城市污水处理厂二级出水再生利用技术进展

　　摘要：水资源短缺问题已在一定程度上制约了社会经济的发展，开展城市污水处理厂二级出水再生利用，实现水资源再生循环，对促进社会经济可持续发展具有重要意义。但污水再生利用存在的化学、微生物和生态安全问题，已引起社会的广泛关注和重视。本文将从再生利用的必要性和紧迫性、深度处理技术及其经济可行性、安全评价体系等方面对其进行全面讨论。
　　关键词：城市污水，深度处理,再生利用，安全性
　　
　　1．引言
　　随着社会经济的快速发展和环境污染的加剧，我国城市缺水问题尤为突出。据统计，全国669个城市中，400个城市常年供水不足，其中有10个城市严重缺水，日缺水量达1600万立方米，年缺水量60亿立方米，由于缺水每年影响工业产值2000多亿元人民币。与城市供水量几乎相等的城市污水就近可得，易于收集，再生处理比海水淡化成本低廉，基建投资比远距离引水经济。城市污水经净化处理后，可以用作绿化用水、工业冷却水、环境用水、地面冲洗水和农田灌溉水等，其作为城市的第二水源已成为一种必然趋势，但微生物和化学安全性是其回用的关键问题和最大障碍，已引起社会的广泛关注和重视。
　　2．必要性和紧迫性
　　2.1我国水资源现状
　　我国水资源的总量为2800亿m3，人均水资源仅为世界平均水平的1/4，是一个水资源贫乏的国家。按1997年人口统计，人均水资源量为2220立方米，预测到2030年人口增至16亿时，人均水资源量将降到1760立方米。按国际上一般承认的标准，人均水资源量少于1700立方米为用水紧张的国家.同时我国水资源存在时空分布的不均匀性，南方多北方少，与我国当地人口、耕地资源和经济布局不相匹配。北方严重缺水，同时南方也出现水质型缺水。因此，我国未来水资源的形势是严峻的，水资源的短缺在一定程度上制约了我国社会经济的发展[1]。尤其是我国的北方城市更是如此。
　　2.2水环境污染加剧
　　随着我国工业化和城镇化进程的加快，水环境进一步恶化。全国水土流失面积367万平方公里，占国土面积的38％。城市污水和工业废水处理设施落后，对废水排放控制不严，导致城市周围地表和地下水源受到严重污染，全国近一半河段和九成的城市水域受到不同程度的污染，可供利用的水资源急剧减少，部分城市出现水质型缺水，供水资源需矛盾突出。全国地下水多年平均超采量约74亿立方米，已形成164个地下水超采区，致使地下水位大幅度持续下降，出现地面沉降、海水入侵、河道断流、湖泊干涸等问题，生态环境日趋恶化。同时用水效率低下和用水严重浪费现象并存。全国农业灌溉水的利用系数平均约为0.45，而先进国家为0.7甚至0.8。全国工业万元产值用水量是发达国家的5～10倍，工业用水的重复利用率为30%～40%，而发达国家为75%～85%。多数城市输配水管网和用水器具漏水损失达20%以上[2]。
　　3．深度处理技术
　　城市污水再生利用技术主要是去除二级处理过程中不能去除或不能完全去除的污染物和病原微生物。在水污染治理战略目标与技术路线方面，许多国家进行了重大调整，水污染治理的战略目标已从传统意义上的“污水处理、达标排放”转变为以水质再生为核心的“水的循环再用”，已从单纯的“污染控制”上升为“水生态修复和恢复”，不再建设传统意义上的城市污水处理厂，而代之以“污水再生厂”[3]。尤其是水环境污染的加剧、水资源的紧缺、新型水转播疾病的爆发和大量有毒有害有机物的检出，加快了城市污水再生利用技术的研究和应用。
　　国内外再生水处理技术的发展,一是城市污水处理厂普遍采用以除磷脱氮为重点的强化二级生物处理技术，并增加三级处理流程，包括多种类型的过滤技术和现代消毒技术；二是采用当代高新技术如微滤、反渗透、膜生物生物反应器和高级氧化技术等，使处理后的再生水达到市政杂用、生活杂用、园林绿化、生态景观、工业冷却和工艺用水、回注地下水、发电厂锅炉补给水等多种用途要求[4]。目前城市污水深度处理的方法主要有常规处理、活性炭吸附、生物处理、膜分离、土地处理以及臭氧等高级氧化处理及其集成技术。
