城市污水厂尾水深度处理工艺的研究_刘巨波

环境保护与循环经济城市污水厂尾水深度处理工艺的研究刘巨波

（河北工程大学城市建设学院，河北邯郸０５６０３８）

摘要：目前我国水资源危机日益加重，水回用的必要性日益凸显，而针对不同回用途径拟定不同的回用水处理工艺，是在保

障节能环保的前提下合理配置资源的有效方式。研究对象为某污水厂二级出水，针对不同回用途径，分析各工艺出水水质保障率以确定适宜的深度处理工艺。研究结果表明：活性炭工艺对浊度、总氮、氨氮、总磷、溶解性总固体、有机污染物等指标的去除效果均优于混凝—沉淀—过滤工艺，而纳滤工艺对上述指标的去除效果均明显优于混凝—沉淀—过滤工艺和活性炭工艺，尤其体现在无机离子和重金属离子、有机污染物去除方面。纳滤工艺对于水质要求较高的回用途径，其优势较传统的深度处理工艺比较明显，其出水可作为城市污水回用于农业用水、景观环境用水、工业用水和城市杂用水。

关键词：再生水；安全保障率；纳滤；深度处理；回用途径Abstract：Ｎｏｗａｄａｙｓｔｈｅｃｒｉｓｉｓｏｆｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｓｉｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙａｇｇｒａｖａｔｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｎｅｃｅｓｓｉｔｉｅｓｏｆｗａｔｅｒｒｅｕｓｅ

ｔｈｅｗａｔｅｒｂｅｃｏｍｅｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｏｎｔｈｅｐｒｅｍｉｓｅｏｆｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｅｓｗｅｒｅｆｏｒｍｕｌａｔｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｃｌａｉｍｅｄａｐｐｒｏａｃｈｅｓ，ｗｈｉｃｈｗａｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗａｙｔｏａｌｌｏｃａｔｅｒｅｓｏｕｒｃｅｒｅａｓｏｎａｂｌｙ．Ｉｎｔｈｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｒａｗｗａｔｅｒｗａｓｔａｋｅｎｂｙｓｅｃｏｎｄａｒｙｅｆｆｌｕｅｎｔｏｆａｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔ．

ｗｅｃｏｍｐｕｔｅｄｔｈｅｒａｔｅｏｆｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｇｕａｒａｎｔｅｅｔｏｄｅｃｉｄｅｗｈｉｃｈａｄｖａｎｃｅｄＯｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｒｅｕｓｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈｅｓ，

ｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｅｓｗｅｒｅａｐｐｌｉｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆＧＡＣｗａｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｒｍｓｏｆｒｅｍｏｖｉｎｇｔｕｒｂｉｄｉｔｙ，ＴＮ，ＴＰ，ＴＤＳａｎｄｏｒｇａｎｉｃｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ

ｉｎｒｅｓｐｅｃｔｏｆａｆｏｒｅｍｅｎｔｉｏｎｅｄｗａｔｅｒｏｆｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｗａｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎａｎｄＧＡＣ，

ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｒｅｇａｒｄｉｎｇｉｎｏｒｇａｎｉｃｉｏｎｓ，ｈｅａｖｙｍｅｔａｌｉｏｎｓａｎｄｏｒｇａｎｉｃｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ．Ｓｏｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｑｕａｌｉｔｉｅｓ，

ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｈａｄｍｏｒｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｖｅｒｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓｉｎｓｏｍｅｒｅｕｓｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈｅｓ，ｗｈｉｃｈｎｅｅｄｅｄｈｉｇｈｅｒｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｅｆｆｌｕｅｎｔｏｆｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｃｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｓｏｆｕｒｂａｎｗａｓｔｅｗａｔｅｒｒｅｕｓｉｎｇａｓ

ｌａｎｄｓｃａｐｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｗａｔｅｒ，ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｗａｔｅｒａｎｄｕｒｂａｎｒｅｃｌａｉｍｅｄｗａｔｅｒ．ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｗａｔｅｒ，

