回用污水处理工程及技术进展
摘 要:总结回用污水处理发展历程及几个关键技术(膜分离、膜生物反应器、臭氧、生物活性炭、臭氧- 生物活性炭)的产生、发展及应用。随回用污水处理技术的进步,膜材料成本不断降低、臭氧发生器效率更高、生物活性炭技术与其它技术集成、新型MBR技术的成功,将使污水回用率不断上升。
关键词:污水;回用;技术;进展
水是生命之源,生存之本。为解决人类生产生活等方面的水资源供求矛盾,回用污水处理技术应运而生。将外排污水处理后回用,为人类开辟第二水源,是实现社会可持续发展的重要途径。污水回用包括回用污水的处理和回用两个主要方面。随污水回用领域的扩展,对水质提出了更高的要求;水质标准的日益严格推动了回用污水处理技术发展;回用污水处理技术发展反过来扩大了污水回用领域。因此,对回用污水处理技术进行认真总结和分析,找出技术发展的内在规律,对推动污水回用健康、科学地向前发展,具有重要指导作用。
1 回用污水处理工程进展
1.1 国外回用污水处理工程进展
国外回用污水处理起步于20世纪早期[ 1 ] ,美国的加利福尼亚最先提出污水的回收与再利用, 并于1918年公布了第一项有关污水回用的规章。最早的回用污水处理工程是20世纪20年代末,亚利桑那州和加利福尼亚州将污水处理后回用于农田灌溉。1942 年[ 2 ] 马里兰州的巴尔的摩市将 Back River经过活性污泥和加氯杀菌后产生的 16 200 m3 /h的水供给伯利恒钢铁厂用于工业生产。城市污水回用处理始于1960年,十年后形成规模,目前已有357个城市建设了536个回用点, 每年回用污水处理量达94 ×108m3。
日本[ 3 ]早在1951年就实验性地将东京Mika2 washima污水处理厂的外排污水处理后回用到造纸工业用水。1964年的严重干旱加快了污水回用步伐,处理后的污水回用于东京和名古屋工业用水以及粪便处理设施。到1996年日本回用污水量达到48 ×104 m3 /d,回用污水处理厂162个(占总水处理厂13 % ) 。
以色列是世界上人均污水回用量最高的国家[ 4 ] ,污水回用于农业比例达65 % ～70 % ,居世界第一。早在20世纪60年代,以色列便把污水回用列为一项国策。至1987年,全国已建成210 个市政回用污水处理工程,城市污水回用率达 72 %。达恩地区[ 5 ]建有以色列最大的水处理及回收装置,污水处理量113 ×108m3 /年,经进一步生物处理除去N、P后回灌地下,占总灌溉用水量的50 %。
纳米比亚首都温得和克[ 6 ]于1969 年建成了世界第一个市政污水回用做直接饮用水项目,将处理后的城市污水经过混凝、溶解氧浮选、快速砂滤、粒状活性炭吸附和加氯杀菌,每天向居民提供 4 800 m3的饮用水, 1995年又将规模扩大到21 000 m3 /d,以满足不断增长的人口对饮用水的需求。
南非Sasol[ 7 ]是世界上规模最大的以煤为原料生产合成油及化工产品的化工厂, Sasol二厂和 Sasol三厂自1982年建成之日起就力争减少新鲜水使用量和排污量。用蒸发器和储存坝取代双滤料过滤、炭吸附和离子交换,蒸发器的蒸馏液回用于锅炉,浓缩废水被送到浓缩池,经活性污泥法处理后回用于冷却水系统。随后又致力于缩减大型灰沉淀池中的蓄水量,经过12年实践,储存坝水位以 3 640～5 915 m3 /d的速度增长。1995年开始规模化应用反渗透技术,将产生的13 650 m3 /d的水作为原水。
通用电气公司[ 8 ]于2001年5月在科威特Su2 laibiya建成世界上最大的回用污水处理装置。该工程采用超滤加反渗透工艺,将38 ×104m3 /d的二级处理污水转化为32 ×104m3 /d的回用水,在用于农业生产之余为居民提供了一个可选择的饮用水源。
欧洲等一些水资源相对充足的发达国家,工业污水回用处理实例很少,是因为这些国家的节水工作从源头做起,产生的污水量达不到回用规模[ 9 ] ;城市污水处理后主要回用于厕所冲洗和公园、绿地、高尔夫球场的灌溉[ 10 ] 。比利时佛兰德斯建有欧洲唯一的一个用来生产饮用水的回用污水处理工程,两个大规模的污水回灌地下工程[ 11 ]分别位于巴塞罗那和伦敦北部。
