废水再生及回用处理方法研究进展

废水再生与回用处理方法进展曹仲宏 赵乐军 胡大卫#市市政工程设计研究院,#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,工业化与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、再生废水并回用,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,生活杂用水与环境用途如娱乐等,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与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、一级处理与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3m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与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0.60.9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与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与去除选定的离子污染物,有效去除钙、镁等阳离子与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.目前应用的大多数废水再生与回用技术实质上来源于给水与废水处理.废水再生和回用最简单的处理系统包括固/液分离工艺和消毒工艺,而更复杂的处理系统则是以去除污染物的物理、化学和生物工艺组合而成的多屏障处理系统3.在评价废水再生技术时,首先要考虑的是每一个处理单元运行的可靠性,以与整个处理系统提供满足用水标准的再生水的总体能力.因此,为了去除化学污染物和去除微生物病原体或使其失活,在某些情况下,需要附加的处理工艺.表2是用作后续特定污染物去除的处理技术的总结概括4.表2.后续处理方法污染物种类处 理 方 法ASCl2/NHCl2GACHpLCO3RO/UFUV病毒和细菌原生动物金属和无机物有机物AS=Air Stripping 空气吹脱；Cl2/NHCl2=Chlorination/Chloramination 氯消毒/二氯胺消毒；GAC=Granular Activated Carbon Adsorption 颗粒活性炭吸附；HpLC = High pH Lime Clarification 高pH值石灰澄清；O3=Ozonation 臭氧氧化；RO/UF=Reverse Osmosis/Ultrafiltration 反渗透/超滤；UV=Ultraviolet Irradiation 紫外线照射;注：表中表示此种污染物可以该种处理方法去除3. 三级处理和深度处理常规的生物处理如活性污泥处理、慢滤、氧化塘后的三级处理或深度处理可用来去除其他的溶解的和悬浮的污染物、营养物、特定的金属与其他有害成分.目前应用的深度处理技术有粒状滤料过滤、活性炭吸附、膜处理与消毒等.3.1过滤过滤是一种固液分离过程,它能有效地去除粒径大于3m的悬浮颗粒物.当废水通过装有粒状滤料 的过滤柱时,颗粒物因碰撞、拦截、物理应力作用而去除.随着颗粒物在滤料上的积累,通过过滤器的水头损失增加,致使过滤效率下降,因此必须对过滤器以气水混合物进行反冲洗,恢复过滤器的过滤能力.为避免水头损失的急剧增加与过滤周期缩短,一般认为在颗粒物浓度低于20mg/L的过滤是最有效的,过滤亦可用在初次沉淀或二次沉淀之后.病原微生物的存活也与颗粒物有关,过滤是降低废水中病原体浓度的有效处理工艺,同时也为消毒提供了优良的前处理.在许多处理过程中,过滤是一种必须的处理工艺,这是因其在美感上的良好效果与良好的颗粒物去除作用、消毒作用.如果以活性炭、离子交换或反渗透处理水,过滤则一般用来降低这些工艺的固体负荷,提高总的处理效果5.3.2化学氧化以化学物氧化处理有机污染物的处理通常不如生物处理经济.因为生物处理系统需要的能量来自处理底物,从而具有内在的优势,而化学氧化则依赖于以化学氧化剂形式从外部输入的能量,致使运行费用增加.但在某些情况下,化学氧化体系可用来经济有效地处理对微生物有毒或生物处理难以处理的有机物,实际上化学氧化是用作解毒或作为生物处理的前处理来软化难处理有机物的,或作为自持处理过程,转化有机物或转化氧化/还原后的无机污染物为环境可接受的形式.化学物氧化处理过程中大量悬浮物或溶解固体会很快消耗化学氧化剂,因此,经化学氧化处理后的水应该具有相对较低的可氧化物浓度,其浓度应在不超过几百mg/L的总有机碳TOC范围内.在氧化处理中,最新的进展主要集中在反应速率上,这是因为氧化处理的反应速率控制着强氧化剂与目标污染物的热动力反应效果.常见的氧化剂有H2O2、O3、ClO2、高锰酸钾.每种氧化剂独特的性能和不同的反应性特征影响着各自的实用性和不同的应用方式,如H2O2在pH值3.04.0的范围内最活泼,用一种或多种催化剂并调节pH值可强化H2O2的氧化效果.最常见的是在pH值3.03.5范围内以FeSO4为催化剂的Fenton反应6：3.3活性炭吸附吸附技术在给水处理中的应用由来已久,并且仍得到广泛应用.GAC作为广谱吸附剂可用来去除浓度变化范围大的多种有机物和重金属,但在水再生与回用中有很多混合污染物共存,活性炭的广谱性特点对目标溶解物的回收与再用来说,就不再是其优点.开发和应用专用性更强的聚合物吸附剂,对目标污染物进行特定去除和/或回收,已得到广泛关注.目前国外大量研究中的聚合物吸附剂有两种,即含碳的和不含碳的.含碳聚合物吸附剂除通常对更低浓度的、可溶解的特定有机物有更好的选择性且不易被溶解有机物污染外,其作用效果与GAC相似.不含碳聚合物吸附剂,长期以来广泛地用作离子交换树脂,只是近年在工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,与其对微量有机物、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,超滤,纳滤,反渗透与电渗析.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值防腐蚀稳定与空气吹脱等8.表3总结了膜孔径与这些膜分离处理的相关目标污染物.表3.膜孔径与目标污染物、适用压力膜处理平均膜孔径nm目标污染物适用压力微滤200悬浮固体、浊度与病原体13超滤250大分子、病毒、胶体和蛋白质27纳滤/2色度、有机物、杀虫剂与金属520反渗透/1溶解固体、硝酸盐和放射性核素30150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、臭氧、过氧化氢、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515mg/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100120mWs/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与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,以与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与各自最适合处理的污染物种类.表4.深度处理的生物与物理化学处理工艺目标污染物An/A BioBio-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/A Bio=Anaerobic/Aerobic Bio-Processes 厌氧/好氧生物处理；Bio-M=Bio-Membranes 生物膜；COX=Chemical Oxidation 化学氧化；GAC=Granular Activated Carbon Adsorption 粒状活性炭吸附；POLY=Synthetic Polymer Adsorption 合成聚合物吸附；MF-UF=Microfiltration and Ultrafiltration 微滤与超滤；RO=Reverse Osmosis 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与回用处理方法的研究进展进行了综述.设计废水再生与回用系统,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11:1) 与微量有机物相关的健康风险评价；2) 改进评估微生物特性的检测手段；3) 应用膜处理生产高质量的再生水；4) 再生水贮存对水质影响的评价；5) 再生水中微生物、化学、有机污染物的归趋的评价；6) 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,20#,93122.2Rafael Mujeiego and Takashi Asano.The Role of Advanced Treatment in Wastewater Reclamation and Reuse. 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