北京河道水处理方案.docx

河道水净化与富营养化防治工程实例目 录第一章 项目概况及设计技术指标1 1.1 工程概况 11.2 设计水量 11.3 设计进水水质 11.4 设计出水水质 21.5 设计依据 21.6 设计范围 21.7 设计原则 2第二章 河道水处理工艺技术说明32.1 工艺流程 32.2 工艺技术说明 32.3 技术原理 3第三章 处理单元设计 113.1 主要设备设计113.2 供配电11 第一章 项目概况及设计技术指标1.1 工程概况“河流是健康的,一条健康的河流意味着淳朴和纯洁，意味着运动、清新和活力，它是人类幸福的来源。”由于社会的不断进步，化工产品不断增加新的品种，人们的生活水平不断提高，导致河道水的组分变得异常复杂，碳、氮、磷的比例失调而导致河道水的生化自净作用下降而产生水体富营养化，在很大程度上导致了水体性质发生变化从而增加了对河道水生化处理的难度。目前国内河流和湖泊尤其是城市河流与湖泊的景观功能逐渐丧失、排污渠道作用在增强，城市水环境在恶化，越来越不能满足人民群众生活水平提高的亲水、近水要求,且河道水水量大面积广，易形成对环境构成严重的污染隐患。而通常采用的混凝-生物法二级处理等传统工艺已很难适应河道水的治理和回用要求，而北京水利科学研究所与江西裕金达科技有限公司应用快离子导体模拟生物电性膜电化学方法所特有的电催化功能，开发出以“快离子导体-模拟生物电性膜”为核心材料的“快离子导体-模拟生物电性膜水质净化系统，对水中的污染物的去除能力强，对脱氮除磷、杀菌、消毒、除臭、脱色等方面具有显著效果。本公司根据本项目河道水的水质情况，拟定如下设计方案:1.2 设计水量根据本河道水处理项目的设计水量为1000m3/d，因此 ：Q =1000m3/24h=41.7m3/h。1.3 设计进水水质设计进水水质（经我公司测定参考）见表1：水质指标CODcrpHSS色度氨氮总氮总磷506-930-5015-3930-602-4表1 设计进水水质表（单位：mg/L）1.4 设计出水水质1.4.1根据（GB3838-2002）类标准规定，本处理装置的设计出水需要达到以下水质标准：水质指标CODcrpHSS色度氨氮总氮总磷306-91.51.50.3表2 设计出水水质表（单位：mg/L）1.5 设计依据（a） 河道水水质指标；（b） 地表水环境质量标准（GB38382002）。（c） 室外给水设计规范（GBJ14-1997）；（d） 建筑结构荷载规范（GBJ9-87）；（e） 给水排水工程结构设计规范（GBJ69-84）；（f） 钢筋混凝土结构设计规范（GBJ10-89）；（g） 工业与民用供变电系统设计范（GB50052-92）；（h） 低压变电装置及线路设计规范（GB50054-92）；1.6 设计范围本处理工程的设计范围是：高效净化器河道水悬浮颗粒杂质去除效果，溶气效果，处理系统中每一级快离子导体电催化反应装置、模拟生物电性膜电催化反应装置对某一类污染物去除顺序和去除效果，装置出水最后经沉淀分离后达到排放标准为止的整个水处理及污泥处理的基建、结构、工艺、动力变电、仪表测量控制、设备、给排水等的方案设计。1.7 设计原则（a） 本设计方案符合有关环保的各项规定，确保达标排放。整个装置的运行将不会影响现有环境。（b） 采用合理的处理工艺，保证处理效率，并节省占地面积和运行费用。（c） 装置制造兼顾通用性和先进性，运行稳定可靠，效率高，管理方便，维护维修工作量少。（d） 系统运行灵活，尽量考虑操作自动化，减少操作劳动强度。（e） 设备系统美观大方、布局合理、不影响周围相关设施的正常运行。（f） 设置必要的监控仪器、提高水质监控水平。（g） 采用当前河道水处理领域内先进的工艺技术。（h） 无二次污染。 