摘　要:總結回用污水處理發展歷程及幾個關鍵技術(膜分離、膜生物反應器、臭氧、生物活性炭、臭氧- 生物活性炭)的產生、發展及應用。隨回用污水處理技術的進步,膜材料成本不斷降低、臭氧發生器效率更高、生物活性炭技術與其它技術集成、新型MBR技術的成功,將使污水回用率不斷上升。

關鍵詞:污水;回用;技術;進展 　

水是生命之源,生存之本。為解決人類生產生活等方面的水資源供求矛盾,回用污水處理技術應運而生。將外排污水處理后回用,為人類開辟第二水源,是實現社會可持續發展的重要途徑。污水回用包括回用污水的處理和回用兩個主要方面。隨污水回用領域的擴展,對水質提出了更高的要求;水質標準的日益嚴格推動了回用污水處理技術發展;回用污水處理技術發展反過來擴大了污水回用領域。因此,對回用污水處理技術進行認真總結和分析,找出技術發展的內在規律,對推動污水回用健康、科學地向前發展,具有重要指導作用。

1　回用污水處理工程進展

1.1　國外回用污水處理工程進展

國外回用污水處理起步于20世紀早期[ 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年公布了第一項有關污水回用的規章。最早的回用污水處理工程是20世紀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田灌溉。1942 年[ 2 ] 馬里蘭州的巴爾的摩市將 Back River經過活性污泥和加氯殺菌后產生的 16 200 m3 /h的水供給伯利恒鋼鐵廠用于工業生產。城市污水回用處理始于1960年,十年后形成規模,目前已有357個城市建設了536個回用點, 每年回用污水處理量達94 ×108m3。

日本[ 3 ]早在1951年就實驗性地將東京Mika2 washima污水處理廠的外排污水處理后回用到造紙工業用水。1964年的嚴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用水以及糞便處理設施。到1996年日本回用污水量達到48 ×104 m3 /d,回用污水處理廠162個(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 ] ,污水回用于農業比例達65 % ～70 % ,居世界第一。早在20世紀60年代,以色列便把污水回用列為一項國策。至1987年,全國已建成210 個市政回用污水處理工程,城市污水回用率達 72 %。達恩地區[ 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,經進一步生物處理除去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市政污水回用做直接飲用水項目,將處理后的城市污水經過混凝、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年又將規模擴大到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 ]是世界上規模最大的以煤為原料生產合成油及化工產品的化工廠, 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。用蒸發器和儲存壩取代雙濾料過濾、炭吸附和離子交換,蒸發器的蒸餾液回用于鍋爐,濃縮廢水被送到濃縮池,經活性污泥法處理后回用于冷卻水系統。隨后又致力于縮減大型灰沉淀池中的蓄水量,經過12年實踐,儲存壩水位以 3 640～5 915 m3 /d的速度增長。1995年開始規模化應用反滲透技術,將產生的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的二級處理污水轉化為32 ×104m3 /d的回用水,在用于農業生產之余為居民提供了一個可選擇的飲用水源。

歐洲等一些水資源相對充足的發達國家,工業污水回用處理實例很少,是因為這些國家的節水工作從源頭做起,產生的污水量達不到回用規模[ 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 ] 。比利時佛蘭德斯建有歐洲唯一的一個用來生產飲用水的回用污水處理工程,兩個大規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,開始時只將污水用于灌溉農田,真正實現污水回用是1992 年大連建成的回用污水處理示范工程。近年來隨著人們環保意識的不斷增強,大批城市污水處理設施相繼建成,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年達到4 000 ×104m3 /d。為了迎接奧運,北京市力爭到 2008年實現污水處理率90 % , 回用率50 %的目標。

表2　我國部分城市污水處理廠的回用處理項目

相比于城市污水,工業回用污水處理要復雜得多。石油、化工、電力、鋼鐵等行業生產特點決定了污水水質比城市污水更復雜,且因行業而異,經過二級處理后的污水雖然能達到外排標準,但仍殘留一定數量的有機和無機污染物、細菌、病毒及重金屬離子等有毒有害物質,一般需要經過進一步處理才能回用。目前大多數工業企業將回用污水處理后,作循環冷卻水系統補水以及鍋爐水系統給水。

表3　我國工業污水回用處理工程實例

2　回用污水處理技術進展

回用污水處理技術包括適度處理技術和深度處理技術。經二級處理的城市污水水質較好,采用混凝、沉淀、過濾和消毒等技術處理后即可回用到對水質要求不高的循環水等系統;而對于水質比較復雜的工業污水,經二級處理后雖然能滿足排放標準,但主要水質指標仍不滿足回用要求,需要做進一步處理才能回用。目前,工業達標外排污水深度處理技術有膜分離、膜生物反應器、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，也可以到污水寶項目服務平臺咨詢具備類似污水處理經驗的企業。

