（环境工程专业论文）Olt3gtBAF城市污水再生利用安全保障技术研究.pdf

中文摘要 摘要 环境污染和水资源的短缺，加速了城市污水回用的研究和应用。目前，城市 污水再生回用已被列入国家“十i ”规划，被提上政府议事日程，但回用水的微 生物和化学安全性是城市污水回用的关键问题和最大障碍，已引起了社会的广泛 关注和重视。而目前常用的城市污水回用技术主要侧重于水中悬浮物的去除，对 二次出水中存在的色度、臭味、残留有机物及病原微生物等去除效果较差；同 时，目前用于城市污水消毒的消毒剂主要仍然是氯气和次氯酸钠，虽然氯化消毒 灭活微生物的效果好、成本低、使用较为方便，但氯化消毒处理所产生的以三卤 甲烷类( t h m s ) 为代表的各类卤代消毒副产物( d b p s ) 已引起人们的普遍关注，并且 氯的残留增加下游水生生态系统的生态风险。因此，针对城市污水再生回用中微 生物和化学安全性等关键问题，本论文以某污水处理厂中水( 即混凝沉淀砂滤出 水) 为对象，开展了臭氧高级氧化与生化组合技术深度处理中试试验研究，在长 期运行实验中考察了该技术对各项水质指标去除的有效性和稳定性，并对其进行 了安全评价。其主要研究结果如下： l 、再生水安全评价指标体系的确定 在借鉴国内外化学、生物检测技术和城市污水回用等方面最新科研成果的基 础上，综合利用常规指标、微量污染物的分析和毒理学指标，构建城市污水安全 回用评价指标体系，保证再生水回用的安全性。具体指标为t o c 、c o d m a 、 u v 2 5 4 、n h 3 一n 等常规指标体系，内分泌干扰物有机锡和壬基酚( n p ) 微量有机 物、生物毒性( u m u 、e r 、a h r ) 和鱼类曝露毒性实验。 2 、城市污水二级出水及其中水水质特征 城市污水经常规二级生化处理出水水质相对稳定，全年水质指标为c o d ， 3 0 4 0 m g l 、b o d s8 8 1 2 2 m g l 、t o c1 0 o 1 5 9m g l 、s s7 8 9 5m g l 、 色度2 5 3 2 度、n h 3 一n2 6 3 9 9 m 【g l 、b o d 5 c o d c ro 2 9 o 31 。 二级生化出水经常规絮凝沉淀处理( 混凝剂p a c 投加量为1 5 m g l a 1 ，o ，) 后，大部分颗粒污染物和部分有机物得到有效去除，全年出水( 中水) 水质为 c o d c r 2 3 3 4 m g l 、b o d s 6 4 1 0 3 m g l 、s s5 1 7 8 m g l 、b o d s c o d c ， o 2 6 o 3 3 ，可生化性差，不适合生物处理。 3 、臭氧生物氧化组合工艺长期运行效果 对于臭氧生物氧化处理组合工艺，臭氧氧化最佳设计参数建议为臭氧消耗量 5 m g l ，接触氧化时间5 - t o r a i n ；后续生物接触氧化泡( b a f ) 空床停留时间 ( e b c t ) 为1 0 15m i n 。 重庆大学博士学位论文 在臭氧消耗量5 m l ，接触氧化时间1 0 r a i n 长期运行试验条件下，臭氧生物 活性炭和臭氧生物陶粒对c o d - , 、d o c 、u v 2 5 4 、色度平均去除率分别为 3 0 6 、2 7 7 、4 7 5 、8 0 ；f n 2 8 _ 3 、2 3 8 、4 1 3 、7 9 ，出水c o d m 。、 d o c 、u v 2 5 4 年l j 色度平均值为3 8 m g l 、4 1 m g l 、o 0 5 3 c m 、2 0 c u 和3 9 m g l 、 4 3 m g l 、0 0 5 9 c m 、2 1 c u ；s d i 均小于4 ，完全能满足反渗透进水要求，可作为 后续反渗透的预处理工艺。 4 、微生物安全性 二级处理出水和中水细菌总数分别在1 0 6 1 0 9 个l 和l o 1 0 8 个l 范围内， 大肠杆菌数分别在1 0 3 1 0 6 个l 和1 0 2 1 0 5 个l 之间，常规的处理工艺不能有效 去除微生物，以保证微生物的安全性。 臭氧杀菌效果随臭氧消耗量的增加而提高，为使大肠杆菌被彻底灭活，臭氧 消毒建议臭氧消耗量设定为1 2 m g l 。 在臭氧消耗量和接触时间分别为5 m g 1 和1 0 m i n 连续运行条件下，臭氧对细 菌总数和大肠杆菌的平均去除率分别为8 1 和9 8 ；当臭氧消耗量增加到1 2 m g l 时，臭氧几乎能彻底去除大肠杆菌，与臭氧消毒条件实验相差不大。 5 、化学安全性 臭氧生物氧化能有效去除环境内分泌干扰物有机锡( m b t 、d b t ) 和壬基酚 ( n p ) ，其中对n p 的去除率大于9 9 9 。 臭氧生物处理能有效减少鲫鱼的死亡率和畸变率，减少对生物的毒害作用， 提高再生水的安全性。 6 、生物填料微生态分析 p c r - d g g e 表明，生物填料上的微生物具有时间和空间上的高度相似性和稳 定性，其微生物群落结构相差不大，与微生物载体关系不大。 7 、生物填料与技术经济评价 在去除水中残余的微量有机物和微生物及保证回用水的安全性和公众的可接 受性等方面，陶粒和活性炭的处理效果基本差不多。