第二章 河道水处理工艺技术说明2.1工艺流程快离子导体-模拟生物膜水质净化技术处理河道水工艺流程拟定如下图1： 进水高效净化器 管道泵 高效电磁能反应器 提升泵模拟生物电性膜电催化装置 溶气泵快离子导体电催化装置 沉降池 出水图-1 1000m3/d工艺流程框架图本系统由快离子导体电催化单元、模拟生物电性膜电催化单元、电磁能反应器单元等三个催化反应单元组成系统，系统最大设计处理流量为4.2m3/h。2.2 工艺技术说明河道水通过高效净化器处理后，废水中的SS小于5mg/L，通过管道泵快速进入高效电磁能反应器，使水分子激活。然后通过水泵提升进入各级单元集水室再进入模拟生物电性膜电催化反应装置；模拟生物电性膜电催化装置出水经溶气泵泵入快离子导体电催化装置阴极室从阳极室出水；在快离子导体及模拟生物电性膜等催化能、电磁能和特定电场的共同作用下，废水中的荷电粒子分别向着吸引力的方向移动，在电极附近发生氧化还原反应，并且互不干扰。废水通过三级电催化反应系统最终达到拟定标准达标排放。阴极室需要氧气参与电化学反应，其输送泵为气液混合泵，阳极室需要H+离子参与电化学反应，由阳极室反应自行提供。河道水经过以上连续处理过程能够达到高效电化学去除水中污染物目的，并且荷电粒子各自的催化反应干扰较小。在电磁能和快离子导体及模拟生物电性膜的电催化能作用下，引发产生氧化能力很强的多种带电子的活性物质如HO，能氧化分解水中大量的有机物，将其分解成小分子的水和二氧化碳，或将大分子有机物分解成小分子有机物，无机污染物在装置出水后通过自凝聚、自絮凝、沉淀、过滤等方法来去除。对水中色度的去除主要通过两种途径，即快离子导体及模拟生物电性膜电催化能和电磁能等的直接反应及快离子导体在电场作用下产生的活性物质如羟基自由基（HO）的间接反应，主要是利用上述两种氧化能力极强的物质来破坏水分子中的发色基团，从而达到脱色目的。河道水中的脱氮技术采用公司专利技术模拟生物电性膜电催化装置及快离子导体电催化装置对电磁能装置处理后的出水进行脱氮除磷处理。2.3 技术原理（1）快离子导体电磁能电极的基本构成快离子导体电磁能电极是由多种碱土金属等数十种化合物为基体，经加压成型后再经120干燥，然后经1300高温烧结后，在快离子导体的基体中对其进行电磁化处理赋予电磁能后而成。快离子导体电磁能电极经高温烧结后具有高电磁能、高强度、高电化学耐蚀性能。同时快离子导体电磁能电极还有在一定高压电场下产生强大的电磁能等离子效应。（2）快离子导体氧化还原电极的基本构成快离子导体氧化还原电极是由多种碱土金属等数十种化合物在一定条件下制成。快离子导体氧化还原电极的离子导电性能和离子的溶液迁移速度是常规离子溶液迁移速度的数万个数量级，具有高电导性、高电化学耐蚀性能，这就是快离子导体氧化还原电极与金属电极的不同特性。当电极在水溶液中有一定电能激活时，通过氧化还原作用产生带电子的活性物质，能使污水中的有机物被氧化成CO2、H2O，将无机物质矿化结晶成无毒物质，当矿化后的无毒物质离开快离子导体电极电能作用后自凝聚成絮体进入沉降池沉淀分离净化。（3）快离子导体电极的非法拉第电解效应与创新1833年，法拉第在研究电解反应的作用时，在实验中发现通过电解池的电量与电解时析出的物质的量有一定的关系，这种关系即为法拉第电解定律。法拉第电解定律内容是在电解过和中，电极上所发生的电化学反应物质量和所通过电解池的电量成正比关系，并用公式表示：n=Q/zF。Q通过电解池的电量，单位为Cz电子的计量系数F法拉第常数，F值为96500C/mol。在本技术快离子导体电磁能电极及氧化还原电极电解反应研究中发现，当快离子导体电极在非水溶液、熔盐、水溶液中外加电压足够能激活快离子导体电极时，即由普通的电解反应迅速自发地过渡到电磁能式等离子体电解反应。Anthony等人研究证明等离子体-电解液界面的反应区域厚度大约在0.1nm，而快离子导体电极由于其离子的迁移特性和其特有的导体导电性形成了等离子体-电解液界面反应区域厚度的无限制性的特征，从而增强了等离子体-电解液界面反应区域的电解反应速率。