梁耀匀 黄潇
摘要:再生水作为城市第二水源,对缓解水资源危机、推动污水资源化利用具有重要意义。当前,各大城市加快对污水处理厂的改建或新建再生水厂,充分挖掘污水资源化利用的潜能。从再生水回用现状入手,介绍了再生水运营方式、回用水质要求,围绕再生水深度处理技术,系统梳理了各项技术的去除对象、水质净化原理、工程案例和发展方向,旨在剖析再生水深度处理技术应用的经验和存在的不足,并提出发展思路。未来再生水的工艺选取应围绕回用目标,综合考虑当地自然条件、经济发展状况、基礎设施建设情况等因素;同时,加大自主研发力度,推动具有自主知识产权的再生水处理设备落地。
关键词:城市污水;再生水;深度处理;工程案例
中图分类号:X703文献标识码:B文章编号:1001-9235(2024)02-0029-09
Research Progress in Advanced Treatment Technology of Municipal Reclaimed Water in China
LIANG Yaoyun,HUANG Xiao*
(Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology,Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring and Pollution Control,School of Environmental Science and Engineering,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China)
Abstract:Reclaimed water,as the second source of water in cities,is of great significance in alleviating the crisis of water resources and promoting the utilization of sewage resources.Currently,major cities are accelerating the renovation of sewage treatment plants or the construction of reclaimed water plants,fully tapping the utilization potential of sewage resources.Firstly,this review introduced the current situation of reclaimed water reuse,the operation mode of reclaimed water,and the requirements for reclaimed water quality.Focusing on the advanced treatment technology of reclaimed water,the review systematically sorted out the removal objects,water purification mechanisms,engineering cases,and development directions of various technologies,so as to analyze the experience and shortcomings of the application of advanced treatment technology of reclaimed water and propose development ideas.Besides,the selection of future reclaimed water processes should be reuse-oriented,taking into account factors such as local natural conditions,economic development,and infrastructure construction,while strengthening independent research and development to promote the application of reclaimed water treatment equipment with independent intellectual property rights.
