不同处理工艺对再生水化学稳定性的影响研究*

许萍　魏智刚　张雅君　虞乐

（北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室　　北京100044）

不同处理工艺对再生水化学稳定性的影响研究*

许萍魏智刚张雅君虞乐

（北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室北京100044）

围绕工业循环冷却水关注的化学稳定性问题，分析了市政再生水厂进水水质及其稳定性，对比了不同再生水处理工艺对主要化学稳定性指标的去除效果 ，并通过实例比较了混凝沉淀过滤、MBR、UF、RO工艺出水的化学稳定性。结果表明：当前常用工艺中 ，RO对硫酸盐、氯化物、硬度、碱度、电导率的去除效果最好，去除率达90%以上；实际案例也证实，RO出水的硫酸盐、氯化物、硬度、碱度、电导率含量最低，但RO出水离子配比失衡，导致pH值偏低，使得其生产的再生水腐蚀性倾向最为显著。

市政再生水 处理工艺 化学稳定性 污染物指标

0　引言

2015年国务院发布的《水污染防治行动计划》要求，到2020年，缺水城市再生水利用率应达到20%以上，京津冀区域应达到30%以上；工业生产等领域应优先使用再生水。工业用水中，循环冷却用水占70%～80%，是国内外应用再生水的主要场所。目前，北京、天津等缺水城市已开展了市政再生水替代河湖水作为工业循环冷却系统补充水源的生产实践［1］，关于市政再生水与河湖水的水质差异性及其对工业循环冷却水管道腐蚀的影响也已有报道［2-5］。但是 ，受常规污水处理理念影响 ，市政再生水处理工艺也多以有机物和营养物质去除为主要目标，较少关注与工业利用有关的水质化学稳定性指标。因此深刻认识市政再生水处理工艺对水质化学稳定性的影响，对于确保市政再生水补水的工业循环冷却水系统的安全稳定运行具有重要意义。因此，本研究围绕水质稳定性，选取北方某城市不同再生水厂为研究对象，通过调查和实验分析，对比研究了不同污水源下再生水厂进水水质及其化学稳定性、不同再生水处理工艺对主要水质化学稳定指标的去除效果、不同处理工艺下再生水厂出水水质及其化学稳定性，旨在为市政再生水补水的工业循环冷却水系统的安全稳定运行提供技术支持。

1　实验材料与方法

1.1测试水样与测试指标

测试水样取自北方某城市的4所市政再生水厂或其配水管网。其中有3座再生水厂毗邻生活区，污水源以生活污水为主；另外1座再生水厂位于工业园区，污水源中所含的工业废水比例较高。

主要围绕化学稳定性，选取与之相关的水质指标为研究对象，参照《水和废水监测分析方法（第四版）》，按照国家标准方法进行分析。水质指标与分析方法见表1。

表1　水质指标与分析方法

1.2化学稳定性判别方法

化学稳定性主要有两类判别方法，一类由水-碳酸盐系统分析得来，如Langelier饱和指数、Ryznar稳定指数、Feitler临界指数等；另一类是基于其他水质参数的判别方法，如Riddick腐蚀指数、Larson指数等。

本研究采用Langelier饱和指数、Ryznar稳定指数、Feitler临界指数和应用指数4种方法判别测试水样的水质化学稳定性，详见表2［6-8］。

表2　化学稳定性判别方法

表2中，pHs为碳酸钙饱和pH值，计算公式如下：

式中，A为总溶解固体系数；B为温度系数；C为钙硬系数，等于lgCa；D为碱度系数，等于lgM。

2　再生水厂进水化学稳定性研究

2.1再生水厂进水水质分析

不同污水源下的再生水厂进水水质见表3。

表3　不同污水源下的再生水厂进水水质

根据表3可知，与以生活污水为主要水源相比，当以工业废水为水源时，再生水厂进水中的硫酸盐、氯离子平均浓度分别是前者的3.3倍和2.8倍；总磷和氨氮平均浓度分别是前者的1.9倍和1.3倍；但与之形成鲜明对比的是，异养菌总数和总大肠菌群显著较低，其中异养菌总数平均值较前者低了一个数量级，总大肠菌群数也仅为前者的1/10～1/5。

