回用污水處理工程及技術(shù)進(jìn)展

摘　要:總結回用污水處理發(fā)展歷程及幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)(膜分離、膜生物反應器、臭氧、生物活性炭、臭氧- 生物活性炭)的產(chǎn)生、發(fā)展及應用。隨回用污水處理技術(shù)的進(jìn)步,膜材料成本不斷降低、臭氧發(fā)生器效率更高、生物活性炭技術(shù)與其它技術(shù)集成、新型MBR技術(shù)的成功,將使污水回用率不斷上升。

關(guān)鍵詞:污水;回用;技術(shù);進(jìn)展 　

水是生命之源,生存之本。為解決人類(lèi)生產(chǎn)生活等方面的水資源供求矛盾,回用污水處理技術(shù)應運而生。將外排污水處理后回用,為人類(lèi)開(kāi)辟第二水源,是實(shí)現社會(huì )可持續發(fā)展的重要途徑。污水回用包括回用污水的處理和回用兩個(gè)主要方面。隨污水回用領(lǐng)域的擴展,對水質(zhì)提出了更高的要求;水質(zhì)標準的日益嚴格推動(dòng)了回用污水處理技術(shù)發(fā)展;回用污水處理技術(shù)發(fā)展反過(guò)來(lái)擴大了污水回用領(lǐng)域。因此,對回用污水處理技術(shù)進(jìn)行認真總結和分析,找出技術(shù)發(fā)展的內在規律,對推動(dòng)污水回用健康、科學(xué)地向前發(fā)展,具有重要指導作用。

1　回用污水處理工程進(jìn)展

1.1　國外回用污水處理工程進(jìn)展

國外回用污水處理起步于20世紀早期[ 1 ] ,美國的加利福尼亞最先提出污水的回收與再利用, 并于1918年公布了第一項有關(guān)污水回用的規章。最早的回用污水處理工程是20世紀20年代末,亞利桑那州和加利福尼亞州將污水處理后回用于農田灌溉。1942 年[ 2 ] 馬里蘭州的巴爾的摩市將 Back River經(jīng)過(guò)活性污泥和加氯殺菌后產(chǎn)生的 16 200 m3 /h的水供給伯利恒鋼鐵廠(chǎng)用于工業(yè)生產(chǎn)。城市污水回用處理始于1960年,十年后形成規模,目前已有357個(gè)城市建設了536個(gè)回用點(diǎn), 每年回用污水處理量達94 ×108m3。

日本[ 3 ]早在1951年就實(shí)驗性地將東京Mika2 washima污水處理廠(chǎng)的外排污水處理后回用到造紙工業(yè)用水。1964年的嚴重干旱加快了污水回用步伐,處理后的污水回用于東京和名古屋工業(yè)用水以及糞便處理設施。到1996年日本回用污水量達到48 ×104 m3 /d,回用污水處理廠(chǎng)162個(gè)(占總水處理廠(chǎng)13 % ) 。

以色列是世界上人均污水回用量最高的國家[ 4 ] ,污水回用于農業(yè)比例達65 % ～70 % ,居世界第一。早在20世紀60年代,以色列便把污水回用列為一項國策。至1987年,全國已建成210 個(gè)市政回用污水處理工程,城市污水回用率達 72 %。達恩地區[ 5 ]建有以色列最大的水處理及回收裝置,污水處理量113 ×108m3 /年,經(jīng)進(jìn)一步生物處理除去N、P后回灌地下,占總灌溉用水量的50 %。

納米比亞首都溫得和克[ 6 ]于1969 年建成了世界第一個(gè)市政污水回用做直接飲用水項目,將處理后的城市污水經(jīng)過(guò)混凝、溶解氧浮選、快速砂濾、粒狀活性炭吸附和加氯殺菌,每天向居民提供 4 800 m3的飲用水, 1995年又將規模擴大到21 000 m3 /d,以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的人口對飲用水的需求。