Keywords:urban sewage;reclaimed water;advanced treatment;engineering case
2023年初,生态环境部联合其他3个部门联合印发了《关于公布2022年区域再生水循环利用试点城市名单的通知》,对提高缺水地区再生水利用能力、缓解水资源供需矛盾、挖掘污水资源化利用潜能具有重要意义[1]。近年来,随着城市化进程的加快和人民生活水平的提高,供水集中区供需矛盾日趋尖锐,而中国实行最严格的水资源管理制度考核,对高耗水行业提出了更高要求[2]。充分发挥再生水“城市第二水源”的作用,是解决城市水资源短缺问题的重要途径。
市政再生水以城市污水处理厂二级出水作为水源水,水量不受制于自然因素的影响,且可实现污水生产与污水利用的同步进行,与其他水资源利用相比优势显著[3]。现有污水处理厂出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准,与再生水回用水质标准仍有差距,总氮(TN)、总磷(TP)和微量有机物(COD)存在一定风险。目前常用的深度处理技术包括生物、物理、化学处理技术以及多种处理技术的组合技术,深度处理后的出水满足回用水水质要求。
再生水回用是缓解城市水资源短缺问题的重要手段,而再生水能否回用取决于再生水水质是否达标,归根结底又在于深度处理技术的选择是否合理。因此,本文剖析了中国市政再生水回用现状,列举了再生水回用水质要求,通过介绍混凝沉淀、膜工艺、人工湿地等再生水深度处理技术,旨在明确中国再生水利用的发展方向,以期为市政再生水利用提供借鉴。
1 中国市政再生水回用现状
中国再生水利用的发展研究起步较晚,直至20世紀80年代末北方城市频频出现水危机,污水再生利用的相关研究和技术才真正得到广泛关注[4]。截至2021年,中国已建成污水处理厂2 827座,处理能力为20 767万m3/d[5]。随着污水收集和处理量的增加,再生水行业得到高速发展,各大城市加快对污水处理厂的改造或新建再生水厂,具体再生水利用情况见表1。同时,再生水用途也在发生转变,以北京为例,2015年以前北京市再生水主要回用于环境、农业、工业和市政,2015年后,再生水几乎不再用于农业,环境用水逐年增加,成为再生水利用的主要途径[7]。
此外,中国再生水运营主体也发生了转变,一改以往再生水厂改建以及配套管网设施建设由政府投资的局面,近年来逐渐向市场化运营转变,以期充分利用市场的自主性和创造性。以深圳为例,《深圳市再生水利用管理办法》规定“分散式再生水利用项目由其产权人自行管理和维护,政府投资建设的集中式再生水利用项目通过招标投标、委托等方式确定符合条件的经营者”。深圳市现状再生水厂采用特许经营的运营模式,但均不是完全市场化运营,横岗、固戍再生水厂采取特许经营,其他水厂的再生水回用设施作为水质净化厂的一部分进行运营[11]。
2 再生水回用水质要求
现行国家标准对再生水的分类分级、不同回用途径的再生水水质、再生水处理工艺及效益评价等均作出明确规定,从法规层面上保障再生水利用切实可行。GB/T 41018—2021《水回用导则 再生水分级》根据处理工艺将再生水分为A、B、C 3个级别,在此基础上又根据再生水水质,将再生水进一步细分为10个级别[12],见表2。《城市污水再生利用》系列标准规定了不同用途再生水的水质要求,明确规定了污染物的限值。
污水处理厂的出水可用于河道补水、城市绿化和娱乐性观赏用水等,现行污水处理厂常采用活性污泥法和生物膜法等工艺实现污染物的去除,出水达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》规定的一级A水质标准。《地表水环境质量标准》规定了水域功能分类,其中Ⅳ类水主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区,Ⅴ类水主要适用于农业用水区及一般景观要求水域,其是再生水水质标准的基础。随着海绵城市建设和再生水利用的逐渐推进,对再生水提出了更高的要求,北京、天津等北方缺水城市已经提出了准Ⅳ类要求。2项水质标准的对比见表3,从中可以明显地看出,污水处理厂二级出水中的COD、TN、TP等指标与准IV类标准相比还有一定差距,这一差距需进行深度处理。
3 再生水深度处理技术研究现状
再生水深度处理技术的研究起始于工业废水深度处理,而后在市政再生水应用中逐步得到推广,其处理的主要对象为污水处理厂二级出水中的TN、TP和COD。
