深圳市污水回用水质保障混凝试验研究

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　深圳市是全国严重缺水的七大城市之一，水资源紧缺已成为经济和社会发展的重要制约因素。污水回用是解决城市水资源短缺的重要途径，许多国家和城市都已将它视为城市的“第二水源”，已有不少污水回用的实例[1～5]。为了推动和规范城市污水回用，国家已经颁布了城市污水再生利用的标准[6]。另外，从水环境质量的改善来看，传统的污水二级处理技术并不能从根本上解决水污染问题。二级生物处理可有效地去除悬浮物（SS）和生化需氧量（BOD5），但对难生物降解的污染物和氮、磷等营养物质的去除率较低；处理后的出水排入自然水体，会导致水体“富营养化”等问题。因此，将二级处理出水深度处理后回用，一方面减少了向自然水体的污染物排放量，另一方面也可以缓解城市对新鲜水的需求，从而带来直接和间接的社会、环境、经济效益[7]。 　　城市污水经过二级处理后，水中仍含相当数量的污染物质，如BOD5、SS、总磷（TP）、细菌等。这些污染物常以悬浮物和胶体的形式存在于污水中，具有亲水性和表面呈负电性的双重特点。投加混凝剂可以中和污水悬浮颗粒、胶体颗粒所带电荷，使其脱稳并凝聚成絮凝体，然后经沉淀、过滤除去。因此，混凝处理是对污水进行深度处理的重要方法[8]。 　　为了研发深圳城市水环境质量改善技术，本课题组研发了污水生物膜处理和自然生物处理工艺技术，研究了污水深度处理、回用水质保障的关键技术。本文报道混凝工艺技术在保障污水回用水质方面的试验研究情况，旨在选用适当的混凝剂种类，确定它对不同污水水质的适应性和投药量，了解混凝沉淀处理后的水质情况。 　　1 试验部分 　　1.1 试验水样 　　试验在深圳市龙岗区甘坑污水处理技术研发中试基地进行。城市生活污水来自基地附近的甘坑村和秀峰工业城，COD为100 ~ 140 mg/L，pH为7.5左右。并行的中试规模的2种生物膜处理工艺和2种自然生物处理工艺及其处理出水的主要水质指标见表1。每种工艺的处理水量为1.0 ~ 3.0 t/d，其中生态砾石处理工艺的进水由原污水添加河水调节而成，污染物浓度约为原污水的40%。除表1所列指标外，各种处理出水的pH均为7.3 ~ 7.5，水温为20 ~ 23 ℃。混凝沉淀试验为小试规模，以表1中5种污水为试验水样。 　　表1 污水处理工艺和出水的主要水质指标 混凝试验污水来源 COD/（mg·L－1） TP/（mg·L－1） 浊度/（NTU） 粪大肠菌群数/（个·L－1） 微生物强化接触氧化工艺 40 ~ 50 3.0 ~ 4.0 15 ~ 20 1.7 × 106 曝气生物滤池工艺 35 ~ 40 2.5 ~ 3.0 5 ~ 10 8.0 × 105 垂直流人工湿地工艺 30 ~ 35 5.5 ~ 6.0 10 ~ 15 9.0 × 105 生态砾石工艺 10 ~ 20 1.5 ~ 2.0 0.5 ~ 1.0 7.0 × 105 各工艺出水混合水 25 ~ 30 2.0 ~ 4.0 5 ~ 10 1.4 × 106 　　1.2 试验材料和仪器 　　混凝剂：普通聚合氯化铝（PAC），浅黄色粉末，含30%Al2O3，碱化度80%，纯度98.5%；高纯PAC，白色粉末，含30%Al2O3，碱化度80%，纯度99.0%；三氯化铁（FC），暗红块状固体，AR级。以上混凝剂均用蒸馏水配置成0.02 mol/L的溶液备用。 　　主要仪器：ZR4-6混凝试验搅拌机、SGZ-1数显浊度仪、PHS-3C数显酸度计、SPX-250B生化培养箱、COD消解装置、S22PC分光光度计、电子显微镜。 　　