Cl-、NH+4和SO2-4是典型的腐蚀性离子，其含量较高说明，当污水源以工业废水为主时，再生水厂进水水质的腐蚀性倾向将加剧；为提高出水水质的化学稳定性，在处理工艺上应选择能有效去除这些离子的工艺。与之不同的是，当污水源以生活污水为主时，再生水厂进水中的微生物含量较高 ，在处理过程中，更应强化消毒工艺。

2.2再生水厂进水水质化学稳定性

不同污水源下再生水厂进水水质化学稳定性见图1。

图1　不同污水源下再生水厂进水水质化学稳定性对比

根据图1和表2可知，从Langelier饱和指数、Ryznar稳定指数、Feitler临界指数和应用指数来看，无论污水源为生活污水还是工业污水，再生水厂的进水水质都略具腐蚀性或处于平衡状态。但采用工业废水为水源时，4种指数的绝对数值均高于生活污水。这说明采用工业污水为水源的再生水厂，其进水水质化学稳定性更差 ，更偏向于腐蚀性。该结论与2.1节中的进水水质成分分析结果一致。

3　不同工艺对主要化学稳定指标的处理效果比较

目前，国内已建再生水厂多借鉴传统净水方法，采用混凝、沉淀和过滤工艺；随着膜技术的发展，不少发达地区再生水厂开始推行膜处理工艺，如微滤（MF）、超滤（UF）、膜生物反应器（MBR）、反渗透（RO）等技术［9-10］。上述工艺的去除机理及其主要去除对象如表4所示［11-16］。

表4　不同工艺对无机离子的去除比较

结合以上资料，实际调研北方某城市分别采用MBR、UF、RO工艺的3座再生水处理厂，上述工艺对主要化学稳定性指标的去除效果如表5所示。

表5　MBR、UF、RO工艺对主要化学稳定性指标的去除效果%

根据表4和表5可知，3种工艺对主要化学稳定性指标的去除效果从高到低依次为：RO、MBR和UF。除氨氮外，RO工艺对硫酸根、氯化物、总磷、硬度、碱度、电导率等的去除率均达到90%以上；MBR工艺对总磷和氨氮的去除效果均在95%以上，对碱度和电导率的去除率也达50%～70%，但对硬度的去除率仅为2%，且基本不能去除硫酸盐和氯化物；除了对总磷的去除率达60%以上外，UF对硬度、碱度的去除作用微小，也基本不能去除硫酸盐和氯化物。但是，传统工艺混凝沉淀过滤工艺根据污染物去除机理，存在可以去除硫酸根和氯离子的潜力，可以通过改良混凝剂或助凝剂，使其带入与硫酸根或氯离子形成沉淀的离子，从而去除硫酸根或氯离子。例如氯离子的去除可以在水中投加石灰的同时投加铝盐，使水溶液中的氯离子以Ca-Al-Cl-OH沉淀形式析出而去除，这样可以在不影响混凝沉淀效果的基础上去除氯离子［17-18］。因此适当改变混凝剂的成分可以使混凝沉淀过滤工艺具有去除硫酸根和氯离子的功能。

4　不同工艺下出水水质稳定性案例分析

4.1不同工艺下再生水厂出水水质对比

不同处理工艺的出水水质测试结果见表6。

表6　不同处理工艺的出水水质对比

根据表4可知，4种工艺的出水水质均满足再生水标准1的要求，除总碱度外基本满足再生水标准2的要求。对比4种工艺出水水质，RO工艺出水水质最好，但pH偏低，腐蚀倾向更明显，这可能是由于各种物质的去除影响了水中离子平衡关系引起的。本结论中关于有机物和营养物质的研究结果与冯运玲等人的研究结果一致［9］。

UF、MBR工艺的水样由于取自消毒前，因而水中异养菌总数较再生水标准2高出30～50倍，说明为保证再生水厂出厂水质的稳定性，后续的消毒工艺至关重要。此外，混凝沉淀过滤工艺再生水厂配水管网末端的异养菌总数高达6 500 CUF/mL，也说明在配水管网中出现了微生物再生长的现象，其对工业循环冷却水系统黏泥和微生物腐蚀问题的影响也不容忽视。