但与活性炭相比，陶粒具有 价格低廉的优势，具有较好的性能价格比，是一种较好的生物填料。 与超滤、超滤+ 反渗透工艺相比，臭氧生物氧化投资和运行费用较低，具有 良好的性能价格比，是一种经济有效、环境友好的城市污水再生利用技术。 关键词：城市污水，再生利用，深度处理，臭氧，生物氧化( b a f ) ，安全性， 有机锡，壬基酚，p c r d g g e i i 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n ds h o r t a g eo fw a t e r r e s o u r c e ， w a s t e w a t e rr e c l a m a t i o nh a sb e c o m eo f i n c r e a s i n gi m p o r t a n c e ，p r o m o t i o no fw a s t e w a t e r r e c l a m a t i o nh a sb e c o m ea l li m p o r t a n tp o l i c ya sw e l la ss t r a t e g yo fc h i n at oc o p ew i t h w a t e r s h o r t a g ep r o b l e m s h o w e v e r ，t h ec h e m i c a la n dh y g i e n i cr i s k sa c c o m p a n i e dw i t h w a s t e w a t e rr e c l a m a t i o nh a v et ob er e d u c e dt oa na c c e p t a b l el e v e l t h er e m o v a lo f h a r m f u lp e r s i s t e n to r g a n i cc o m p o u n d s ( p o p s ) a sw e l la sh a r m f u lm i c r o o r g a n i s m si s r e q u i r e d t oe n s u r et h e s a f e t y o fw a s t e w a t e rr e u s e t h ec o n v e n t i o n a l c o a g u l a t i o n s e d i m e n t a t i o n - - s a n d f i l t r a t i o nt r e a t m e n tf o rw a s t e w a t e rr e c l a m a t i o nm a i n l yf o c u s e so n t h er e m o v a lo fs u s p e n d e ds o l i d s c h l o r i n eh a s l o n g b e e nu s e df o r t h e m o s t l y d i s i n f e c t i o no f m u n i c i p a lw a s t e w a t e r f o r m a t i o no fm a n yh a r m f u ld i s i n f e c t i o nb y p r o d u c t s ，h o w e v e r ，h a sc a u s e dp u b l i cc o n c e r n so v e rt h er i s ko fc h l o r i n ed i s i n f e c t i o n a n d f u r t h e r ，t h er e s i d u a lc h l o r i n ec o u l dc a u s es e v e r ed a m a g et o w a r dh y d r o e c o s y s t e m i nt h i s s t u d y ，t w oo z o n a t i o n - b i o f i l t e r s ( 0 3 b a f ) w a sc o n s t r u c t e df o rt h ea d v a n c e d t r e a t m e n to f m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ，a n d t h e p o l l u t a n t r e m o v a l e f f i c i e n c y ，t h e s t a r i l i z a t i o no ft h es y s t e m ，a n dt h es a f e t yo ft r e a t e dw a t e rw e r ee v a l u a t e do v e rl o n g t e r mt e s t t h er