（环境工程专业论文）城市污水二级出水溶解态有机质efom特性及去除机理研究.pdf

摘要 内容摘要 城市污水二级生化处理出水( b i o l o g i c a l l yt r e a t e ds e w a g ee f f l u e n t ， b t s e ) 中有机物( e f f l u e n to r g a n i cm a t t e r ，e f o m ) 的构成十分复杂，是污 水再生处理技术的主要去除对象。明确城市污水二级出水中e f o m 的存在情 况和性质特点，对于二级出水排放质量的控制以及深度处理工艺的处理效果 而言，都具有十分重要的意义。本研究从整体上对实际城市污水二级出水中 e f o m 的性质、特点、组成和变化规律进行了系统的分析和总结，在此基础 上，重点考察了污水深度处理过程中，以臭氧氧化为主体的高级氧化 ( a d v a n c e do x i d a t i o np r o c e s s ，a o p ) 与生物活性炭( b i o l o g i c a la c t i v a t e d c a r b o n ，b a c ) 组合工艺对e f o m 的去除效能，以及e f o m 在该处理工艺中 的性质构成和转化机理。主要研究包括以下三部分的研究内容： ( 1 ) 人工配水生物反应出水溶解态有机质构成分析； ( 2 ) 实际污二级生化出水有机物( e f o m ) 特性比较研究； ( 3 ) e f o m 深度去除效能机理研究。 获得的主要结论如下： ( 1 ) 单宁酸和蛋白质、碳水化合物、d n a 等溶解态微生物代谢产物 ( s m p s ) 是人工配水s b r 反应器出水中d o c 的主要组成部分。反应器运行 过程中，降低p h 值，将导致出水中s m p s 含量不断升高，造成出水水质恶 化。s m p s 同时也是实际城市生活污水和垃圾渗滤液二级生化出水中有机物 的主要组成部分。 ( 2 ) 高效液相一体积排阻色谱分析结果表明，实际污水中的有机物按照 分子量大小可以分为三个部分：微生物代谢产物、腐殖质类难降解有机物质 以及挥发性有机酸等小分子物质。实际污水降解过程中，低分子量有机物快 速消失，难降解腐殖质类和微生物代谢产物生成。同种污水来源的不同污水 处理工艺，其二级出水有机物的分子量分布状况没有明显的差异。地表水、 垃圾渗滤液生物处理出水、含盐废水生物处理出水与实际生活污水二级出水 相比，分子量分布状况存在较大差异。 ( 3 ) 0 3 - - b a c 和a c 0 3 一b a c 连续流工艺对e f o m 的去除率为4 0 左 右。总有机碳和不饱和有机物的去除主要发生在活性炭过滤阶段，而有机物 的芳香程度在氧化阶段得到最有效的降低。氧化反应对e f o m 中的有机碳构 北京1 二业大学博 - g i 叶j 站报告 成产生较大影响。氧化反应会造成大分子有机物的断裂，生成分子量l o o d a 的小分子有机物，进而在后续的生物活性炭滤床中得到有效去除。 关键词二级生化出水( b t s e ) ；二级生化出水有机物( e f o m ) ；臭氧；催化 臭氧化；活性炭；生物活性炭；分子量分布；微生物代谢产物 a b s t r a c t a bs t r a c t b i o l o g i c a l l yt r e a t e ds e w a g ee f f l u e n t ( b t s e ) h a sah e t e r o g e n e o u sm a t r i xo f o r g a n i cm a t e r i a l s e f f l u e n to r g a n i cm a t t e r ( e f o m ) ，w h i c h w a st h em a i no b j e c tt o b er e m o v e di nt h ea d v a n c e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e s t h ep r e s e n c ea n d c h a r a c t e r i s t i c so fe f o ma n d o rd o mi nw a s t e w a t e re f f l u e n ta r eo fg r e a ti n t e r e s t w i t hr e s p e c tt ot h ed i s c h a r g eq u a l i t y , a sw e l la st h ee f f i c i e n c yo fa d v a n c e d t r e a t m e n tf a c i l i t i