處理之間）l對溶解性有機(jī)物去除效果較差，TCOD：6080%，SCOD：3040%l二沉池COD脫附回溶進(jìn)水出水回流剩余污泥再生池二沉池吸附池污泥對有機(jī)物的吸附過程污水生物脫氮污水生物脫氮脫脫氮氮方方法法不不斷斷涌涌現(xiàn)現(xiàn)同時硝化同時硝化-反硝化反硝化短程硝化短程硝化-反硝化反硝化厭氧氨氧化厭氧氨氧化反硝化除磷反硝化除磷 .反硝化脫氮反硝化脫氮甲醇反硝化甲醇反硝化硝化硝化-亞硝化亞硝化污水脫氮是近污水脫氮是近40年年來環(huán)境工程界最活來環(huán)境工程界最活躍的研究領(lǐng)域躍的研究領(lǐng)

16、域Anammox的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用20世紀(jì)80年代末-90年代初，Deflt理工大學(xué)Kuenen教授指導(dǎo)的學(xué)生Mulder在運(yùn)行一個三級反應(yīng)器系統(tǒng)時，觀察到第二級流化床反應(yīng)器中氮“不明去向”的大量消失。他結(jié)合1977年奧地利理論化學(xué)家Broda的化學(xué)熱力學(xué)預(yù)測，在國際上首次發(fā)現(xiàn)了anammox（厭氧氨氧化）現(xiàn)象由Jetten為主進(jìn)行基礎(chǔ)研究，在頂尖刊物上發(fā)表大量學(xué)術(shù)論文由van Loosdrecht拓展到工程應(yīng)用領(lǐng)域Smeulders MJ, et al. (2011) Nature 478(7369): 412-416. Kartal B, et al., (2011) Nature

17、479 (7371): 127-130. Ettwig KF, et al. (2010) Nature 464: 543-548. Pol A, et al. (2007) Nature 450: 874-878. Raghoebarsing AA, et al. (2006) Nature 440: 918-921. Risgaard N, et al. (2006) Nature 443: 93-96. Strous M, et al., (2006) Nature 440: 790-794. Raghoebarsing AA, et al. (2005) Nature 436: 115

18、3-1156. Kuypers MMM, et al. (2003) Nature 422: 608-611. Sinninghe et al. (2002) Nature 419: 708-712. Strous M, et al. (1999 Nature 400: 446-449. 厭氧氨氧化顆粒污泥好氧顆粒污泥厭氧顆粒污泥借助厭氧、好氧和厭氧氨氧化污泥顆?；夹g(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)主工藝厭氧氨氧化借助厭氧、好氧和厭氧氨氧化污泥顆?；夹g(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)主工藝厭氧氨氧化低溫下厭氧氨氧化菌生長慢問題的解決l生長速率慢；溫度35時，10-12dl低溫條件下，硝化菌群生長速率高于亞硝化菌群，難以去除硝化菌

19、群亞硝化菌好氧顆粒污泥技術(shù)目前普遍認(rèn)定：污泥平均粒徑大于0.2 mm即為好氧顆粒污泥Morgenroth + Wilderer, Technical University of Munich, 德國德國彭黨聰彭黨聰 + Moletta, Laboratoire de Biotechnologie de lEnvironnement, 法國 van Loosdrecht, Delft University of Technology, 荷蘭鄭俊華鄭俊華+劉雨劉雨, Nanyang Technological University, 新加坡中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室, 中國與絮體相比，微生物顆

20、粒在比重、粒徑大小、沉降速度與絮體相比，微生物顆粒在比重、粒徑大小、沉降速度等方面具有明顯優(yōu)勢，并提高了降解污染物的能力等方面具有明顯優(yōu)勢，并提高了降解污染物的能力絮體絮體顆粒顆粒粒徑 (mm)0.10.5-5.0SVI (ml/g)70-15020-80沉降速率(m/h)2.8-7.630-70比重1.0011.004-1.061脫氫酶活性 (mg TF/g SS/h)10-12.515-20微生物顆粒與絮體的比較微生物顆粒與絮體的比較密實(shí)的結(jié)構(gòu) 良好的沉降性能高生物截留能力抗沖擊能力強(qiáng)比重顯著增加大小增大5-50倍沉降速度生物活性1-2倍增加10倍p無沉淀池，占地只有傳統(tǒng)無沉淀池，占地只有

