中水处理技术新进展

Posted 2023-01-12 生物

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概述了中水处理技术的研究应用现状和最新进展，并展望了中水处理技术研究发展方向。
[中图分类号]TQ[文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2011)11-0228-02
水资源问题不仅影响、制约现代化社会的可持续发展，而且直接威胁到人类的生存与发展，己成为全球环境资源的首要问题。中水回用是实现污水资源化的直接措施，是解决缺水城市水资源危机的重要途径[2-3]。按照《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2006)要求，绿色建筑应大力提高绿色建筑节水率和非传统水源利用率，采用中水处理与回用技术措施是通用的有效措施。随着我国水资源的日益紧张，中水回用从提出到现在已经经历了近40年的时间，中水处理技术也得到了非常迅速的发展。目前中水处理技术大概可分为生化法、化学法、物化法、生态处理法和膜生物法等。针对中水处理采用单一的方法是不能处理达到回用标准的，目前的工程和研究中主要是在各个工艺的优化组合方面。笔者综述了组合工艺的新进展，并展望中水处理工艺发展的方向。
1.生物接触氧化-过滤
采用生物接触氧化处理加过滤处理生活污水或杂排水是《建筑中水设计规范》和《城市污水回用设计规范》推荐的工艺流程，完全可以获得良好的水质并满足中水水质标准的要求。该工艺路线成熟可靠，但需要的生化反应时间较长，处理单元和设备较多，占地面积和装置容积大、运行维护费用高，对于应变高峰来水和高峰用水需求的能力较差，在应用中受到一定的限制，是早期应用的工艺。我国从上世纪70年代引进该技术之后，也致力于其广泛推广，并取得了良好的处理效果。如北京劲松宾馆中水工程、北京西客站中水工程、中央人民广播大楼、北京万泉公寓中水工程、广州大厦中水工程等都采用了生物接触氧化工艺。
曹建军等采用的工艺流程为：“调节池→接触氧化→沉淀→絮凝→过滤→消毒"试验系统处理能力为24 L/h，测定了在不同进水水质情况下的出水水质。研究结果表明，接触氧化法为核心单元的中水处理工艺处理生活污水效果良好，出水水质可符合国家标准《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T18920-2002)的规定，完全可以应用于呼和浩特寒冷地区，但生化处理受进水温度影响明显，并且在水温4℃以下时，试验的进水BOD5容积负荷范围内，出水水质不能达到城市杂用水水质标准。
2.微生物-人工湿地法
人工湿地是一种人工构筑而成的联合物理吸附、沉降拦截、生物降解和植物吸收为一体的生态处理系统。具有能耗低，处理效果好，脱氮除磷效率高的特点，但是其占地面积大，容易受季节影响，因此在南方地域比较开阔的地方适用。采用人工湿地作为城镇污水处理排水的后续生态净化工艺已经开展了多年的研究和实践，再生水已经广泛回用于市政杂用水、工业用水、农业用水和城市河道湖泊景观水体等[7-10]。多年研究和工程实践结果表明[11-12]：人工湿地处理工艺采用高水力负荷、低污染负荷的方式，可以取得较高的处理效能。采用“微生物法+人工湿地"组合工艺用于处理水量小、水质水量变化大的建筑小区污水的研究已有相关报道，由于人工湿地形式多样且处理效能受地域影响较大，现有研究报道的组合处理工艺运行负荷差异较大[13-14]。
胡学斌等利用优质杂排水采用0.72 kgBOD5.m3.d-1的常规负荷(生物)接触氧化池预处理后，再采用人工湿地进行后处理。试验结果表明，影响该组合工艺出水水质达标的限制性指标为总氮(TN)。为使处理出水达到景观水回用标准，人工湿地的最大水力负荷分别为夏季(30～36℃)0.50 m.d-1、冬季(8～12℃)0.33 m.d-1，夏季与冬季的最大水力负荷比为3 ∶2。魏武强采用SBR-人工湿地处理生活污水，SBR限制曝气3 h，沉淀1 h，进出水2 h，每日运行3周期；人工湿地的HRT为24 h，每日处理水量1.5 m3，水力负荷为16.1 cm/d。在进水COD、氨氮、总氮，总磷均值依次在272 mg/L、47.74 mg/L，65.01 mg/L，5.94 mg/的情况下，出水满足《景观用水标准》(GB/T18921-2002)，且组合工艺在满足出水要求的前提下，SBR反应器能耗最低，人工湿地的处理效能发挥最大。在此工况条件下，组合工艺的COD、氨氮、总氮，总磷的总去除率为95.6%、82.1%、78.1%，82.7%。贺锋等采用以天然植物中空纤维作为填料的生物质-生物膜反应器(BBFR)串联复合垂直流人工湿地(IVCW)的组合工艺处理系统，研究了5种不同的运行工况，即不同的停留时间、水力及污染负荷条件下对城镇生活污水的处理效果。结果表明，5种工况下组合系统的出水均能达到一级排放标准，COD、TN和TP的平均去除率分别达到89.86%、93.5%和74.78%。各工况条件下因为装置控制参数和稳定程度的不同，各运行阶段下的净化效果也有一定的差异。通过探讨BBFR和IVCW的最佳耦合模式，即系统处理效果达到最佳时的运行参数，实现了BBFR和IVCW二者间的优势互补。
3.曝气生物滤池
