回用污水處理工程及技術(shù)進(jìn)展

摘　要:總結(jié)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(yīng)器、臭氧、生物活性炭、臭氧- 生物活性炭)的產(chǎn)生、發(fā)展及應(yīng)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(yīng)運(yùn)而生。將外排污水處理后回用,為人類開辟第二水源,是實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)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(kuò)展,對水質(zhì)提出了更高的要求;水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)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)展反過來擴(kuò)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(rèn)真總結(jié)和分析,找出技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在規(guī)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(dǎo)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(jì)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(xiàng)有關(guān)污水回用的規(guī)章。最早的回用污水處理工程是20世紀(jì)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(nóng)田灌溉。1942 年[ 2 ] 馬里蘭州的巴爾的摩市將 Back River經(jīng)過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(guī)模,目前已有357個(gè)城市建設(shè)了536個(gè)回用點(diǎn), 每年回用污水處理量達(dá)94 ×108m3。

日本[ 3 ]早在1951年就實(shí)驗(yàn)性地將東京Mika2 washima污水處理廠的外排污水處理后回用到造紙工業(yè)用水。1964年的嚴(yán)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(shè)施。到1996年日本回用污水量達(dá)到48 ×104 m3 /d,回用污水處理廠162個(gè)(占總水處理廠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(nóng)業(yè)比例達(dá)65 % ～70 % ,居世界第一。早在20世紀(jì)60年代,以色列便把污水回用列為一項(xiàng)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(dá) 72 %。達(dá)恩地區(qū)[ 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(xiàng)目,將處理后的城市污水經(jīng)過混凝、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(guī)模擴(kuò)大到21 000 m3 /d,以滿足不斷增長的人口對飲用水的需求。

南非Sasol[ 7 ]是世界上規(guī)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, Sasol二廠和 Sasol三廠自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(tǒng)。隨后又致力于縮減大型灰沉淀池中的蓄水量,經(jīng)過12年實(shí)踐,儲存壩水位以 3 640～5 915 m3 /d的速度增長。1995年開始規(guī)�；瘧�(yīng)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(zhuǎn)化為32 ×104m3 /d的回用水,在用于農(nóng)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(dá)國家,工業(yè)污水回用處理實(shí)例很少,是因?yàn)檫@些國家的節(jié)水工作從源頭做起,產(chǎn)生的污水量達(dá)不到回用規(guī)模[ 9 ] ;城市污水處理后主要回用于廁所沖洗和公園、綠地、高爾夫球場的灌溉[ 10 ] 。比利時(shí)佛蘭德斯建有歐洲唯一的一個(gè)用來生產(chǎn)飲用水的回用污水處理工程,兩個(gè)大規(guī)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(nèi)回用污水處理工程

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

表2　我國部分城市污水處理廠的回用處理項(xiàng)目

相比于城市污水,工業(yè)回用污水處理要復(fù)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(fù)雜,且因行業(yè)而異,經(jīng)過二級處理后的污水雖然能達(dá)到外排標(biāo)準(zhǔn),但仍殘留一定數(shù)量的有機(jī)和無機(jī)污染物、細(xì)菌、病毒及重金屬離子等有毒有害物質(zhì),一般需要經(jīng)過進(jìn)一步處理才能回用。目前大多數(shù)工業(yè)企業(yè)將回用污水處理后,作循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水以及鍋爐水系統(tǒng)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(tǒng);而對于水質(zhì)比較復(fù)雜的工業(yè)污水,經(jīng)二級處理后雖然能滿足排放標(biāo)準(zhǔn),但主要水質(zhì)指標(biāo)仍不滿足回用要求,需要做進(jìn)一步處理才能回用。目前,工業(yè)達(dá)標(biāo)外排污水深度處理技術(shù)有膜分離、膜生物反應(yīng)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(xiàng)目服務(wù)平臺咨詢具備類似污水處理經(jīng)驗(yàn)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、操作簡單等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于飲用水處理、污水處理、食品、生物技術(shù)、醫(yī)藥、化工等行業(yè)。根據(jù)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(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[ 13 ] , 1953年美國佛羅里達(dá)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)行了開拓性研究, 結(jié)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(jì)80年代,微濾和超濾開始用于水處理, 1988 年法國在Aubergenville建成了第一個(gè)處理飲用水的超濾裝置,設(shè)計(jì)能力160 m3 /d,目前已擴(kuò)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(shè)海水淡化裝置最多的地區(qū)是中東,數(shù)量占世界總量的2 /3。

