（市政工程专业论文）再生水回用于景观水体的相关技术研究.pdf

摘要 摘要 论文题目：再生水回用于景观水体的相关技术研究 专业名称：市政工程 研究生：郎小薇 指导教师：汪慧贞 正文： 论文主要对再生水回用于景观水体的相关技术措施进行研究。针对目前应用 最广泛的再生水处理工艺( 混凝、沉淀、过滤) 对实际再生水厂进行了研究，结 果表明，在二级出水氮磷达标、设备运转正常的情况下，该工艺出水完全可以达 到景观水体的水质标准。针对卫生学标准对目前常用的氯系消毒剂进行了试验， 试验表明，不同消毒剂( 次氯酸钠、次氯酸钙等) 的消毒效果基本相同；污水消 毒副产物的生成量并不高，污水加氯消毒的副产物风险较低。针对再生水回用于 景观水体中出现的富营养化问题进行了研究，提出了一套保障再生水回用于景观 水体水质的措旌，为再生水回用于景观水体科学的合理使用提供了必要的依据。 关键词：再生水景观水体消毒富营养化 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e dt h ea s s o c i a t e dt e c h n o l o g i e so na p p l y i n gt h er e c l a i m e d w a t e rf o rt h ew a t e rb o d yo fi a n d s c a p ep u r p o s e a i m e da tt h ec u r r e n tw i d e l y a p p l y i n gr e c l a i m e dw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e s ( c o a g u l a t i o n ，s e d i m e n t a t i o n ， f i l t r a t i o n ) t os t u d yt h ep r a c t i c ei nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t t h er e s u l t s h o w e du n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fs u b s i d i a r yd i s c h a r g e dw a t e ro fn p s t a n d a r da c h i e v a b l e f a c i l i t i e sr u n n i n gp r o p e r l y , t h ep r o c e s sc o u l dc o m p l e t e l y r e a c ht h es t a n d a r do ft h ew a t e rq u a l i t yf o ri a n d s c a p ew a t e rb o d e x p e r i m e n t s b a s e do ns a n i t a t i o ns t a n d a r dt ot h es e n e so fc h l o r i n ed i s i n f e c t i o ns h o w st h e d i s i n f e c t o r s d i f f e r e n c e s ( h y p o c h l o r o u ss o d i u m h y p o c h l o r e u sc a l c i u me ta 1 ) w e r eh a v i n gt h es i m i l a rd i s i n f e c t i o ne f f e c t s r e g a r c l i n gt h ew a s t e w a t e r d i s i n f e c t i o n ，t h eq u a n t i t yc r e a t e do fo u t g r o w t hw a sn o tg r e a t t h er i s ko ft h e o u t g r o w t hu s i n gc h l o r i n a t i o nw a sl o w e r h a v i n gb e e nc o n d u c t e dt h er e s e a r c h o ft h ee u t r o p h y c a t i o np r o b l e mo c c u r r e dw h e nu s i n gt h er e c l a i m e dw a t e rt o i a n d s c a p e i tr a i s e das e to fn o v e ic o u n t e r r n e a s u r e sf o rt h ew a t e rq u a l i t yt o p r o v i d en e c e s s a r yg i s tf o rt h er e a s o n a b l ea p p l i c a t i o no fr e c l a i m