e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 s a f e t ye v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mf o rr e c l a i m e dw a t e r t h es y s t e mi n c l u d e sc o n v e n t i o n a lp a r a m e t e r sl i k ed o c ，c o d m n ，u v 2 5 4 ，n h 3 - n ， e t c ，p o p sl i k eo r g a n o f i n s ，n p ，e t c ，b i o a s s a yi n d e x e sl i k eu m u ，a h a c c e p t o r ，e r ，e t c ， a n dt h e e x p o s u r eo fc a r a s s i u sa u r a t u s ( d e t e r m i n a t i o no f f i s hg r o w t ha n dv t g ) 2 c h a r a c t e r i s t i c so f s e c o n d l ye f f l u e n tf r o mt h em u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t ( m w t p ) t h e q u a l i t y o f t h es e c o n d l ye f f l u e n tf r o mt h em w t pw a g q u i t es t a b l e ：3 0 4 0 m e d lc o d cr ，8 8 - - 1 2 2m c lb o d s ，1 0 0 1 5 9m g lt o c ，7 8 - - 9 5m g ls s 2 5 3 2c hc h r a m a ，2 ，5 5 3 9 8 9 m g ln h 3 - n ，0 2 9 0 3l b o d s c o d c r w i t hs u c c e s s i v e c o a g u l a t i o n s e d i m e n t a t i o n s a n d f i l t r a t i o nt r e a t m e n t ( 15 m g la 1 2 0 3 ) ，t h ec o d c r ， b o d 5 a n d s s w a s 2 3 3 4 m g l ，6 4 4 1 0 2 6 m g la n d5 1 7 8 m e r l e ，r e s p e c t i v e l y ： n h 3 一nw a sl e s st h a n1 0 m g l ；t h er a t i oo f b o d 5 c o d c rw a so 2 6 0 3 3 3 o z o n a t i o n - b i o f i l t r a t i o n ( b a ca n db c f ) s y s t e m sf o rw a s t e w a t e rr e c l a m a t i o n i i i 重庆大学博士学位论文 o z o n a t i o nc a n e f f e c t i v e l yi m p r o v e t h e q u a l i t y o ft h e s e c o n d l ye f f l u e n t ，t h e o p t i m u mo z o n e d o s ew a s5 m g l ，a n dt h e o p t i m u mr e a c t i v e t i m e5 10 m i n ；t h e o p t i m u m e b c t o f f o l l o w i n g b i o f i l t r a t i o ni s1 0 - 1 5 m i n u n d e ra no z o n ed o s eo f 5 m g l ，r e a c t i v et i m eo f 1o m i na n db a f se b c to f10 m i n ， t h er e m o v a l so fc o d m n ，d o c ，u v 2 s 4a n dc h r o m ab yo s b a ca n d0 3 - b c fw e r e 3 0 6 ，2 7 7 ，4 7 ，5 ，8 0 m a d2 8 _ 3 ，2 3 - 8 ，4 1 3 ，7 9 ，8 0 1 ，r e s p e c t i v e l y i t s e f f l u e n t q u a l i t yw a s3 8 m g l ，4 1 m g l ，0 0 5 3 c m ，2 0 c ua n d3 9 m g l ，4 3 m g l ， 0 