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再生水资源化技术及应用研究

发布时间:2021-08-05 17:19所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:我国人均水资源量不足世界平均水平的1/4,是严重缺水国家。河北省人均水资源量不足全国平均水平的1/7,属于严重资源型缺水的省份,同时河北省还是北京和天津的重要水源地,起着重要的生态屏障作用,因此探讨水资源的可持续利用方案对京津冀地区的发展非

  摘要:我国人均水资源量不足世界平均水平的1/4,是严重缺水国家。河北省人均水资源量不足全国平均水平的1/7,属于严重资源型缺水的省份,同时河北省还是北京和天津的重要水源地,起着重要的生态屏障作用,因此探讨水资源的可持续利用方案对京津冀地区的发展非常重要。

  关键词:再生水;新模式;处理技术;风险防控

水源生态

  1河北省用水概况

  河北省主要水源为地下水和地表水,2017年河北省总用水量为181.56×109m3,主要包括农业灌溉用水、林牧渔畜用水、工业用水、城镇公共用水、居民生活用水和生态环境用水等,分别占总用水量的63.0%、6.5%、11.2%、2.8%、12.0%、4.5%,主要的供水对象为农业灌溉。

  近5a来,河北省总体供水量呈下降趋势,其中地下水供水量呈下降趋势,地表水供水量呈上升趋势,其它水源的供水量呈上升趋势[1,2];在用水方面,农林牧渔畜用水量和工业用水量呈现下降趋势,居民生活用水量和生态用水量呈现增加趋势,从以上分析可以看出,河北省在水资源缺乏的情况下,主要通过采取节约农业用水的措施,对地下水资源进行保护。

  随着经济的发展和城镇化水平的不断提高,居民生活和生态用水增加的趋势将不断加强,水资源量不足和用水量不断增加之间的矛盾将进一步突出,作为资源性缺水的地区,再生水作为一种重要的资源将逐渐被重视。研发再生水处理技术和扩大再生水资源的应用领域将成为解决上述供需矛盾的关键问题,再生水(中水)在城镇的应用主要集中在冲厕、绿化、道路喷洒和景观等方面,在农村可以应用在灌溉、景观、生态补水等方面。

  2河北省再生水资源利用现状

  近年来随着城镇化建设的加快,用水量和污水排放量都呈现增加的趋势,南水北调工程的实施、节能减排计划推行,缓解了水资源压力。但是河北省人均水资源量306.69m3,不足全国平均水平的1/7,仍属于严重资源型缺水的省份。目前,主要是通过节约水资源和提高水重复利用率来缓解水资源不足的现状。

  为解决水资源短缺,河北省采取了不少节水和开源的措施,其中包括大力开展中水利用措施,中水回用技术使污水变废为宝。2002年以来国家陆续颁布了《城市污水再生利用分类》、《再生水水质标准》、《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》等一系列再生水利用标准。2012年,河北省力争将市区中水回用率达到30%,规范了全省范围内的城镇污水处理设施运营管理。2017年2月1日,河北省正式施行《河北省城镇排水与污水处理管理办法》,提出鼓励城镇污水处理再生水利用的规定,提出有偿使用再生水的办法,鼓励在工业生产、道路清扫、城市绿化、车辆冲洗、生态景观以及建筑施工等方面优先使用再生水,并鼓励成立再生水经营企业,加速再生水利用的市场推广。

  3再生水资源化技术的应用

  目前常应用的再生水资源化技术包括双膜法、曝气生物滤池技术和紫外线消毒工艺等。由于再生水的应用领域不同,所以再生水出水的水质标准不同,因而要求处理技术对污水的处理程度不同。

  3.1双膜法在盐碱地区的应用

  随着再生水处理工艺广泛应用于城市工业中,对盐碱地区再生水处理工艺的研究也迫在眉睫。由于盐碱地区的污水处理厂处理的水中含有的盐分较高,用常规的膜工艺去除水中盐分时,很难达到出水水质要求。因此,需要对传统膜工艺进行升级改造。

  选用具有高矿化度和高含盐量的某污水厂的二级出水,总溶解固体最高为5734mg·L-1,因此马同宇等[3]以污水厂提升工程的设计出水为研究对象,选择的除盐工艺是反渗透(RO)技术;由于污水厂二级出水的盐浓度较高,容易损坏反渗透膜,降低处理效果;因此,选用浸没式连续膜过滤技术在负压运行的条件下进行预处理,即浸没式超滤加反渗透组合工艺。采用这种改进的膜工艺,即将浸没式超滤膜和反渗透技术组合处理高盐度和高矿化度地区的污水,具有较高的除盐效率,对污水的总溶解性固体去除率能达到97%以上。

  3.2曝气生物滤池技术在再生水处理中的应用

  曝气生物滤池在处理生活污水和工业废水等方面具有优势,因此该技术逐渐被应用于再生水处理过程中。邵梦婷等[4]为了研究曝气生物滤池在实际的再生水处理过程中的处理效果和实际应用情况,选择对正在应用曝气生物滤池、澄清池和V型滤池进行再生水处理的某处理站进行研究。