e dw a t e rt o l a n d s c a p ew a t e rb o d y k e y w o r d s ： r e c l a i m e d w a t e r , l a n d s c a p e w a t e 旷 b o d y , d i s i n f e c t i o n e u t r e p h y c a t i o n n 论文 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：郦一，砺 1 日期：2 0 0 6 年1 2 月2 日 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 随着人类社会经济的发展，对水资源的需求量日益增加，淡水资源的短缺已 成为或即将成为某些国家或地区社会经济发展的制约因剥n 。我国水资源不足， 是世界上1 3 个贫水国之一，人均水资源量是世界平均水平的1 4 ，据水利部门统 计，1 9 9 9 年全国现有的6 0 0 多个城市中就有约4 0 0 个城市缺水，日缺水量近1 8 0 0 万立方米，其中特别严重的就有1 0 0 多个【2 1 。在2 0 0 1 年初通过的“国民经济和社会 发展第十个五年计划纲要”中明确提出要搞好污水处理回用。 由于水资源短缺和水污染加剧的现实，使得利用洁净水源补充景观水体变得 不可行，而将污水深度处理后补给人工景观水体，既节约了水资源，又实现了人 们对水景需求的综合效益。 再生水( r e c l a i m e d w a t e r ，r e c y c l e d w a t e r ) 指污水经适当处理后，达到一定的 水质指标，满足某种使用要求，可以进行有益使用的水【3 】。 我国城市污水再生利用景观环境用水水质( o b r1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) 中，从水 质要求出发，将再生水用于景观环境用水分为观赏性景观环境用水和娱乐性景观 环境用水。其中，观赏性景观环境用水是指人体非直接接触的景观环境用水，包 括不设娱乐设施的景观河道、景观湖泊及其他观赏性景观用水，水体由再生水组 成，或部分由再生水组成，为不允许接触的观赏性景观水体；娱乐性景观环境用 水是指人体非全身性接触的景观环境用水，包括设有娱乐设施的景观河道、景观 湖泊及其他娱乐性景观用水，水体由再生水组成，或部分由再生水组成，为部分 接触的景观水体【4 】。 从目前我国的经济条件来讲，再生水回用于景观水体，其水体性质宜用于部 分接触的娱乐性景观水体和不允许接触的观赏性景观水体。 1 2 再生水回用于景观水体的相关技术综述 景观水体是人们休闲娱乐的场所，所以作为景观水体，首先要求在感观上给 人以舒适的感觉，水体不出现浑浊、黑臭等令人厌恶的现象。在城市污水再生 1 绪论 利用景观环境用水水质中景观环境用水的再生水水质指标中，对再生水的基 本要求就是水体无漂浮物，无令人不愉快的嗅和味。在感观指标上也规定了浊度、 色度及悬浮物的范围。一旦景观水体连这些基本要求都不能达到，在感观上给人 不快的感觉，那么水体就失去了观赏的功能，它的价值将大减。为了达到景观水 体的要求，首先要对再生水的处理技术进行研究，确保再生水水质符合景观水体 的基本要求。 当再生水用于景观环境，尤其是娱乐性景观用水时，必须注意水体中对人体 健康有害的污染物如病原微生物和化学物质，特别是与人体有接触的水体中不能 含有对眼睛隔膜、耳隔膜以及皮肤有害的化学物质。经研究证明对人体健康最主 要的危害还是与病原微生物的接触，这些病原微生物主要包括细菌性病原体、寄 生虫、原生动物、肠道病毒嘲。在再生水回用的所有方式中，肠道病原体对景观 水体的危害最大，即对人体健康的危害最大嘲。所以再生水在回用于景观时，必 须保证卫生学指标满足国家的相关标准，这就需要对再生水进行消毒。如果再生 水卫生学达到要求，观赏性的喷泉也可以使用再生水进行补水。 由于再生水的水质特点，以再生水作为补水水源的景观水体在使用过程中容 易存在水华、水体卫生学等方面的危害。水华是再生水回用于景观水体存在的主 要问题。因此，我们需要采取相关措施防止景观水体发生水华。 1 2 1 再生水处理技术 城市污水处理方法，按照处理过程可以分为物理处理法，化学处理法和生物 处理法三类。现代污水处理技术，按照处理程度划分，可以分为一级、二级和三 级处理污水工艺。 一级污水处理主要去除污水中的悬浮固体污染物质，物理处理法大部分只能 完成一级处理的要求。二级污水处理主要去除污水中呈胶体和溶解性状态的有机 污染物质。三级污水处理是在一级、二级处理后，进一步处理难以降解的有机物、 磷和氮等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要处理方法有传统三段深 度处理( 混凝沉淀过滤) 、石灰法、活性炭法、膜技术等7 一】。三级处理是深度 处理的同义语，但两者又不完全相同，深度处理是以污水回用为目的在一级或二 级处理后增加的工艺。 再生水处理技术的发展是建立在污水深度处理技术的基础上的，其发展与应 2 1 绪论 用要比饮用水处理技术灵活得多，处理单元的组合方式及具体的工艺流程要比饮 用水处理技术多得多 9 1 。 