為了解決膜污染問題,人們在研制抗污染膜、優(yōu)化操作條件、增加預(yù)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,目前已成功應(yīng)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(yīng)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(jié)合衍生的膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreac2 tor,簡稱MBR)技術(shù),克服了傳統(tǒng)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?zhèn)鹘y(tǒng)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年東京大學(xué)的Yamamtoto發(fā)明了一體式MBR,即將膜組件置入生物反應(yīng)器內(nèi),取消了循環(huán)泵,大大降低了運(yùn)行能耗[ 15 ] ,是MBR用于污水處理的重大突破。20世紀(jì)90年代中后期MBR 在歐洲和我國開始應(yīng)用。目前,全世界已有超過 1000套MBR裝置用于城市污水回用處理,并開始應(yīng)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(guī)模的推廣應(yīng)用,但由于工業(yè)污水污染程度高、水質(zhì)復(fù)雜,易使膜產(chǎn)生污堵,導(dǎo)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(yīng)用。因而,進(jìn)一步提高膜的抗污染能力和機(jī)械強(qiáng)度,是MBR大規(guī)模用于工業(yè)污水回用處理需要解決的主要問題。

2.3　臭氧處理技術(shù)[ 16]

臭氧的強(qiáng)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(xiàn)了臭氧,在隨后開始對臭氧性質(zhì)的研究中,人們發(fā)現(xiàn)臭氧具有很強(qiáng)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(jì)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。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(nóng)業(yè)灌溉。

臭氧雖然對微生物等具有極強(qiáng)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、醛類、醚類及烴類化合物氧化能力也較弱; 運(yùn)行能耗較高、投資較大,特別是國內(nèi)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、以及尾氣處理等問題,使臭氧技術(shù)用于回用污水處理受到限制。因此開發(fā)效率高、能耗低、壽命長的臭氧發(fā)生裝置是臭氧處理技術(shù)迫切需要解決的問題。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, 簡稱 BAC)技術(shù)是生物技術(shù)與物理吸附技術(shù)結(jié)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(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)吸附水中溶解氧和有機(jī)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,簡稱GAC)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來[19 ]。我國上世紀(jì)80年代開始進(jìn)行BAC技術(shù)研究, 1997年寶鋼集團(tuán)采用SBR - BAC工藝在各廠區(qū)內(nèi)陸續(xù)建起了十多套800 m3 /d的污水處理裝置和回用裝置,出水用于廠區(qū)綠化和循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水,后又分別在其他各廠區(qū)陸續(xù)建成處理規(guī)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(xiàn)在:微生物過度繁殖造成濾料堵塞,增加反應(yīng)器內(nèi)水頭損失,從而增加反沖洗頻率、運(yùn)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(hù)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(jī)物分解成可生物降解的小分子有機(jī)物;同時(shí)臭氧分解產(chǎn)生的氧氣為附著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(shù)幾個(gè)水廠有應(yīng)用,如1995年初中石化工程建設(shè)公司將臭氧- 活性炭技術(shù)應(yīng)用于大慶石化總廠兩個(gè)生活水廠,工程建成投產(chǎn)多年以來運(yùn)行良好,出水水質(zhì)均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3　結(jié)　語

隨著水資源供求矛盾的加劇和水環(huán)境保護(hù)要求的日趨嚴(yán)格,污水回用的重要性更加凸顯,迫使人們開發(fā)處理效果更好、適用水質(zhì)更寬、投資更少、運(yùn)行成本更低、操作更簡單的回用污水處理技術(shù)�？梢灶A(yù)見成本更低、抗污染能力更強(qiáng)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(yīng)用,不同單元技術(shù)的組合工藝將更加科學(xué)、合理。

