废水再生及回用处理方法研究进展

PAGE1PAGE4废水再生及回用处理方法进展曹仲宏赵乐军胡大卫（天津市市政工程设计研究院，天津300051）摘要：为满足再生水回用的水质标准和保护公众健康，再生水经过常规生物处理（二级处理）后还要采用混凝、沉淀、过滤、化学氧化、活性炭吸附、消毒、膜处理和/或连续厌氧－好氧生物处理等工艺进行深度处理。本文就国外深度处理方法的最新研究进展进行了综述。关键词：废水再生；废水回用；常规处理；深度处理；工艺优化组合人口的持续增长，生活水平的不断提高，工业化及城市化均加剧了水环境的污染，使水越来越成为一种有限的资源。回收、再生(reclamation)废水并回用(reuse)，使废水成为一种替代水源不仅能减少对清洁水的需求，从而亦可减轻对水环境的污染。将再生的废水用于工业冷却水，景观，农业灌溉，地下水回灌，生活杂用水及环境用途（如娱乐等），是水回用的最新趋势。这些方面的应用通常要求对回用水进行三级处理或深度处理。但在回用的同时亦增加了公众与再生水接触的可能性，因此，确保微生物学，特别是病毒学和寄生虫学上的安全就显得极为重要。本文拟就近年来国外废水再生及回用处理方法的研究进展做一综述。1.常规处理所谓常规处理是指以去除悬浮物为目的的处理方法。常规处理作为饮用水处理有两个严重缺陷：一个是去除悬浮物的功能不全，另一个是无去除溶解物质的功能。现代的饮用水处理流程，是在结合原水的水质特点下，综合考虑以下两类处理功能的效果制定的：在强化常规处理功能的基础上增加去除悬浮物的有关单元方法；增加去除水中溶解物质的单元方法，并控制消毒副产物等附加水处理产物的浓度[1]。与常规废水处理相同，不同程度的水再生和水回用处理一般分为预处理、初级处理、二级处理、三级处理或深度处理。预处理、一级处理及二级处理通常着眼于水污染控制，而三级处理或深度处理则着重于对水回用的处理需求上。更进一步的废水再生技术如活性炭吸附，深度氧化，反渗透等可生产出比常规饮用水水质更好的再生水。用于废水再生、回收、回用中的主要处理单元如表1所示[2]。表1.废水再生中的单元操作与工艺工艺过程说明作用固液分离凝聚作用投加化学物质使胶体和悬浮物脱稳促进颗粒物脱稳，从而增强絮凝作用，增强固体物的去除絮凝作用颗粒物聚合固液分离后颗粒物的凝聚作用过滤以粒状滤料去除颗粒污染物去除3µm以上的颗粒物沉淀颗粒物、化学絮凝物，沉淀物的重力沉降固液分离生物处理好氧生物处理在好氧池中微生物对废水及固体污染物进行生物代谢通过合成微生物细胞和CO2、H2O,从废水中去除有机物氧化塘混合水深0.6－0.9米，藻类可进行氧化合成作用，阳光可透射的水塘减少悬浮物、COD、大肠菌、氨消毒用有氧化作用的化学物、紫外光、苛性化学物、热或物理分离灭活或去除病原微生物保护公众健康深度处理活性炭将污染物以物理作用吸附到活性炭表面去除疏水性有机化合物空气吹脱强制空气由下向上穿过布散成小水珠的废水以带走废水中的氨及挥发性有机物去除氨氮和一些挥发性有机物离子交换水流通过反应器时，废水和交换树脂之间发生离子交换软化及去除选定的离子污染物，有效去除钙、镁等阳离子及硝酸根等阴离子石灰处理高pH下用石灰沉淀不同的阳离子、金属用于稳定经石灰处理过的水，以减小水垢形成的可能膜处理和反渗透以压力推动的膜处理从水中分离杂物、胶体、离子，膜处理是基于分子分散或分子大小的分离方法在给水或废水中去除杂物、细菌、病毒、溶解盐2.废水再生的工艺组合废水再生和回用系统应是能够满足回用水水质标准且整体上经济有效的处理工艺组合。废水的最终回用要求将各组合工艺相互有机排列以保证在可负担费用下的安全供水。在城市水回用中意味着在有效的处理过程中将技术上最可行又最经济有效的“废水”处理技术和“给水”处理技术组合起来。如果回用以饮用为目的，处理系统中通常要使用给水处理技术体系以保证其安全性。废水再生处理系统要达到的处理程度随特定用途和有关水质要求而变化。目前应用的大多数业中用来进行有机溶解物的选择性去除和浓缩。活性炭吸附对去除地表水源和地下水源的疏水性有机化合物有很好的效果。像有机溶剂这一类低水溶性的化合物，因它们的低水溶性，因而可被活性炭吸附。水溶性化合物和粒径更大的化合物则以氧化或超滤等处理方式可更好地去除。