1.3 试验方法 　　混凝沉淀烧杯试验：取1 000 mL水样于烧杯中，在200 rpm快速搅拌下投加混凝剂，保持快搅2 min（GT = 1.2 ´ 10-4），转至50 rpm慢搅10 min（GT = 2.2 ´ 10-4），停止搅拌，静置15 min，在水面下2 cm处取样进行水质分析。 　　水质分析采用标准方法[9]进行，其中浊度采用数显浊度仪直接测定，COD采用快速密闭催化消解—滴定法测定，BOD5用稀释接种法测定，TP用钼锑抗分光光度法测定，粪大肠菌群数采用多管发酵法测定。 　　2 结果和讨论 　　2.1 混凝剂的选择 　　混凝剂的筛选是混凝工艺的关键步骤之一[10,11]。试验选择普通无机盐FC和无机高分子PAC作为混凝剂。FC作为混凝剂时，所形成的絮体较致密，易沉降；PAC作为人工预制、具优化形态的聚合物，在混凝过程中可以发挥高效、优良的凝聚、絮凝作用，水质适应性强，适用的pH范围较广[12]。通过混凝沉淀烧杯试验对选定的3种混凝剂进行了比较。三种混凝剂对各工艺出水混合水的浊度、COD和TP的混凝沉淀效果见图1。对于浊度的去除，当投药量< 10-4 mol/L时，FC的效能高于两种PAC；当投药量> 10-4 mol/L时，普通PAC的效能明显高于FC和高纯PAC，而后两者的效能相近。对于COD的去除，高纯PAC的效能总体上高于普通PAC和FC。混凝去除有机物的主要机理包括有机物胶体颗粒脱稳、沉淀、吸附、共同沉降等[13]。试验结果表明，高纯PAC在电中和脱稳与吸附架桥等方面的综合性能要好于普通PAC和FC。对于TP的去除，FC的效能最高，高纯PAC次之，普通PAC再次之。 　　 　　图1 三种混凝剂对各工艺出水混合水的混凝沉淀效果 　　综合考虑，尽管FC在TP去除方面性能最好，但在浊度和COD的去除方面，PAC好于FC；普通PAC比高纯PAC价格低，大规模应用时更经济，所以本研究后续试验中选用普通PAC作为混凝剂。 　　2.2 PAC混凝对污水浊度的去除效果 　　在相同的混凝试验条件下，普通PAC不同投量对各种污水的浊度去除效果见图2。混凝处理前，不同种类污水的浊度值由高到低分别是：微生物强化接触氧化出水（17.7 NTU）、垂直流人工湿地出水（12.6 NTU）、曝气生物滤池出水（7.9 NTU）、各工艺出水混合水（6.5 NTU）、生态砾石工艺出水（0.5 NTU）。随着投药量的增加，混凝处理后污水的浊度逐渐降低，特别是当投药量≥1.2 × 10-4 mol/L时，各种污水浊度有很大降低；投药量达到1.5 × 10-4 mol/L后，各污水的浊度均<5.0 NTU。按照GB/T 18920-2002《城市污水再生利用 城市杂用水水质》标准[14]的规定，再生水回用于道路清扫、消防和城市绿化的浊度应≤10 NTU，要求更高的冲厕和车辆冲洗的再生水浊度应≤5 NTU；按照GB/T 18921-2002《城市污水再生利用 景观环境用水水质》标准[15]的规定，再生水用作各种娱乐性景观环境用水的浊度也应≤5 NTU。要达到浊度≤5.0 NTU，在现有试验条件下，最低普通PAC投药量分别是：微生物强化接触氧化出水，1.5 × 10-4 mol/L；曝气生物滤池出水，1.1 × 10-4 mol/L；各工艺出水混合水，0.7 × 10-4 mol/L；垂直流人工湿地，0.5 × 10-4 mol/L。生态砾石工艺出水浊度很低，混凝处理前浊度< 1.0 NTU，投加1.5 × 10-4 mol/L普通PAC混凝处理后，浊度可降至0.3 NTU。 　　 　　