參考文獻(xiàn):
[ 1 ] Takashi Asano and Audreg D1Levine1Wastewater reclamation, recycling and reuse, past, present, and future [ J ] 1Water Science and Technology, 1996, 33, (10 - 11) : 1 - 141
[ 2 ] Daniel A1 Okun1Water reclamation and nonpota2 ble reuse: an option formeeting urban water supply needs [J ]1Desalination, 1996, 106: 205 - 212.
[ 3 ] Maeda, et al1 Area - wide use of reclamation wa2 ter in Tokyo, Japan [ J ]1Water Science & Tech2 nology, 1996, 33 (10 - 11).
[ 4 ] 邢麗貞,孔進(jìn)1城市污水回用于農(nóng)業(yè)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析———以以色列農(nóng)業(yè)灌溉為例[ J ]1環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2003, 26 (5) : 23 - 26.
[ 5 ] N1 Icekson - Tal, O1Avraham, J1Sack and H1 Cikurel1Water reuse in Israel $ the Dan Re2 gion Project: evaluation ofwater quality and reli2 ability of p lant’s operation [ J ] 1Water Science and Technology:Water Supp ly, 3 (4) : 231 237.
[ 6 ] Menachem Elimelech1 The global challenge for ad2 equate and safe water [ J ] 1Journal ofWater Sup2 ply: Research and Technology - AQUA, 5511, 2006
[ 7 ] P1J1DU T1Roux, R1S1Ludlum1Twelve Years ofWastewater Recycling Experience at a Coal Gasification Plant in South Africa1 56 th. ANNUAL INTERNATIONAL WATER CONFER2 ENCE, 1995 ( IWC - 95 - 62).
[ 8 ] David Gagne1 TheWorld’s largestMembrane - BasedWater Reuse Project1G EWater & Process Technology.
[ 9 ] 李本高等主編1工業(yè)水處理技術(shù)(第八冊) [M ]1北京:中國石化出版社, 20041
[ 10 ] J1A1Faby et al1wastewater reuse in France: water quality standards and wastewater treat2 ment technologies [ J ]1Water science & Tech2 nology, 1999, 40, (4 - 5) : 37 - 42.
[ 11 ] D1Bixio et al1Wastewater reuse in Europe [ J ]. Desalination, 2006, 187: 89 - 101.
[ 12 ] 王萍1膜分離技術(shù)在污水回用中的應(yīng)用1合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2002 - 05 - 02.
[ 13 ] I GedeWenten 1 Recent development in mem2 brane science and its industrial app lications [ J ]. Membrane Science & Technology ( Supp l1) , 2002, 24: 1010 - 1024.
[ 14 ] B1Cynaa, G1Chagneaub, G1Bablonc, N1 Tang2 hea1 Two years of nanofiltration at theMéry - sur - Oise p lant, France [ J ] 1Desalination, 2002, 147: 69 $ 75.
[ 15 ] 劉悅,黃霞,劉若鵬,錢易1膜生物反應(yīng)器和傳統(tǒng)活性污泥工藝的比較[ J ]1環(huán)境科學(xué), 2001, 22 (3) : 20 - 24.
[ 16 ] Barry L1Loeb1Ozone: Science & Engineering the First 23 Years [ J ]1Ozone science & engi2 neering, 2002, 24: 399 - 412.
[ 17 ] 張新智1臭氧處理技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[ J ] 1 檢驗(yàn)檢疫科學(xué), 2006, 1: 79 - 80.
[ 18 ] 趙清,安景輝1污水回用中COD和氨氮去除方法探討[J ]1石油化工環(huán)境保護(hù), 2001, 3: 1 - 5.
[ 19 ] 聶鳳明1生物活性炭技術(shù)在水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[ J ] 1南方冶金學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 26 (4) : 40 - 43.
[ 20 ] 王玉香1臭氧- 活性炭技術(shù)用于生活水的深度處理工程[ J ] 1工業(yè)用水與廢水, 2004, 35 (5) : 23 - 25.來源：石油化工安全環(huán)保技術(shù) 作者: 侯鈺 桑軍強(qiáng) 李本高