0 5 9 c m ，2 1 c uo fc o d m n ，d o c ，u v 2 5 4 ，a n d c h r o m a ；a tt h es a m et i m es d i ( s i l t d e n s i t yi n d e x ) w a s 4 ，i n d i c a t i n gt h a tt h et r e a t e de f f l u e n tw a ss u i t a b l et ob eu s e da st h e f e e d i n g w a t e ro f r o ( r e v e r s eo s m o s i s ) s y s t e m s 4 m i c r o o r g a n i s ms a f e t y t h en u m b e ro ft o t a lb a c t i c aa n de c o l iw e r e1 0 6 1 0 9m p n la n d1 0 3 1 0 6 m p n 几i n s e c o n d l ye f f l u e n t a n dd e c r e a s e dt o1 0 5 - - t 0 8m p n 几a n d1 0 2 1 0 5m p n l a f t e rs u c c e s s i v ec o a g u l a t i o n s e d i m e n t a t i o n s a n d - f i l t r a t i o nt r e a t m e n t t h ei n a c t i v a t i o ne f f i c i e n c yo fe c o l iu s i n go z o n ei n c r e a s e dw i t hi n c r e a s eo fo z o n e d o s e c o m p l e t ei n a c t i v a t i o no f e c o l ir e q u i r e sa no z o n ed o s eo fa tl e a s t1 2 m g l 5 c h e m c i a ls a f e t y o z o n a t i o n1 e dt ot h ee f f e c t i v er e m o v a lo fe d c sl i k em b t d b ta n dn pe t c a n d t h er e m o v a lo f n pw a sa b o r e9 9 9 9 o z o n a t i o n b i o f i l t r a t i o nc a l ld e c r e a s et h ed e a t ha n da b e r r a t i o nr a t i oo fc a r a s s i u s a u r a f u s ，a n di t se c o l o g i c a lr i s k 6 a n a l y s i so f m i c r o b i a lc o m m u n i t i e s i nt h eb i o f i l t e r s p c r - d g g er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h em i c o b i a lc o m m t m i t yi nt h eb a ca n d b c fw a s v e r ys i m i l a ra n ds t a b l eo v e r t h et i m ea n d s p a c es p a n s 7 c o s tp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n t i nt e r m so f p o l l u t a n tr e m o v a l ，b a fa n db a c d e m o n s t r a t e ds i m i l a rp e r f o r m a n c e h o w e v e r ，t h ep r i c eo fc e r a m i cb i o c a r r i e rw a so n l yo n e f i f u lt oo n e t e n t ho ft h a to f a c t i v a t e dc a r b o n c o m p a r i s o n o fu f ，u f - r oa n d0 3 一b a fw a sa l s oc o n d u c t e d t h e0 3 - b a f s y s t e m d e m o n s t r a t e dt h eb e s tc o s tp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：m t m i c i p a lw a s t e w a t e r ，a