| 表1 世界大型回用污水处理工程[ 12] |
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1.2 国内回用污水处理工程
我国回用污水处理起步相对较晚,开始时只将污水用于灌溉农田,真正实现污水回用是1992 年大连建成的回用污水处理示范工程。近年来随着人们环保意识的不断增强,大批城市污水处理设施相继建成,到2001年底,全国共建成城市污水处理厂452座,其中二、三级污水处理厂307座,每天提供可供回用的污水1 475 ×104m3 , 2006年达到4 000 ×104m3 /d。为了迎接奥运,北京市力争到 2008年实现污水处理率90 % , 回用率50 %的目标。
| 表2 我国部分城市污水处理厂的回用处理项目 |
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相比于城市污水,工业回用污水处理要复杂得多。石油、化工、电力、钢铁等行业生产特点决定了污水水质比城市污水更复杂,且因行业而异,经过二级处理后的污水虽然能达到外排标准,但仍残留一定数量的有机和无机污染物、细菌、病毒及重金属离子等有毒有害物质,一般需要经过进一步处理才能回用。目前大多数工业企业将回用污水处理后,作循环冷却水系统补水以及锅炉水系统给水。
| 表3 我国工业污水回用处理工程实例 |
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2 回用污水处理技术进展
回用污水处理技术包括适度处理技术和深度处理技术。经二级处理的城市污水水质较好,采用混凝、沉淀、过滤和消毒等技术处理后即可回用到对水质要求不高的循环水等系统;而对于水质比较复杂的工业污水,经二级处理后虽然能满足排放标准,但主要水质指标仍不满足回用要求,需要做进一步处理才能回用。目前,工业达标外排污水深度处理技术有膜分离、膜生物反应器、活性炭吸附、臭氧氧化、生物接触氧化等。
2.1 膜分离技术
膜分离技术主要是利用水分子和污染物具有不同的透过性,在外力作用下使二者分离。膜分离技术因具有能耗低、分离效率高、装置紧凑、操作简单等优点,广泛应用于饮用水处理、污水处理、食品、生物技术、医药、化工等行业。根据膜材料孔径的大小,分为微滤(MF) 、超滤(UF) 、纳滤 (NF)和反渗透(RO)膜。
1950年德国的SartoriusWerke GmbH首次将微滤膜实现工业化生产[ 13 ] , 1953年美国佛罗里达大学的Charles Reid教授提出反渗透海水淡化方案,并在美国盐水局的资助下进行了开拓性研究, 结果证明,利用醋酸纤维素商品膜可以从海水中制取淡水。20世纪80年代,微滤和超滤开始用于水处理, 1988 年法国在Aubergenville建成了第一个处理饮用水的超滤装置,设计能力160 m3 /d,目前已扩大至10 ×104 m3 /d。2002 年法国[ 14 ]首次利用纳滤生产14 ×104m3 /d的饮用水。反渗透主要用于海水淡化和饮用水处理,世界最大的淡化装置位于美国亚利桑那州的尤马, 日处理量为 25 ×104m3。但建设海水淡化装置最多的地区是中东,数量占世界总量的2 /3。
为了解决膜污染问题,人们在研制抗污染膜、优化操作条件、增加预处理和膜清洗等方面进行了大量的研究工作,使膜的使用寿命不断延长,目前已成功应用于城市污水处理,并正向工业污水处理方向发展。
2.2 膜生物反应器(M BR)技术
将分离效果高的膜分离技术与废水生物处理技术相结合衍生的膜生物反应器(Membrane Bioreac2 tor,简称MBR)技术,克服了传统生物处理工艺出水水质不够理想、效率低、能耗高、剩余污泥产量大等缺陷,用膜组件代替传统活性污泥法中的沉淀池,泥水分离效果更好,且有利于保持生化池较高的生物量和较长的污泥龄,提高生化降解能力。
