中水回用技术研究发展

中水回用技术研究发展张宁，张雁秋，鲍艳卫，强艳艳中国矿业大学环测学院，江苏徐州（221008）E-mail：[e-mail]摘要：目前，全世界的水资源日趋紧张，中水回用得到普遍推广。随着中水回用的发展，中水处理技术也在不断进步。中水处理技术包括常规的生物处理技术和物化处理技术，现在比较新的技术有膜反应器和土壤渗滤技术。本文主要介绍了中水处理技术在我国的研究发展状况，并对其发展前景作了分析。关键词：中水回用技术；发展；应用前景1.中水的概念及标准1.1中水的概念中水昀初源于日本的“中水道”。它指的是介于上水与下水之间的一种水，在水质上一般不如给水，但又优于排水[1]。中水回用是指将满足一定水质标准的中水回用于生产、生活、市政建设中得某些用水环节，一方面可以降低污水排放量和水处理成本，减少水源污染问题；另一方面可开“第二水源”，降低自来水用量，节约淡水资源，缓解城市缺水问题。日本、美国、以色列等国，厕所冲洗、农林和农田灌溉、道路保洁、洗车、城市喷泉、冷却设备补充用水等，已大量使用。我国的中水回用技术开始于上世纪80年代。除了北京、深圳等少数大城市外，总体发展较慢。直到近几年，中水回用才逐渐开始进入全面推行阶段。1.2中水的标准建设部起草了《生活杂用水水质标准》(GJ25.1-89)。该标准主要考虑以下方面：①卫生要求：无有害物质，其主要衡量指标有大肠菌群数、细菌总数、悬浮物量、生化需氧量、化学耗氧量等；②感官要求：无不快的感觉，其主要衡量指标有浊度、色度、臭气、表面活性剂和油脂等；③设备维护要求：不引起设备、管道等严重腐蚀、结垢，其主要衡量指标有pH值、硬度、溶解性固体等[2]。中水有不同的来源和用途，回用过程中也要根据其具体的来源，分析其水质并考虑其是何种用途，来选择不同的工艺及技术来进行水处理，使其达到回用要求。2.中水回用处理技术2.1常规处理技术中水处理技术根据水处理的分类，按处理机理不同可分为物理化学处理法、生物处理法。(1)物理化学处理法物化法既包括物理法和化学法，也包括两者结合的物化处理方法。物理法是利用物理作用分离废水中的污染物质，在处理过程中不改变物质的化学性质，如沉淀法、筛滤法、气浮池、隔油池、离心分离法等。化学法是利用化学反应来分离或回收废水中的污染物质，或转化为无害的物质，如混凝法、中和法、氧化还原法等。物化法指通过物理和化学的综合作用使废水得到净化的方法，如吸附、萃取、离子交换、膜分离、微波法等[3]。中水回用技术研究昀多、应用昀多的是物理化学技术，主要有混凝、过滤、吸附等。1993年JianPeng等人描述了我国山西省的废水回用系统，介绍了对经过生化二级处理后的处理水用砂滤技术处理的方法。经过砂滤处理进一步降低了COD、浊度和大肠杆菌，出水水质完全达到中水水质的标准，部分可作为饮用水[4]。活性炭吸附处理技术也是一种常用的中水回用技术。1977年活性炭就用于美国洛杉矶的POMONA水再生厂，并已正常运转20多年[5]。研究表明，活性炭成功的起着双重作用-过滤和吸附，其中吸附以物理吸附为主，它主要去除悬浮物、浊度、色度和有机物。如何提高活性炭的性能是活性炭吸附技术应用的关键。近年来，人们注重了对活性炭吸附性能的研究，如田园等研究表明活性炭-微波辐照工艺处理丁腈胶乳废水的效果明显优于微波单独处理和活性炭吸附处理效果。在昀佳操作条件下，活性炭-微波辐照处理丁腈胶乳废水表观过程近似符合一级反应规律[6]。膜分离技术包括微滤、纳米过滤、渗析、气体分离等。其处理效果好，能耗低占地面积小，易于操作管理。膜分离作为中水回用技术已在我国天津、大连、沈阳等严重缺水的北方地区得到了广泛应用。1998年，大连大器公司设计的200m3/d的膜中水回用装置就已在大连投入运行[9]。物化处理法适用于处理规模较小的中水工程，主要特点是处理工艺流程短，运行管理简单、方便，占地相对较小；但相对生物处理来讲，运行费用较大，并且出水水质受混凝剂种类和数量的影响，有一定的波动性。