图2 普通PAC对各种污水的浊度去除效果 　　 　　图3 普通PAC对各种污水BOD5的去除效果 　　2.3 PAC混凝对污水BOD5的去除效果 　　GB/T 18920-2002[14]规定，用于冲厕和车辆冲洗的再生水必须满足BOD5≤10 mg/L的要求；用于道路清扫、消防和建筑施工的再生水的BOD5应≤15 mg/L；用于绿化的再生水的BOD5应≤20 mg/L。在相同的混凝试验条件下，普通PAC不同投量对各种污水的BOD5去除效果见图3。混凝处理前，各污水的BOD5已经满足用于绿化的水质指标要求；除了微生物接触氧化工艺出水外，其它各工艺出水及其混合水的BOD5还可满足用于道路清扫、消防和建筑施工的水质指标要求；生态砾石工艺出水的BOD5低于10 mg/L，还可满足冲厕、车辆冲洗的水质指标要求。随着普通PAC投药量的增加，混凝处理后，污水BOD5逐渐降低；投药量≥2.4×10-4 mol/L后，各种污水BOD5有较大降低，均可达到≤10 mg/L，可以满足城市污水再生用作杂用水的水质要求。 　　GB/T 18921-2002[15]规定，用于湖泊类、水景类的观赏性景观环境用水和所有娱乐性景观环境用水必须满足BOD5≤6 mg/L的要求；用于河道类观赏性景观环境用水的BOD5应≤10 mg/L。从图3中可以看出，在普通PAC投量> 0.7 mol/L的情况下，只有生态砾石工艺出水混凝处理后的BOD5可满足湖泊类、水景类观赏性景观环境用水和所有娱乐性景观环境用水水质要求；在普通PAC投量≥2.4 × 10-4 mol/L的情况下，各种污水混凝处理后的水质均可达到河道类观赏性景观环境用水水质要求。 　　2.4 PAC混凝对污水TP的去除效果 　　GB/T 18920-2002[14]对TP指标没有要求。GB/T 18921-2002[15]规定，湖泊类、水景类景观环境用水的TP应≤0.5 mg/L；河道类景观环境用水的TP应≤1.0 mg/L。在相同的混凝试验条件下，普通PAC不同投量对各种污水的TP去除效果见图4。由于垂直流人工湿地出水的TP很高，所以即使混凝剂投量达到2.4 × 10-4 mol/L，混凝处理出水的TP也只能降至3.1 mg/L；类似地，微生物强化接触氧化出水在普通PAC投量达到2.4 × 10-4 mol/L时，混凝处理出水的TP只能降低到1.4 mg/L；曝气生物滤池出水、生态砾石工艺出水和各工艺出水混合水经过2.4 × 10-4 mol/L的普通PAC混凝处理后，其TP达到≤1.0 mg/L的要求。 　　 　　图4 普通PAC对各种污水TP的去除效果 　　2.5 混凝对污水粪大肠菌群的去除效果 　　GB/T 18920-2002[14]对总大肠菌群指标有严格规定，要求≤3个/L。GB/T 18921-2002[15]规定，水景类娱乐性景观环境用水不得检出粪大肠菌群；湖泊类、水景类娱乐性景观环境用水的粪大肠菌群应≤500 个/L；水景类观赏性景观环境用水的粪大肠菌群应≤2 000个/L；河道类、湖泊类观赏性景观环境用水的粪大肠菌群应≤10 000个/L。在相同的混凝试验条件下，普通PAC不同投量对各种污水的粪大肠菌群的去除效果见图5。随着混凝剂投量的增加，污水中的粪大肠菌群数明显降低；当投药量达到2.4 × 10-4 mol/L时，混凝沉淀对粪大肠菌群的去除率均≥92%。但是，由于混凝处理前各种污水中的粪大肠菌群数非常高，混凝沉淀效果好的生态砾石工艺出水、曝气生物滤池出水和垂直流人工湿地出水仍有几万个/L粪大肠菌群；而各工艺出水混合水和微生物接触氧化出水经过2.4 × 10-4 mol/L的普通PAC混凝沉淀处理后，尚分别含有11万个/L和63万个/L粪大肠菌群。