污水回用的深度處理方法及其應(yīng)用

摘要:隨著水資源的不斷缺乏和水質(zhì)的不斷惡化，污水回用得到了越來越廣泛的重視。對(duì)污水回用過程中使用的幾種深度處理方法進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)它們的機(jī)理以及應(yīng)用作了簡(jiǎn)要概述，同時(shí)提出了這些方法今后的研究熱點(diǎn)和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞:污水回用  深度處理  活性炭吸附法  膜分離法  高級(jí)氧化法  臭氧法

我國是嚴(yán)重缺水的國家之一，尤其是城市化快速發(fā)展時(shí)期，城市缺水狀況越來越嚴(yán)重。為解決大量的工業(yè)生產(chǎn)用水和市政或生活輔助用水，污水回用成為可靠的第二水源。污水深度處理及回用不僅緩解了供水不足、水污染和改善生態(tài)環(huán)境等問題，而且提高了回用水的水質(zhì)、水量及其經(jīng)濟(jì)附加值，使之具有更廣泛的應(yīng)用空間，從而創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

1  污水的幾種深度處理方法

污水深度處理，也稱高級(jí)處理或三級(jí)處理。它是將二級(jí)處理出水再進(jìn)一步進(jìn)行物理、化學(xué)和生物處理，以便有效去除污水中各種不同性質(zhì)的雜質(zhì)，從而滿足用戶對(duì)水質(zhì)的使用要求。深度處理常見的方法有以下幾種。

1.1  活性炭吸附法

活性炭是一種多孔性物質(zhì)，而且易于自動(dòng)控制，對(duì)水量、水質(zhì)、水溫變化適應(yīng)性強(qiáng)，因此活性炭吸附法是一種具有廣闊應(yīng)用前景的污水深度處理技術(shù)�；钚蕴繉�(duì)分子量在500～3 000的有機(jī)物有十分明顯的去除效果，去除率一般為70%～86.7%[1]，可經(jīng)濟(jì)有效地去除嗅、色度、重金屬、消毒副產(chǎn)物、氯化有機(jī)物、農(nóng)藥、放射性有機(jī)物等。

常用的活性炭主要有粉末活性炭（PAC）、顆�；钚蕴浚℅AC）和生物活性碳（BAC）三大類。近年來，國外對(duì)PAC的研究較多，已經(jīng)深入到對(duì)各種具體污染物的吸附能力的研究。淄博市引黃供水有限公司根據(jù)水污染的程度，在水處理系統(tǒng)中，投加粉末活性炭去除水中的COD，過濾后水的色度能降底1～2度；臭味降低到0度[2]。GAC在國外水處理中應(yīng)用較多，處理效果也較穩(wěn)定，美國環(huán)保署（USEPA）飲用水標(biāo)準(zhǔn)的64項(xiàng)有機(jī)物指標(biāo)中，有51項(xiàng)將GAC列為最有效技術(shù)[3]。

GAC處理工藝的缺點(diǎn)是基建和運(yùn)行費(fèi)用較高，且容易產(chǎn)生亞硝酸鹽等致癌物，突發(fā)性污染適應(yīng)性差。如何進(jìn)一步降低基建投資和運(yùn)行費(fèi)用，降低活性炭再生成本將成為今后的研究重點(diǎn)。BAC可以發(fā)揮生化和物化處理的協(xié)同作用，從而延長活性炭的工作周期，大大提高處理效率，改善出水水質(zhì)。不足之處在于活性炭微孔極易被阻塞、進(jìn)水水質(zhì)的pH 適用范圍窄、抗沖擊負(fù)荷差等。目前，歐洲應(yīng)用BAC技術(shù)的水廠已發(fā)展到70個(gè)以上，應(yīng)用最廣泛的是對(duì)水進(jìn)行深度處理[4]。撫順石化分公司石油三廠采用BAC技術(shù)，既節(jié)省了新鮮水的補(bǔ)充量，減少污水排放量，減輕水體污染，降低生產(chǎn)成本，還體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的統(tǒng)一[5]。今后的研究重點(diǎn)是降低投資成本和增加各種預(yù)處理措施與BAC聯(lián)用，提高處理效果。