（2）生物处理法污水中含有大量的有机物质和无机质，污水的常规生物处理主要是去除污水中的可降解的有机物质，利用好氧微生物的吸附、氧化作用，降解污水中机物。生物处理法包括好氧微生物、厌氧微生物和兼性微物处理。中水处理多采用好氧生物膜微生物处理技术。主要包括活性污泥法、接触氧化法等。生物处理法的特点是适用于较大处理规模的处理中水工程，但近年来水处理技术的发展，开发出了小型的生物处设施，适用于较小水量的工程，可同样获得较好的经济果；生物处理法的出水水质较为稳定，运行费用相对较小尤其对于大型污水处理工程，生物处理法显得尤为突出。自从1914年在英国曼彻斯特建成活性污泥试验厂以来，生物技术用于污水处理方面已有近90年的历史，随着在工业生产上的广泛应用和技术上的不断革新改进，出现了多种能够适应各种条件的工艺流程，因此生物技术不仅用于污水的二级处理，而且也用于污水的深度处理[7]。2O世纪8O年代后，我国也上海、广州建成了生物脱氮除磷为主的城市污水处理厂，其出水经过消毒后可部分达到市政杂用水水质的要求。例如广州大坦沙污水处理厂，其工艺为A2／O工艺，它有厌氧池、缺氧池、好氧池串联组成，有机污染物以及营养元素在三个生物池中得到降解和消除。再经过昀后的消毒处理可达到中水水质的标准采用此工艺不但可部分回用，也彻底消除了水体富营养化的隐患，是目前城市污水处理工艺中比较有效，而又切实可行的工艺[8]。2.2中水回用新技术（1）膜反应器（MBR）膜生物反应器（MembraneBiologicalReactor，简称MBR)是将膜组件引入废水处理氧化池中的一种新型污水处理技术，它是将生物处理与膜分离技术相结合的高效污水处理新工艺。在MBR中，活性微生物与污水充分接触氧化，不断氧化污水中能被微生物降解的有机物，而不能被微生物降解的有机物和无机物及活性污泥、悬浮物、各类胶体、大部分细菌则被MBR中的膜组件截留，活性污泥浓度大大提高，实现了水力停留时间和泥龄的完全分离[10]。MBR对于原水水质的的变化均有很强的适应性，保证出水水质的稳定，集生物反应器的生物降解作用和膜的高效分离作用于一体，大大强化了生物反应器的功能。根据膜组件的设置位置不同，MBR有分置式和一体式两大类[11]，图1[11]为一体式膜生物反应器。它是在活性污泥法的曝气池内设置膜组件，用膜代替常规的二沉池和后置的过滤消毒工艺，使曝气池中的活性污泥浓度大大提高。出水通过真空泵的负压抽吸作用外排。图1一体式膜生物反应器膜生物反应器的优点是出水水质良好，不会产生卫生问题，感官性状佳，处理流程简单，低污泥负荷，高泥龄运转，自动化程度高，占地少，运行稳定，易于管理，且适应性强。Cote等[12]研究表明，MBR工艺的处理成本要低于传统活性污泥法+膜过滤工艺。MBR的研究始于20世纪60年代的美国，但因当时受生产技术所限，在实际应用中遇到障碍。70年代以后，日本大力开发和研究，80年代后MBR在日本得到广泛应用，其已有100除高楼的中水回用系统采用MBR处理工艺[13]。美国官方文件曾说“18世纪电器改变了整个工业进程，而20世纪膜技术将改变整个面貌”[22]。日本则把膜技术作为21世纪的重点技术进行研究开发[23]。我国对MBR的研究始于1993年，近几年试验研究的报道频繁出现，应用也比较多，大连的香格里拉大饭店的宾馆污水再生回用工程就用的MBR工艺[14]。国内对MBR的研究主要分为以下三方面[3]：①探索不同生物处理工艺与膜分离单元的组合形式。生物反应处理工艺从活性污泥法扩展到接触氧化法、生物膜法、活性污泥与生物膜相结合的复合工艺、两相厌氧工艺等。②影响处理效果与膜污染的因素、机理及数学模型的研究。其目的是探求合适的操作条件与工艺参数，尽可能减轻膜污染，提高膜组件的处理能力和运行稳定性。