d v a n c e dt r e a t m e n t ，w a s t e w a t e rr e c l a m a t i o n ， 0 3 ，b a f ，o r g a n o t i n s ，n p ，s a f e t y ，p c r - d g g e 缩略词注释表 a h r 芳香烃受体 b a c 生物活性炭 b a f 生物氧化，生物曝气滤池 b c f 生物陶粒 c o d m n 高锰酸钾指数 d b p s 消毒副产物 d b t 二丁基锡 d o 溶解氧 d o c 溶解性有机碳 e b c t 空床停留时间 e l i s a 酶联免疫法 e r 雌激素受体 g c m s 气质联用 h p l c 高效液相色谱 m b t 一丁基锡 n p 壬基酚 0 3 一b a f 臭氧生物处理 0 3 一b a c 臭氧活性炭 0 3 - b c f 臭氧生物陶粒 p c r d g g e 链式聚合酶反应一变性梯度凝胶电泳 p o p s 持久性有机物 r o 反渗透 s a f 土壤含水层处理 s d i 污染指数 s e c 分子排阻色谱 s e m 扫描电镜 t b t 三丁基锡 t d s 总溶解固体 t o c 总有机碳 t p t 三苯基锡 u f 超滤 u m u 细胞毒性、遗传毒性实验 u v 2 5 4 波长2 5 4 r m a 处紫外吸光值 v t g 卵黄蛋白原 i x 1 引言 1 引言 1 1 研究背景 1 1 1 我国水资源现状、存在问题与对策 水资源是基础自然资源，是生态环境的控制性因素之一一；同时，又是战略性 经济资源，是一个国家综合国力的有机组成部分，已成为当前影响我国社会经济 发展的制约因素。 地球上总的水体积大约为1 4 亿k m 3 ，其中只有2 5 是淡水，大部分以永久 性冰或雪的的形式封存于南极洲和格陵兰岛，而可供人类利用的部分仅有2 0 万 k m 3 。我国水资源总量为2 8 万亿m 3 ，人均占有量低，按1 9 9 7 年人口统计，人均 水资源量为2 2 2 0 m 3 ，预测到2 0 3 0 年人口增至1 6 亿时，人均水资源量将降到 1 7 6 0 m 3 ，并且时空分布变化大，水土资源不相匹配，生态环境相对脆弱。按国际 上一般承认的标准，人均水资源量少于1 7 0 0 m 3 为用水紧张的国家。因此，我国 未来水资源的形势是严峻的。 新中国成立5 0 年来，全国用水总量从1 9 4 9 年的1 0 0 0 多亿m 3 增加到1 9 9 7 年 的5 5 6 6 亿m 3 ，其中农业用水占7 5 3 ，工业2 0 _ 2 ，城镇生活4 5 ，人均综合 用水量从不足2 0 0 m 3 增加到4 5 8 m 3 。我国的水资源当前存在的主要问题有三个： 一是地域性水资源分配的极端不平衡造成北部地区的严重缺水；二是水污染；三 是用水的极大浪费。 七十年代以来，尽管我国在水污染防治方面做了很多工作，但水污染的发展 趋势仍未得到有效控制，许多江、河、湖泊、水库的水质仍在下降。据1 9 9 8 年 中国环境状沉公报，我国主要水系长江、黄河、松花江、珠江、辽河、海河 及淮河断面监测结果表明，3 6 9 的河段达到或优于地面水环境质量i i i 级标准， 其中i 类水质占8 5 ，i i 类水质占2 1 7 ，i i i 类水质占6 7 ；6 3 1 河段的水质 为、v 或劣v 类，失去了作为饮用水源的功能，其中类水质河段占1 8 3 ， v 类水质占7 1 ，劣v 类水质占3 7 7 。其中长江、珠江水质较好，监测河段中 7 0 以上达到或优于地面水环境质量级标准：黄河、淮河、海河有2 8 2 9 达到或优于地面水i 级标准；松花江、辽河污染严重，分别只有4 和1 1 3 达 到或优于地面水i 级标准。 我国一些湖泊的污染比河流更加严重，如滇池、巢湖都严重富营养化，全湖 水质为v 劣v 类；太湖中等富营养化，湖水为劣v 类。我国本来就是个 缺水国家，全国6 0 0 多个城市目前大约有一半的城市缺水，而水污染使缺水形势 显得更为严峻。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水 重庆大学博士学位论文 资源短缺的矛盾，对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重的负面影响，而 且还严重地威胁到城乡居民的饮水安全和人民群众的健康川。 随着社会经济的快速发展和城市化进程的加快，我国的城市缺水问题尤为突 出。当前有相当部分城市水资源短缺，城市缺水范围不断扩大，缺水程度日趋严 重，尤其是在我国的一些北方城市。据统计，全国6 6 9 个城市中，4 0 0 个城市常 年供水不足，其中有1 0 个城市严重缺水，日缺水量达1 6 0 0 万立方米，年缺水量 6 0 亿立方米，由于缺水每年影响工业产值2 0 0 0 多亿元人民币。 为此中国可持续发展水资源战略研究提出了以水资源的可持续利用支持 我国社会经济的可持续发展总体战略和节流优先、治污为本、多渠道开源的城市 水资源可持续利用战略，以促进城市水系统的良性循环，要求除了合理开发地表 水和地下水外，还应大力提倡开发利用处理后的污水、雨水、海水和微咸水等非 传统的水资源。 