南非Sasol[ 7 ]是世界上規模最大的以煤為原料生產(chǎn)合成油及化工產(chǎn)品的化工廠(chǎng), Sasol二廠(chǎng)和 Sasol三廠(chǎng)自1982年建成之日起就力爭減少新鮮水使用量和排污量。用蒸發(fā)器和儲存壩取代雙濾料過(guò)濾、炭吸附和離子交換,蒸發(fā)器的蒸餾液回用于鍋爐,濃縮廢水被送到濃縮池,經(jīng)活性污泥法處理后回用于冷卻水系統。隨后又致力于縮減大型灰沉淀池中的蓄水量,經(jīng)過(guò)12年實(shí)踐,儲存壩水位以 3 640～5 915 m3 /d的速度增長(cháng)。1995年開(kāi)始規�；瘧�用反滲透技術(shù),將產(chǎn)生的13 650 m3 /d的水作為原水。

通用電氣公司[ 8 ]于2001年5月在科威特Su2 laibiya建成世界上最大的回用污水處理裝置。該工程采用超濾加反滲透工藝,將38 ×104m3 /d的二級處理污水轉化為32 ×104m3 /d的回用水,在用于農業(yè)生產(chǎn)之余為居民提供了一個(gè)可選擇的飲用水源。

歐洲等一些水資源相對充足的發(fā)達國家,工業(yè)污水回用處理實(shí)例很少,是因為這些國家的節水工作從源頭做起,產(chǎn)生的污水量達不到回用規模[ 9 ] ;城市污水處理后主要回用于廁所沖洗和公園、綠地、高爾夫球場(chǎng)的灌溉[ 10 ] 。比利時(shí)佛蘭德斯建有歐洲唯一的一個(gè)用來(lái)生產(chǎn)飲用水的回用污水處理工程,兩個(gè)大規模的污水回灌地下工程[ 11 ]分別位于巴塞羅那和倫敦北部。

表1　世界大型回用污水處理工程[ 12]

1.2　國內回用污水處理工程

我國回用污水處理起步相對較晚,開(kāi)始時(shí)只將污水用于灌溉農田,真正實(shí)現污水回用是1992 年大連建成的回用污水處理示范工程。近年來(lái)隨著(zhù)人們環(huán)保意識的不斷增強,大批城市污水處理設施相繼建成,到2001年底,全國共建成城市污水處理廠(chǎng)452座,其中二、三級污水處理廠(chǎng)307座,每天提供可供回用的污水1 475 ×104m3 , 2006年達到4 000 ×104m3 /d。為了迎接奧運,北京市力爭到 2008年實(shí)現污水處理率90 % , 回用率50 %的目標。

表2　我國部分城市污水處理廠(chǎng)的回用處理項目

相比于城市污水,工業(yè)回用污水處理要復雜得多。石油、化工、電力、鋼鐵等行業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)決定了污水水質(zhì)比城市污水更復雜,且因行業(yè)而異,經(jīng)過(guò)二級處理后的污水雖然能達到外排標準,但仍殘留一定數量的有機和無(wú)機污染物、細菌、病毒及重金屬離子等有毒有害物質(zhì),一般需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理才能回用。目前大多數工業(yè)企業(yè)將回用污水處理后,作循環(huán)冷卻水系統補水以及鍋爐水系統給水。

表3　我國工業(yè)污水回用處理工程實(shí)例

2　回用污水處理技術(shù)進(jìn)展

回用污水處理技術(shù)包括適度處理技術(shù)和深度處理技術(shù)。經(jīng)二級處理的城市污水水質(zhì)較好,采用混凝、沉淀、過(guò)濾和消毒等技術(shù)處理后即可回用到對水質(zhì)要求不高的循環(huán)水等系統;而對于水質(zhì)比較復雜的工業(yè)污水,經(jīng)二級處理后雖然能滿(mǎn)足排放標準,但主要水質(zhì)指標仍不滿(mǎn)足回用要求,需要做進(jìn)一步處理才能回用。目前,工業(yè)達標外排污水深度處理技術(shù)有膜分離、膜生物反應器、活性炭吸附、臭氧氧化、生物接觸氧化等。有廢水需要處理的單位，也可以到污水寶項目服務(wù)平臺咨詢(xún)具備類(lèi)似污水處理經(jīng)驗的企業(yè)。