e s i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，c o n s t i t u t e so fe f o ma n di t s t r a n s f o r m a t i o ni nt h ea c t u a lw a s t e w a t e rb t s ew e r es y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d a n ds u m m a r i z e d b e s i d e s ，t h er e m o v a la n dc h a r a c t e r i s t i ct r a n s f o r m a t i o no fe f o m d u r i n gt h ea d v a n c e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s - a d v a n c e do x i d a t i o np r o c e s s ( a o p ) c o m b i n e dw i t hb i o l o g i c a l a c t i v a t e dc a r b o n ( b a c ) t e c h n o l o g yw a s i n v e s t i g a t e d t h em a i nc o n t e n to ft h i sr e s e a r c hi n c l u d i n g ：( 1 ) e f f l u e n td o m c o n s t i t u t e s a n a l y s i s a n d c o m p a r i s o n i na r t i f i c i a lw a s t e w a t e rb t s e ；( 2 ) c h a r a c t e r i s t i cc o m p a r i s o no fe f o mf r o ma c t u a lw a s t e w a t e rb t s e ；a n d ( 3 ) t h e r e m o v a la n dm e c h a n i s m so fe f o m d u r i n g a d v a n c e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s t h em a i nc o n c l u s i o nw a ss h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) s o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t s ( s m p s ) i n c l u d i n gp r o t e i n ，c a r b o h y d r a t e ， d n aa n dt a n n i nc o n s i s tt ot h em a i np a r to fd o mi nt h ea r t i f i c a lw a s t e w a t e rs b r t r e a t m e n te f f l u e n t t h et r a n s f o r m a t i o no fp hh a da l li m p o r t a n ti m p a c to ns m p s f o r m a t i o n ：d e c r e a s i n gp hv a l u ew i l lr e s u l ti nt h ei n c r e a s i n gr e l e a s eo fs m p s ，a n d c o n s e q u e n t l yd e t e r i o r a t et h ee f f l u e n tq u a l i t y b e s i d e s ，s m p sa r ea l s ot h em a i n c o n s t i t u t eo ft h ea c t u a lw a s t e w a t e rb t s ea n dl e a c h a t eb t s e ( 2 ) t h er e s u l t so fh i 曲p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ( h p l c ) - s i z e e x c l u s i o nc h r o m a t o g r a p