通常的污水二级处理技术对污水中的污染物的去除效果是有限的，其处理出 水要经过深度处理才能有效地去除水中的残留污染物质，使之达到不同回用水质 标准的要求。因此一般的再生水处理技术均是建立在二级出水的基础上，后续处 理技术有混凝沉淀、生物处理、过滤、消毒与膜处理等其它处理技术埘。 污水再生利用主要依靠三级处理工艺，其单元处理工艺的组合要根据下列因 素确定： 废水中的污染物特性； 处理后废水的用途； 单元处理工艺相互之间的兼容性； 经济可行性。 在污水处理的技术路线上，关键性的转变是由单项技术转变为技术集成。以 往是以达标排放为目的，针对某些污染物去除而设计工艺流程，现在要调整到以 水的综合利用为目的，将现有的技术进行综合、集成，以满足所设定的水资源化 目标【1 1 2 1 。 1 2 1 1 混凝沉淀过滤法 一e 亘丑 巫丑回一臣习一圈一 图l - 1 混凝沉淀过滤工艺流程 混凝沉淀法即传统深度处理，包括混凝、沉淀及过滤等工艺过程( 图1 1 ) 。 混凝法应用于污水处理，可提高对有机污染物、浊度、磷和氮等营养物质及其他 溶解性物质的去除率，改善出水水质。有研究表明，二级出水进行传统混凝、沉 淀处理后，可去除浊度7 3 8 8 ，s s6 0 7 0 ，色度4 0 5 0 ， b o d 5 3 1 7 7 ，c o d2 5 4 0 ，总磷2 9 9 0 【1 3 】。混凝沉淀法与其它的 处理工艺相比较，其优点是：设备简单，维护操作易于掌握，处理效果好，间歇 或连续运行均可以，而缺点是由于不断向废水中投药，经常性运行费用较高，沉 渣量大。目前采用混凝沉淀法作为深度处理的报导很多1 1 4 】。 混凝沉淀过滤工艺适合于大、中、小型处理规模的场合，流程根据需要和水 1 绪论 质可以有变化。当二级出水水质较好时( 悬浮物含量低) ，过滤单元前可直接投 加混凝药剂，即变换为微絮凝过滤，此时省去混合、絮凝和沉淀单元。工艺中， 加药量( 混凝剂、助凝剂) 的设定、p h 的调整和絮块的沉降状况等是管理的重 要因素。 1 2 i 2 活性炭技术 从2 0 世纪5 0 年代后期，欧美国家相继研究应用生物活性炭对污水进行深度 处理，欧洲的水污染问题比美国更加严重，因此生物活性炭技术( b 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 ) 在欧洲应用普遍，它能有效地净化水质。目前，欧洲应用b a c 技术的水厂最长已有7 0 年的历史1 1 5 1 。b a c 技术由于结合并优化了生物降解和活 性炭吸附两个过程，对多种废水的处理显示了突出效果。 ( 1 ) b p a c 技术 一些日本研究学者在经过试验后，提出了b p a c ( b i o l o g i c a lp o w d e r e d a c t i v a t e dc a r b o n ) 又可称为生物粉末活性炭技术。它主要是和微滤系统进行组合 形成b p a c m f ( m i c r o f i l t r a t i o n ) 系统，b p a c 作为微滤的前处理系统，以提高 微滤的水处理量，并提高滤膜的使用寿命 1 6 1 。 ( 2 ) b a c s b r 技术 为了处理高浓度的有机废水，l o u k i d o u 等人研究了一种运用生物活性炭序 批式反应器( b a c s b r ) 工艺，它不仅降低了对曝气的要求，同时减少了内部 循环，可很好的控制硝化过程，有效脱氮。但其同时也存在问题活性炭微小 颗粒随水流流出造成的活性炭损失及出水浊度升高。 ( 3 ) 0 3 b a c 处理工艺 在英国、德国、瑞士及其他国家，由于对水的色度、金属含量及卤代烃的限 制，使人们对臭氧与生物过滤相结合的工艺进行了进一步的研究。0 3 - b a c 处理 工艺可有效地去除水中的腐殖质，并对氧化过程中形成的可生物降解的溶解性有 机物( b d o c ) 、d o c 包括可能转变为毒害物质的溶解性有机物、臭氧化产物、 合成有机化合物( 如杀虫剂) 、产生嗅味的化合物及氨的去除均十分有效。 随着人们对污水处理水质的要求的提高，由于o r b a c 技术中臭氧对有机 吸附造成破坏，所以科学家开始研究以比表面更大的其他吸附剂代替活性炭，这 些吸附剂经臭氧作用后可以获得理想的吸附效率，它们包括活性铝、活性铁矾土 4 1 绪论 和骨碳，而且这类无机吸附剂可用化学法再生。 1 2 1 3 膜技术 膜是一种具有特殊选择性分离功能的无机或高分子材料，它能把流体分隔成 不相通的两个部分，使其中的一种或几种物质能透过，而将其它物质分离出来。 目前，膜技术是环境保护和环境治理的重要产业技术。在日本，科学家们把膜技 术作为2 1 世纪的基础技术进行研究开发，曾在1 9 8 7 年日本东京国际膜与膜过程 会议上与会专家就明确指出：“在2 l 世纪多数工业中，膜过程扮演着战略的角 色。”德国、英国已用膜技术治理了莱茵河和泰晤士河，我国也建设了一批应用 膜技术的环保示范工程，并取得了良好的效果。其主要技术特点为： 分离过程无相态变化，基本在常温下进行，特别适用对热敏感物质的分 离过程。 分离范围可以从小分子到大分子、从细菌到病毒、从蛋白质、胶体到多糖 等。 