Keywords:ｒｅｃｌａｉｍｅｄｗａｔｅｒ；ｓａｆｅｔｙｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ；ａｄｖａｎｃｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｒｅｕｓｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈｅｓ

中图分类号：X703.1

文献标识码：A

文章编号：1674-1021（2013）02-0040-04

1引言

众所周知，现在世界范围内的水资源短缺现象极其普遍，水污染导致可利用水源进一步减少，从而严重制约国民经济的发展。欧美等发达国家于２０世纪７０年代就开始意识到污水回用的必要性，截至２００２年，美国有６４０万ｍ３／ｄ的污水得到再生利用［1］，以色列于２０世纪四五十年代起使用污水进行农作物灌溉，其利用再生水灌溉水量占灌溉总水量的４６％［2］。然而城市二级处理厂尾水中残留的污染物如ＢＯＤ、ＳＳ、细菌、药物活性物质、重金属物质等微量污染物均对人体存在健康隐患。仇付国等［3］对西安市北石桥污水厂二级出水进行分析监测发现，二级出水中砷、

铅、镉含量分别在０．０１￣０．１１ｍｇ／Ｌ，０．００１￣０．０７ｍｇ／Ｌ，

０．００１￣０．１２ｍｇ／Ｌ之间，这样的含量水平均超过了我国回用水标准中农业用水水质标准要求，若被人体直接或间接摄入，会对身体健康造成极大隐患［4］。为最大限度消除这些污染物质，需在寻求经济最优化的基础上，研究开发相应深度水处理工艺。本文以邯郸市某污水厂二级出水为研究对象，研究常规回用工艺与膜工艺深度处理效果，并针对不同回用途径确定了相应的深度处理工艺。

2材料与方法

2.1试验装置与流程

试验过程中采用的深度处理工艺流程见图１。

收稿日期：2012－12－28；修订日期：2013-01-10。作者简介：刘巨波，男，１９８７年生，硕士研究生，主要研究方向为水污染控制技术。

应用技术

ＡｐｐｌｉｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ＰＡＣ

进水箱

离心泵

ＰＡＭ

斜板沉淀池

粗石英砂滤柱

中间水箱

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高为1300mm，滤料层高度为700mm，内填粒径1.0~1.2mm优质石英砂，最大进水流量为720L/h。

细砂滤柱：柱身由有机玻璃制成，内径为240mm，高为1500mm，滤料层高度为1000mm，内填粒径0.4~0.6mm优质石英砂，最大进水流量为250L/h。活性炭柱：由有机玻璃制成，内径为150mm，总高1500mm，炭层高度为1000mm，内填优质颗粒活性炭，设计最大进水量为250L/h。

精滤柱：孔径0.5~10μm，内径为30mm，外径为63mm，长为500mm，操作压力一般为0.1~0.2MPa。

纳滤膜：NF270-4040聚酰胺膜，脱盐率70%，截留分子量200~1000Da，膜面积7.6m2，设计水通量200L/h，操作压力0.5~0.7MPa。

2.2试验水质

原水取自邯郸某污水厂二级出水，原水水质见表１。

电导率／ＵＶ２５４／Ｐｂ／Ｃｄ／Ａｓ／

－１－１－１－１

（μｓ·ｃｍ）ｃｍ（μｇ·Ｌ）（μｇ·Ｌ）（μｇ·Ｌ－１）

细石英砂滤柱

增压泵

颗粒活性炭柱

纳滤

增压泵

精滤柱

增压泵图1深度处理工艺流程

斜板沉淀池：池身采用2mm钢板焊接，沉淀池

长宽高为：1100mm×400mm×1650mm，最大进水流量为540L/h，斜板倾斜角θ＝60°，斜板长700mm，斜板间距40mm。沉淀时间按30min，表面负荷为0.00034m/s，有效系数取η＝0.75。