1 1 2 城市污水排放现状与水质特征 一方面城市缺水十分严重，另一方面大量的城市污水经治理后又白自流失， 浪费了大量的可利用资源。和城市供水量几乎相等的城市污水中，只有0 1 的杂 质，远低于海水中3 5 的量值。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。经净化处理后的城市污水是城市的 再生水资源，数量巨大，可以用作城市绿化用水、工业冷却水、环境用水、地面 冲洗水和农田灌溉水等多种用途，替代新鲜水量，这无疑是开辟了一个稳定的新 水源，又可减少废水排放量，对缓解水资源紧缺和减轻水污染都有显著的功效。 目前，城市污水由于量大、水质水量稳定，可作为城市可靠的第二水源，已成为 当今世界各国在解决缺水问题时的共识【2 _ ”。 目前，我国城市污水再生利用还刚刚起步，但随着水环境污染和水资源短缺 的加剧，水资源费、饮用水价格和城市污水处理费的不断提高，城市污水再生利 用具有巨大的发展市场和潜力。参照建设部建设事业”九五”计划和2 0 1 0 年规划 纲要和城市缺水问题研究的成果进行预测，2 0 1 0 、2 0 3 0 、2 0 5 0 年我国城市 废水回用率( 废水回用量于废水总量之比) 将分别达到1 5 ，3 0 和4 0 。尤其 最近我国城市污水再生利用三项标准城市污水再生利用分类、城市污水再 生利用城市杂用水水质和城市污水再生利用景观环境用水水质的颁布和实 施，将进一步加速和促进城市污水再生利用技术的研究和发展。 据2 0 0 2 年中国环境状沉公报，2 0 0 2 年全国工业和城镇生活废水排放总 量为4 3 9 5 亿吨，比上年增加1 5 。其中工业废水排放量2 0 7 2 亿吨，比上年增 加2 3 ：城镇生活污水排放量2 3 2 3 亿吨，比上年增加o 9 。废水中化学需氧量 ( c o d ) 排放总量1 3 6 6 9 万吨，比上年减少2 7 。其中工业废水中c o d 排放量 2 1 引言 5 8 4 ，0 万吨，比上年减少3 9 ：城镇生活污水中c o d 排放量7 8 2 9 万吨，比_ 卜年 减少1 8 。近几年城市污水排放见表1 1 ，从该表可以看出城市污水排放量相对 稳定，假有迸一步增大的趋势。按“十五”计划要求，到2 0 0 5 年所有城市都要 建设生活污水处理设施，城市生活污水集中处理率将达到4 5 ，其中5 0 万人口 以上的城市要达到6 0 ，城市污水排放量将大大增加。 表1 1 废水及主要污染物排放量统计( 2 0 0 2 年一1 9 9 5 年) t a b l e1 1t o t a le f f l u e n ta n di t sp o l l u t a n t sf r o mm u n i c i p a lw a s t e w a l e rt r e a t m e n tp l a n t ( f r o m1 9 9 5t o2 0 0 2 ) 填目排水量( 亿吨)c o d 排出量( 万吨)城市污水 年度生活工业总计生活工业总计 处理率 1 9 9 51 3 3 72 8 1 64 1 536 1 0 31 6 2 2 92 2 3 3 2 1 9 9 71 8 92 2 74 1 66 8 41 0 7 31 7 5 7 1 9 9 81 9 4 82 0 0 53 9 5 36 9 5 08 0 0 61 4 9 56 1 9 9 92 0 3 81 9 7 34 0 1 16 9 7 26 9 1 71 3 8 8 9 2 0 0 02 2 0 91 9 4 24 1 5 ，l7 4 0 57 0 5 01 4 4 55 2 0 0 12 2 7 72 0 0 74 2 8 47 9 9 06 0 7 51 4 0 6 51 8 5 2 0 0 22 3 2 32 0 7 24 3 9 ，57 8 2 95 8 401 3 6 6 ，92 2 3 增减率( ) 2 0 23 2 42 5 92 0 23 8 7- 2 8 22 0 5 4 城市污水主要来源于生活污水、部分工业废水和径流污水，经常规的二级处 理后出水水质指标一般可以达到国家一级排放标准。近年来随着化学检测技术手 段的发展，越来越多的微量化学物质如邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、 烷烃类化合物和壬基酚等有毒有害污染物被从二级出水中检测出来【8 。1 ”。有些有 机物在后续加氯消毒过程中，形成更多的副产物，如壬基酚在后续消毒中很容易 与次氯酸发生反应生成一氯壬基酚、二氯壬基酚及2 、4 、6 一三氯苯酚等多种有 害氯代副产物i i ，对生态环境和人类的健康构成威胁。同时，经过s a r s 、禽流 感等事件之后，人们越来越关注污水处理、排放以及回用环节中微生物安全问 题。因此提高污水回用率的关键是确保回用水的化学和微生物安全性。 1 2 项目来源 水环境污染的加剧和水资源的短缺，促进了国家在这方面的科技投入，设立 了重大研究项目。