显然，污水经过混凝沉淀处理后，还必须经过消毒才能回用。混凝沉淀处理工艺已经去除了大部分粪大肠菌群，可以节约消毒药剂用量。 　　 　　图5 普通PAC对各种污水粪大肠菌群的去除效果 　　2.6 讨 论 　　以上试验结果表明，城市污水经过二级生物处理或自然生物处理后，其水质尚难达到城市杂用水或景观环境用水等回用水质要求。混凝沉淀是对污水进行深度处理，使其达到回用水质标准的有效手段和重要环节。总体上，本试验的4种处理工艺出水中，生态砾石工艺的出水水质较好，这主要是因为其进水污染物浓度较低；其它3种污水处理工艺的出水水质较差，有赖于混凝沉淀进行深度处理，以提高水质。 　　本试验研究的主要水质指标中，浊度的去除相对容易些，生态砾石工艺出水不需要混凝沉淀处理；其它几种工艺出水，在普通PAC投量0.5 ´ 10-4 ~ 1.5 ´ 10-4 mol/L的范围内，可以达到回用水浊度≤ 5 NTU的水质标准要求。与此相比，BOD5和TP的去除相对难一些，混凝沉淀时普通PAC的投药量一般需要高达2.4 ´ 10-4 mol/L以上；但即使如此，也还不能使所有重要水质指标到达较高的回用水水质要求。造成这一现象的原因是因为污水BOD5和TP中有相当大的一部分是溶解态的，难于混凝沉淀除去。混凝沉淀能够有效去除粪大肠菌群，但由于城市污水中粪大肠菌群数量极大，混凝沉淀后仍有大量残留。为了保证回用水的微生物学安全性，必须对污水进行消毒。 　　试验还表明，混凝沉淀无疑是污水深度处理，保障回用水水质的重要手段，但处理后的水质受处理前水质影响较大；从整个污水二级处理¾深度处理¾回用的整个过程看，每一步的处理效率都对回用水水质有影响；在确定回用水用途时，应该优先考虑水质要求较低的用途，如城市杂用水中的绿化用水和河道类观赏性景观环境用水，对于城市河流缺少补给水源的深圳市而言，这具有极其重要的实现意义。 　　3 结 论 　　（1）深圳市生活污水经过二级生物处理或自然生物处理后，水质达不到城市杂用水和景观环境用水的国家标准，混凝沉淀法是对污水进行深度处理，保障水质达标的有效手段和重要环节。 　　（2）普通聚合PAC能够有效地去除浊度、BOD5、TP和粪大肠菌群；普通PAC投量一般≤1.5 ´ 10-4 mol/L就可以使浊度指标达标；而对于另外3个指标，普通PAC投量一般至少须达到2.4 ´ 10-4 mol/L才可使其达标。 　　（3）混凝处理后的水质受处理前水质影响较大。生物处理工艺与混凝处理工艺的有效结合是保证回用水水质的关键。 　　（4）建议深圳市污水回用应首先考虑水质要求较低的绿化用水和河道类观赏性景观环境用水等用途。 　　致 谢 　　本研究受国家“十五”“863”水污染控制重大专项“深圳城市水环境质量改善技术研究与综合示范”（2003AA601040）资助。深圳市环境科学研究所的李军红、张帆、钱萌，清华大学深圳研究生院的李福志博士对本研究给予了大力帮助，作者们深表感谢。 　　参考文献 　　1 聂梅生．美国污水回用技术调研分析．给水排水，2001，27（9）：1~3 　　2 陈益明，刘 坤，郑 涛，等．城市污水回用现状及发展趋势．净水技术，2003，22（5）：34~36 　　3 伏小勇．城市的第二水源—污水回用．甘肃环境研究与监测，2002，15（4）：284~286 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