粗砂滤柱：柱身由有机玻璃制成，内径为240mm，

ＣＯＤＭｎ／ＮＨ３－Ｎ／ＴＮ／ＴＰ／ＳＳ／－１－１－１－１

（ｍｇ·Ｌ）（ｍｇ·Ｌ）（ｍｇ·Ｌ）（ｍｇ·Ｌ）（ｍｇ·Ｌ－１）

表1某污水厂二级出水水质

ｐＨ

ＮＴＵ

７．３１￣１３．８６０．８７￣５．２５１３．２３￣２２．４４０．４９￣１．３１６．００￣１６．００７．２９￣７．６０１．１３￣１５．７０７５４￣１３３００．１４￣０．２７０．６４￣４．０２０．０５￣０．９８３．１９￣５．０１（１０．３８）（１．６５）（１５．５０）（１．００）（９．００）（７．４６）（２．００）（１１５０）（０．１２）（２．３５）（０．３２）（４．１８）注：括号内数值为平均值。

2.3监测项目与分析方法［5-6］

ＣＯＤ：重铬酸钾法；浊度：浊度仪法；总大肠菌群：滤膜法；ＮＨ３－Ｎ：絮凝沉淀法—纳氏试剂分光光度法；ＴＮ：碱性过硫酸钾法；ＴＰ：过硫酸钾消解—钼锑

ＴＤＳ：经验公式法抗分光光度法；电导率：电极法；（０．５５￣０．７０）×Ｋ（Ｋ为水的电导率）；铅、镉、砷：石墨炉原子吸收法；ｐＨ值：电极法；ＵＶ２５４：单波长吸收池法。

2.4试验数据处理方法

采用累积概率来表征深度处理出水在回用于不同途径时所产生的健康风险，即回用水的安全保障率法。回用水中污染物指标的安全保障率可以定义为水中某种污染物指标小于等于标准中所规定值的概率。污染物指标超过标准值的概率即为回用水的

风险［7］。安全保障率的计算原理式如下：

（ｎ０）－μ）Ｐ（ｎ≤ｎ０）＝φ（ｌｎσ

式中，ｎ０为某种污染物指标的标准值，ｎ为某种污染物的浓度，φ为标准正态分布函数。

本论文中应用ＣｒｙｓｔａｌＢａｌｌ１１．１．１软件对各种深度处理工艺出水的再生水水质指标进行工艺保障率计算［8］。

3结果与讨论

3.1试验结果

３种深度处理工艺处理城市污水厂尾水的效果见表２。

表23种工艺深度处理城市污水厂尾水的效果

项目ＮＴＵ电导率／（μｓ·ｃｍ－１）ＴＮ／（ｍｇ·Ｌ－１）

混凝沉淀—粗砂滤—细砂滤出水水质０．３５￣０．６８

（０．４０）６８０￣１３００（１１５０）１３．０２￣２２．３１（１５．１２）

去除率／％８０．００．０３．２

混凝沉淀—粗砂滤—活性炭出水水质０．３２￣０．６５

（０．３０）６６０￣１２８０（１１５０）１１．８７￣２０．５１（１３．５０）

去除率／％８５．００．０１２．９

混凝沉淀—粗砂滤—纳滤出水水质０．０８￣０．１８

（０．１０）６８０￣７９０（７００）９．８７￣１３．６５（１０．５０）

去除率／％９５．０３９．１３２．３

42

环境保护与循环经济续表

项目ＴＰ／（ｍｇ·Ｌ－１）ＮＨ３－Ｎ／（ｍｇ·Ｌ－１）ＵＶ２５４／ｃｍ－１Ｐｂ／（μｇ·Ｌ－１）Ｃｄ／（μｇ·Ｌ－１）Ａｓ／（μｇ·Ｌ－１）

混凝沉淀—粗砂滤—细砂滤出水水质０．２８￣０．８５

（０．７１）０．８５￣２．４８（１．１０）０．０９￣０．２０（０．１１）０．７５￣２．３５（１．３２）０．０２￣０．５６（０．２７）２．５７￣４．１９（３．５７）