1966年美国Dorroliver公司首先研究将MBR 用于污水处理,随后Smith等将MBR 用于处理城市污水。1989年东京大学的Yamamtoto发明了一体式MBR,即将膜组件置入生物反应器内,取消了循环泵,大大降低了运行能耗[ 15 ] ,是MBR用于污水处理的重大突破。20世纪90年代中后期MBR 在欧洲和我国开始应用。目前,全世界已有超过 1000套MBR装置用于城市污水回用处理,并开始应用于工业污水回用处理。
MBR装置虽然在城市污水回用处理中得到了大规模的推广应用,但由于工业污水污染程度高、水质复杂,易使膜产生污堵,导致膜的使用寿命大大缩短,再加上膜的成本较高等不足,阻碍了MBR 在工业污水回用处理中的应用。因而,进一步提高膜的抗污染能力和机械强度,是MBR大规模用于工业污水回用处理需要解决的主要问题。
2.3 臭氧处理技术[ 16]
臭氧的强氧化性对污水同时具有杀菌、降低 COD和脱色除臭作用。1840年德国科学家舒贝因发现了臭氧,在随后开始对臭氧性质的研究中,人们发现臭氧具有很强的氧化性。1868年德国人格贝斯利用臭氧将煤焦油混合物氧化成适合于涂料和油漆使用的产品, 1873年臭氧被用于食盐精制和亚麻漂白。1886年Meritens率先提出利用臭氧处理污水的可行性[ 17 ] 。美国最先于20世纪70年代初利用臭氧处理生活污水, 80年代初将其用于循环冷却水处理。我国于1977年在昆明建成最大臭氧消毒水厂。比利时[ 11 ]利用臭氧对处理后的污水进行杀菌, 回用于工业生产,意大利则是回用于间接农业灌溉。
臭氧虽然对微生物等具有极强的杀灭效果和较好的COD去除作用,但对氨氮去除效果较差,对醇类、醛类、醚类及烃类化合物氧化能力也较弱; 运行能耗较高、投资较大,特别是国内制造的大型臭氧发生器存在效率较低、放电管寿命较短、价格较为昂贵的不足、以及尾气处理等问题,使臭氧技术用于回用污水处理受到限制。因此开发效率高、能耗低、寿命长的臭氧发生装置是臭氧处理技术迫切需要解决的问题。
2.4 生物活性炭技术
生物活性炭(Biological activated carbon, 简称 BAC)技术是生物技术与物理吸附技术结合产生的新技术[18 ] ,它既利用活性炭巨大的比表面积和发达的孔隙结构吸附水中溶解氧和有机污染物,又利用活性炭作为微生物聚集和繁殖的载体,从而提高微生物生物降解作用。
BAC是在颗粒状活性炭(Granular acti2 vated carbon,简称GAC)的基础上发展而来[19 ]。我国上世纪80年代开始进行BAC技术研究, 1997年宝钢集团采用SBR - BAC工艺在各厂区内陆续建起了十多套800 m3 /d的污水处理装置和回用装置,出水用于厂区绿化和循环冷却水补充水,后又分别在其他各厂区陆续建成处理规模分别为300 m3 /d, 500 m3 /d及 800 m3 /d的十多套处理装置。 BAC技术的不足主要表现在:微生物过度繁殖造成滤料堵塞,增加反应器内水头损失,从而增加反冲洗频率、运行和管理难度;活性炭在降低有毒物质对微生物抑制作用的同时也保护了病原性微生物,影响水质安全。因此, BAC技术与其它技术联用是发展方向。
2.5 臭氧- 生物活性炭技术
臭氧- 生物活性炭组合技术是利用臭氧将能够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机物分解成可生物降解的小分子有机物;同时臭氧分解产生的氧气为附着在活性炭上微生物的生物降解提供了充足的溶解氧[ 20 ] 。我国开展臭氧- 生物活性炭技术的研究工作也较早,但发展缓慢,仅在少数几个水厂有应用,如1995年初中石化工程建设公司将臭氧- 活性炭技术应用于大庆石化总厂两个生活水厂,工程建成投产多年以来运行良好,出水水质均达到设计指标。
3 结 语
随着水资源供求矛盾的加剧和水环境保护要求的日趋严格,污水回用的重要性更加凸显,迫使人们开发处理效果更好、适用水质更宽、投资更少、运行成本更低、操作更简单的回用污水处理技术。可以预见成本更低、抗污染能力更强的新型膜材料将进一步推动膜分离技术在回用污水处理中的应用,不同单元技术的组合工艺将更加科学、合理。
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