根据SenguPta提出的非法拉第产物来源于2个电解反应区对快离子导体电极验证表明：快离子导体电极（阳极侧）的等离子体区和靠近等离子体附近的阳极电解质（如待处理的水）界面的快离子导体电极（阳极侧）电解质区，共2个反应区，当从外界向快离子导体电极施加足够高的电压时，快离子导体电极产生等离子体，等离子体附近的快离子导体电极（阳极侧）电解液中的水分子分解为H2O2、O2、H2，快离子导体电极每通过1mol电子，就有0.5mol的O2产生,而在快离子导体电极(阳极侧)有超过2mol的H2O2产生，远超过法拉第值的产O2量（法拉第值产O2量为0.1mol）。结合2个电解反应区域就能解释清楚快离子导体电极（阳极侧）的反应机理和现象，当快离子导体电极发生电解反应时，电流产生的焦耳热周围的溶液迅速汽化形成气体鞘层，在特定的高电压条件下，气体鞘层产生等离子体，等离子体鞘层中有水蒸汽、离子、带电子的活性粒子和原子。快离子导体电极（阳极侧）周围等离子体电解反应区内的H2O分子分解成H2、O2E，反应过程遵循如下反应机理：H2OH+OHH+ HH2OH +OHH2O+1/2O2H+OHH2O根据上述反应机理，在快离子导体电极的等离子体生成的每个带正电荷的气相离子在等离子体-快离子导体电极（阳极侧）电解液（如待处理的水）界面附近的液相反应区被快离子导体高压电磁能电场加速，当强电场进入电解液后H2O被分解成H、OH等带电的活性粒子。一个高能H2O+gas能量可高达100eV，而一个高能H2O+gas分子在快离子导体高压电磁能及快离子导体电极的作用下可激发几个H2O分子分解成H2、H2O2、O2，反应过程表示如下：H2O+gas+nH2OnOH+nHH+HH2OH+OHH2O2OH+H2O2HO2+H2OOH+HO2H2O+O2 H+OHH2OH2O+gas进入快离子导体电极（阳极侧）电解液也能通过普通电荷传递产生法拉第产物的O2，反应式如下： H2O+gas+H2OH2O+H2O+OH+H3O+ OH+OHH2O+1/2O2 在非惰性电解质溶液的快离子导体电极等离子体电解反应中，当电解质浓度较高时等离子体中快离子导体的高能活性物种即直接引发电解质的分解。 上述的反应机理证明了快离子导体电极（阳极侧）等离子体电解过程的非法拉第特性，充分说明了快离子导体电极电解反应产生的带电子的活性粒子能降解可与H和OH反应的水中有机污染物。a快离子导体电极降解有机物的机理通过上述理论和研究实验表明，快离子导体电极（阳极侧）等离子体反应产生的OH、H等带电粒子活性物质能引发水溶液中的有机化合物发生羟基化反应。其产生的活性物质组分包括H 、OH、H2O2和H2O，这些组分可以相互作用，也可以与溶液中的底物发生反应。快离子导体电极（阳极侧）所产生的OH是最强的氧化剂之一，它可以无选择的氧化许多水中有机和无机污染物。例如苯酚的降解，首先是苯环被羟基化接着苯环发生氧化破裂生成羧酸，最终有机碳转化为CO2、H2O。在快离子导体电极等离子体降解有机物的研究过程中发现，降解有机物的速率与快离子导体电极极距、电压、溶液pH值、溶液的浓度、快离子导体电极负载的催化剂类型、温度、时间等因素有一定的关系。另一方面的研究表明，在用法拉第电解降解水中有机污染物反应中，降解有机污染物（COD值）去除率60%时所需时间为2-3h，而用快离子导体电极降解有机污染物（COD值）去除率95%所需时间为41min，并在41min内能将有机物彻底矿化，这是因为快离子导体电极与负载的多元素催化剂协同作用，能在极短的时间内产生了大量的能够氧化矿化小分子酸的OH，同时也表明水中有机污染物（COD值）的下降速率依赖于产生的OH，由于快离子导体电极产生H和OH过程中不会生成水合负离子，使OH对水中有机污染物和能被氧化的无机污染物进行无选择性的氧化降解。b快离子导体电极对水中总氮的去除原理污水中的氮主要以氨氮和有机氮的形式存在，通常含有少量或没有亚硝酸盐或硝酸盐形态存在的氮。在未经处理的污水中，氮有可溶性的，也有颗粒状的。