h y ( s e or e v e a l e dt h a tt h eo r g a n i cm a t e r i a l si na c t u a l w a s t e w a t e rc a nb ed i v i d e di n t os o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t s ( s m p s ) d e r i v e dd u r i n g b i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s s ，r e f r a c t o r yh u m i cs u b s t a n c e s ，a n dv o l a t i l eo r g a n i c a c i d sa c c o r d i n gt ot h em o l e c u l a rw e i g h t d u r i n gt h ed e g r a d a t i o no fa c t u a l w a s t e w a t e r , l o wm o l e c u l a rw e i 曲to r g a n i cm a t e r i l sv a n i s h e da c c o m p a n i e dw i t h t h ef o r m a t i o no fh u m i cs u b s t a n c e sa n ds m p s f o rt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t 北京工业人学博t 后f 站报告 p r o c e s s e st h a tc o m ef r o mas a m ew a s t e w a t e rs o u r c e ，t h em o l e c u l a rw e i g h t d i s t r i b u t i o n ( m w d ) o f t h e i re f o mw a sn o td i f f e r e n tf r o me a c ho t h e r , w h i l et h e r e e x i s tt h eo b v i o u sd i f f e r e n c e sa m o n gt h em u n i c i p a lw a s t e w a t e rb t s e ，t h es u r f a c e w a t e r , t h e1 e a c h a t eb t s ea n dt h es a l i n ew a s t e w a t e rb t s e ( 3 ) t h er e m o v a lo fe f o m i n0 3 一b a ca n da c 0 3 b a cc o n t i n u o u st r e a t m e n t p r o c e s s e sw a sa b o u t4 0 t h er e m o v a lo ft o ca n du n s a t u r a t e do r g a n i cm a t e r i a l s w a sm a i n l yh a p p e n e di nt h ea cf i l t r a t i o n s t e p ，w h i l et h ed e c r e a s eo ft h e a r o m a t i c i t yw a sa c c o m p l i s h e di nt h eo x i d a t i o ns t e p o x i d a t i o nh a dag r e a t i n f l u e n c eo nt h ec o n s t i t u t ep r o p o r t i o no fe f o m t h el a r g em o l e c u l a rw e i g h t o r g a n i cm a t t e rw a sd e g r a d e di n t ol o wo r g a n i cm a t e r i a l sd u r i n gt h eo x i d a t i o n p e r i o d a n dt h e nr e m o v e di nt h eb a c f i l t e r k e y w o r d sb i o l o g i c a l l yt r e a t e ds e w a g ee f f l u e n t ( b t s e ) ；e f f l u e