本研究项目就是来源于国家重大科技专项8 6 3 项目子课题物 化、生物组合技术与设备( 2 0 0 2 a a 6 0 1 3 1 0 ) 、国家自然科学基联合资助基金 3 重庆大学博士学位论文 项目中小城镇污水处理与回用新技术及工艺优化研究( 5 0 2 3 8 0 5 0 ) 平n 中日国际 合作项目城市污水深度处理研究。 1 3 研究目的 城市污水二级出水虽然满足城市污水排放标准，但仍然含有大量的病原微生 物和微量有毒有机污染物，其中大多数是诸如环境内分泌干扰物( e d c s ) 类的有 毒有害污染物，对人类健康安全和生态安全构成严重的威胁。为满足城市污水回 用的安全性，实现城市污水的资源化，本实验研究将采用臭氧生物氧化组合工艺 ( 0 3 b a f ) 深度处理城市污水，以各处理工艺单元进出水为研究对象，结合常规 化学指标、微量有机物的分析和生物毒性三套评价指标体系，从人体健康安全性 和生态安全性两方面出发，评价臭氧生物氧化组合处理工艺所能达到的处理效果 及其安全性，以建立经济有效的城市污水深度处理技术与工艺，保障再生水使用 的安全，并为该技术的优化运行和推广提供参考依据。 1 4 主要研究内容 1 4 1 城市污水二级出水水质特性研究 调查和评价了某城市污水处理厂二级出水常年水质特性和稳定性，为选择合适 的处理工艺提供背景条件。 1 4 _ 2 臭氧生物氧化( 0 3 - b a f ) 组合工艺深度处理城市污水中试研究 在臭氧氧化条件批量实验的基础上，对臭氧生物活性炭( 0 3 一b a c ) 和臭氧 生物陶粒( 0 3 一b c f ) 组合工艺进行长期的试验运行研究，以考察处理工艺的水质 改善效果和稳定性。 1 4 3 臭氧生物氧化组合工艺深度处理城市污水安全性研究 分别从致病微生物的安全性、微量有毒有机污染物或内分泌干扰物质有机锡 和壬基酚的去除、生物毒性( 急性毒性、致突变性、内分泌干扰效应和鱼类生长 及其生殖毒性) 来评价处理工艺的有效性和再生水的安全性。 1 4 4 臭氧生物氧化组合工艺生物填料微生物特性分析 分别应用电镜扫描( s e m ) 和分子生物学方法链式聚合酶反应一变性梯度凝胶 电泳( p c r _ d g g e ) 技术对生物填料上微生物种群结构的时空变化进行宏观和微 观分析，为工艺运行提供参考意见。 1 4 。5 臭氧生物氧化组合工艺中生物填料性能对比研究 分别从水质改善和经济性来评价活性炭和陶粒虑料经济有效性，为选择经济 有效的生物填料提供参考。 4 1 引言 1 4 6 城市污水再生利用深度处理工艺技术经济评价 分别对超滤( u f ) 、超滤一反渗透( u f r o ) 和臭氧生物氧化( 0 3 一b a f ) 等 城市污水深度处理工艺进行技术经济评价，为选择安全、有效、经济和环境友好 的处理工艺提供参考依据。同时对采用液氯消毒、次氯酸盐消毒、臭氧消毒等技 术进行经济评价，以确定安全、有效、经济的消毒技术。 1 5 实验研究技术路线 本实验研究将从城市污水二次处理水的特征、臭氧生物氧化处理效果及其安 全性、技术经济性等方面进行研究，以确定最佳的城市污水深度处理再生利用工 艺。实验研究技术路线如图1 1 。 5 2 文献综述 2 文献综述 2 1 前言 城市污水再生利用处理技术主要就是去除在二级处理过程中不能去除或不能 完全去除的污染物质和病原微生物。在水污染治理战略目标与技术路线方面，许 多国家已经进行了重大调整，水污染治理的战略目标已经由传统意义上的“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”，由单纯的“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污水处理厂 ( w w t p ) ，而代之以“污水再生厂”r 1 5 1o 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，更加快和促进了城 市污水再生利用技术的研究和应用。 如今，国内外的再生水处理技术的发展主要体现在以下两个方面：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【l 。由于每一种再生利用的目的不同，对于污水 的处理也要求不同，需要针对具体要求选用不同的处理工艺。但不管采用那种工 艺，至少满足：长期回用过程中水中的重金属污染物不至产生积累；不含致病性 的微生物和病原菌；不散发异味或臭味：有毒物质的含量不会导致水生态系统发 生改变，接触性暴露风险低等，以满足再生水回用的安全性。 2 2 城市污水再生利用现状 面对日益严峻的水资源短缺问题，全世界都在积极地探索新途径以获取足够 的淡水资源。跨流域调水、海水淡化、污水回用和雨水蓄用等是目前普遍受到重 视的开源措施，它们在一定程度上都能缓解水资源供需矛盾，然而城市污水由于 就近可得，水质水量稳定、可靠和经济被作为首选方案。国内外实践证明，城市 污水再生利用是开源节流、减轻水体污染程度、改善生态环境、解决城市缺水问 题的有效途径之一。 2 2 1 国外的污水再生利用现状【1 7 】 国外城市污水再生利用起步较早，国际上许多缺水国家目前已经建立了污水 回用工程，并形成了以美国、日本、以色列等为代表的几种典型回用模式。 ( 一) 美国模式 7 重庆大学博士学位论文 美国的城市污水处理等级基本上都在二级以上，处理率达到1 0 0 。自1 9 2 0 年在亚利桑那州修建第一个分质供水系统用于浇灌绿地、冲厕、洗车、冷却水和 建筑等以来，美国的城市污水再生利用已经从试验研究阶段进入生产应用阶段， 再生水作为一种合法的替代水源，正在得到越来越广泛的利用，成为城市水资源 的重要组成部分，城市再生水利用设施的数量和规模随之迅速增长。美国再生水 利用的范围涉及农业、工业、地下水回灌和娱乐等方面，其比例大致为6 2 用于 各种灌溉和景观，3 1 5 用于工业，5 用于地下回灌，1 5 用于娱乐、渔业等。 美国再生水利用模式的突出特点是集中处理回用、很少直接用于城市生活杂用。 这大概与美国市政管网和污水处理厂普及、生活用水水质标准严格有关。再生水 利用工程主要分布于水资源短缺，地下水严重超采的西南部和中南部的加利福尼 亚、亚利桑那、德克萨斯和佛罗里达等州。美国的回用水标准各州不一，并且针 对不同的回用对象所制定的标准也不一样，但标准都很严格。加州执行的是2 2 号条例( t i t l e 2 2 ) ，克罗拉多州执行的是8 4 号规范( r e g u l a t i o n # 8 4 ) ，这些文 件都详细地规定了不同回用对象的水质标准，如：用于农业灌溉、工业冷却、市 政景观等。而且，美国环保局会同有关方面于1 9 9 2 年提出水回用建议指导书， 包括了废水回用各个方面，回用处理工艺、水质要求、监测项目与频率、安全距 离和条文说明，它对那些尚无法则可遵循的地方提供了重要的指导信息。 ( 1 ) 回用于电厂冷却系统 美国电厂冷却水是仅次于农业的主要用水者，处理后的城市污水是可靠的冷 却水水源，在西南地区的几个主要发电厂( 包括核发电厂) ，普遍使用处理后的 城市污水作为冷却水。在沙漠中兴建的赔城拉斯维加斯，有充足的电力供应，该 市二个电一科拉拉电厂和森路士电厂的冷却水都使用拉斯维加斯市污水厂出水。 该污水厂1 9 8 1 年投产，规模2 4 万一d ，二级处理出水b o d 3 m g l ， s s 3 0 m g l ；深度处理后b o d 7 m g l ，s s 7 m g l ，浊度 i n t u ，t p o 5 m g l ， 该水质满足电厂冷却水水质要求。由此可见，城市污水回用解决了沙漠城市的供 水问题。 ( 2 ) 钢厂回用 位于马里兰州巴尔的摩海口的伯利衡钢厂使用背河污水厂4 0 万m 3 d 再生水 已有4 0 年历史。背河污水厂规模6 8 万m 3 d ，曝气池停留时间6 小时，滤池为移 动罩滤池，滤后水浊度5 n t u 以下。 ( 3 ) 美国2 1 世纪水厂 美国2 1 世纪水厂位于加州橘县水管理区。1 9 6 5 年开始研究将深度处理出水 回灌地下，以阻止海水入侵，1 9 7 2 年兴建有关工程，1 9 7 6 年投入运行，再生水通 8 2 文献综述 过2 3 座多套管井回注地下含水层，出水t o c 2 m g l ，t n 1 0 m g l ，电导率 1 0 0 “m c m ，浊度0 1n t u ，出水中不得检出大肠杆菌。 ( 4 ) 城市绿地浇灌 美国加州的农灌用再生水量很大，占回用水量的6 0 ，以此解除该地区二f 早 威胁。在城镇，大片绿地、树木、高尔夫球场、公园，也是靠再生水浇灌，这部 分水占1 6 。在美国的污水厂内、市区街道旁和居民庭院里等处，均可见一些管 道上标有r e c l a i m e dw a t e r ( 回收水、再生水、中水) 字样，居民每天都要使用再 生水浇灌住宅前后草地，污水厂经常进出标有再生水字样的拉水车。污水的再生 回用已普遍被居民接受。 ( j ，：) 日本模式 日本是个面积窄小的岛国，河流急湍入海，没有大江大湖可作跨流域调水之 用。六十年代，日本就靠污水回用支撑了经济复兴。城市污水回用，也被称为下 水处理水的再利用，在各大城市创建并保留使用至今的“工业用水道”，纵穿全 市，形成与自来水管道并存的又一条城市动脉。1 9 5 5 年日本开始再生水利用， 1 9 7 8 年左右受节能政策调整和城市水荒的影响，从中央到地方制定了中水利用指 导计划，从1 9 8 0 年开始以东京为首的中水利用设施建设迅速发展。到1 9 8 3 年3 月底，全国有中水项目4 7 3 个，总回用水量约6 6 万i t l 3 d 。近年来，平均每年建 设1 3 0 处。到1 9 9 3 年全国有1 9 6 3 套中水利用设旌投入使用，其中东京都建设的 中水利用设旖数量约占全国的4 4 ，福冈地区占1 9 。中水使用量为2 7 7 万m3 d ，占全国生活用水量的0 7 。截止1 9 9 3 年，使用雨水作中水的设施全日本共 有5 2 8 处，水量为5 0 0 万m 3 a 。其中东京的雨水利用设旌占全国6 5 ，福冈占 7 。至1 9 9 6 年，全国有中水设施2 1 0 0 套投入使用，用水量达3 2 4 万r n 3 d ，占 全国生活用水量的o 8 。再生水中4 1 被用于工业用水，3 2 被