分离过程仅仅是简单的加压输送，易自控、占地面积小。 与其它如蒸馏、冷冻、萃取等分离方法比较，节能效果显著。 一般不需要投加其他物质，可节省原材料和化学药品。 膜分离过程中分离和浓缩同时进行，能回收有价值的物质。 ( 1 ) 微滤( m f ，m i c r o f i l t r a t i o n ) m1 8 l 微滤膜主要是用于溶液脱去不溶性粒子和气体脱去粒子。在国外许多微滤膜 被用于气体的分离工程。在我国有些地方采用浸入式连续微滤膜装置对城市污水 进行深度处理并回用，运行结果表明该装置在技术上是可行的，出水水质稳定， 良好、无色无嗅。运用该装置采取反冲洗及化学清洗可有效地减轻浓度差极化、 延缓膜污染，膜通量恢复率大于9 9 。大连市开发区排水管理有限公司污水处理 二厂采用的为浸入式连续微滤膜装置。处理水量为8 0 0 m 3 d ，每隔2 2 r a i n 气水反 冲洗4 m i n 以改善膜的浓差极化、延缓膜污染、恢复膜通量。 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。为 强化对微污染水源水中的有机物的去除效果，专家提出微滤膜与混凝相结合的净 化工艺。在其中混凝剂的主要成份为p a c ，对于t o c 、u v 2 s 4 的去除效果较膜直 接过滤分别增加了约2 4 和2 6 。 1 绪论 现有微滤膜技术在污水处理中主要是应用于反渗透膜工艺的前处理，以保证 反渗透膜的正常运转。连续式微过滤( c m f ) 滤膜能够为反渗透滤膜的长期稳定 运行提供一个安全保障，而这是其它技术无法做到的。 ( 2 ) 超滤( u f ，u l t r a f f i t r a t i o n ) 0 9 - 2 2 1 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 0 0 5 - 0 1 l u n 内的细菌、病毒、胶体微粒和分子量在 5 0 0 0 1 5 0 0 0 0 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 0 0 2 0 2 1 t m 。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。 由于超滤膜截留分子量较大，使得去除天然有机物( n o m - n a t u r a lo r g a n i c m a t t e r ) 相对无效。研究学者采用颗粒活性炭柱淹没式中空纤维膜过滤装置联用 ( g a c c i h f m s ) ，旨在有效除浊、消毒的同时，也能够大量去除小分子有机物， 提高出水水质。该系统对于c o d m 的总去除率达到4 2 6 7 0 0 - 8 4 4 0 ，有效地提 高了有机物的去除能力；颗粒活性炭中吸附截留的有机物成为细菌滋生的温床， 使出水细菌总数增加，淹没式中空纤维膜过滤装置可靠的消毒性能弥补了这各步 足，但是该系统对于硝酸盐类的去除效果较差。 膜出水收集后从产水管排出，而浓水一部分循环至进水端，另一部分排放。 也可以将浓水全部排放。被截留的悬浮物、细菌、大分子有机物、胶体等就堆集 在纤维内表面，经运行一段时间后( 一般为3 0 r a i n ) ，需进行反冲洗，反冲洗的 水为超滤产水，水量2 0 0 - 3 0 0 l r a i n 。经过长时间运行之后( 一般为1 2 个月) ，可 能在膜表面粘附着不易冲洗掉的污染物和微生物，此时应进行化学清洗，一般使 用盐酸、氢氧化钠或次氯酸钠。系统运行过程只需提供一定的压力，运行成本低， 过程简单，操作方便，便于集成和控制；整个处理过程全封闭进行，勿需添加大 量化学试剂，对周围环境几乎没有干扰和污染。因此超滤膜再生水回用是一种高 效、稳定、低能耗，技术先进，经济、占地少，安全可靠的城市污水再生回用新 技术。 将超滤膜技术用于污水处理厂二沉池水的深度处理，可以有效脱除水中的细 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有机物、总氮 6 1 绪论 和总磷等污染物的浓度。 ( 3 ) 纳滤( n f ，n a n o f i l t r a f i o n ) 2 4 l 纳滤研究开始于7 0 年代未国外对n s 3 0 0 膜的研究，膜组件于8 0 年代中期 形成产品。n f 膜以醋酸纤维素三醋酸纤维素( c a - c 1 a ) 膜，芳香族聚酰胺复 合和磺化聚酚膜为主。 纳滤膜的显著特征是膜上或者膜中存在带电基团，它们通过静电相互作用， 阻碍多价离子的渗透，这是纳滤膜在很低压力下仍具有较高脱盐性能的重要原 因。纳滤膜在饮用水净化领域主要是用于对原水的软化处理，由于其可以有效的 截留二价离子，具有较低的操作压力和较大的水通量，对苦咸水进行软化和脱盐 成为纳滤应用的最大市场。 在德国和澳大利亚等国家，运用纳滤膜对水中的硝酸盐进行去除，它主要是 使原水先进入纳滤膜，再进入离子交换柱，这样的处理效果很好。这种方法的好 处在于：可以有选择性的去除硝酸盐，水的回收率也相对较高。处理后的水可以 应用到农业和工业中。在污水回用技术领域中，纳滤膜主要是应用在微滤和超滤 的预处理之后。 