n to r g a n i c m a t t e r ( e f o m ) ；o z o n e ；o z o n ec a t a l y s i s ；a c t i v a t e dc a r b o n ( a c ) ；b i o l o g i c a l a c t i v a t e dc a r b o n ( b a c ) ；m o l e c u l a r w e i g h td i s t r i b u t i o n ( m w d ) ；s o l u b l e m i c r o b i a lp r o d u c t s ( s m p s ) 第1 章污水再生同用及深度处理概述 第1 章污水再生回用及深度处理概述 1 1 我国水资源状况 水是人类生存和发展的基础，是人们生活和生产建设所必需的宝贵资源。 随着人口的增长和经济的迅速发展，水资源的污染日益严重，而水的需求量急 剧上升。虽然我国的水资源较丰富，在水资源总量上居世界第6 位，然而由于 人口众多，我国人均水资源拥有量仅为世界平均值的1 4 。此外，我国水资源时 空分布不均衡，水资源主要来源于降水，受大气环流、海陆位置及地形、地势 等因素的影响，在地区分布上很不均匀，总体格局是南方多，北方少，东南多， 西北少。在时间分布方面也不平衡，大多数降水集中在7 、8 、9 三个月份。 在水资源短缺的同时，各类点源和面源污染造成了水质的持续下降，水环 境污染总体呈加重趋势，情势十分严峻。虽然国家对水环境的污染治理力度逐 年加大，但水质并未得到明显改善。我国2 0 0 6 年环境状况公报显利1 1 ，2 0 0 6 年， 全国废水排放总量为5 3 7 0 亿吨，比上年增长2 4 ；化学需氧量排放量为1 4 2 8 2 万吨，比上年增长1 o 。全国地表水总体水质属中度污染，在国家环境监测网 ( 简称国控网) 实际监测的7 4 5 个地表水监测断面中( 其中，河流断面5 9 3 个， 湖库点位1 5 2 个) ，i i i i 类，、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、 3 2 和2 8 ，即可作为集中式生活饮用水水源的i 类水质比例仅为4 0 。主 要污染指标为高锰酸盐指数、氨氮和石油类等。2 7 个国控重点湖( 库) 中，满 足i i 类水质的湖( 库) 2 个( 占7 ) ，i i i 类水质的湖( 库) 6 个( 占2 2 ) ， 类水质的湖( 库) 1 个( 占4 ) ，v 类水质的湖( 库) 5 个( 占1 9 ) ，劣v 类 水质的湖( 库) 1 3 个( 占4 8 ) 。其中，巢湖水质为v 类，太湖和滇池为劣v 类。主要污染指标为总氮和总磷。日益严重的水资源短缺和水质安全问题不仅 关系着国计民生，也是制约社会经济可持续发展的因素之一。 1 2 污水回用现状 国内外的实践经验表明，城市污水的再生利用是开源节流、减轻水体污染、 改善生态环境、解决城市缺水的有效途径之一，不仅技术可行，而且经济合理。 城市污水的再生利用本身蕴含着合理性和必然性。其合理性表现在，城市污水 北京t 业人学博j ：后出站报告 再生利用过程是水自然再生循环过程的模拟与强化。城市污水是一种水资源， 往往被人们遗忘，和自来水量几乎相等的城市污水每年约有8 亿立米左右，这 部分水中只有o 1 污染物质( 比海水3 5 少得多) ，其余的绝大部分是以水源 的形式存在，成为城市的第二种水源，如能回用，将大大节省自来水的供应量， 还能减轻排入河湖水体的污染，既解决了供水紧张，又改善了环境，是一举两 得的大好事。因此，将城市污水作为一种持续而稳定的水资源加以利用，是缓 解水资源短缺甚至解决水危机的重要途径，对于减轻环境污染和改善生态环境 也是非常有益的做法。目前，世界性水资源短缺使水资源可持续利用在世界范 围内受到极大的重视，也使得再生水回用作为一项有意义的举措得到普遍的推 广。 1 2 1 回用水用途及其约束条件 再生水，又称之为中水，是指污水二级出水再经深度处理后达到一定的水 质指标、满足某种使用要求，从而达到回用目的的水。再生水的用途主要分为 农业灌溉、景观和环境用水、工业用水、城市杂用水、补充水源水和饮用水回 用等，从使用方式上讲，再生水有直接利用和间接利用两种方式：直接再生利 用是指城市污水经处理达到相应标准后，直接用管渠输送给用户，即实现再生 水的短循环；间接再生利用主要是指地表水源增扩和地下水源增扩，实现污水 资源化和再生水的长循环，对水质要求较高。不同的再生水用途及其主要约束 条件见表1 1 。 整体而言，( 1 ) 用于农田灌溉的再生水需要控制再生水中重金属和盐分对 土壤的影响，灌溉水不直接接触作物，对水中的细菌、病毒含量要求不高，为 避免污水灌溉对地下水的影响，城市污水灌溉只能在适宜污灌区和控制污灌区 中的_ 般控制污灌区进行。