去除率／％３０．０３３．３８．３４３．８１４．３１４．６

混凝沉淀—粗砂滤—活性炭出水水质０．２１￣０．６８

（０．５０）０．６６￣１．３２（０．８０）０．０３￣０．１８（０．０５）０．２３￣１．６８（０．８６）０．０１￣０．６０（０．１４）２．２３￣３．６６（３．０６）

去除率／％５０．０５１．５５８．３６３．４５６．２２６．８

混凝沉淀—粗砂滤—纳滤出水水质０．０１￣０．０３

（０．０２）０．６６￣１．０２（０．９０）０．０１￣０．０２（０．０１）０．１２￣０．４０（０．２５）０．０１￣０．０４（０．０２）１．４０￣２．２１（１．８９）

去除率／％９８．０４５．５９１．７８９．４９３．８５４．８

注：括号内数值为平均值。

从表２可以看出，３种深度工艺对悬浮物的去

除效果都比较好，对浊度去除率均可达到８０％以上。混凝—沉淀—过滤工艺和活性炭工艺对溶解性的无机盐类没有效果，而纳滤工艺可将水中无机离子去

对营养盐的去除，纳滤工艺＞活性炭工除４０％左右。

艺＞混凝—沉淀—过滤工艺，纳滤工艺对ＴＮ，ＴＰ的

去除率分别达到３２．３％和９８％，而混凝—沉淀—过

滤工艺仅有３．２％和３０％。在有机物的去除方面，混凝—沉淀—过滤工艺对水中ＵＶ２５４去除率仅为８．３％，而活性炭工艺和纳滤工艺可分别达到５８．３％和９１．７％。对重金属的去除效果类似。3.2结果讨论

不同回用途径对应的水质标准见表３。

表3不同回用途径对应的水质标准［9］

基本控制项目ＤＯ≤ＢＯＤ５≤ＳＳ≤ＮＨ３－Ｎ≤ＴＰ≤ＴＤＳ≤

城市回用水水质标准

冲厕１１０１０－－１５００

道路清扫消防

１１５５－－１５００

城市绿化１２０１０－－１５００

车辆冲洗１１０５－－１０００

建筑施工１１５５－－１５００

冷却用水０．１１０３０１０１１０００

工业回用水水质标准

洗涤用水０．１１０３０１０１１０００

ｍｇ／Ｌ

锅炉用水、工艺与产品用水

０．１１０５５０．４１０００

景观用水水质标准

观赏性景观用水河道类

ＤＯ≤ＢＯＤ５≤ＳＳ≤ＮＨ３－Ｎ≤ＴＰ≤ＴＤＳ≤Ｃｄ≤Ａｓ≤Ｐｂ≤

１１０２０５０．５－－－－

湖泊类１６１０５０．５－－－－

娱乐性景观用水河道类２６２０５０．５－－－－

湖泊类２６１０５０．５－－－－

农田灌溉１８０３０１０１１００００．００５０．０５０．１

农业回用水水质标准造林育苗１１５０３０２０１１００００．００５０．１０．１

农牧场１５３０５０．５１００００．００５０．０５０．０５

水产养殖３５１０５０．５１００００．００５０．０５０．０５

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由表２、表３可知，３种工艺出水水质对回用途径的限制性矛盾体现在ＴＰ方面，其余指标均可满足回用水标准。