3.1 混凝沉淀深度除磷工艺
混凝是常规再生水深度处理技术,常与高效澄清池联用,是去除再生水中TP的最有效方式。其原理是通过外加混凝剂改变胶体颗粒表面特性,使分散的胶体颗粒聚集形成大颗粒沉淀完成对污水的处理[13]。综合考虑药剂成本、基建成本和占地面积的情况下,混凝剂投加位置不同,可分为同步混凝、前置混凝和后置混凝。
混凝沉淀深度处理的研究普遍关注了药剂的选择。张华等[14]研究发现,在混凝剂投加量为20 mg/L时,聚合硫酸铁(PFS)、三氯化铁、硫酸铝(AS)和聚合氯化铝(PAC)对浊度的去除率分别为34.2%、57%、76.9%和82.4%,确定最佳混凝剂为PAC。陈义等[15]研究了不同配比的混凝剂PAC和AS对王小郢污水处理厂二沉池出水中磷的去除效果,确定PAC 30%+AS 70%为最佳配比,并依据最优配比确定了不同进水TP浓度下的最佳投药量。刘海燕等[16]采用混凝沉淀工艺对城市污水处理厂二级出水进行再生水处理试验,混凝剂为AS,投加量为30 mg/L,结果表明混凝沉淀对CODCr、TP、浊度都有一定的去除效果,平均去除率分别为20.2%、39.3%和18.7%。污水厂在进行药剂选择时,可开展混凝实验,以确定药剂选型。
混凝沉淀工艺的投资主要集中在药剂费用上,受制于PAC价格的持续飙升(30%含量的PAC约为2 400元/t),混凝技术的应用得到限制。近年来,随着新型无机和有机高分子混凝剂的不断研发,混凝效果愈佳而成本逐渐降低,这一优势使得其成为最具前景的技术之一。当前混凝技术朝着新型高分子混凝剂研发和高效工艺组合2个方向发展:①无机-有机高分子复合混凝剂具有广阔的应用前景,但有机高分子引入后会对无机混凝剂的电荷特性和结构形貌产生一定影响,因此还需深入研究[17];②新型混凝技术虽然表现出较好的处理效果,但大多数研究仍处于实验室或中试阶段,还未进行大范围的应用,处理成本的降低将成为组合技术一大强有力的助推力。
3.2 膜分离深度除盐工艺
膜分离技术在近10年内得到长足发展,是继传统工艺之后另一具有广阔应用前景的新型工艺。其原理是利用滤膜对大分子物质的截留作用,在压力差作用下,使小分子物质和溶剂通过膜,而大分子被截留,达到物质分离的目的[18]。该工艺可直接去除一切病毒、细菌等微生物,也可去除水中的部分无机盐离子,在污水处理中广泛应用于高盐水的处理和对水质要求较高的再生水中。根据膜孔径的大小,膜工艺分为微滤、超滤、纳滤和反渗透,考虑到污水处理效果,通常选用超滤或膜孔径更小者。
膜分离技术对有机及无机污染物均具有较好的脱除效果,其占地面积小,处理后水质效果好,已在一些再生水厂中得到推广应用。汤颖等[19]在常州市某生活污水厂开展“超滤-反渗透”双膜法中试实验,对电导率、COD、NH+4-N、TN、TP的去除率分别为95.69%、79.41%、63.33%、89.56%和93.07%。马同宇等[20]针对盐碱地区污水处理厂出水中含盐量高的特点,对膜工艺进行升级改造,以反渗透技术作为除盐工艺,并选用连续膜过滤技术作为预处理,对溶解性总固体(TDS)的月均去除率在97%以上,出水COD、TP、NH+4-N、TN分别降至4.000、0.009、0.250、1.970 mg/L。江苏某高新区再生水厂采用反渗透深度处理技术,出水COD、SS、TP、TN和NH+4-N分别降至5.90、0.10、0.05、1.10、0.80 mg/L[21]。膜分离技术在再生水深度处理中应用越来越广泛,工程应用对比见表4。
膜分离技术前景可期,但它毕竟处于上升阶段,仍存在一些问题有待解决,膜污染是制约膜工艺发展的一个关键性问题。膜污染是由于在过滤过程中,溶液中的微粒、胶团和分子物质在膜内、外表面吸附和堆积,使膜孔径变小或堵塞,进而降低膜的通透性[18]。目前工程上采用的污染控制方式主要有3类。①预处理:通过混凝、吸附、氧化等手段,降低污水中的有机物,进而延长膜的运行时间。②膜清洗:根据操作和清洗膜的环境不同,可分为物理清洗和化学清洗,在实际操作中由于膜通量很难通过物理清洗得到实现,因此常选择化学清洗。③改性膜:亲水性膜的抗污染性能较好,改性膜即通过对原有膜材料进行物理化学处理,提高膜的亲水性能以提高膜表面抗污染性能。
膜污染控制已取得一定进展并在水厂得到应用。北方某水厂采用离线式化学清洗工艺,先用0.5% NaOH+500 mg/L NaClO的碱液浸泡24 h,然后用2%柠檬酸进行酸洗,均辅以曝气,最后冲洗掉残余药剂,每年进行2次化学清洗[26]。He等[27]研究发现,将pH调节至6.5的两阶段混凝剂投加(高速混合和中速混合时分别投加)可以缓解膜污染,同时显著降低pH调节时的化学消耗。Guo等[28]研究了采用三乙醇胺(TEOA)对纳滤膜进行改性,确定2% TEOA改性膜(MPCM2)为最优膜,并确定0.5 MPa、25 ℃、7 cm/s为最佳操作条件。曹阿坤[29]指出,将膜浸入碱性多巴胺溶液中,多巴胺可以作为一个中间桥梁修饰无机纳米材料与有机膜本体,进行膜改性获得理想性能的膜。