1.2  膜分離法

膜分離技術(shù)是以高分子分離膜為代表的一種新型的流體分離單元操作技術(shù)[6,7]。它的最大特點(diǎn)是分離過程中不伴隨有相的變化，僅靠一定的壓力作為驅(qū)動(dòng)力就能獲得很高的分離效果，是一種非常節(jié)省能源的分離技術(shù)。

微濾可以除去細(xì)菌、病毒和寄生生物等，還可以降低水中的磷酸鹽含量。天津開發(fā)區(qū)污水處理廠采用微濾膜對(duì)SBR二級(jí)出水進(jìn)行深度處理, 滿足了景觀、沖洗路面和沖廁等市政雜用和生活雜用的需求[8]。

超濾用于去除大分子，對(duì)二級(jí)出水的COD和BOD去除率大于50%。北京市高碑店污水處理廠采用超濾法對(duì)二級(jí)出水進(jìn)行深度處理，產(chǎn)水水質(zhì)達(dá)到生活雜用水標(biāo)準(zhǔn)，回用污水用于洗車，每年可節(jié)約用水4 700 m3[9]。

反滲透用于降低礦化度和去除總?cè)芙夤腆w，對(duì)二級(jí)出水的脫鹽率達(dá)到90%以上，COD和BOD的去除率在85%左右，細(xì)菌去除率90%以上[10]。緬甸某電廠采用反滲透膜和電除鹽聯(lián)用技術(shù)，用于鍋爐補(bǔ)給水。經(jīng)反滲透處理的水，能去除絕大部分的無機(jī)鹽、有機(jī)物和微生物[11]。

納濾介于反滲透和超濾之間，其操作壓力通常為0.5～1.0 MPa，納濾膜的一個(gè)顯著特點(diǎn)是具有離子選擇性，它對(duì)二價(jià)離子的去除率高達(dá)95%以上，一價(jià)離子的去除率較低，為40%～80%[12]。潘巧明等人采用膜生物反應(yīng)器－納濾膜集成技術(shù)處理糖蜜制酒精廢水取得了較好結(jié)果，出水COD小于100 mg/L，廢水回用率大于80%[13]。

我國的膜技術(shù)在深度處理領(lǐng)域的應(yīng)用與世界先進(jìn)水平尚有較大差距。今后的研究重點(diǎn)是開發(fā)、制造高強(qiáng)度、長壽命、抗污染、高通量的膜材料，著重解決膜污染、濃差極化及清洗等關(guān)鍵問題。

1.3  高級(jí)氧化法

工業(yè)生產(chǎn)中排放的高濃度有機(jī)污染物和有毒有害污染物，種類多、危害大，有些污染物難以生物降解且對(duì)生化反應(yīng)有抑制和毒害作用。而高級(jí)氧化法在反應(yīng)中產(chǎn)生活性極強(qiáng)的自由基（如·OH等），使難降解有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變成易降解小分子物質(zhì)，甚至直接生成CO2和H2O，達(dá)到無害化目的。

1.3.1  濕式氧化法

濕式氧化法（WAO）是在高溫（150～350 ℃）、高壓（0.5～20 MPa）下利用O2或空氣作為氧化劑，氧化水中的有機(jī)物或無機(jī)物，達(dá)到去除污染物的目的，其最終產(chǎn)物是CO2和H2O[14]。福建煉油化工有限公司于2002年引進(jìn)了WAO工藝，徹底解決了堿渣的后續(xù)治理和惡臭污染問題，而且運(yùn)行成本低，氧化效率高[15]。

1.3.2  濕式催化氧化法

濕式催化氧化法（CWAO）是在傳統(tǒng)的濕式氧化處理工藝中加入適宜的催化劑使氧化反應(yīng)能在更溫和的條件下和更短的時(shí)間內(nèi)完成，也因此可減輕設(shè)備腐蝕、降低運(yùn)行費(fèi)用[16,17]。目前，建于昆明市的一套連續(xù)流動(dòng)型CWAO工業(yè)實(shí)驗(yàn)裝置，已經(jīng)體現(xiàn)出了較好的經(jīng)濟(jì)性[18]。