可溶性有机氮主要以尿素和氨基酸的形式存在，一小部分颗粒状有机氮通过沉淀分离除去，大部分的颗粒有机氮在快离子导体电极（正极侧）和催化剂协同作用下产生的-OH催化氧化作用转化成氨氮或其他无机氮，在一级快离子导体电磁净水技术及其装置单元的出水中经检测表明大部分的氮是以氨氮的形式存在。污水中的氮在快离子导体电磁净水技术及其装置脱氮-OH的催化氧化和脱氧来实现氮的转化过和，并最终转化成无害气体氮气，其实快离子导体电极脱氮的原理和生物脱氮过程相似，只不过是生物脱氮是利用硝化和反硝化过程中释放的能量作为自身新陈代谢的能源，而快离子导体电极产生的带电子的活性粒子是硝化反硝化过程中的直接能量源。快离子导体电极在污水处理过程氮的转化如图2所示：注:H+H=H2(是个具有很强的聚合还原性带电子的活性物质反应过程)快离子导体电极的除氮过程类似于生物脱氮过程，其反应式如下：系统12级完成催化氧化第一步有机氮转化为氨氮：有机氮+OH（部分降解为CO2、H2O）NH4+第二步氨氮转化为亚硝酸盐：NH4+3/2O2NO2+2H+H2O第三步亚硝酸盐转化为硝酸盐NO2+OH+1/2O2NO3系统3级完成脱氧还原催化NO3+H+H+0.48N2+2.44H2O 有机氮在催化氧化反应中，由于溶解氧是硝化反应过程中的电子受体，因此在OH的作用下N由-3价不断失去电子，不断变成+5价；由于有机污染物和低氧化态的无机污染物在催化氧化反应过程中是一个耗氧反应过程，因此在系统1-2级的反应过程是个OH为主的催化氧化反应过程，也就是类似于生物脱氮的硝化转化过程，只是由快离子导体电极与催化剂协同作用在极短的时间内向系统源源不断提供以HO为主要组分的能量，所以在极短的时间内即可完成有机氮的生物转化过程，因此具有普通生物无法比拟的转化速度和效率。当由系统1-2级的催化氧化的类似生物的硝化过程的富氧反应过渡到系统3级的催化脱氧还原的类似生物反硝过程的缺氧反应，因此在系统三级的反应过程中，快离子导体电极（负极侧）为主反应，主要是利用电极大表面的吸附集氧层对水中的溶解氧进行脱除，在H带电子的活性物质的协同催化脱氧的作用下实现类似于生物反硝化过程的反应，使硝酸盐最终转化为氮气。c、快离子导体电磁能电极对水中磷和磷化合物的去除原理污水中的磷以正磷酸盐、聚合磷酸盐有机磷，而聚合磷酸盐和有机磷占污水中总磷的70%。目前除磷的方法主要有化学絮凝除磷，电解铝、铁生成絮凝物除磷法，生物除磷法；化学絮凝除磷方法简单，除磷效果好，缺点是产生的污泥量大，有二次污染源开形成等缺点。电解铝、铁絮凝除磷法，装置简单，易于控制，除磷率可达到99.5%，同时能去除COD和BOD,电解法的主要缺点是沉淀物生成量大,后处理困难,电极消耗量大,运行费用高。生物除磷法，生物除磷主要是以污泥吸附为主，生物除磷系统中磷的最终去除是通过剩余污泥的排放实现的，因此生物除磷受到一定条件的限期，目前的生物技术除磷效果并不很高，原因是微生物对磷的吸收，既是过量吸收，也是有一限度的，在污泥沉淀池内容易产生磷释放的现象特别是当污泥在沉淀池内停留时间较长时磷释放现象更加明显。快离子导体电极去除水中磷的机理类似于化学絮凝和生物污泥的吸附过程相似，当快离子导体电极在产生高压电磁场时，释放出很高的磁化通量，使水中的阳离子如Ca2+、mg2+、si4+、Fe3+、AI3+在高压磁场的作用下物理化学性质发生变化，可溶液性降低，表现为水溶液中的阳离子量减少，且悬浮固体相应增。在显微镜观察的结果显示，在经快离子导体电极的高压磁场处理后的水溶液有大量的1-3um看似球形的晶粒，晶粒中经测定含有水中总磷量的70%-96%，表明水中的磷以化合的形式同晶体结合成晶粒不溶物而被子沉淀除去。通过浊度试验结果表明，无快离子导体电极产生的高压磁场时诱导时约3min后，溶液才开始缓慢出现沉淀，浊度在接下来的4-8min内增加缓慢，而在快离子导体电极的高压磁场作用下，诱导时间大大缩短，在0.5min内开始出现沉淀，浊度在2min内达到最大值，在5min内达到最大的沉降值。