  通过研究曝气生物滤池技术在再生水处理工程中的实际应用,发现其工艺流程简单且具有短暂的水力停留时间,这大大提高了再生水的净化处理工作效率,降低处理时间。并且应用曝气生物滤池技术时,滤料表面所形成的高活性生物膜可以有效地将水体当中的SS、氨氮等有机污染物以及杂质等截留并脱除干净。该技术极大地优化了出水水质,可以将该工程应用于对再生水水质要求较高的领域中。但在运用曝气生物滤池技术的过程中,会出现水头消耗过大、水头容易堵塞等问题,所以应该对曝气生物滤池进行定期清理。

  3.3紫外线消毒工艺技术在再生水处理中的应用

  紫外线消毒法在应用过程中不需要添加任何化学试剂,不会造成水体发臭,也不会形成二次污染,且处理效率高,无有毒副产物的形成,因此在再生水处理过程中受到研究人员的重视。根据大量的实验研究可知,在200~295nm波长范围内,紫外线有更好的消毒效果,紫外线消毒技术的消毒效果比较容易受到污水浊度的影响。为了增强水处理时的消毒效果,在实际应用中可以考虑将紫外线消毒工艺与其它化学消毒工艺结合使用。如,紫外线消毒技术与氯消毒结合的方法就应用到了城市景观用水与城市杂用水的再生水的消毒工艺中,取得了较好的消毒效果。

  张麟[5]在研究紫外线消毒技术应用于再生水处理时,采用高强紫外灯配备全自动在线清洗系统的方法,该方法实现了自动化处理,方便远程控制。与其它消毒方法相比,在城市再生水处理过程中应用紫外线消毒工艺技术可以防止水中有害的残留物质影响人体健康,这使得该技术具有明显的应用优势。

  3.4再生水资源技术在不同领域的综合利用

  目前,随着工、农业的发展,水污染严重,地下水和地表水资源不足以支撑工业、农业等领域的水资源消耗。因此,再生水资源在工业、农业、城市景观中的合理利用成为人们越来越重视的问题[6]。

  3.4.1再生水资源化技术在工业中的应用

  废水回用分为2种不同程度的回用,分别是可饮用的程度和非饮用水的程度,前者的处理成本高,一般后者应用的比较广泛,常用来充当工业补给用水。再生水在工业中的应用主要是作为电厂等的冷却用水、洗涤用水、工艺与产品用水、锅炉及供热管网补给水。再生水用于冷却水时,由于用水量大且稳定、工艺流程简单、对水质要求低,所以被广泛用于电力、化工、供热等工业。再生水已经成为北京市的重要水源之一。

  北京市高碑店污水处理厂采用“反硝化生物滤池加膜(超滤)过滤加臭氧接触池加紫外线消毒”工艺进行废水回用处理。运用此工艺可以去除污水处理厂二级出水中的有机物、氨氮、磷和悬浮物等,防止使用再生水时损坏工业设备。再生水处理工程达到100万m3·d-1,为北京市城区的燃气燃电厂提供冷却水。北京某开发区污水处理厂采用“微滤加反渗透”工艺,有效去除了二级出水中的无机盐,最后对循环冷却水进行达标排放。

  威海热电集团再生水深度处理厂为威海热电集团热电厂提供再生水,威海市水务集团第三污水处理厂为其提供了再生水水源[7]。该厂采用LHPS高效斜管沉淀池、活性污泥池与后置反硝化生物滤池组合的工艺,产生的再生水用于电厂的循环水补水、发电、供热水源。关于再生水在工业蒸汽锅炉给水的应用,果洪忠[8]结合国家有关行业标准的规定对高品质再生水在工业蒸汽锅炉的应用进行了探究,该厂利用的是“双模法”处理工艺。

  利用该工艺实现了再生水硬度小于自来水;应用锅外H-Na离子交换化学处理的方法处理再生水可以提高树脂的使用周期;节约制水成本、降低了生产蒸汽的成本;但是在处理过程中,必须注意酚酞碱度的变化,时刻保障稳定的供水量和供水压力,利用离子交换法减少水硬度的过程中关注氯离子对树脂的影响。工业蒸汽锅炉使用再生水的水质可以达到国标要求。

  3.4.2再生水资源化技术在城市景观中的应用城市景观是水资源的消耗体,同时也具有一定储存水的能力,可以节约水资源。将再生水利用到城市景观时,需要注意,对于会与人体产生接触的景观水体,必须采用深度处理工艺,防止再生水中的微生物病毒和藻毒素传播疾病。主要应用的工艺是混凝沉淀法和膜技术。

  如,在深圳市滨河采用直接混凝过滤技术处理,可有效去除浊度、有机污染物、磷和氮等营养物质及其它溶解性物质;清河污水处理厂采用超滤膜深度处理工艺,能完全去除水中的细菌和大肠杆菌,日处理量达80000t的再生水,为公园提供水源[9]。对于一些面积小的景观水体,可以选择合适的补水期,进而防止出现再生水中N、P含量超标引起的水华现象。还可以建立过滤循环系统结合陈立[10]等提出的“高进低处”模式,增加景观水体的流动性,去除藻类、病毒和细菌等。