　　3.1常规处理工艺
　　常规处理工艺是指混凝、沉淀、砂滤，以去除污水中悬浮物、浊度和杀灭水传染病菌，提高对有机污染物、浊度、磷和等营养物质及其他溶解性物质的去除率，改善出水水质，具有投资少、设备简单，维护操作易于掌握，处理效果好等优点[5]，但难以彻底去除水中病原微生物、有毒有害微量污染物等，以保证出水的安全性。其作为一种常用水处理技术，一般可作为市政杂用、绿化等用水以及预处理技术。如北京高碑店污水处理厂和青岛市海泊河污水处理厂均采用此法，其出水主要回用于工业冷却、市政和生活杂用等。
　　3.2生物接触氧化技术
　　生物接触氧化技术就是指利用固体界面固定高效工程菌,去除水中污染物的一种水处理技术。生物接触氧化技术广泛应用开始于上世纪六十年代，尤其是各种生物填料不断问世促进了它的发展，将其广泛应用于废水和饮用水处理等领域。清华大学开展了以陶粒为填料的接触氧化法对污水进行深度处理的研究，结果表明该工艺在水温15～25℃下能有效去除COD，同时对浊度、色度、嗅味等也有理想的处理能力，出水达到工业用水标准[6-7]。
　　3.3活性炭
　　20世纪50年代后期，由于欧洲水污染问题加剧，欧美相继开展了活性炭在污水深度处理中的应用研究，从而使生物活性炭技术（BAC）在欧美得到普遍发展和应用，结合并优化了生物降解和活性炭吸附两个过程，对多种废水处理显示了良好的去除效果，能有效地改善出水水质[8-9]。另外一些日本研究学者经过试验后，又提出了生物粉末活性炭技术BPAC（BiologicalPowderedActivatedCarbon）。它主要是和微滤系统进行组合形成BPAC-MF（Microfiltration）系统，BPAC作为微滤的前处理系统，以提高微滤的水处理量，并延长滤膜的使用寿命[10]。美国21世纪水厂就是采用了活性炭深度处理技术对二级出水进行处理并将出水回灌于地下，研究结果表明活性炭处理技术能有效地去除COD，同时对一些难降解的有机物也有很好的去除效果。
　　3.4膜分离技术
　　近年来膜技术在电子、化工、医药、食品等行业的脱盐、超纯水制备、污水处理，以及各种分离纯化过程中得到了日益广泛的应用。目前应用得较多的膜处理技术主要有微滤、超滤、纳滤、渗析、反渗透、电渗析等。微过滤可除去沉淀不能除去的包括细菌、病毒和寄生生物在内的悬浮物，还可降低水中的磷酸盐含量。超滤可除去诸如腐殖酸和富里酸等大分子有机物，反渗透可用于降低矿化度和去除总溶解固体(TDS)。用超滤和反渗透处理二级出水不仅能除去悬浮固体和有机物，而且能除去溶解的盐类和病原菌等，得到高级的再生水。
　　（一）微滤（MF，Microfiltration）
　　微滤膜工艺是利用微滤膜两侧的压力差，使水和溶解物透过膜，而截流悬浮物、细菌等。微滤膜的过滤孔径介于0.05~10μm。微滤膜直接过滤可以获得良好的浊度去除效果，但对有机物的去除有限，所以通常建议与混凝沉淀或高效过滤连用[11]。当采用高效过滤为预处理工艺时，可取消盘式过滤器。现有微滤在污水处理中主要是用作反渗透前处理，为其运行提供一个安全保障。
　　（二）超滤（UF，Ultrafiltration）
　　超滤膜工艺是利用超滤膜两侧的压力差，使水、离子和小分子透过膜，而截留水中的有效直径在0.005-0.1微米内的细菌、病毒、胶体微粒和分子量在5000~150000道尔顿范围内的蛋白质、各类酶等大分子。超滤膜的过滤孔径介于0.002~0.2μm。超滤膜的材质包括聚丙烯晴、聚醚砜、聚砜等，制成中空纤维式膜、卷式膜或管式膜，广泛应用于地表水、海水及废水。与微滤相比，超滤的孔径更小，对污染物的去除率更高。将超滤膜技术用于污水处理厂二沉池水的深度处理，可以完全脱除水中的细菌和大肠杆菌，有效地清除其中的悬浮颗粒，并在一定程度上降低BOD、COD、总氮和总磷等污染物的浓度[12]。