纳滤的膜应用是十分广泛的，它还被应用到了处理重金属的废水，造纸废水 等工业水处理系统中。 ( 4 ) 反渗透( r o ，r e v e r s eo s m o s i s ) 【2 量2 6 l 反渗透技术始于5 0 年代美国佛罗里达大学的一个科学实验，在那里工作的 r e i d 和b r e t o n 都证明了醋酸纤维具有脱盐特性。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水等多方面领域。 在国外反渗透技术主要应用于海水的脱盐，以补充地下水资源及农业灌溉之 用。在澳大利亚新南威尔氏的c o i f s 港口，对于污水处理和海水脱盐就主要采用 的是反渗透技术。它们主要是把再生水用于回灌到地下，以增加地下水层的含水 量，并有少部分用于环境喷洒及农业灌溉。 在日本第一套使用反渗透膜技术的大型实验装置于1 9 9 3 1 9 9 5 年在日本千 叶县花见川下水处理场完成了实际运转实验，反渗透膜产出水( 2 1 0 m 3 d ) 的水 质达到了自来水标准，反渗透装置实现了自动连续运行，从下水变成上水的处理 成本为3 7 日删( 约为2 4 元m 3 ) 。 7 1 绪论 美国的做法很有代表性，在污水二级处理后增加深度处理，采用微滤膜过滤 和反渗透膜处理的方法，是目前较为成熟并已进入应用阶段的工艺技术。处理后 的出水水质可达到饮用水标准，目前多用开补充作为饮用水水源的地面水或地下 水。加州橘县的2 l 水厂对三级排水进行反渗透处理，处理水回注地下以防止海 水倒灌。1 9 9 7 年又采用超滤( 微滤) + 反渗透+ 紫外线消毒的工艺的组合，生产 的再生水回注地下以补充地下水。 i 2 2 消毒技术 在再生水回用中，卫生学指标是人们普遍关注的，因此消毒技术的研究在再 生水回用中是必不可少的。 消毒方法大体上可分为两类：物理方法和化学方法。物理方法主要有加热、 冷冻、辐照、紫外线和微波消毒等方法。但目前最常用的还是使用化学试剂的化 学方法。化学方法是利用各种化学药剂进行消毒，常用的化学消毒剂有多种氧化 剂( 氯，臭氧、溴、碘、高锰酸钾等) 、某些生金属离子( 银、铜等) 及阳离子 型表面活性剂等。 城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 规定污水处理厂出水 一级a 标准的粪大肠菌群数为1 0 3 个，l 【2 刀，所以必须考虑污水的消毒。目前污水 处理厂常用的消毒处理方法主要是氯消毒法，它包括液氯、次氯酸钠和漂白粉消 毒。另外，国外污水厂有臭氧和紫外线消毒等。 液氯消毒的处理设施主要有加氯设备、加氯间和氯库。近年来，加氯自动化 发展很快，很多自来水厂都采用了自动检测和自动加氯技术。因此，加氯设备除 了加氯机和氯瓶外，还相应设置了自动检测和自动控制设备。 次氯酸钠和漂白粉消毒设备主要是定量投加装置。其他消毒方法的设备是各 类发生器。 消毒对于废水处理后的安全排放或回用，尤其是对近年来实施较多的工业水 回用和再生水回用工程，已成为必须考虑的工艺步骤之一，具有非常重要的作用。 在膜处理技术中，也可以起到一定的消毒作用，去除水中大量的微生物及细菌。 1 2 2 1 消毒原理 ( 1 ) 氯消毒 加氯消毒是指向污水中加入液氯，杀灭其中的病菌和病毒。氯在常温常压下 8 1 绪论 是一种黄绿色的气体，为便于运输、贮存和投加，将氯气在常温下加压至8 - 1 0 a t m 而变成液态，即加氯消毒中采用的液氯。氯消毒作用，利用的不是氯气本身，而 是氯与水发生反应生成的次氯酸，反应式如下： c l 州h 2 0 一h c l o 卜c l + r ( 1 ) 次氯酸( h c l o ) 分子量很小，是不带电的中性分子，可以扩散到带负电荷的细 菌细胞表面，并渗入胞内，利用氯原子的氧化作用破坏细胞的酶系统，使其生理 活动停止，最后导致死亡。在水中形成的h c i o 是一种弱酸，会发生以下电解反 应： h c i o - - * - h + 斗c 1 0 ( 2 ) 式中的次氯酸根离子也具有氧化性，但由于其本身带有负电荷，不能靠近也 带负电荷的细菌，所以基本上无消毒作用。当污水的p h 值较高时，式( 2 ) 中的化 学平衡会向右移动，水中h c i o 浓度降低，消毒效果减弱。 自2 0 世纪7 0 年代以来，随着水质分析技术的不断发展和完善，科学家们对 液氯消毒在水处理上的应用重新进行了评估和研究，发现氯气消毒具有以下缺 点： 氯会与水中腐殖酸类物质反应形成致癌的卤代烃( t h m s ) ； 氯会与酚类反应形成具有怪味的氯酚； 氯与水中的氨反应形成消毒效果低的氯胺，而且排入水体后对鱼类有危 害； 氯在p h 值较高时消毒效力大幅度下降； 氯长期使用会引起某些微生物的抗药性。 鉴于此，人们对其他代用消毒剂产生了很大的兴趣并进行了广泛的研究，其 中二氧化氯在最近几年更是引起了人们的极大关注。美国环保局( u s e p a ) 于 1 9 8 3 年推荐用二氧化氯代替氯气进行消毒。 目前，仅在美国就有4 0 0 多家水厂应用二氧化氯。在欧洲，二氧化氯的使用 更为普遍，已有数千家水厂在应用此项技术 2 8 - 3 0 。 ( 2 ) 紫外线消毒( u v ，u l t r a v i o l e t ) 紫外线用于水的消毒，具有消毒快捷，不污染水质等优点，近年来越来越受 到人们的关注。