  3.4.3再生水资源化技术在农业中的应用水资源是农业发展的基础,在水资源短缺的情况下,将再生水应用于农业灌溉,实现水资源的充分利用对我国农业生产起着至关重要的作用。荣四海等[11]为了研究再生水灌溉技术在实际应用中的有效性,将再生水灌溉优化模型应用到郑州市的再生水灌溉中。郑州市区现有的再生水厂为西区的五龙口污水处理厂和北区的马头岗污水处理厂。

  马头岗污水处理厂设计生产能力比五龙口污水处理厂设计生产能力大3倍,五龙口污水厂处理能力是10万m3·d-1,采用的处理工艺是氧化沟工艺,二级处理和三级深度处理能力相同;而马头岗污水处理厂的二级处理采用的是UCT处理工艺。污水经过二级处理后,BOD和TSS可以控制在20~30mg·L-1范围内;三级处理后,水体中的BOD和TSS可以控制的20mg·L-1以下,大大降低了含盐量,该工艺设计处理后的再生水可用于大多数农作物以及蔬菜灌溉中。德国FraunhoferIGB承担了DEUS21研究项目,将半集中式理念应用在柯尼特林根[12]。该研究应用的污水处理系统的核心是厌氧膜生物反应器。该污水处理工艺的难度在于将厌氧生物处理技术与膜过滤相结合起来,又被称为厌氧膜生物反应器工艺(An-MBR)。

  4再生水资源化应用的环境风险防控建议

  在选用水源时,为了保障后续污水再生处理系统进行正常、高效、稳定的运行,必须使进入城市污水收集系统的污水达到一定的水质标准,从而获得高质量的再生水。再生水水源主要以使用生活污水为主,减少对工业废水的使用。

  当工业废水和医药废水进入污水收集系统时,需要选用合适的处理方法对其进行预处理,从而使得工业废水和医药废水的水质满足相关排放标准,达标后才可进入污水收集系统[13]。再生水中含有大量营养物质和多种微生物,包含各种致病菌,为了防止环境污染,有必要选择合理的灌溉方式,还可以实现营养物质的有效利用。国外曾有研究表明,地表滴灌和地下滴灌可以有效降低再生水灌溉时引起的土壤污染。

  因此,对于不同污水类型、不同土壤条件下,为了更好地保证再生水在农业灌溉上的长足发展,必须选用适合农作物的污灌方式、次数、最佳灌溉时间及灌溉定额;为了防止再生水中的重金属离子对土壤造成污染,尽量采用生活污水作为再生水的来源;为了保障再生水在农业灌溉中的利用安全,需要检测必要的指标。在进行间接食用农作物灌溉用水中,需要重点检测重金属、有毒有害有机物、病原微生物、TDS等指标。在进行非食用农作物农田灌溉时,应重点监测病原微生物和TDS等指标。

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  5结论

  再生水的资源化能有效缓解河北省水资源短缺的现状,可以解决工业用水、城市景观用水和农业灌溉用水紧缺的现状,特别是农业灌溉用水问题。因此,将再生水资源合理、安全地应用于农业灌溉方面成为今后河北省的主要再生水资源化方向。再生水包括经过适当处理达到一定水质标准的废水和雨水,其中含有丰富的营养物质,也可能含有有害物质,因此再生水用于灌溉对土壤和农作物也存在潜在风险。

  在水资源短缺地区如河北省,将再生水用于农田灌溉具有可行性,因为在短期内再生水中含有的少量重金属、病原微生物等有毒有害物质对土壤、地下水和农作物的影响都在规定的限定值范围内。此外,对于居民住宅小区、单位的景观环境用水,尽量减少利用城市供水,有条件的地方必须使用雨水或者再生水的,不得使用城市供水。

  参考文献

  [1]QianYL,MechamB.Long-termeffectsofrecycledwastewaterirrigationonsoilchemicalpropertiesongolfcoursefairways[J].AgronJ,2005,973:717.

  [2]AhmadM,BajahlanAS,Al-HajeryKA.Potentialimpactsofindustrialwateronlandscapeirrigation[J].IntJAgricBiol,2010,12:707.

  [3]马同宇,褚一威,陶君,等.双膜法在盐碱地区再生水深度处理中的应用[J].中国给水排水,2018,34(15):85-89.

  [4]邵梦婷,陈光.曝气生物滤池技术在再生水处理工程中的应用[J].环境与发展,2017,29(10):124,126.

  [5]张麟.简析当前紫外线消毒工艺技术在再生水处理中的应用[J].科技创新与应用,2017(21):172-173.

  [6]卢生亮,罗放.东胜区再生水资源化利用的探索[J].内蒙古水利,2017(04):32-33.

  作者:仵丽洋

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