某城市中水特性分析

陳中濤 周艷紅 李凌波

摘 ? ? ?要：考察并分析了市政中水回用的現(xiàn)狀和意義，并從常規(guī)分析、水中金屬組成的分析、有機(jī)物組成分析入手，對(duì)某城市中水進(jìn)行了系統(tǒng)全面的剖析，掌握該城市中水的特性，并依據(jù)該特性提出中水回用處理原則和科學(xué)合理的處理工藝。本文為其他類型廢水的系統(tǒng)分析提供了參考，為進(jìn)一步的水處理技術(shù)方案的選定提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān) ?鍵 ?詞：城市中水;特性;分析

中圖分類號(hào)：X 502 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）05-1005-04

Abstract： The present situation and significance of reclaimed water reuse were investigated and analyzed. A systematic and comprehensive analysis of urban reclaimed water was carried out on the basis of an analysis of metal， organic composition and other indicators in water. In accordance with the characteristics of the reclaimed water， the principles of reclaimed water reuse were proposed. The paper can provide some reference for the system analysis of other types of wastewater， and provide data base for selecting further water treatment technology.

Key words： Reclaimed water; Characteristics; Analysis

雖然我國(guó)的水資源總量龐大，但人均水資源占有量卻只有世界人均水量的四分之一，是一個(gè)水資源匱乏的國(guó)家，同時(shí)水資源的分布也很不均衡，中西部地區(qū)水資源尤為緊缺[1]。水資源的匱乏和水污染的日益嚴(yán)重已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素，同時(shí)也倒逼城市污水處理和達(dá)標(biāo)污水資源化利用工作的進(jìn)一步開(kāi)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因水資源缺口造成的工業(yè)產(chǎn)值損失在1 200億元，且供水缺口仍在繼續(xù)擴(kuò)大。因此，在節(jié)約工業(yè)水資源的同時(shí)，如何適當(dāng)處理污水使其能資源化利用兼有社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

中水主要是指城市工業(yè)污水、生活污水或雨水經(jīng)過(guò)處理后達(dá)到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、可在一定范圍內(nèi)重復(fù)使用的水，其水質(zhì)介于上水與下水之間。為了節(jié)約水資源，目前世界上許多國(guó)家都在摸索以資源化利用的方式處理城市污水，將城市污水通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に囂幚硎蛊涑蔀榈诙从枰蚤_(kāi)發(fā)利用，并已取得了相當(dāng)多的成功經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)有300多個(gè)城市實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水進(jìn)行綜合處理從而資源化利用[2];日本從20世紀(jì)60年代起就大力發(fā)展污水和中水回用技術(shù)并積極推廣;其他歐洲以及中東國(guó)家也都積極開(kāi)發(fā)污水回用工藝，實(shí)現(xiàn)污水的資源化利用以彌補(bǔ)日益缺乏的水資源[3]。

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，城市污水的排放總量也在迅速增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年我國(guó)城市污水排放量為545億t[4]。在國(guó)家相關(guān)政策支持下，城市污水處理和達(dá)標(biāo)污水利用工作得到了快速發(fā)展。目前全國(guó)污水處理裝置的總處理能力達(dá)到了8.043×107 m3/d，污水處理廠平均負(fù)荷率達(dá)到63.7%，平均達(dá)標(biāo)率為91.4%[5]。同時(shí)也大大促進(jìn)了達(dá)標(biāo)污水利用工作。如太原鋼鐵公司2001年建成并投入運(yùn)行的處理能力為40 000 m3/d生活污水和冶金污水處理回用工程，出水主要用于冶煉裝置循環(huán)冷卻水和鍋爐水[6];中國(guó)石油大連分公司利用國(guó)外成套技術(shù)和設(shè)備，以春柳河達(dá)標(biāo)污水為水源，2006年建成并投入運(yùn)行的10 000 m3/d達(dá)標(biāo)污水處理回用工程，5 000 m3/d用于循環(huán)冷卻水，5 000 m3/d用于鍋爐。2009年5月該公司又投入運(yùn)行規(guī)模為 ?20 000 m3/d二期達(dá)標(biāo)污水處理回用工程，產(chǎn)水全部用于鍋爐[7，8]。