3.3 反硝化滤池深度脱氮工艺
深床反硝化滤池是将生物脱氮结合深床过滤为一体的污水处理单元,是污水脱氮与过滤的较为先进的处理工艺。其净化机理是:污水中的悬浮物(SS)通过截留吸附得到去除,COD等被附着生长在填料层内的微生物降解[30]。由于其占地面积小,脱氮除磷效果好,出水水质稳定,已被用于多座城镇污水处理厂的提标改造中。
天津某污水处理厂采用反硝化深床滤池工艺进行提标改造,建成完成通入运行后,TN、TP、SS和COD去除率分别为50%~79%、46%~97%、73%~96%和34%~46%[31]。苏州某污水处理厂采用反硝化生物滤池,进水C/N值大于等于3.5时,可使TN降至3 mg/L以下,在C/N值等于5时,TN可降至1 mg/L左右,TN平均去除率为87.1%[32]。黄潇[33]将反硝化深床滤池作为深度处理工艺,进一步处理经多级经AO处理的二级出水,研究了深度脱氮工艺的优化方式,发现甲醇更适合作为反硝化深床滤池的碳源,其最适C/N为3.0~4.0,最佳深床滤池空床停留时间(EBCT)为0.25 h。赵楠等[34]研究了工程运行条件下反硝化生物滤池的除磷效果,发现在进水溶解性总磷(SP)浓度为0.1~0.5 mg/L时,去除量与进水浓度大致呈线性关系,去除率约为40%。
反硝化滤池根据水流流向分为上流式和下流式,大多为国外垄断,国内对其引进和研发相对较晚,技术对比见表5。
3.4 人工湿地深度处理技术
人工湿地是一种由人工建设与监控的近似于沼泽地的生态系统,其去除污染物的范圍较为广泛,包括COD、TN、TP以及SS,由于其低廉的投资、超高的水质净化效果在国内得到广泛应用。其净化机理是:污水在填料床内流动时,通过微生物、水生植物等多种生物的物理、化学、生物三重协同作用,实现污染物的降解[35]。人工湿地成本低廉,是经济相对落后地区可以采用的污水深度处理工艺,处理效果好,但由于植物生长的温度不宜低于5℃,因而人工湿地适用地区受限。
传统人工湿地主要用于排泄物冲水、洗涤水的处理,而后推广到市政污水的处理。山西太原某污水处理厂构建3床并联水平潜流人工湿地,对COD的去除效果基本稳定在60%左右,对TP的去除效率在70%~80%,对TN的去除率稳定在50%左右[36]。长沙洋湖人工湿地采用“植物塘+湿地单元”深度处理系统,其一大亮点在于表流和潜流可以相互转化,避免冬季植物存活率低以致处理效果下降的现象,出水COD、SS、TN和TP去除率分别为50%~65%、30%~70%、15%~20%和40%~50%[37]。天津市华明示范小城镇采用人工湿地污水处理工艺,设计CODCr、NH+4-N、TP去除率分别为95%、83%、86%,可用于周边人工湖的补水[38]。成都某中水回用工程参考生物滤池原理改进人工湿地,降低滤池高度并在表面种植挺水植物,从而从上到下依次形成好、缺、厌氧环境,CODCr、NH+4-N、TP的平均出水浓度分别为14.61、0.80、0.07 mg/L,同时将湿地与景观结合,开发成湿地公园,实现了人水和谐共生[39]。
3.5 高级氧化深度处理技术
再生水的使用促进了微量有机污染物(TOrCs)向生态环境和人体的转移,导致生物毒性、威胁人体健康,而高级氧化技术则是去除TOrCs的重要手段[40]。高级氧化法主要利用具有強氧化能力的羟基自由基,在高温高压、催化剂等反应条件下,将大分子难降解有机物氧化为无毒或低毒的小分子物质。根据产生自由基的方式不同,可分为光化学氧化、声化学氧化、臭氧氧化和电化学氧化等,目前在再生水厂中应用较广的是臭氧氧化技术。臭氧与有机物之间的反应通常包括2种[41]:一是臭氧分子直接与有机物之间发生反应;另一是臭氧在水溶液中分解产生各种活性自由基,间接氧化水中有机物。
已有多位学者对臭氧去除TOrCs开展了研究。夏鑫慧[42]研究了臭氧氧化工艺对微量有毒类优控污染物的去除效果,结果表明在臭氧投加量为2.5 mg/L时,磺胺甲恶唑(SMZ)、布洛芬(IBP)、苯并[a]蒽(BaP)、蒽(Ant)基本完全去除,且通过提高臭氧投加量可以达到较好的降解效果。陈子扬[43]研究了臭氧氧化技术对消毒副产物三卤甲烷(THMs)生成的影响,发现臭氧处理有利于减少再生水消毒过程中THMs的生成,在pH=7时,O3/C=0.6为最优的臭氧投加量。林文琪等[44]研究了臭氧氧化技术对生物稳定性的影响,发现臭氧氧化可使水中大分子有机物转化为可被生物利用的小分子有机物,使水中生物可同化有机碳(AOC)水平升高70%~770%,导致生物稳定性降低。综上所述,臭氧氧化对TOrCs有较好的去除效果,同时有利于减少THMs的生成,但也存在生物稳定性降低的问题,需后续进一步处理。