濕式催化氧化法的催化劑一般分為金屬鹽、氧化物和復(fù)合氧化物3類。目前，考慮經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)用最多的催化劑是過渡金屬氧化物如Cu、Fe、Ni、Co、Mn等及其鹽類。采用固體催化劑還可避免催化劑的流失、二次污染的產(chǎn)生及資金的浪費(fèi)。

1.3.3  超臨界水氧化法

超臨界水氧化法把溫度和壓力升高到水的臨界點(diǎn)以上，該狀態(tài)的水就稱為超臨界水。在此狀態(tài)下水的密度、介電常數(shù)、粘度、擴(kuò)散系數(shù)、電導(dǎo)率和溶劑化學(xué)性能都不同于普通水。較高的反應(yīng)溫度（400～600 ℃)和壓力也使反應(yīng)速率加快，可以在幾秒鐘內(nèi)對(duì)有機(jī)物達(dá)到很高的破壞效率。

美國德克薩斯州哈靈頓首次大規(guī)模應(yīng)用超臨界水氧化法處理污泥，日處理量達(dá)9.8 t。系統(tǒng)運(yùn)行證明其COD的去除率達(dá)到99.9%以上，污泥中的有機(jī)成分全部轉(zhuǎn)化為CO2、H2O以及其他無害物質(zhì)，且運(yùn)行成本較低[19]。

1.3.4  光化學(xué)催化氧化法

目前研究較多的光化學(xué)催化氧化法主要分為Fenton試劑法、類Fenton試劑法和以TiO2為主體的氧化法。

Fenton試劑法由Fenton在20世紀(jì)發(fā)現(xiàn)，如今作為廢水處理領(lǐng)域中有意義的研究方法重新被重視起來。Fenton試劑依靠H2O2和Fe2+鹽生成·OH，對(duì)于廢水處理來說，這種反應(yīng)物是一個(gè)非常有吸引力的氧化體系，因?yàn)殍F是很豐富且無毒的元素，而且H2O2也很容易操作，對(duì)環(huán)境也是安全的[20]。Fenton試劑能夠破壞廢水中諸如苯酚和除草劑等有毒化合物。目前國內(nèi)對(duì)于Fenton試劑用于印染廢水處理方面的研究很多，結(jié)果證明Fenton 試劑對(duì)于印染廢水的脫色效果非常好。另外，國內(nèi)外的研究還證明，用Fenton試劑可有效地處理含油、醇、苯系物、硝基苯及酚等物質(zhì)的廢水。

類Fenton試劑法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在處理有毒有害難生物降解有機(jī)廢水中極具應(yīng)用潛力。該法實(shí)際應(yīng)用的主要問題是處理費(fèi)用高，只適用于低濃度、少量廢水的處理。將其作為難降解有機(jī)廢水的預(yù)處理或深度處理方法，再與其他處理方法（如生物法、混凝法等）聯(lián)用，則可以更好地降低廢水處理成本、提高處理效率，并拓寬該技術(shù)的應(yīng)用范圍。

光催化法是利用光照某些具有能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光催化劑如TiO2、ZnO、CdS、WO3等誘發(fā)強(qiáng)氧化自由基·OH，使許多難以實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)能在常規(guī)條件下進(jìn)行。銳鈦礦中形成的TiO2具有穩(wěn)定性高、性能優(yōu)良和成本低等特征。在全世界范圍內(nèi)開展的最新研究是獲得改良的（摻入其他成分）TiO2，改良后的TiO2具有更寬的吸收譜線和更高的量子產(chǎn)生率。

1.3.5  電化學(xué)氧化法

電化學(xué)氧化又稱電化學(xué)燃燒，是環(huán)境電化學(xué)的一個(gè)分支。其基本原理是在電極表面的電催化作用下或在由電場(chǎng)作用而產(chǎn)生的自由基作用下使有機(jī)物氧化。除可將有機(jī)物徹底氧化為CO2和H2O外，電化學(xué)氧化還可作為生物處理的預(yù)處理工藝，將非生物相容性的物質(zhì)經(jīng)電化學(xué)轉(zhuǎn)化后變?yōu)樯�物相容性物質(zhì)。這種方法具有能量利用率高，低溫下也可進(jìn)行；設(shè)備相對(duì)較為簡(jiǎn)單，操作費(fèi)用低，易于自動(dòng)控制；無二次污染等特點(diǎn)。