紫外线消毒可消灭绝大多数在污水中生存的病毒和细菌。 9 1 绪论 紫外线消毒法主要靠用放射性射线破坏病原体内重要的组成结构。紫外线是 波长在o 1 o 4 1 t m 范围的电磁波，其中具有消毒能力的紫外线波段为0 2 o 3 t t m 。 光线能否穿过水体到达目标物影响着杀菌的效果，因此必须保证灯管不被粘膜或 沉淀物所覆盖，且需要处理的水没有浊度。紫外线对细菌和病毒的杀灭效果很好， 其主要的缺点在于不能在配水系统中持续杀菌，而且其成本十分昂贵 2 8 - 3 0 。 ( 3 ) 臭氧消毒 臭氧是一种具有刺激味、不稳定的气味，由三个氧原子结合成的0 3 分子。 由于其不稳定性，通常在使用地点生产臭氧。它是一种强氧化剂，比次氯酸还强， 比氯更能有效地杀死病毒和胞囊。臭氧消毒不会形成n m s 或任何含氯消毒副产 物，与二氧化氯一样，臭氧不能长时间地存在于水中，几分钟后就会重新变成氧 气。在欧洲普遍用臭氧处理饮用水，在美国也逐渐流行，在1 9 7 5 年美国开始运 用臭氧对污水进行消毒。 国外研究学者做了经济调查，证明在同样的水质效果情况下，紫外线消毒和 臭氧消毒的处理效果相近，但是臭氧消毒的处理成本要远远高于紫外线消毒 2 8 - 3 0 l 。 目前，污水消毒技术的研究主要集中在两个方面：其一是机理研究，主要包 括影响消毒效果深层次原因的分析、消毒的动力学机理、消毒过程的毒理学研究 等。其二是应用方面的研究，主要包括消毒过程的参数研究、新型工艺的开发， 值得注意的是生态友好型消毒技术已成为污水消毒的热点技术。 1 2 2 2 国内应用研究情况 目前，国内许多高校和科研院所都在研究紫外线消毒和c 1 0 2 消毒。佛山市 供水总公司的胡静等对不同消毒方法的消毒效果进行了比较，分析了消毒工艺的 投资和运行成本，提出我国污水处理厂消毒工艺的发展趋势是紫外线消毒，它有 取代传统化学消毒方法的趋势【3 。 哈尔滨工业大学的黄君礼重点论述了c 1 0 2 的优良性能和发生技术及国内外 c 1 0 2 的研究与应用现状。并建议国家有关部门指定并出台c 1 0 2 取代液氯消毒的 相应法规和高纯c 1 0 2 发生器和分析方法的相关标准。c 1 0 2 正在被接受和认可， 并有广阔的应用前景【3 2 。3 3 1 。 清华大学的张彤等在对污水二氧化氯消毒的消毒效果及其影响因素分析的 i 0 1 绪论 基础上，较系统地阐述了二氧化氯消毒可能产生的无机副产物和有机副产物的种 类及其生物毒性。强调了系统、深入开展消毒原水水质特性对消毒效果的影响以 及污水二氧化氯消毒副产物的产生规律、物质种类等方面的研究的重要性和必要 性p 4 l 。湖南农业大学的袁平夫等也指出二氧化氯消毒技术中二氧化氯自身及其副 产物所带来的二次污染是应引起高度重视的问题【3 5 1 。 1 2 2 3 小结 氯消毒灭活微生物的效果好、成本低、使用较为方便，在国内外污水处理中 得到广泛应用。在原水氨氮浓度较高的污水中( 如果氨氮浓度大于l m g 1 ) ，投加 的氯基本上以氯胺的形式存在，氯胺消毒的消毒副产物生成量低，持续性强，其 不足是消毒速度较慢。 二氧化氯消毒是近二十年来兴起的消毒技术，灭活微生物的能力强，消毒副 产物的生成量小；但其成本约是氯消毒的十倍，因而限制了其大规模应用。目前 国外二氧化氯消毒主要用于自来水消毒，用于污水消毒的较少。 臭氧消毒的灭活微生物能力强，不产生有害的三卤甲烷、卤乙酸等消毒副产 物，但是其设备复杂，成本很高，一般只在小厂中有少量应用，大规模应用较少。 紫外消毒也是一种高效的消毒技术，但同样存在成本较高的问题。 国外目前的研究现状体现了污水消毒技术的几个方向： 1 ) 消毒技术的选择和开发更注重环境效益与经济成本的结合，经济性不再 是最重要的因素。生态友好型消毒技术将是最重要的发展方向之一。 2 ) 组合型的消毒技术重要性逐渐增强，尤其是紫外与其他方式的组合。 3 ) 人们对污水消毒技术的理解由微生物水平正在向分子水平、基因水平迈 进。 国内目前对消毒的研究主要是紫外线、臭氧和二氧化氯消毒的应用，三者的 费用都比较高且应用条件不是很成熟，因此应用比较少。 1 2 3 再生水回用于景观水体水质保障技术 1 2 3 1 再生水回用于景观水体的必要性 适当的水景设置可以提高环境的品质，丰富空间环境；起到调节小气候的作 用，而大面积水域还能吸收空气中的尘埃，增加居住环境的湿度，起到净化空气 的作用，对居民的健康大有益处p 6 1 ；同时可以为人们营造回归自然的氛围，带来 1 绪论 精神上的享受。某问卷调查的结果是：8 0 的购房者认为“水景是高尚住宅的必 备条件”，在水景和朝阳的朝向不能兼得时，4 8 的被访者愿选水景而放弃朝向 3 7 1 。可见，亲近自然的水景设施逐渐成为人们追求高品质的健康生活，创造美好 社区居住环境的发展趋势。 从人居的角度“水景”有许多优点，但是由于水资源短缺和水污染加剧的现 实，利用洁净水源补充人工水景是不可行的，因此将污水深度处理后补给人工景 观水体既可以节约水资源，又可以实现人们对水景需求的综合效益。 i 2 3 2 国内外再生水回用于景观水体情况 国内最早的城市污水回用于景观研究始于“七五”国家科技攻关计划，此后， 天津、北京、泰安、青岛、石家庄等城市相继开展了这方面的工作。