在生活污水中，溶解性有机化合物的主要成分是蛋白质、碳水化合物和阴离子表面活性剂。在经过二级处理的城市污水中的溶解性有机物多是丹宁、木质素、黑腐酸等难降解的有机物，对城市污水中这些有机物，用生物处理技术是难以去除的，也还没有比较成熟的技术。当前从经济和技术可行性方面考虑，采用活性炭吸附和臭氧氧化法是适宜的，通过活性炭的吸附，还能去除表面活性剂、色度、重金属和余氯等[7]。3.4膜处理在深度处理工艺中，膜处理已成为一种很有前途的常规的物理－化学深度处理的替代方法。从微滤到反渗透的膜处理，因膜生物反应器相对合理的成本，及其对微量有机物、特殊离子、溶解固体的去除作用，为其进一步的应用开辟了道路。膜处理包括：微滤(MF)，超滤(UF)，纳滤(NF)，反渗透(RO)及电渗析。微滤在去除颗粒物方面有与常规处理的粒状滤料过滤相当的效果。超滤对去除颗粒物和大分子有良好的效果。纳滤和反渗透可去除溶解离子。尽管膜有多种用途，但膜使用寿命的延长取决于避免引起腐臭、结垢或相互化学作用的情况。膜处理的成功与否很大程度上取决于是否有适当的前处理。前处理的选择包括对粗颗粒的过滤去除、结垢的控制、化学添加物的使用。膜后处理有水pH值（防腐蚀）稳定及空气吹脱等[8]。表3总结了膜孔径及这些膜分离处理的相关目标污染物。表3.膜孔径及目标污染物、适用压力膜处理平均膜孔径（nm）目标污染物适用压力(atm)微滤(MF)200悬浮固体、浊度及病原体1－3超滤(UF)2－50大分子、病毒、胶体和蛋白质2－7纳滤(NF)2色度、有机物、杀虫剂及金属5－20反渗透(RO)1溶解固体、硝酸盐和放射性核素30－150膜技术发展的另一个令人感兴趣的领域是生物－膜工艺。生物－膜工艺有三种：萃取系统，固定膜系统，过滤系统。在生物－膜工艺中，膜作为一个屏障，一方面可使选择性的溶解物通过，另一方面增强生物膜的附着和/或限制微生物通过。3.5消毒消毒是许多废水再生与回用系统中必不可少的组成部分。消毒处理的目的是灭活或杀灭病原微生物。在一个处理系统中，消毒通常被用作最后的一道处理工艺。化学消毒是向废水中加入强氧化性化学物质，如氯(Cl2)、臭氧(O3)、过氧化氢(H2O2)、二氧化氯（ClO2）或溴。紫外线放射消毒是氧化消毒的一种替代方法。其他降低再生水中微生物数量的消毒方法还有石灰处理法（是将病原微生物置于高pH的环境中从而将其杀死的一类方法）。另外，微生物还可以以物理方法有效去除，如膜过滤系统[9]。消毒体系中最普遍采用的是氯消毒。氯剂量一般为5－15mg/L，接触时间30min到2h。为防止对下游用水产生不良影响，在废水回用中去除余氯是非常重要的，通常脱氯被用作最后一步。脱氯通常是用SO2或其他脱除剂来完成的。紫外消毒是一种行之有效的化学消毒的替代方法，辐射量为100－120mWs/cm2或更高。紫外消毒的效果受水浊度和紫外灯强度的影响，灯强度亦会因灯的使用时间及水的发臭腐败特性而减弱[10]。为防止因颗粒物藏纳病原微生物而降低紫外消毒效果，上游过滤是必不可少的。3.6连续厌氧－好氧生物处理过去十年中，生物处理已取得很多方面的进展。传统上，好氧处理用来减少BOD，但通常情况下，如好氧处理不与厌氧或缺氧处理组合，就不可能在去除BOD的同时去除其他污染物。国外研究表明，缺氧和厌氧处理为诸如生物磷、氮和许多对好氧处理系统来说有毒的有机物的转化提供了条件。尽管厌氧处理通常不能完成有毒有机物的完全矿化，但厌氧系统生物转化有毒有机物为在好氧环境更易降解的形式，大大扩展了生物系统处理有机废物的能力。厌氧处理作为好氧处理的前处理措施，在降低难处理有机物的毒性方面通常是有益的，但也存在许多问题。这些问题包括厌氧处理对冲击负荷和变化的底物负荷的敏感性，以及厌氧处理需要较长时间保持自然慢速生长的厌氧细胞种群。例如，慢速生长的厌氧系统经受不起对快速生长的好氧系统来说很平常的细胞物质的损失。冲击负荷问题在大的系统中通常以均质池来克服，更新的方法是采用可经受大范围变化的底物负荷的慢流系统，这种方法之一是在回收厌氧生物反应器的封闭循环系统中采用颗粒活性炭（GAC）吸附柱控制反应室中抑制性化合物浓度。增加污泥生物量的停留时间可通过反应器提供合适的细胞附着手段如砂、GAC或聚合物膜来实现。业已证明，GAC特别有利于处理难处理和/或有毒的有机废物，这是因为GAC有减弱进水中化学物高浓度变化的能力，从而提高了处理效果[11]。