③扩大MBR的应用范围。MBR的研究对象从生活污水扩展到高浓度有机废水（食品废水、啤酒废水）与难降解工业废水（石化废水、印染废水等），但以生活污水的处理为主。另外，也有少数研究者采用硅橡胶膜生物反应器对废水中的挥发性有机化合物（VOC）进行生物处理的传质动力学研究。如：图2[21]为抚顺市肉联厂采用MBR后的工艺流程图，其原有污水站日处理能力800m3污水，以SBR工艺为主体，它的中水回用装置是在保证原污水站正常运行的前提下，在SBR池内增加4套膜生物组件，中水的进水水源为污水处理站的出水，中水回用系统每日处理100m3。抚顺市肉联厂中水回用工艺流程图（2）土壤渗滤技术土壤渗滤技术（soil-aquifertreatment,SAT）是利用生态学原理与环境工程技术，将经过前处理的污水投入到具有一定构造、良好扩散性能的土层中，在土壤和土壤微生物的作用下，利用土壤的物理、化学和生物净化功能，使生活污水中的有机物、氮、磷等物质得以转化利用，从而实现污水的再生与循环利用[7][15]。土壤渗滤技术分为天然的土壤渗滤技术和人工土壤渗滤技术，即我们现在所说的湿地处理系统和人工湿地系统。研究表明[16][17]，SAT不但可以用于污水深度处理，能够有效的去除三级出水中的有机物，并能改变废水中的有机物特征，且SAT还能有效的去除市政二级出水和污水中的病原体等致病微生物，其出水优于二级出水[25]，可以将污水回用于农业灌溉和水产养殖业。渗滤系统处理污水在欧洲各国、美国和日本等已应用较多[26-34]。我国土壤渗滤处理污水技术刚刚起步，虽然针对不同目的开展了大量的室内外试验研究，但这些研究也仅限于将此技术用于原污水的直接处理、增加地下水储量、防止地面沉降或空调冷却水降温的目的。我国首例采用人工湿地处理污水的研究工作是1988～1990年在北京昌平进行的自由表面流人工湿地[35],1989～1990年由天津环保研究所建立11个实验单元研究芦苇湿地对城市污水的处理能力,并对水力负荷、有机负荷、停留时间及季节等与污水中主要污染物规律进行探索,结果优于二级处理[35]。20世纪末建成的成都活水公园更展示了人工湿地系统处理污水新工艺的以水为主体的环境科学公园和“用绿叶鲜花装饰大地,把清水活鱼送还自然”的魅力,使生态与环境效益的完美结合,实现了污水资源化利用、整治堤岸、净化水体及恢复水域良性生态环境的多重目的[36]。土壤渗滤技术，具有净化效果良好、设备简单、投资低、操作管理方便和能耗低的优点[19]，但土壤渗滤系统容易发生堵塞，不过对其进行适当控制，土壤孔隙堵塞还可提高处理效果。且土壤渗滤系统有严格的水质筛选和高效的预处理系统，达不到标准的污水是不允许进入土壤渗滤系统及其周围生态环境的影响有效的控制在安全范围之内，以免造成二次污染[11]。也有些工艺是在土壤渗滤系统前方设沉淀池来缓解土壤堵塞。3.中水回用技术的应用前景中水处理应根据水源的不同和其经处理后用途的不同，考虑投资、运行管理和设备情况技术经济分析，选择不同的中水处理技术来组合成适合的处理工艺流程。我国中水回用的水源一般是杂排水、混合排水，处理工艺多为生化处理法和膜生物反应器处理法，其投资都超过1000元/m3左右，每吨中水处理成本费在1元左右[20]，但目前，我国中水设施投资大，普遍不能得到充分利用，运行管理费用也极高。据调查[24]北京14个运行数据基本齐全的中水设施中，设计规模能发挥80%以上的只有4个，仅占28.6%，其中两个中水设施水量的百分数分别只有15%及7%。而运行水量不低于设计规模的4个中水设施的评价运行成本仅为1.96元/m3。我国是一个水资源较匮乏的国家，中水回用在我国有很大的应用前景，要利用中水回用技术解决我国的水资源问题，我们必须对我国的国情进行具体分析，对不同地方，不同建筑根据其中水管道铺设情况，要采取适宜的中水技术组合成合适的中水处理工艺。SBR池膜生