( 2 ) 对于景观灌溉、娱乐、环境用水和市政杂用等 可能接触人体的回用对象，在控制再生水美学指标( 浊、色、嗅) 的同时，需 要重点控制再生水的细菌学指标，为避免水体的富营养化问题，娱乐、环境用 水还需控制氮、磷含量。( 3 ) 再生水进行水源补给，间接或直接作为居民生活 水甚至用作饮用水，从长远来看是解决水危机最有效的方法之一，后者也是人 类所面临的一项新的挑战和任务，不仅需要先进的技术和设备，公众接受程度 是另一个难题。因此，对于再生水的整体水质要求较高，在严格控制致病病菌 含量的同时，需关注痕量有机物的存在和毒性以及由此引发的一系列毒理学问 题，为避免突发性的污染状况，个别情况下甚至高出饮用水要求。此外，需严 第1 章污水再生同用及深度处理概述 格控制再生水的补给量和操作方式，充分考虑到原水体的自净能力，以免操作 方式不善造成原水体污染。 表1 1 再生水用途1 2 1 及主要约束条件 t a b l e l 1t h eu s a g eo fr e c l a i m e dw a t e ra n di t sr e s t r i c f i v ef a c t o r s 农业灌溉景观和环境用水工业用水城市杂用补充水源饮用水【旦i 用 妻。籼。等纛乐性景观环境 詈：查要霎塑； 丢7 磊赏性景观环境 旦2 ) 造林育苗 篇某：贝旺尿9 ”咒 途 务。蓉地环境用水。 ；差荔兰兰。巢了- 充地表。，渗入自来 遇黧虾= 三 5 ) 车辆冲洗；小。 “且谊叭门扣 约 束 条 件 1 ) 盐与重金属 1 ) 产生结垢、腐 1 、痘鲁右扣1 ) 痕量有机 对土壤与作物 1 ) 美学问题和n 、p 蚀、生物繁殖与1 ) 气溶胶传播z ；：= 罩物及其毒性 的影响：引起的富营养化；污垢：致病菌； 篓筌丹母l i 对公共健康 2 ) 病菌在作物2 ) 人体直接接触感2 ) 冷却水中有机2 ) 产生结垢、聂蓍釜衄困的潜在危害； 表面的残留； 染致病菌和气溶胶物与致病菌的气腐蚀、生物繁么面! ! 翼2 ) 美学问题 3 ) 管理不善，传播致病菌；溶胶传播，以及殖与污垢； 筌耋霎址与公众接受 地表水、地下水3 ) 管理不善，地表各种工艺用水的3 ) 可能同上水i 黧穿掘程度： 将受到污染：水、地下水将受到致病菌传播等公管交叉；z i ：訾、= 3 ) 关注由致 4 ) 公众接受程污染；众健康问题： 4 ) 公众接受程# 左主二磊病菌引起的 度对作物销售 4 ) 公众接受程度。3 ) 工艺对水质的度。 = = 1 。“公共健康问 情况的影响。特殊要求。 7 弓米。 题。 1 2 2 国内外污水回用现状 1 2 2 1 国外污水回用现状 美国、日本是世界上最早进行污水回用的国家之一，2 0 世纪7 0 年代初美国 开始大规模地兴建污水处理厂，随后开始了污水回用，目前有几百座污水处理 厂的二级处理出水经适当处理后回用，全国城市污水每年回用总量约 9 4 1 0 9 m 3 ，包括灌溉用水、景观用水、工艺用水、工业冷却用水、锅炉补水以 及回灌地下水和娱乐养鱼等多种用途，其中，灌溉占总回用量的6 0 ，工业用 水占3 0 ，城市生活和其他用水不足1 0 l 引。除美国、日本外，俄罗斯、欧洲、 以色列、南非和纳米比亚的污水回用也很普遍【4 】。莫斯科市有3 6 家工厂的污水 回用总量达5 5 1 0 5 m 3 d ：以色列城市污水中有6 5 的污水再净后用于灌溉；欧 洲南部地区，回用水主要用作农业灌溉( 4 4 ) 和城市环境杂用( 3 7 ) ，北欧 地区，主要用作城市杂用和环境补水5 1 ，工业用水占3 3 1 5 1 ；德国的整个工 业在1 9 6 9 年有6 0 以上的耗水量已经循环使用；南非和纳米比亚等国家甚至建 起了饮用水再生制造厂，南非的约翰内斯堡每天有9 4 1 0 4 m 3 饮用水来自再生水 - 3 水水水水水用用用用用却炉涤艺口叩冷锅洗工产) 北京工业大学博十后h 站报告 工厂。此外，希腊、摩洛哥、约旦、 缺的国家，水回用开发也比较普遍， 塞普鲁斯、埃及、突尼斯等水资源较为短 而且收到了良好效果。 1 1 2 2 我国污水回用现状 在我国水资源供需矛盾不断加剧的背景下，近年来的城市缺水问题尤显突 出，水污染治理率与重复利用率低已经成为我国缺水的核心问题，目前，全国 城市缺水总量7 0 x 1 0 9 m 3 ，如不超采地下水，则缺水总量约在1 0 5 x 1 0 9 m 3 。相比 之下，我国污水处理率增长缓慢，在现有6 6 8 城市中，仅有1 2 3 个城市有3 0 7 座不同处理等级的城市污水处理厂，其中城市污水二级处理率为1 0 左右。国 家提出2 0 1 0 年城市污水处理率要求达到4 0 ，而大量处理后的污水如何利用是 我们面临的重要问题。