2.1　膜分離技術

膜分離技術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。膜分離技術因具有能耗低、分離效率高、裝置緊湊、操作簡單等優點,廣泛應用于飲用水處理、污水處理、食品、生物技術、醫藥、化工等行業。根據膜材料孔徑的大小,分為微濾(MF) 、超濾(UF) 、納濾 (NF)和反滲透(RO)膜。

1950年德國的SartoriusWerke GmbH首次將微濾膜實現工業化生產[ 13 ] , 1953年美國佛羅里達大學的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行了開拓性研究, 結果證明,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建成了第一個處理飲用水的超濾裝置,設計能力160 m3 /d,目前已擴大至10 ×104 m3 /d。2002 年法國[ 14 ]首次利用納濾生產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。但建設海水淡化裝置最多的地區是中東,數量占世界總量的2 /3。

為了解決膜污染問題,人們在研制抗污染膜、優化操作條件、增加預處理和膜清洗等方面進行了大量的研究工作,使膜的使用壽命不斷延長,目前已成功應用于城市污水處理,并正向工業污水處理方向發展。
2.2　膜生物反應器(M BR)技術

將分離效果高的膜分離技術與廢水生物處理技術相結合衍生的膜生物反應器(Membrane Bioreac2 tor,簡稱MBR)技術,克服了傳統生物處理工藝出水水質不夠理想、效率低、能耗高、剩余污泥產量大等缺陷,用膜組件代替傳統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年東京大學的Yamamtoto發明了一體式MBR,即將膜組件置入生物反應器內,取消了循環泵,大大降低了運行能耗[ 15 ] ,是MBR用于污水處理的重大突破。20世紀90年代中后期MBR 在歐洲和我國開始應用。目前,全世界已有超過 1000套MBR裝置用于城市污水回用處理,并開始應用于工業污水回用處理。

MBR裝置雖然在城市污水回用處理中得到了大規模的推廣應用,但由于工業污水污染程度高、水質復雜,易使膜產生污堵,導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 在工業污水回用處理中的應用。因而,進一步提高膜的抗污染能力和機械強度,是MBR大規模用于工業污水回用處理需要解決的主要問題。

2.3　臭氧處理技術[ 16]

臭氧的強氧化性對污水同時具有殺菌、降低 COD和脫色除臭作用。1840年德國科學家舒貝因發現了臭氧,在隨后開始對臭氧性質的研究中,人們發現臭氧具有很強的氧化性。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70年代初利用臭氧處理生活污水, 80年代初將其用于循環冷卻水處理。我國于1977年在昆明建成最大臭氧消毒水廠。比利時[ 11 ]利用臭氧對處理后的污水進行殺菌, 回用于工業生產,意大利則是回用于間接農業灌溉。

臭氧雖然對微生物等具有極強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; 運行能耗較高、投資較大,特別是國內制造的大型臭氧發生器存在效率較低、放電管壽命較短、價格較為昂貴的不足、以及尾氣處理等問題,使臭氧技術用于回用污水處理受到限制。因此開發效率高、能耗低、壽命長的臭氧發生裝置是臭氧處理技術迫切需要解決的問題。同時可以查看中國污水處理工程網更多技術文檔。

2.4　生物活性炭技術

生物活性炭(Biological activated carbon, 簡稱 BAC)技術是生物技術與物理吸附技術結合產生的新技術[18 ] ,它既利用活性炭巨大的比表面積和發達的孔隙結構吸附水中溶解氧和有機污染物,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)的基礎上發展而來[19 ]。我國上世紀80年代開始進行BAC技術研究, 1997年寶鋼集團采用SBR - BAC工藝在各廠區內陸續建起了十多套800 m3 /d的污水處理裝置和回用裝置,出水用于廠區綠化和循環冷卻水補充水,后又分別在其他各廠區陸續建成處理規模分別為300 m3 /d, 500 m3 /d及 800 m3 /d的十多套處理裝置。 BAC技術的不足主要表現在:微生物過度繁殖造成濾料堵塞,增加反應器內水頭損失,從而增加反沖洗頻率、運行和管理難度;活性炭在降低有毒物質對微生物抑制作用的同時也保護了病原性微生物,影響水質安全。因此, BAC技術與其它技術聯用是發展方向。

2.5　臭氧- 生物活性炭技術

臭氧- 生物活性炭組合技術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物分解成可生物降解的小分子有機物;同時臭氧分解產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- 生物活性炭技術的研究工作也較早,但發展緩慢,僅在少數幾個水廠有應用,如1995年初中石化工程建設公司將臭氧- 活性炭技術應用于大慶石化總廠兩個生活水廠,工程建成投產多年以來運行良好,出水水質均達到設計指標。

3　結　語

隨著水資源供求矛盾的加劇和水環境保護要求的日趨嚴格,污水回用的重要性更加凸顯,迫使人們開發處理效果更好、適用水質更寬、投資更少、運行成本更低、操作更簡單的回用污水處理技術。可以預見成本更低、抗污染能力更強的新型膜材料將進一步推動膜分離技術在回用污水處理中的應用,不同單元技術的組合工藝將更加科學、合理。

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