4.2不同工艺下再生水厂出水水质化学稳定性对比

不同处理工艺的出水水质化学稳定性对比见图2。根据图2和表2可知，比较Langelier饱和指数、Ryznar稳定指数判别标准可知，4种工艺的出水均具有腐蚀倾向；比较Feitler临界指数、应用指数可知，混凝沉淀工艺的出水处于介稳或平衡区 ，而另外3种工艺的出水均具有腐蚀性；4种判别方法下，按照出水化学稳定性从高到低，4种工艺的排列顺序均依次为混凝沉淀过滤、MBR、UF、RO，其中膜工艺出水腐蚀性明显高于混凝沉淀工艺，特别是RO工艺出水的腐蚀性明显高于其他膜工艺。这可能是由于膜工艺去除污染物质后，使得水中离子配比发生较大改变，使得其离子配比更趋于腐蚀性。结合表6中4种处理工艺出水具有较高硫酸根和氯离子的特点，分析4种工艺出水的拉森指数可知，混凝沉淀、MBR、RO工艺出水的拉森指数均大于1，UF工艺出水的拉森指数接近1，同样说明出水具有腐蚀性，特别是RO工艺出水的拉森指数达到4以上，说明其腐蚀性倾向很强烈，同时说明离子配比会影响出水的腐蚀性。

图2　不同处理工艺的出水水质化学稳定性对比

综上所述，相较于混凝沉淀过滤工艺，膜工艺的出水更偏向于腐蚀，特别是RO工艺，其出水的腐蚀性最强。所以在使用膜处理工艺时，虽然其处理效果要好于传统工艺，但应注意其出水的腐蚀倾向及其离子配比对工业循环冷却水系统的影响。

5　结论

通过调研和水质测试分析，开展了污水源和处理工艺对市政再生水厂水质稳定性的影响研究，主要结论如下：

（1）根据进水水质及其化学稳定性指数可知 ，污水源为生活污水或工业污水时，再生水厂进水水质均略具腐蚀性；但是与生活污水相比，当工业废水为污水源时，再生水厂进水中的硫酸盐、氯离子、总磷和氨氮含量分别是前者的1.3～3.3倍，其水质的腐蚀性倾向更为明显，说明处理工艺应强化离子的去除。

（2）与工业废水相比，当采用生活污水为污水源时，再生水厂进水中的异养菌总数较前者高一个数量级，总大肠菌群也为前者的5～10倍，说明后续处理工艺应强化消毒。

（3）根据出水水质指标可知，当分别采用四种工艺作为主要处理工艺时，绝大部分水质指标均优于目前国家再生水标准的要求，但RO工艺的pH值偏低，混凝沉淀过滤、MBR、UF工艺对碱度和微生物指标的处理效果不佳。

（4）与传统的混凝沉淀过滤工艺相比，膜工艺出水更偏向于腐蚀，特别是RO工艺，虽然其对污染物去除效果最优，出水水质最好，但出水的腐蚀性却最强。因此应根据进水水质及其处理工艺特点选择工艺，特别是选择膜工艺时，应考虑离子配比对水质稳定性的影响。

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Study on the Influences of Different Processing Technologies on Reclaimed Water Chemical Stability

XU Ping WEI Zhigang ZHANG Yajun YU Le
（Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment，Ministry of Education，Beijing University of Civil Engineering and Architecture Beijing 100044）

Based on the chemical stability paid attention to by the industrial circulating cooling water system，inlet water and its stability ofmunicipal reclaimed water plant is analyzed，the removal effects of different regeneration proceses are described and through the cases，the influences of the coagulation sedimentation filtration，MBR，UF and RO process on the actual stability of the effluentwater are compared.The results show that the RO process has the best removal effecton sulfate，chloride，hardness，alkalinity and electricalconductivity and the removalrate reaches above 90%.The actualcase also confirms that the sulfate，chloride，hardness，alkalinity，water conductivity contenton effluentwaterof RO process is the lowest，butthe ion ratio on effluentwater of RO process is imbalance，which leads to low pHvalue and makes the recycled water corrosion tend to be the most significant.

municipal reclaimed water treatment process chemical stability pollutant index

国家自然科学基金（51578035），北京建筑大学基金项目（00331615008），城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室项目（PXM2014 014210 000057）。

许萍，女，博士，副教授，研究方向为水回用与节水技术。

（2016-01-10）