2.1　膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)主要是利用水分子和污染物具有不同的透過(guò)性,在外力作用下使二者分離。膜分離技術(shù)因具有能耗低、分離效率高、裝置緊湊、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),廣泛應用于飲用水處理、污水處理、食品、生物技術(shù)、醫藥、化工等行業(yè)。根據膜材料孔徑的大小,分為微濾(MF) 、超濾(UF) 、納濾 (NF)和反滲透(RO)膜。

1950年德國的SartoriusWerke GmbH首次將微濾膜實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn)[ 13 ] , 1953年美國佛羅里達大學(xué)的Charles Reid教授提出反滲透海水淡化方案,并在美國鹽水局的資助下進(jìn)行了開(kāi)拓性研究, 結果證明,利用醋酸纖維素商品膜可以從海水中制取淡水。20世紀80年代,微濾和超濾開(kāi)始用于水處理, 1988 年法國在A(yíng)ubergenville建成了第一個(gè)處理飲用水的超濾裝置,設計能力160 m3 /d,目前已擴大至10 ×104 m3 /d。2002 年法國[ 14 ]首次利用納濾生產(chǎn)14 ×104m3 /d的飲用水。反滲透主要用于海水淡化和飲用水處理,世界最大的淡化裝置位于美國亞利桑那州的尤馬, 日處理量為 25 ×104m3。但建設海水淡化裝置最多的地區是中東,數量占世界總量的2 /3。

為了解決膜污染問(wèn)題,人們在研制抗污染膜、優(yōu)化操作條件、增加預處理和膜清洗等方面進(jìn)行了大量的研究工作,使膜的使用壽命不斷延長(cháng),目前已成功應用于城市污水處理,并正向工業(yè)污水處理方向發(fā)展。
2.2　膜生物反應器(M BR)技術(shù)

將分離效果高的膜分離技術(shù)與廢水生物處理技術(shù)相結合衍生的膜生物反應器(Membrane Bioreac2 tor,簡(jiǎn)稱(chēng)MBR)技術(shù),克服了傳統生物處理工藝出水水質(zhì)不夠理想、效率低、能耗高、剩余污泥產(chǎn)量大等缺陷,用膜組件代替傳統活性污泥法中的沉淀池,泥水分離效果更好,且有利于保持生化池較高的生物量和較長(cháng)的污泥齡,提高生化降解能力。
1966年美國Dorroliver公司首先研究將MBR 用于污水處理,隨后Smith等將MBR 用于處理城市污水。1989年?yáng)|京大學(xué)的Yamamtoto發(fā)明了一體式MBR,即將膜組件置入生物反應器內,取消了循環(huán)泵,大大降低了運行能耗[ 15 ] ,是MBR用于污水處理的重大突破。20世紀90年代中后期MBR 在歐洲和我國開(kāi)始應用。目前,全世界已有超過(guò) 1000套MBR裝置用于城市污水回用處理,并開(kāi)始應用于工業(yè)污水回用處理。

MBR裝置雖然在城市污水回用處理中得到了大規模的推廣應用,但由于工業(yè)污水污染程度高、水質(zhì)復雜,易使膜產(chǎn)生污堵,導致膜的使用壽命大大縮短,再加上膜的成本較高等不足,阻礙了MBR 在工業(yè)污水回用處理中的應用。因而,進(jìn)一步提高膜的抗污染能力和機械強度,是MBR大規模用于工業(yè)污水回用處理需要解決的主要問(wèn)題。

2.3　臭氧處理技術(shù)[ 16]

臭氧的強氧化性對污水同時(shí)具有殺菌、降低 COD和脫色除臭作用。1840年德國科學(xué)家舒貝因發(fā)現了臭氧,在隨后開(kāi)始對臭氧性質(zhì)的研究中,人們發(fā)現臭氧具有很強的氧化性。1868年德國人格貝斯利用臭氧將煤焦油混合物氧化成適合于涂料和油漆使用的產(chǎn)品, 1873年臭氧被用于食鹽精制和亞麻漂白。1886年Meritens率先提出利用臭氧處理污水的可行性[ 17 ] 。美國最先于20世紀70年代初利用臭氧處理生活污水, 80年代初將其用于循環(huán)冷卻水處理。我國于1977年在昆明建成最大臭氧消毒水廠(chǎng)。比利時(shí)[ 11 ]利用臭氧對處理后的污水進(jìn)行殺菌, 回用于工業(yè)生產(chǎn),意大利則是回用于間接農業(yè)灌溉。