其中北京是 国内城市污水再生回用于景观环境开展较早的，也是全国回用量最大的城市之 一。目前北京几个主要污水处理厂总污水处理量达1 4 8 万m 3 d ，回用于景观环 境用水量达到3 0 万m 3 d 以上，其中高碑店污水处理厂的部分出水补充到北京市 的几个公园作为景观环境用水【弼。北京市将城市污水处理厂的再生水补充到京城 的高碑店湖、昆玉河、南护城河等景观湖泊、河道，大大提高了北京的总体水环 境质量。天津市也是一个严重的资源型缺水城市，再生水回用比例也很大，天津 市纪庄子污水处理回用工程被列为全国5 个污水回用重点示范工程之一，其中部 分处理水用于补充生态小区的景观水体，部分回用于市内的卫津河，以补充水体 的蒸发量。青岛、石家庄、合肥、山东泰安、淄博等地严重缺水的地区，均有不 同程度的景观环境用水。 目前北京朝阳公园、北京南馆公园、北京大观圆公园、北京清河、北京亮马 河等已采用再生水作为河湖景观水体的补水水源。2 0 0 8 年北京奥运公园景观水 体也将采用由清河污水处理厂和北小河污水处理厂的再生水作为补水。除此之 外，在城市绿地、公园建设和大型标志性建筑区中，人工湖泊、人工河道及景观 水池不断涌现，这些景观水体都需要用再生水来进行补水。 但总体来说，国内将经二级处理后的城市污水再生回用于景观环境的实例所 占比例较少，而且对于已经开展景观环境回用的水体，也存在各种各样的问题， 如景观水体的富营养化现象严重，藻类疯长等，执行标准不一等。 国外将城市污水处理后作为河道、湖泊观赏用水的研究，早在1 9 世纪3 0 年 1 2 1 绪论 代就已开始。美国的景观环境回用以加利福尼亚、佛罗里达州、亚利桑那等州的 工程较多。p a d r ed a m 再生水厂始建于1 9 6 1 年，位于加利福尼亚州圣地亚哥城。 该厂生产的出水有近一半供应s a n t e e l a k e s 地区公园内的7 个湖泊的蒸发补水及 湖泊水域的娱乐用水，该公园同时为野生动物提供栖息地。是全世界城市污水再 生利用于景观娱乐用水的典范【3 9 1 。日本的回用对象主要为景观河道用水、工业用 水、冲厕用水。其中景观环境用水部分约占回用总量的1 0 。日本大部分地区 利用处理后的再生水恢复受污染的水体，从1 9 8 5 年到1 9 9 6 年用再生水复活了 1 5 0 多条城市小溪，改变了市区河道污染严重的局面。东京将部分城市污水处理 后再输送至河流上游，作为城市河道景观用水的部分补水水源。大阪市目前运行 的十几个污水处理厂中有5 个主要用于改善污水厂附近居民休闲场所的水环境。 城市水回用方案在2 0 0 0 年悉尼举办奥运会场地实施，采用超滤技术为悉尼奥林 匹克公园的居民区、商业区和运动场地提供用水，并用于灌溉、景观等方面1 4 0 。 国外在城市景观环境用水的回用过程中，由于对排入景观水体的氮磷指标进 行了严格的限制，且污水处理厂绝大多数采用了深度处理工艺，部分再生水甚至 使用活性炭过滤、臭氧消毒、加氯除氨等工艺，因此较好地控制了水华现象的发 生。 1 2 3 3 再生水回用于景观水体的水质要求 对再生水处理的程度取决于再生水的回用方式。就再生水回用于景观水体而 言，要严格考虑再生水中存在污染物和病原体对水体美学价值和人体健康的危 害。作为景观水体，首先要求在感观上给人舒适的感觉，要求水体清澈，透明度 高，不出现浑浊、黑臭以及富营养化现象。 其次就是景观水体对人体健康的影响。尤其是娱乐性景观水体，因为水体要 与人体有轻微接触，故水中不能含有杆状细菌和阿米巴痢疾、霍乱、伤寒和副伤 寒病菌等。研究指出，处理肠道病毒特别困难，这种病毒抵抗灭活的能力比大肠 杆菌大，经消毒处理的再生水中仍然存在着一些游离的传染性肠道病毒，如艾柯 病毒( e c h o v i r u s ) 、脊髓灰质炎病毒( p o l i o v i r u s ) 和柯萨奇( c o x s a c k i e ) 病毒。 在再生水回用的所有方式中，肠道病原体对景观水体的危害最大。虽然观赏性景 观水体与人体非直接接触，但是仍然不可避免地会与人体会有一些接触，如果以 再生水作观赏性喷泉，所产生的气溶胶会对吸入者造成细菌、病毒感染的直接危 1 绪论 害。又如水体出现了富营养化现象，许多富营养化优势藻属如蓝藻中的微囊藻属 ( m i c r o c y s t i s ) 、鱼腥藻属( a n a b a e a m a ) 、束丝藻属( a p h a n i z o m e n o n ) 等都能产生藻 毒素，它们都是由蓝藻产生的二次代谢产物，藻毒素主要分为肝毒素、神经毒素、 脂多糖毒素三大类，藻毒素一般都是细胞内毒素，在细胞内合同，细胞破裂后释 放出来并表现出毒性，不仅危害水生动物，而且对人体健康也有潜在的危害作用。 富营养化是再生水作为娱乐性、观赏性人工水体的最大障碍之一【4 1 州。 1 2 3 4 再生水回用于景观水体存在的问题 水体富营养化是指大量溶解性营养盐类进入水体，引起藻类和其他浮游生物 迅速繁殖，大量消耗水体中的溶解氧，水质变差，鱼类及其他生物大量死亡的现 象，严重时会发生水华。富营养化发生所需的必要条件有三个方面：充足的t n 、 t p 等营养盐；缓慢的水流流态；适宜的温度条件m 。