混凝—沉淀—过滤工艺出水水质指标满足城市杂用水、农田灌溉、造林育苗、工业用水的冷却与洗涤标准，其潜在回用范围虽为３种工艺中最少的，但该工艺却是最为经济的。

活性炭工艺对ＴＮ、ＴＰ、浊度、ＮＨ３－Ｎ、ＵＶ２５４的去除率分别比混凝—沉淀—过滤工艺提高９．７％，２０％，

水质指标浊度ＴＤＳＴＮＴＰＮＨ３－Ｎ

工艺出水保障率＜５ＮＴＵ的保障率＜１０００ｍｇ／Ｌ的保障率＜１５ｍｇ／Ｌ的保障率＜１ｍｇ／Ｌ保的障率＜５ｍｇ／Ｌ的保障率

５％，１８％，５０％，对重金属的去除率也可达到５０％以上。由表３可知，锅炉回用水和工艺产品回用水要求ＴＰ浓度小于０．４ｍｇ／Ｌ，而混凝—沉淀—过滤工艺与活性炭工艺由于ＴＰ浓度出水平均值大于等于０．５ｍｇ／Ｌ，无法达到工业用水方面的锅炉用水和工艺产品用水标准。但活性炭工艺出水回用途径比混凝—沉淀—过滤工艺多，可用于农牧场、水产养殖和景观等方面。二者出水皆可作为农业用水和城市杂用水回用。不同工艺对应的水质指标保障率见表４。

混凝沉淀—粗砂滤—纳滤

１００１００８６．４０１００．００９９．４６

表4不同工艺对应的水质指标保障率混凝沉淀—粗砂滤—细砂滤混凝沉淀—粗砂滤—活性炭

１００１００１００１００６９．４３７２．７４８７．４１８８．９３９９．２０９８．８９

由表４可清晰看出活性炭工艺出水水质较混

凝—沉淀—过滤工艺对ＴＮ，ＴＰ的安全保障率均微

（小于１５ｍｇ／Ｌ）的保障率由６９．４３％提有提高，对ＴＮ

高到７２．７４％，对ＴＰ（小于１ｍｇ／Ｌ）的保障率由８７．４１％提高到８８．９３％。

纳滤工艺出水ＴＰ平均浓度仅为０．０２ｍｇ／Ｌ，很好地解决了前两种工艺没有解决的ＴＰ出水平均浓度大于等于０．５ｍｇ／Ｌ的问题，增加了深度处理工艺出水的回用范围。可以认为在城市污水再生利用农

景观环境用水、工业用水和城市杂用水途径业用水、

下，纳滤工艺出水可满足国家相关水质标准要求。由表４可看出，纳滤工艺相对于活性炭工艺对ＴＮ（小于１５ｍｇ／Ｌ）保障率由７２．７４％提高到８６．４０％，对ＮＨ３－Ｎ（小于５ｍｇ／Ｌ）保障率由９８．８９％提高到９９．４６％，对ＴＰ（小于１ｍｇ／Ｌ）保障率由８８．９３％提高到１００％，其中浊

ＴＤＳ、ＴＰ安全保障率为１００％。然而对于某些精密度、

工业行业用水，无论采用哪种回用工艺都还需进一步核对具体标准，采取进一步深度处理（如反渗透法等）；对锅炉工业回用水应再校核硬度指标，使其出水满足铁离子浓度小于０．３ｍｇ／Ｌ，锰离子浓度小于０．３ｍｇ／Ｌ。

业锅炉用水、工业工艺用水。当作为地下水回用时，

应再进一步深度处理，如反渗透等工艺。部分回用途

地下水等还需注意出水中仍含径，如高纯工业用水、

有微量重金属的问题。

目前，我国进行污水再生回用风险评价及回用安全保障率已有一些研究，但与欧美和一些地中海国家

细化回用水对于不同相比还相对落后，应进一步具体、

途径的水质指标标准。尤其是对于地下水回灌，这种途径涉及到长远的用水规划，无论从技术实施还是相关水质指标上，都应做进一步的理论研究与工程落实。

参考文献

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价［Ｊ］．环境科学与管理，２００７，３２（２）：１８７－１８８．

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［９］中华人民共和国水利部．再生水水质标准［Ｓ］．２００６：４－１５．

4结语

依上述分析并结合经济合理的原则，可得出本

文所讨论的各种工艺适用的最优回用途径。适用混凝—沉淀—过滤工艺的回用途径有：城市杂用水、农田灌溉、造林育苗、工业冷却用水、工业洗涤用水；适用活性炭吸附工艺的回用途径有：农场牧场用水、水产养殖、景观用水；适用纳滤工艺的回用途径有：工