由于市政污水處理場(chǎng)進(jìn)水來(lái)源比較復(fù)雜，所以市政中水具有水質(zhì)波動(dòng)大、水質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn)，給中水的處理和回用技術(shù)的選擇帶來(lái)一定的難度。本文從水質(zhì)的常規(guī)跟蹤分析入手，對(duì)中水的污染物展開(kāi)系統(tǒng)全面的分析，為進(jìn)一步開(kāi)展中水利用的技術(shù)方案選定提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 ?常規(guī)分析

為了全面掌握該城市中水的各項(xiàng)理化性質(zhì)，為后續(xù)生化段處理和其他工藝的選擇提供依據(jù)，對(duì)該城市中水進(jìn)行了為期10天24 h的跟蹤監(jiān)測(cè)分析，共取得46組數(shù)據(jù)，各項(xiàng)分析數(shù)據(jù)如下圖1所示。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，COD濃度平均值為119.6 mg/L，濃度范圍為72～215 mg/L，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖1。結(jié)果表明：COD濃度大于120 mg/L的約占總數(shù)的37.2%;大于100 mg/L的約占總數(shù)的76.7%;大于80 mg/L的約占總數(shù)的90.7%，小于80 mg/L的僅占總數(shù)的7%;其中濃度在100～120 mg/L數(shù)據(jù)占37.2%。COD的濃度相對(duì)不高，可通過(guò)適當(dāng)處理將該中水的COD濃度控制在60 mg/L以下，以滿足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB 18918-2002。

其中，BOD5均在10 mg/L以下，氨氮平均值為16.3 mg/L，范圍為6.4～28.5 mg/L;總磷平均值為4.4 mg/L，范圍為2.3～8.3 mg/L;氯化物平均值為348 mg/L，范圍為320～388 mg/L;電導(dǎo)率平均值為2 399μs/cm，范圍為2 219～2 642 μs/cm;總硬度平均值為462 mg/L，范圍為442～489 mg/L;懸浮物平均值為9.7 mg/L，范圍為4～30 mg/L;色度平均值為198，范圍為150～225;濁度平均值為9.3 FTU，范圍為8～12.2 FTU。

從水質(zhì)分析數(shù)據(jù)可以看出，原水水質(zhì)各指標(biāo)波動(dòng)較大，鹽含量、濁度、硬度和色度都較高，且可生化性較差。

針對(duì)該城市中水的水質(zhì)分析結(jié)果，確定后續(xù)中水預(yù)處理以除硬、除濁和脫出色度為主。由于硬度不高，傳統(tǒng)石灰法除硬不適合該城市中水，采用雙堿法（NaOH+NaCO3）能更有效除硬。濁度和色度通過(guò)管式微濾（DF）法去除，管式微濾的PVDF材料同時(shí)具有耐腐蝕和機(jī)械強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)，能確保處理效果穩(wěn)定性好、周期長(zhǎng)。

COD濃度相對(duì)不高，可通過(guò)后續(xù)有機(jī)物分析確定污染物的組成，視有機(jī)污染物的難降解程度確定適當(dāng)?shù)奶幚硎侄?。該中水的B/C比較低，可生化性一般，可先通過(guò)高級(jí)氧化處理，提高中水的可生化性，再用生物法進(jìn)一步處理。

2 ?金屬分析

中水中的金屬組分不僅會(huì)對(duì)生化段的微生物造成沖擊，影響生化處理效果，還會(huì)對(duì)雙膜單元的膜組件造成不可逆的損傷，因此若中水中金屬組分尤其是重金屬組分的濃度過(guò)高，會(huì)影響中水的處理效果，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)墓に嚾コ?。目前污水中的有害金屬組分的處理方法主要有沉淀法、吸附法、生物處理法、離子交換法、電化學(xué)處理法和膜處理法

等[9]。為明確該城市中水中金屬污染物的種類和濃度，在對(duì)該城市中水進(jìn)行除濁預(yù)處理后，分別采用不同的方法對(duì)其中的全金屬進(jìn)行了分析，分別是電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）分析法和電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）分析法。

分析結(jié)果表明，原水中金屬成分主要為Na、Ca、Mg和K，其濃度分別為2.4×105μg/L、1.17×105μg/L、3.2×104μg/L、2.3×104μg/L;分析結(jié)果顯示所含有的金屬鉀比一般市政污水處理廠外排的出水高，經(jīng)分析其為醫(yī)藥行業(yè)的特征污染物，說(shuō)明該市政中水中有部分進(jìn)水來(lái)自醫(yī)藥行業(yè)。