曝气生物滤池借鉴了生物接触氧化反应器和深床过滤的设计原理，省去了二次沉淀设备。反应器内存在着不同的好氧、缺氧区域。可同步实现硝化和反硝化，在去除有机物的同时达到脱氮的目的。曝气生物滤池的基本原理是在一级强化的基础上，以颗粒状填料及其附着生长的生物膜为主要处理介质，充分发挥生物代谢作用、物理过滤作用、生物膜和填料的物理吸附作用以及反应器内食物链的分级捕食作用，实现污染物在同一单元反应器内的去除。
刘杰采用A-BAF处理生活污水结果表明，当进水COD、NH4+-N、TN和SS分别为250 mg/L、40 mg/L、45 mg/L和150 mg/L时，在缺氧反硝化池、沉淀池和BAF的HRT分别为1 h、2.5 h和1.5 h；污泥回流比和硝化液回流比分别为50%和200%；BAF气水比为5∶1的条件下，A-BAF工艺出水COD、NH4+-N、TN和SS达到再生水质标准。路文芳采用曝气生物滤池对二级出水处理通过对不同水力停留时间、气水比条件下，反应器对污染物去除效果的试验研究，确定该套系统最佳工艺参数为：水力停留时间为2.2 h、气水比为5∶1、填料层高度为105 cm。最优工艺参数条件下，系统对COD、氨氮及浊度平均去除率分别为44%、98%、62%；出水平均浓度分别为31 mg/L、0.8 mg/L、5NTU。刘惠军等采用煤基炭膜作为膜曝气生物膜反应器膜组件处理生活污水，考察了炭膜的传氧性能、对微生物的吸附性能以及该膜生物膜反应器的挂膜启动过程，并从膜内气压、碳氮比、水力停留时间等3个方面研究了试验运行的最佳工艺条件。结果表明，炭膜和其它中空纤维膜相比具有较高的微生物吸附能力，反应器在8 d内即可完成挂膜启动。炭膜本身的传氧系数为0.36 m/h，其作为生物膜载体和供氧装置在技术上是可行的。利用该炭膜曝气
生物膜反应器处理生活污水，在膜内气压为0.025 MPa，碳氮比为5∶1，水力停留时间8 h条件下，可使NH+4-N去除率、反硝化效率和COD去除率分别达95%、92%和88%以上，出水水质指标达到回用标准.试验系统具有良好的稳定性，抗冲击负荷能力较强。
4.膜生物反应器及变型
MBR主要由膜组件和生物反应器两部分构成。大量的微生物在生物反应器内与基质充分接触，通过新陈代谢作用使有机污染物降解，同时自身得以生长、繁殖。膜组件通过机械筛分、截留等作用对废水和活性污泥混合液进行固液分离。活性污泥被截留在生物反应器内，从而避免了微生物的流失。生物处理系统和膜分离组件的有机结合，不仅提高了系统的出水水质和运行的稳定程度，还延长了难降解大分子物质在生物反应器中的水力停留时间，加强了系统对难降解物质的去除效果。近年来，相继出现了很多MBR及其变型在中水处理的应用和研究。
谭德君等对膜生物反应器连续运行期间的处理效能、膜污染情况进行了实验研究，分析并进行了膜清洗实验。膜生物反应器对COD、NH4+-N都有很好的去除效果，出水水质达到《城市杂用水水质标准》(GB/T18920-2002)。膜污染的发展先后经历膜孔阻塞，形成凝胶层、滤饼层等阶段。研究认为对膜进行清洗应以机械清洗为主。赵如金采用自制的PF-MBR处理生活污水时，反应器中DO、HRT、MLSS、进水pH及温度对污水中COD、NH4+-N、TN及TP等的去除均有一定的影响；膜生物反应器中添加铁氧体粉末能明显提高生物反应器对COD及NH4+-N的去除率，增强系统抗冲击负荷的能力；但添加铁氧体粉末对TN和TP的去除效果影响不大；添加铁氧体粉末能在一定程度上延缓膜污染。魏奇锋向由孔径为56μm的普通工业滤布组成的膜生物反应器中投加不同量的粉末活性炭，对恒通量下的单周期运行情况进行了考察，并对被污染的动态膜表面和截面进行了扫描电镜观察。结果表明，较佳的PAC投量约为2 g/L。在PAC投量为2 g/L时，其运行周期(15 d)为不投加PAC时(6 d)的2.5倍，反应器中占优势的污泥平均粒径(100μm)也较不投加PAC时的(80μm)大。经扫描电镜分析可知，未投加PAC时膜孔隙间的凝胶层是造成膜污染的主要因素；投加2 g/L的PAC时膜表面的滤饼层是造成膜污染的主要因素，其膜污染物易于清洗去除，经水力清洗和刷子刷洗后膜通量可基本恢复，再用0.5%的NaC10溶液浸泡12 h后膜通量可完全恢复。司亚安等采用该工艺对生活污水处理进行了工程应用，对工程设计运行参数和污染物去除机制进行研究，并进行技术经济分析，结果表明：出水COD、氨氮、SS等指标均优于GB/T18920 2002《城市污水再生利用城市杂用水水质》要求，并提出根据出水氨氮浓度的变化作为系统排泥的依据，有效地指导工程的稳定运行。
5.结论与展望
除以上几种中水处理技术以外还有流化床-固定床技术、电絮凝技术、UASB[28-29]、光催化氧化法等。综上所述，中水处理发展比较迅速，并且还需要不断的深入，今后中水技术的发展方向主要由以下几个方面：
(1)低能耗、高效率、智能化控制新技术和新工艺的开发。
(2)生物法-人工湿地技术应用在中水处理上，今后主要集中在生物法与人工湿地优化组合和人工湿地高活性载体开发方面的深入研究。
(3)曝气生物滤池在中水处理应用方面，今后主要集中在同步硝化反硝化、同步脱氮除磷和曝气生物滤池新型高效复合载体材料深入研究。
(4)MBR在中水处理技术中水处理应用方面，今后主要集中在膜与微生物反应器的优化组合设计、高抗污染膜材料开发以及改进型MBR深入研究。