　　（三）反渗透（RO，ReverseOsmosis）
　　反渗透膜工艺是利用半透膜两侧的压力差脱除水中的盐类和低分子物质，截流物包括无机盐、糖类、氨基酸、BOD、COD等。反渗透膜的孔径介于0.005~0.0005μm。目前反渗透技术已应用到城市大型海水淡化水厂、纯净水制取、污水再利用以及改善工业供水等领域。在反渗透深度处理城市污水工艺中，以美国加州橘县21水厂最具代表性，该厂采用超滤（微滤）+反渗透组合工艺对三级排水进行反渗透处理，产品水回注地下以防止海水倒灌和补充地下水。在我国，天津开发区泰达污水厂建有日处理规模为1万吨的微滤-反渗透城市污水再生利用综合示范工程，出水回用于小区。
　　3.5臭氧活性炭工艺
　　臭氧是一种强氧化剂，氧化能力仅次于羟基自由基，可以有效去除水中的有机物、脱色除味，改变水中有机物的结构，提高可生化性，而且臭氧消毒效果也非常好,不仅对细菌有效，对于病毒甚至一些氯气消毒无效的原虫类致病微生物（如贾第虫、隐孢子虫等）也具有很好的灭活效果[13]。臭氧活性炭工艺是将高级氧化和生物技术有机结合，即先进行臭氧氧化以提高其可生化性，然后再经过后续生物处理将其进一步矿化，以减少处理成本，在饮用水和城市污水的深度处理得到了广泛应用。臭氧生物活性炭建设费用和运行费用都较低，环境友好、管理方便，具有良好的性能价格比。
　　4.水质安全性
　　由于城市污水来源的广泛性和复杂性，回用水中既有水中原有的污染物，又有降解中间产物，污染物种类及其毒性十分复杂，常规水质指标不能真实反映水质污染情况。因此，水质评价指标体系不仅包括常规水质指标、致病菌种类和数量、有机和无机污染物种类与数量，还应考虑生态毒性和健康安全[14-17]。目前生物测试(bioassay)技术研究和应用为生态毒理学和环境风险评价研究提供了一项重要手段[18-19]。Ottoboni等考虑到污水对饮用水水源的污染，对其进行了动物毒性试验，一组大鼠专门饮用污水，对照组饮用自来水，结果发现饮用污水的雄性大鼠肾上腺比对照组明显减少，肿瘤发生率高达2%。Pelon等沿密西西比河6个采样点采集53个水样，直接测试其致突变性，结果表明51%样品诱发一种或多种菌株回变。Rappapport等发现6个污水处理厂污水的阳性提取物主要在碱性和中性部分。我国CDC环境所马新芳教授曾采集某污水处理厂原水和二沉池出水，进行Ames试验，结果均为阳性，并且致突变性的强度随季节变化[20]。随着回用对象的多样性和水质要求的提高，现行的再生利用标准将不适应发展的需要。借鉴国内外城市污水回用的成功经验、科研和检测技术的发展，应建立城市污水再生利用安全评价体系和相关标准，以保障公众身体健康和生态安全。
　　5．经济分析
　　污水再生利用的效益主要体现在节约供水、环境效益和经济效益三个方面，如降低给水处理和供水费用；减少城市污水排放及相应的排水工程投资与运行费用；改善生态与社会经济环境，促进工业、旅游业、水产养殖业、农林牧业的发展；改善生存环境，促进和保障人体健康．减少疾病，特别是致癌、致畸、致基因突变危害；增加可供水量，促进经济发展及避免缺水造成的损失。虽然其直接经济效益相对较差，但随着污水再生利用技术的发展，水资源费、饮用水价格的提高，尤其是水资源的紧缺和相关政策的引导，其具有更大的市场潜力和经济优势，社会效益和经济效益将日益显现。
　　6．发展与展望
　　开展城市污水再生利用具有重要的现实意义和技术经济可行性，为保障其再生利用过程的安全性，推动和加快其发展步伐,相关研究如污水处理与再生利用过程中的化学与生物安全保障技术,污水再生利用安全保障指标体系和标准的制定等等要加快研究,从而引导用水单位积极利用再生水资源,促进水资源的合理开发利用。
　　
　　
　　
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