经单元一级和二级处理后的出水进入快离子导体电磁净水技术及其装置单元三级，单元三级中的快离子导体电极被直流电场激活后，快离子导体电极产生高压磁场，同时形成了脱氧催化除氮（参见除氮理论）功能，此时，水中带负电荷的有机污染物减少，水中无机离子得到净化，在快离子导体电磁能等离子体和OH的协同作用下，水中无机离子得到净化矿化成无毒的矿化物后离开电磁能空穴与水中已发生分解断键未被完全氧化的带负电荷的残留有机物常为弱酸性与水中被矿化的带正电荷的无机物质常为弱碱性发生电中和作用，当水离开快离子导体电磁反应腔后由于电磁能的减退生成结实的絮凝体，混有絮凝体的水进入快速浊度净化器后与水体分离净化，或进入沉降池沉淀分离净化，水中的含不溶解性的磷化合物结晶体将同时被分离沉淀去除。d、快离子导体电极对水中重金属元素的去除原理如上论述，在快离子导体电磁能等离子体和OH的协同作用下，水中无机离子得到净化矿化成无毒的矿化物后离开电磁能空穴与水中被矿化的带正电荷的无机物质常为弱碱性发生电中和作用，当水离开快离子导体电磁反应腔后由于电磁能的减退生成结实的絮凝体，混有絮凝体的水进入沉降池沉淀分离净化，水中的无机污染物被分离沉淀去除。e、快离子导体电极杀菌、灭藻原理水中的藻类种类很多，主要是因水体的富营养化所致，快离子导体电极在发生高压电磁场时，所产生的带电粒子OH等活性物质均有对生物体细胞具有强大的杀伤力，能使藻类细胞破裂和失水，最后萎缩死亡，死亡的藻类形成絮体被沉淀分离除去，同时快离子导体电极在有电场的作用下不断产生带电粒子OH等活性物质对水体的藻类生长和繁殖有显著的预防和控制作用。 第三章 主要处理单元设计 3.1 主要设备设计（1）配套设备高效净化器型号：QLJ-800钢塑结构，数量1台水泵A、提升泵（自吸式离心泵）型号：32ZW10-20B、提升泵（管道式离心泵）型号；40SG60-20C、循环泵（管道式离心泵）型号：40SG60-20D、溶气泵(自吸式精密涡流泵)型号；40NED-22电磁阀：型号：DN40-DC24V流量计(玻璃转子流量计)（2）主要设备电磁能反应器 （自制） 型号：YJD/FZ006(外套钢塑结构)快离子导体电催化装置（自制） 型号：YJD/BG-K006（外型钢塑结构）模拟生物电性膜电催化装置（自制） 型号: YJD/BG-I006型 （外型钢塑结构）（3）电器设备电器控制柜（自制）： 数量1套直流电源 （自制）： 数量2组（4）管件阀门 型号: DN40型号: DN32 型号：DN40 3.2 供配电（1）用电负荷：根据计算，本处理系统总装机容量约16KW。（2）供电电源：目前按两路由电力公司提供380/220V电源。为了保证供电的可靠性和连续性，低压配电系统采用单母线结线方式。对所有配电回路采用放射式供电。（3）用电负荷计算(41.7m3/h):表5 主体用电设备负荷一览表序号名 称耗电部件数量功率（KW）运行台数装机容量使用功率1高效净化器提升泵2台22122132电磁能反应器电源1台11113快离子导体电催化装置直流电源提升泵1个单元2607.511607.5365循环泵27.517.554模拟生物电性膜电催化装置溶气泵直流电源212241122413245电控柜电源1套11116合计125125987吨水电耗2.35kw（4）电机启动方式及控制方式本装置中所有水泵马达均采用直接启动方式。本水处理系统根据工艺自控要求，主要用电设备采用自动控制和现场手动控制两种运行方式。在现场控制箱上设有开、停按钮和手动、自动转换开关及电流表1只以及红绿色指示灯，根据不同情况进行不同场合的操作，当开关处于自动位置时，设备按自动程序自动运行，当开关处于手动位置时，操作人员只能在现场就地开停设备，但不论以何种方式运行，用电设备的运行状态、故障、信号，如有需要都将故障信号反应到电控柜控制面板上，这样的控制方式可以最大限度保证水处理系统的安全运行。（6）电缆敷设电力线路全部为电缆线路（7）安全接地：本装置设备需要设有独立的接地装置。