我国的一些缺水城市8 0 年代以来相继建设了一些污水回 用的示范工程，在北京、天津、大连、太原、青岛、沈阳等十余个城市重点开 展了污水回用事业，将城市污水处理后回用于工业和市政等方面：大连市春柳 河水质净化厂是我国的第一个污水回用示范工程；青岛市在市区中部建成了长 达7 2 k i n 的海泊河再生水供应管网；天津市专门出台了关于住宅使用中水的规 定。相对北方缺水城市而言，南方水资源充沛的城市特别是大城市却在污水回 用方面极其欠缺，城市工业对水资源的污染造成了严重的“水质型”缺水现象。 就北京市而言，2 0 0 4 年，北京市区排放污水约8 1 0 9 m 3 ，现有污水管线 2 4 4 2 k m ，污水处理总量为4 6 x 1 0 9 m 3 ，高碑店、酒仙桥、清河、北小河、吴家 村、方庄、肖家河、吴家村等8 座大中型污水处理厂正在运行，日处理能力 1 8 8 1 0 5 m 3 ，污水处理率5 8 【6 】。在建的有小红门污水处理厂，还有拟建的北苑、 东坝、五里坨、定福庄、垡头等5 座污水处理厂，预计2 0 0 8 年污水处理率达到 9 0 ，将为北京市城市污水再利用工程提供良好的条件。高碑店污水处理厂水 资源化再利用工程是北京市最大的城市再生水回用项目，规模4 7 1 0 5 m 3 d ，于 2 0 0 1 年6 月投入运行，目前，该工程修建再生水回用管道3 0 6 k m 和加压泵站 一座，总投资约3 4 亿人民币，处理量约3 0 x 1 0 5 m 3 d ，其中2 0 1 0 5 m 3 d 输送到 高碑店湖中，供第一热电厂冷却循环用水的补充水源；另l o x l 0 5 m 3 d 经水源六 厂深度处理后用于市政杂用，主要作为水工业用水、园林绿化灌溉、环卫洒水 降尘和公园水源补给等1 6 1 。市区还相继建成了方庄、酒仙桥污水深度处理厂， 方庄污水处理厂再生水改造工程近期规模5 0 0 0 m 3 d ，远期规模2 1 0 5 m 3 d ；酒仙 桥污水处理厂再生水回用工程规模为6 1 0 5 m 3 d t 6 | 。依照北京城市总体规划要求， 到2 0 0 8 年城区要建成9 座中水厂，目前在建的有清河污水深度处理厂，拟建的 包括北苑、北小河、肖家河、五里坨、东坝、吴家村、卢沟桥、小红门等8 座 第l 章污水再生同用及深度处理概述 污水深度处理厂，再生水回用率将达到5 0 。 1 2 3 国内外再生水补给水源现状 利用再生水直接补充生产和生活杂用以外，实现污水资源化和再生水的长 循环，进行地表水和地下水等水资源的补给，是实现水资源可持续利用更为有 效和长远的办法，并且有利于生态系统、自净能力遭到破坏的水资源的修复。 再生水进行水源补给在现实中存在三种方式：有计划地间接补给，无计划 地间接补给和有计划地直接补给，如图1 所示。 1 2 3 1 再生水有计划间接补给水源 有计划间接补给水源是维护水资源可持续性使用的有效方法，其特点是将 城市污水经深度处理后，排入自然环境，用户再从自然环境取水，如图1 一所 示。主要包括地表水源增扩和地下水源修复。为防止水源污染，回用水水质必 须满足一定的水质要求，控制参数包括：微生物学质量、总无机物量、重金属、 难降解有机物等。当再生水用于地表水源增扩时，污水深度处理厂的出水水质 应根据排入受纳水体的环境功能要求，水体上下游用途以及水体稀释和自净能 力，以及废水特点，选择相应深度处理技术，使出水口水质符合国家或地方有 关标准。当排入封闭或半封闭水体( 包括湖泊、水库、江河入海口) 时，为防 止富营养化发生，应注意控制出水中t n 和t p 的浓度，需严格控制再生水的补 给量和操作方式，充分考虑到原水体的自净能力，以免操作方式不善造成。 当再生水用于地下水回灌，其水质要求因回灌地区水文地质条件、回灌方 式、回用用途不同而有所变化。当回用水用于饮用水含水层灌注时，要求污水 经二级处理、过滤、消毒和进一步的深度处理，水质目标包括p h 6 5 8 5 ；浊度 低于2 n t u ；无大肠杆菌检出；余氯低于l m g l ，此外，还要满足饮用水各项标 准。1 9 7 6 年美国加利福尼亚州公布了关于污水回灌地下水的第一个水质标准草 案【7 1 ，建议回灌污水在经过二级处理后必须经过滤、消毒和活性炭吸附等深度 处理，回用前须在地下停留6 个月以上，注入点与地下水位距离至少保持3 m ， 抽水点与注入点间的水平距离至少为1 5 0 m ，回灌水注入比例不能超过5 0 ，此 外，抽水点t o c l m g l ，回灌点c o d l v t n 5 0 m g l 、t o c 3 0 m g l 、n o 。3 浓度 4 5 m g l 、总氮 1 0 m g l 、大肠杆菌 2 2 个1 0 0 m l 。深度处理技术的选择须综合 考虑回灌水水质、水量，含水层深度、水量和稀释程度，土壤类型，停留时间、 回灌方式等各项因素。 