21、傳統(tǒng)污水廠的四分之一污水廠的四分之一p無需污泥回流，能耗僅是無需污泥回流，能耗僅是傳統(tǒng)工藝的傳統(tǒng)工藝的 70%pMLSS 濃度達(dá)濃度達(dá)8,000 mg/L好氧微生物顆粒處理城市污水示范工程好氧微生物顆粒處理城市污水示范工程合肥經(jīng)開區(qū)污水處理廠合肥朱磚井污水處理廠荷蘭Garmerwolde污水廠l 厭氧高溫氧化厭氧高溫氧化l 生物質(zhì)厭氧消化系統(tǒng)生物質(zhì)厭氧消化系統(tǒng)Schwaigern 生物質(zhì)厭氧消化系統(tǒng)生物質(zhì)厭氧消化系統(tǒng)瑞典馬爾默污水廠污泥瑞典馬爾默污水廠污泥中溫高固厭氧消化中溫高固厭氧消化1展望展望Outlook1展望展望Outlookl 甲烷燃料電池甲烷燃料電池l 污水源熱泵污水源熱泵l 太陽

22、能太陽能污水處理廠的仿真、優(yōu)化和調(diào)控污水處理廠的仿真、優(yōu)化和調(diào)控ISIXNOSHBX,NDXNHSNDSPXSXABX,deathdeathdeathdeathdeathan,oxicgrowthanoxicgrowthaerobicgrowthaerobicgrowthdeathnitrificationaerobichydrolysisanoxichydrolysisammonificationaerobichydrolysisanoxichydrolysisSSanoxicgrowthaerobicgrowthSoluble inertorganic matterParticulatei

23、nert organicmatterReadilybiodegradablesubstrateSlowlybiodegradablesubstrateParticulate productsfrom biomass decayNitrate +nitrite nitrogenNH4+ + NH3nitrogenHeterotrophicbacteriaAutotrophicbacteriaParticulatebiodegradable organicnitrogenSolublebiodegradableorganic nitrogen發(fā)展污水處理復(fù)雜過程的模擬、仿真、優(yōu)化、調(diào)控技術(shù)發(fā)展污水

24、處理復(fù)雜過程的模擬、仿真、優(yōu)化、調(diào)控技術(shù)展望展望Outlook1怎么過好大學(xué)四年2022年6月7日星期二45大學(xué)一年級大學(xué)一年級FreshmanFreshman大學(xué)二年級大學(xué)二年級SophomoreSophomore大學(xué)三年級大學(xué)三年級JuniorJunior大學(xué)四年級大學(xué)四年級SeniorSenior彷徨？吶喊？傷逝？朝花夕拾朝花夕拾？有目標(biāo)，才有動力，追求目標(biāo)有目標(biāo)，才有動力，追求目標(biāo)的過程才不會迷茫的過程才不會迷茫 哈佛大學(xué)有一個非常著名的關(guān)于目標(biāo)對人生哈佛大學(xué)有一個非常著名的關(guān)于目標(biāo)對人生影響的跟蹤調(diào)查。對象是一群智力、學(xué)歷、環(huán)境影響的跟蹤調(diào)查。對象是一群智力、學(xué)歷、環(huán)境等條件都差不多

25、的年輕人，調(diào)查結(jié)果如下：等條件都差不多的年輕人，調(diào)查結(jié)果如下：2525年后再來看被調(diào)查的人年后再來看被調(diào)查的人 有清晰且長遠(yuǎn)目標(biāo)的人：有清晰且長遠(yuǎn)目標(biāo)的人：2525年來幾乎都不年來幾乎都不曾更改過自己的人生目標(biāo)。他們都朝著同一個方曾更改過自己的人生目標(biāo)。他們都朝著同一個方向不懈地努力，現(xiàn)在，他們幾乎都成了社會各界向不懈地努力，現(xiàn)在，他們幾乎都成了社會各界的頂尖成功人士，他們當(dāng)中不乏白手創(chuàng)業(yè)者、行的頂尖成功人士，他們當(dāng)中不乏白手創(chuàng)業(yè)者、行業(yè)領(lǐng)袖、社會精英。業(yè)領(lǐng)袖、社會精英。 有清晰但短期目標(biāo)的人：大都生活在社有清晰但短期目標(biāo)的人：大都生活在社會的中上層。他們的共同特點(diǎn)是，那些短期目標(biāo)會的中上層。他們的共同特點(diǎn)是，那些短期目標(biāo)不斷被達(dá)成，生活狀態(tài)穩(wěn)步上升，成為各行各業(yè)不斷被達(dá)成，生活狀態(tài)穩(wěn)步上升，成為各行各業(yè)的不可或缺的專業(yè)人士。如醫(yī)生、律師、工程師、的不可或缺的專業(yè)人士。如醫(yī)生、律師、工程師、高級主管等。高級主管等。 有較模糊目標(biāo)的人：幾乎都生活在社會的有較