3.6 组合技术
混凝沉淀技术由于药剂成本昂贵,与其他工艺组合进而降低混凝剂投加量成为技术发展方向;膜工艺存在膜污染的问题,可通过前置混凝或高级氧化等预处理手段延缓膜污染的发生;高级氧化技术也常用作其他深度处理技术的预处理手段;人工湿地虽然可以有效进行污水处理,但其也存在处理效率慢、占地面积大、无法适应排水量过大的污水处理需求等缺点,在大规模污水处理系统中,其作为其他污水处理工艺的三级搭配技术[45]。对此,组合工艺由于其节能降耗、污染物去除率高的优势,在深度处理技术中得到广泛应用。
混凝组合技术的研究集中在预处理强化混凝效果和后续处理进一步降低污染物浓度两方面。高健磊等[46]研究了磁混凝-UV/O3联合工艺对废水深度处理的效果,发现投加磁粉可有效减少颗粒之间的平均间隙,增强布朗运动,在静电吸引力和范德华力作用下促进絮体团聚,同时磁粉也可作为吸附核心,通过电中和及络合反应吸附絮体颗粒。杨旭[47]发现将Fenton氧化作为混凝的后续处理时,COD处理效果显著,且Fenton试剂配比为ωH2O2∶ωFe2+=50∶1时,效果最佳。吴涛[48]研究发现,混凝与超滤组合工艺出水浊度小于0.2 NTU,COD约为36 mg/L、总磷小于等于0.5 mg/L,对大肠杆菌和粪大肠杆菌去除率达3.7 log以上,处理后的出水可以达到城市污水再生利用景观环境用水水质标准的要求。
反硝化滤池组合工艺的研究集中在滤料的选择和有机物的深度去除上,臭氧组合工艺则对生物稳定性提出了更高要求。吴禹[49]研究了反硝化滤池+臭氧+生物滤池组合工艺对污染物的去除效果,中试系统对COD、NH+4-N、NO-3-N和TN的去除率分别为49.2%、26.2%、63.8%、63.5%,达到《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准。戚菲菲[50]研究了混凝沉淀+臭氧+复合滤料过滤组合工艺对再生水的处理效果,出水CODMn、NH+4-N和NO-2-N降至3.10、0.37、0.14 mg/L。魏泽文[51]研究了臭氧/陶瓷膜-生物活性炭对微污染水的处理效果,工艺出水CODCr和氨氮浓度分别低于20.0、0.2 mg/L,去除率为50%~80%和高于80%,基本满足再生水水质要求。
人工湿地组合工艺则考虑多流态湿地系统对污染物的去除效果。北京某再生水厂深度处理技术采用“超滤+水平潜流人工湿地+上升流人工湿地”,COD、BOD5、TN、NH+4-N和TP的去除率分别为47.3%、60.8%、58.5%、68.8%和57.1%,达到景观回用水要求[52]。天津临港经济区生态湿地公园采用“调节塘+潜流人工湿地+表面流人工湿地+生态景观湖+生物栅”对污水处理厂出水进行深度处理,出水COD和NH+4-N指标分别为36.0、2.3 mg/L,出水全部用于景观水[53]。
4 结语
再生水回用是缓解城市水资源危机的重要手段,深度处理技术的选用是决定再生水水质能否达标的关键因素,现行污水处理厂的改建应综合考虑技术可行性、经济合理性和运行可靠性,未来再生水的发展应着重考虑以下2个方面。①工艺选择要准确:工艺选型时要根据当地自然条件、经济发展状况、基础设施建设情况等综合选用,充分发挥组合工艺的优势。现有污水处理厂的提标改造中,在保留原工艺基础上,可通过增加特定单元满足对某类污染物的去除[13];经济发展较为落后的地区,重视人工湿地等自然污水处理技术。②加大自主研发力度:
可通过加快新型高分子混凝剂的研发、自主研制低能耗滤膜以及自主设计反硝化滤池等方式降低技术成本,打破国外垄断局面,推動多种处理效果较好但设备或运行成本高的技术的推广。
总之,再生水深度处理技术应处于不断探索和革新的进程中,攻坚克难,力争如期实现中国《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》中关于2025年全国地级及以上缺水城市再生水利用率达到25%以上等再生水利用目标。
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(责任编辑:向 飞)