表4简要总结了深度处理技术及各自最适合处理的污染物种类。表4.深度处理的生物及物理－化学处理工艺目标污染物An/ABioBio-MCOXGACPOLYMF-UFRO溶解固体＊＊悬浮固体＊＊＊BOD＊＊＊＊＊病原体＊＊＊非挥发性有机物＊＊＊＊＊挥发性有机物＊＊＊＊＊＊金属＊＊An/ABio=Anaerobic/AerobicBio-Processes厌氧/好氧生物处理；Bio-M=Bio-Membranes生物膜；COX=ChemicalOxidation化学氧化；GAC=GranularActivatedCarbonAdsorption粒状活性炭吸附；POLY=SyntheticPolymerAdsorption合成聚合物吸附；MF-UF=MicrofiltrationandUltrafiltration微滤及超滤；RO=ReverseOsmosis反渗透。注：表中＊表示此种污染物可以该种处理方法去除4.结语以上主要从处理单元方面对近年来国外的废水再生及回用处理方法的研究进展进行了综述。设计废水再生及回用系统，首先要考虑每一个处理单元运行的可靠性，更重要的是要使处理系统在满足回用水水质的前提下保证经济、安全可靠的供水，因此，对各种处理工艺进行“优化组合”，将技术上最可行又最经济有效的“废水”处理技术和“给水”处理技术优化组合起来，就显得尤为重要。再生水处理技术手段研究已取得了重大进展，更进一步的水回用研究包括以下一些关键问题[11]:与微量有机物相关的健康风险评价；改进评估微生物特性的检测手段；应用膜处理生产高质量的再生水；再生水贮存对水质影响的评价；再生水中微生物、化学、有机污染物的归趋的评价；土壤含水层处理系统长期可持续能力的评价。参考文献[1]许葆玖，给水处理理论，中国建筑工业出版社，2000年，北京，93－122。[2]RafaelMujeiegoandTakashiAsano.TheRoleofAdvancedTreatmentinWastewaterReclamationandReuse.Wat.Sci.Tech.,1999,Vol.40,No.4-5,1-9.[3]W.J.Weber,Jr.andE.J.LeBoeuf.ProcessesforAdvancedTreatmentofWater..Wat.Sci.Tech.,1999,Vol.40,No.4-5,11-19.[4]AvnerAinandTkashiAano.theRoleofPhysical-ChemicalTreatmentinWastewaterReclamationandReuse.,1998,Wat.Sci.Tech.Vol.37,No.10,79-90.[5]D.Abdessemed,G.Nezzal,R.BenAim.Coagulation-UltrafiltrationforWastewaterTreatmentandReuse.Desalination,2000,Vol.131,307-314.[6]D.R.F.HarlemanandS.Murcott.theRoleofPhysical-ChemicalTreatmentintheMega-CitiesoftheDevelopingWorld.1999,Wat.Sci.Tech.vol.40,No.4-5,75-80.[7]张自杰，林荣忱，金儒霖，排水工程（下册）（第四版），中国建筑工业出版社，2000年，北京，296－297。[8]YasomotoMagara,ShoichiKunikaneandMasakiItoh.AdvancedMembraneTechnologyforApplicationtoWater,1998,Treatment.Wat.Sci.Tech.Vol.37,No.10,91-99.[9]L.LibertiandM.Notarnicocola.AdvancedTreatmentandDisinfectionforMunicipalWastewaterReuseinAgriculture.1999,Wat.Sci.Tech.Vol.40,No.4-5,235-245.[10]V.Lazarova,P.S