臭氧雖然對微生物等具有極強的殺滅效果和較好的COD去除作用,但對氨氮去除效果較差,對醇類(lèi)、醛類(lèi)、醚類(lèi)及烴類(lèi)化合物氧化能力也較弱; 運行能耗較高、投資較大,特別是國內制造的大型臭氧發(fā)生器存在效率較低、放電管壽命較短、價(jià)格較為昂貴的不足、以及尾氣處理等問(wèn)題,使臭氧技術(shù)用于回用污水處理受到限制。因此開(kāi)發(fā)效率高、能耗低、壽命長(cháng)的臭氧發(fā)生裝置是臭氧處理技術(shù)迫切需要解決的問(wèn)題。同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

2.4　生物活性炭技術(shù)

生物活性炭(Biological activated carbon, 簡(jiǎn)稱(chēng) BAC)技術(shù)是生物技術(shù)與物理吸附技術(shù)結合產(chǎn)生的新技術(shù)[18 ] ,它既利用活性炭巨大的比表面積和發(fā)達的孔隙結構吸附水中溶解氧和有機污染物,又利用活性炭作為微生物聚集和繁殖的載體,從而提高微生物生物降解作用。

BAC是在顆粒狀活性炭(Granular acti2 vated carbon,簡(jiǎn)稱(chēng)GAC)的基礎上發(fā)展而來(lái)[19 ]。我國上世紀80年代開(kāi)始進(jìn)行BAC技術(shù)研究, 1997年寶鋼集團采用SBR - BAC工藝在各廠(chǎng)區內陸續建起了十多套800 m3 /d的污水處理裝置和回用裝置,出水用于廠(chǎng)區綠化和循環(huán)冷卻水補充水,后又分別在其他各廠(chǎng)區陸續建成處理規模分別為300 m3 /d, 500 m3 /d及 800 m3 /d的十多套處理裝置。 BAC技術(shù)的不足主要表現在:微生物過(guò)度繁殖造成濾料堵塞,增加反應器內水頭損失,從而增加反沖洗頻率、運行和管理難度;活性炭在降低有毒物質(zhì)對微生物抑制作用的同時(shí)也保護了病原性微生物,影響水質(zhì)安全。因此, BAC技術(shù)與其它技術(shù)聯(lián)用是發(fā)展方向。

2.5　臭氧- 生物活性炭技術(shù)

臭氧- 生物活性炭組合技術(shù)是利用臭氧將能夠直接氧化去除的污染物直接氧化去除,不能直接去除的大分子有機物分解成可生物降解的小分子有機物;同時(shí)臭氧分解產(chǎn)生的氧氣為附著(zhù)在活性炭上微生物的生物降解提供了充足的溶解氧[ 20 ] 。我國開(kāi)展臭氧- 生物活性炭技術(shù)的研究工作也較早,但發(fā)展緩慢,僅在少數幾個(gè)水廠(chǎng)有應用,如1995年初中石化工程建設公司將臭氧- 活性炭技術(shù)應用于大慶石化總廠(chǎng)兩個(gè)生活水廠(chǎng),工程建成投產(chǎn)多年以來(lái)運行良好,出水水質(zhì)均達到設計指標。

3　結　語(yǔ)

隨著(zhù)水資源供求矛盾的加劇和水環(huán)境保護要求的日趨嚴格,污水回用的重要性更加凸顯,迫使人們開(kāi)發(fā)處理效果更好、適用水質(zhì)更寬、投資更少、運行成本更低、操作更簡(jiǎn)單的回用污水處理技術(shù)�？梢灶A見(jiàn)成本更低、抗污染能力更強的新型膜材料將進(jìn)一步推動(dòng)膜分離技術(shù)在回用污水處理中的應用,不同單元技術(shù)的組合工藝將更加科學(xué)、合理。

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