北京丁业大学博十后站报告 无计划、间接水源补给有计划、间接水源补给 有计划、直接水源补给 图1 1 再生水补给水源的方式 f i g 1 1s u p p l ym o d eo fr e c l a i m e dw a t e rt ow a t e r 1 2 3 2 再生水无计划间接补给水源 在世界上的许多国家和地方，再生水甚至污水随意地、无计划补给水资源 的现象广泛存在：上游城市a 的污水经简单处理或未经处理直接排放到河流或 湖泊中，进而用于下游城市b 的生活用水和饮用水供给，从而造成水源的不断 恶化，如图1 一所示。一些再生水无计划间接补给水源的实例包括：欧洲的莱 茵河和泰晤士河；美国的密西西比河；我国的长江流域；印度湄公河；澳大利 亚墨累河。泰晤士河和莱因河的水量补给，从源头到海洋之间出现多次使用， 泰晤士河流域大约覆盖了1 3 万平方公里的面积，为包括伦敦在内的1 2 千万人 口提供水源，平均大约每天分别向公众和工业提供用水3 7 1 0 7 m 3 和1 4 1 07 m 3 。 每年的水需求大约占新鲜水源径流量的5 5 ，干旱季节的需求量所占据的比例 更大，而3 7 0 个污水处理单元平均每天的处理水量为4 3 l o7 m 3 ，全部排放到泰 晤士河的潮汐断，因此，平均大约1 2 的公众水源来源于间接污水再利用，在 干旱夏季季节，局部地区的数字甚至增加到7 0 【8 】。美国环保局1 9 8 0 年对1 2 4 6 个供水系统所服务的人口超过2 5 0 0 0 的城镇中的8 千万城镇人口进行了调查研 究，研究发现水源供水流量低时，有两千六百万人的供水中含有5 1 0 0 不等的 第1 章污水再生同用及深度处理概述 处理后的污水。在澳大利亚，污水无计划补给水源的现象主要发生在内陆地区， 堪培拉废水排放到墨累河继而到马兰比季河，墨累河下游马兰比季河流域的居 民提取水源作为饮用水，在径流量低的干旱季节，废水排放占饮用水的比例将 相当高1 9 l 。在我国的北方地区，一些河流常年没有补给水源，基本属排污河， 据国家环境保护总局的统计，我国每年污水排放量4 1 0 亿吨，其中8 0 未经适 当处理就排人江河湖海，全国有7 5 的湖泊明显受到污染。在调查评价的1 0 万 公里河段中，4 7 的河段受到不同程度的污染，其中1 0 的河段污染严重，已 丧失使用价值，在北方的辽、海、淮等流域，污水与地表水的比例高达1 ：6 1 ：1 4 。 此外，在污水回用过程中，如果操作不善，同样会造成再生水的无计划补 给现象：( 1 ) 当地下水源的自净能力下降时，回灌的再生水未停留足够时间实 现完全净化，随即又被抽取作为饮用水水源供应给用户；( 2 ) 回用水使用区域 控制不严格的情况下，在雨水冲刷等地表径流的作用下，用于农田灌溉、景观 绿化的一部分再生水，在地表径流的作用下流入清洁的饮用水水源或地下水源。 这些实际中存在的再生水或污水的“间接饮用”现象，使得许多本来清洁的水源 在使用中存在很大的安全隐患，然而却未能引起公众足够的重视，由此引发的 饮用水“健康安全”问题是许多缺水型国家遇到的共同问题。 1 2 3 - 3 有计划直接补给水源 如图1 一所示，有计划地进行水源的直接补给，是指污水经多级处理后直 接与城市给水处理厂的进口管线连接，与原水以一定的比例进行混而，再经给 水各级单元处理后直接供应生活用水。这种方式对回用水的水质要求一般均高 于饮用水标准，仅在世界上的极少数极度缺水国家得到使用。由于受到检测技 术的制约，污水中许多物质还未能被识别，因此，污水回用直接补给水源仍存 在一定的争议，此外，公众的接受程度不高，在目前仍很难得到推广。需要进 一步对污水来源进行全面分析和认识后，制定翔实而有效的深度处理技术，污 水经多级深度处理后，根据实际情况确定回用水与原水的混合比例。 1 2 3 4 再生水补给水源实例 在我国，污水处理水平与国外发达国家还有一定的差距，真正做到污水达 标处理排放，造福下游饮水城市的污水运行处理厂尚属为数不多，采用再生水 进行有计划水源补给的实例更是几乎没有，污水乱排现象严重，造成三江两湖 的严重污染。再生水进行地下水补给也仍处于试验研究阶段，尚无应用实例。 北京工业人学博上后出站报告 国外将再生水用于地表水源增扩和地下水源补给，提供安全生活用水的实 例较多，以美国为例，早在2 0 世纪7 0 年代就开始使用再生水补给地下水，以 防止海水入侵和地下水位的下降，美国加州目前有2 0 0 多个污水回用厂，为8 5 0 多个用户提供再生水，每年约3 3 x 1 0 9 m 3 回用量，回用水中约1 4 被回灌至地 下水，而且将成为污水回用的主要方向【l0 1 。