1.3.6  超聲輻射降解法

超聲輻射降解法主要源于液體在超聲波輻射下產(chǎn)生空化氣泡，它能吸收聲能并在極短時(shí)間內(nèi)崩潰釋放能量，在其周圍極小的空間范圍內(nèi)產(chǎn)生1 900～5 200 K的高溫和超過50 MPa的高壓。進(jìn)入空化氣泡的水分子可發(fā)生分解反應(yīng)產(chǎn)生高氧化活性的·OH，誘發(fā)有機(jī)物降解；此外，在空化氣泡表層的水分子則可以形成超臨界水，有利于化學(xué)反應(yīng)速度的提高。

超聲波對(duì)含鹵化物的脫鹵、氧化效果顯著，氯代苯酚、氯苯、CH2Cl2、CHCl3、CCl4等含氯有機(jī)物最終的降解產(chǎn)物為HCl、H2O、CO、CO2等。超聲降解對(duì)硝基化合物的脫硝基也很有效。添加O3、H2O2、Fenton試劑等氧化劑將進(jìn)一步增強(qiáng)超聲降解效果。超聲與其他氧化法的組合是目前的研究熱點(diǎn)，如US/O3、US/H2O2、US/Fenton、US/光化學(xué)法。目前，超聲輻射降解水體污染物的研究仍處于試驗(yàn)探索階段。

1.3.7  輻射法

輻射法是利用高能射線（γ、χ射線）和電子束等對(duì)化合物的破壞作用所開發(fā)的污水輻射凈化法。一般認(rèn)為輻射技術(shù)處理有機(jī)廢水的反應(yīng)機(jī)理是由于水在高能輻射的作用下產(chǎn)生·OH、H2O2、·HO2等高活性粒子，再由這些高活性粒子誘發(fā)反應(yīng)，使有害物質(zhì)降解。

輻射法對(duì)有機(jī)物的處理效率高、操作簡(jiǎn)便。該技術(shù)存在的主要難題是用于產(chǎn)生高能粒子的裝置昂貴、技術(shù)要求高，而且該法的能耗大、能量利用率較低；此外為避免輻射對(duì)人體的危害，還需要特殊的保護(hù)措施。因此該法要投入運(yùn)行，還需進(jìn)行大量的研究探索工作。

1.4  臭氧法

臭氧具有極強(qiáng)的氧化性，對(duì)許多有機(jī)物或官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，有效地改善水質(zhì)。臭氧能氧化分解水中各種雜質(zhì)所造成的色、嗅，其脫色效果比活性炭好；還能降低出水濁度，起到良好的絮凝作用，提高過濾濾速或者延長過濾周期。目前，由于國內(nèi)的臭氧發(fā)生技術(shù)和工藝比較落后，所以運(yùn)行費(fèi)用過高，推廣有難度。

2  結(jié)  語

污水的深度處理在城市和工業(yè)污水回用處理中扮演著非常重要的角色。在傳統(tǒng)的生物方法之后，深度處理用于去除額外的污染物、特殊金屬以及其他有害成分�，F(xiàn)在已有的深度處理方法包括顆粒介質(zhì)過濾、吸附、膜技術(shù)、高級(jí)氧化和消毒等。聲技術(shù)是一種正在發(fā)展的、重要的，并且能夠得到高質(zhì)量再生水源的污水回用技術(shù)[21]。不斷的深入研究將會(huì)帶來更為有效的污水回用技術(shù)的改進(jìn)，并在未來的污水回用中更為廣泛的使用。

污水回用可為城市的發(fā)展提供或補(bǔ)充充足的水源。目前，污水回用的一些研究熱點(diǎn)包括：（1）與痕量有機(jī)物質(zhì)相關(guān)的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；（2）評(píng)價(jià)微生物性質(zhì)的監(jiān)測(cè)方法的改進(jìn)；（3）用于制造高質(zhì)量再生水的膜技術(shù)的應(yīng)用；（4）再生水儲(chǔ)存效果的評(píng)價(jià)；（5）再生水中微生物、化學(xué)物質(zhì)、有機(jī)污染物的評(píng)價(jià)；（6）中小型生活污水處理與回用設(shè)備設(shè)計(jì)；（7）污水回用管網(wǎng)體系的研究和建立。

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