一般认为，水体形成富营 养化的指标是：水体中含氮量大于0 2 - 0 3 m g l ，含磷量大于0 0 1 r a g l ：生 化需氧量大于1 0 r a g l , 在淡水中细菌总量达到1 0 4 个，毫升；标志藻类生长 的叶绿素a 浓度大于1 0 p g l t 4 钔。 富营养化是再生水作为娱乐性、观赏性人工水体的最大障碍之一。主要基于 以下原因： 由于城市污水处理厂再生水是来自经过一定处理的生活污水或不包含重污 染工业废水在内的城市污水，使得再生水的污染物本底值相对较高，这是发生富 营养化的根本原因，而且水体的稀释自净能力较天然景观水体差。缓慢的水流是 富营养化发生的必要条件，景观水体，如公园以及住宅区内的水景，属于非连续 流动水体，流速缓慢，有的甚至是静止水体，为藻类的生长提供了稳定的水环境， 因此易发生富营养化。 人工景观水体多为浅水水体。国际上对于浅水湖泊的研究表明，浅水湖泊比 深水湖泊更易发生富营养化问题。景观水体与浅水湖泊类似，也具有水浅这一特 点。因此，也易发生富营养化。 综合以上几点原因，再生水回用的景观水体比天然河流、湖泊更易发生富营 养化问题。城市污水再生利用景观环境用水水质( g b 厂r 1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) 中氮、 磷指标要求高于天然水体富营养化水平的临界指标。因此，富营养化问题是再生 水回用于景观水体首先考虑的主要问题。 1 4 1 绪论 1 2 3 5 再生水回用于景观水体水质保障技术 再生水回用于景观水体水质保障技术的基本构成如下： 图1 - 2 再生水回用于景观水体水质保障技术基本构成 富营养化的防治过程，实际上就是通过调节诱发富营养化发生的主要控制性 条件，抑制富营养化发生。即应该从富营养化发生的机理并结合再生水自身污染 物本底值高以及水体的稀释自净能力较天然水体差，以及景观水体为缓流水体和 浅水水域等特点出发进行考虑。从图1 2 可知，再生水回用于景观水体水质保障 技术可从四个方面着手：补水的处理工艺和技术、景观水体系统合理设计、外源 和内源污染物控制以及景观水质、效果控制和维护。当再生水回用到景观水体后， 可以采取一些方法来控制富营养化发生，如增加景观水体流动的水力循环系统： 循环过滤净化系统；化学药剂除藻：生物调控法和人工湿地生态系统等 4 9 - 5 2 1 。 鉴于以上原因，有必要对回用于景观水体的再生水的补水水质指标以及预防 景观水体出现水质恶化的控制措施进行系统地深入研究。 1 3 研究目的及意义 1 3 1 研究目的 随着北京淡水资源的紧缺加剧，再生水已成为重要的水源之一，从北京总体 的水源需求规划看，再生水将主要用于城市环境用水和生态用水。其中作为景观 用水补水是主要的用途。本研究的内容主要针对使用城市污水处理厂出水作为景 观水体的补水，这里所指的景观水体，是相对封闭的人工景观水体，而非城市河 道水体。由于以城市污水处理厂出水( 包括经过深度处理的再生水) 作为相对封 闭的人工景观水体的补水，水质污染物( 尤其营养物) 浓度高，在景观性水体使 1 绪论 用中极易出现水华等严重影响观感效果的问题。 本论文的研究目的是对再生水处理工艺、消毒技术及再生水回用于景观水体 中出现的问题进行研究，为北京地区再生水回用于景观水体科学的合理使用提供 技术支持。 l - 3 2 研究意义 目前北京市极度缺水，而必要面积的景观水体不仅是维持小气候的需要，也 是人们适宜生活和居住的要求。当前对于城市景观水体的补水水源除城市污水处 理厂出水( 包括经过深度处理的再生水) 外，几乎已没有其它可用的水源。北京 要建设适宜居住的城市，并且为迎接2 0 0 8 年奥运会的举行，景观水体的建设是 非常重要的内容之一。因此，研究城市污水处理厂出水用于景观水体补水，以及 相应的景观水体水质维持技术具有十分重要的现实意义。 本论文的研究意义就在于为再生水用于景观水体的合理使用和推广提供技 术参考，对于推广再生水回用于景观水体具有实用意义。 1 4 研究内容 本论文拟解决的问题有： ( 1 ) 鉴于目前国内的经济等条件，进行典型城市污水厂深度处理工艺研究， 使出水指标达到或优于城市污水再生利用景观环境用水水质( g b t 1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) ) ) 。 ( 2 ) 对再生水的消毒方法和效果展开试验，寻找再生水消毒的现实可行方 法。 ( 3 ) 寻找保障再生水回用于景观水体水质及景观效果的措施，防止水华爆 发。 研究内容包括： ( 1 ) 研究再生水厂运行情况及存在的问题。 对示范工程的连续稳定运行数据进行分析和总结，寻找运行中存在的问题。 ( 2 ) 消毒技术研究。 对不同的氯系消毒产品( 次氯酸钠、次氯酸钙等) 以及二氧化氯、臭氧、紫 外消毒的效果进行比较，并对氯消毒的副产物进行研究。寻找现有条件下对再生 1 6 1 绪论 水进行消毒的现实可行的方法。 ( 3 ) 研究水体水华控制措施，进行再生水回用于景观水体水质及景观效果 保障技术研究。 1 ) 采用再生水作为补水的人工景观水体水质恶化规律及特性的分析研究； 2 ) 采用再生水作为补水的人工景观水体水质改善技术措施、方案分析及应