表2 详细列举了再生水补给地表水 和地下水的一些典型的工程实例，其中大多数再生水水源补给工程，均采用的 是再生水间接补给水源的方式，仅有纳米比亚的温得和克采用了再生水的直接 补给方式，表明公众接受程度、不可预计的健康危害等因素，仍然使再生水的 直接利用受到制约，然而采用保守的方式，将再生水进行间接的水源补给，在 多数情况下仍然是可行而且可接受的。再生水的补充比例，除新加坡采用1 表 现地较为保守以外，其他工程中再生水的补充比例均能达到1 0 ，甚至高于2 0 ，干旱季节比例更有所加大。许多地方采用再生水补给水源已经超过2 5 年的 历史，并未发生任何危害公众健康的事件。从再生水的处理方式上看，最初的 处理仍以多种工艺组合为主，2 0 0 0 年之后建成或扩建的再生水厂，逐渐引入了 臭氧、超滤、反渗透以及双膜等高级处理工艺，以进一步确保给水的安全性。 再生水进行有计划的水源补给，间接作为居民生活用水，是对污水自然循 环的人工强化，也是解决水危机最有效的途径之一。国外一些长达二十多年再 生水补给地表水和地下水的工程实例表明，回用水补给水源具有广阔的应用前 景，无论从健康角度还是公众接受程度上讲，都是可行而且可接受的，为我国 再生水回用事业指明了新的发展方向。然而，就我国污水回用目前的发展状况 而言，采用再生水补给水源仍然任重而道远：一方面，许多企业健康卫生意识 较差，污水乱排现象严重；另一方面，我国污水处理水平与国外发达国家存在 显著的差距，寻求经济高效的深度处理技术是亟待解决的问题；此外，公众意 识有待进一步提高，强化人们对再生水资源化的认识与理解。 划 剐 鬏 鬟 1 熙 蛉篷 芒笾 媲霹 o x 寸 剖捌 企需 容器 o x 卜 昏 ? 葛 苫昌 昌 袄 足 浆 翅 偻 垭 b 二 目 丑裂铡 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工艺进水中小分子量有机物存在得较少，而其他工艺进水中分子量 2 0 0 0 0 d a 的物质，这一转化过程表明了微生物代谢 产物的快速生成。此外，进水中低分子量的有机物( 8 0 d a - 3 0 0 d a ) ，在所有生物 处理过程中均快速消失，这一现象在分子量分布一荧光色谱中表现得最为明显， 同时，从分子量分布一紫外光谱中可以观察到，s b r 和c a s t 工艺降解过程中 出现了分于量大约为5 0 0 d a - 6 0 0 d a 的有机物其他工艺降解过程中有分子量 约为7 0 0 d a ，1 0 0 0 d a 和1 7 0 0 d a 的有机物显著增加，表现为这些有机物的紫外 北京工业大学博 j 后 站报告 吸收加强。说明在实际污水的降解过程中，小分子量有机物在得到降解的同时， 还会生成一些微生物代谢产物，以及转化为一部分难降解中间代谢产物，如腐 殖质类有机物等。a m y 等人采用人工配水进行了相关研究 9 4 j ，其结果表明人工 废水的降解过程有明显的有机物分子量转化现象：小分子量有机物一葡萄糖快 速消失，同时伴随着大分子量有机物一微生物代谢产物的生成。 如表3 3 所示，所有污水处理工艺中有机物的降解过程，其有机物的分子量 分布变化尽管存在一定的差别，仍具有较大的可比性。为了使我们的分析和叙 述更加清晰，将研究中选取的污水生物处理工艺分为两组：( 1 ) 序批式生物反 应器，包括s b r ，u n i f e d s b r ，c a s t - a o 脱氮工艺；( 2 ) 连续流工艺，包括 改进的卡鲁塞尔d o 、a o 脱氮，s t e p f e e da o 脱氮，以及a 2 n 反硝化除磷工 艺。从连续流污水处理工艺中( s t e p f e e d a o 脱氮除外) ，一可以明显地观察到， 污水中的有机物逐步得到降解，然而，在序批式污水生物处理工艺中，有机物 迅速降解并接近其出水水平。值得注意的是，s t e p f e e da o 脱氮工艺与其他连 续流工艺不同，有机物的降解规律与序批式污水生物处理工艺接近，尽管进水 被分成4 份，分别加入到反应器的4 个缺氧隔室，在整个降解过程中，各个阶 段有机物的分子量分布状况接近其出水水平。 3 3 2 污水二级出水有机物分子量分布比较 3 3 2 1 城市污水二级出水比较 为了更加清楚地认识同种污水来源的不同生物处理工艺，其出水有机物特 性存在什么样的差异，研究中选取了同一个取样时刻，进一步对各污水处理工 艺的出水进行采样，并采用高效液相一尺寸排阻色谱进行了其有机物分子量分 布的分析和比较，同样的采样分析至少进行了3 次，各工艺出水典型的分子量 分布如图3 1 所示。图3 1 a 为各出水有机物的分子量分布一荧光光谱，谱图主 要表现为双分布模型，包含了分子量1 0 0 d a 1 0 0 0 d a 范围内的一个宽分布，以及 分子量2 0 0 0 0 d a 附近的较窄分布。图3 1 b 为各出水有机物的分子量分布一紫外 光谱，谱图表明出水中存在分子量6 0 0 d a -