從分析結(jié)果來(lái)看金屬含量不高，特別是重金屬的濃度都很低，基本不影響后續(xù)生化處理單元的正常運(yùn)行;如果設(shè)置超濾和反滲透雙膜濃縮單元?jiǎng)t應(yīng)考慮金屬氧化物含量對(duì)膜組件的影響：根據(jù)反滲透膜污染性質(zhì)[7]，可能造成最前端膜元件（一段）污染的金屬氧化物（Fe、Mn、Cu、Ni、Zn）濃度均較小，其中Fe最高，為0.318 mg/L，Mn和Cu濃度較小，Cu僅為0.002 mg/L，Mn未檢出，可能造成最末端膜元件（末段）污染的礦物垢（Ca、Mg、Ba、Sr）濃度相對(duì)較大，其中Ca為90.4 mg/L，Mg為0.527 mg/L，Ba為0.014 9 mg/L，Sr為0.377 mg/L，對(duì)反滲透膜造成的影響體現(xiàn)為壓降適度增加、給水壓力輕度增加、鹽透過(guò)率輕度增加，略微增加淡水中的鹽含量，但基本不影響鍋爐補(bǔ)水等淡水回用。其中，Ca硬濃度可通過(guò)預(yù)處理階段的除硬單元進(jìn)行去除，以減小對(duì)膜組件的影響。

3 ?有機(jī)物組成分析

為了更詳細(xì)地了解原水中的有機(jī)物組成，從分子組成上探究有機(jī)組分的可降解性，在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展了有機(jī)物組成的分析。用溶劑二氯甲烷（分析純）對(duì)樣品進(jìn)行反復(fù)多次萃取預(yù)處理，分別得到堿中性萃取物和酸性萃取物，將兩類萃取物分別經(jīng)無(wú)水硫酸鈉脫水和KD濃縮處理后，用GC/MS進(jìn)行分析，并通過(guò)NIST標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)搜索定性，確定污染物的具體組成。

原水中堿中性及酸性萃取物的GC/MS分析結(jié)果分別見(jiàn)圖2。

其中原水中堿中性有機(jī)組分檢出物的色譜圖、質(zhì)譜圖和物質(zhì)結(jié)構(gòu)式圖見(jiàn)圖3、圖4和圖5。

有機(jī)物組成的分析結(jié)果表明，該中水中的有機(jī)物主要為苯環(huán)類衍生物和苯環(huán)類含磷有機(jī)物及鄰苯二甲酸酯類等，此類有機(jī)物一般為人工合成，分子結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，不僅難通過(guò)生化手段降解，而且是中水色度的重要來(lái)源。難生化降解的有機(jī)污染物一般通過(guò)高級(jí)氧化法處理，比如電化學(xué)氧化法、芬頓氧化法（包括電芬頓氧化法和類芬頓氧化法）、濕式氧化法、超臨界氧化法、光催化氧化法和臭氧催化氧化法等。結(jié)合處理效果和經(jīng)濟(jì)性，近年來(lái)國(guó)內(nèi)環(huán)保企業(yè)一般采用臭氧催化氧化法和電催化氧化法兩種技術(shù)處理城鎮(zhèn)污水和工業(yè)廢水，且都有較成功的應(yīng)用案例。

4 ?結(jié) 論

（1）采用常規(guī)的分析手段分析結(jié)果表明，該中水原水水質(zhì)各指標(biāo)波動(dòng)較大，鹽含量、濁度、硬度和色度都較高，且可生化性較差，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，以提高該中水的可生化性，以免沖擊生化段，影響處理效果。色度和濁度可通過(guò)管式微濾去除，硬度通過(guò)雙堿法進(jìn)行去除，預(yù)處理后的中水可進(jìn)入生化段進(jìn)一步處理。

（2）全金屬分析結(jié)果表明，該中水中的金屬組分主要為鈉、鈣、鎂和鉀，其中鉀元素的含量比一般市政污水處理廠的出水高，主要是由于市政來(lái)水接受了一部分的醫(yī)藥行業(yè)的廢水。金屬濃度較低，其中重金屬的濃度基本在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)濃度限值以下，基本不會(huì)沖擊后續(xù)生化單元并影響生化處理單元的正常運(yùn)行。

（3）有機(jī)物組成的分析結(jié)果表明，可萃取有機(jī)相物質(zhì)主要為苯環(huán)類衍生物和苯環(huán)類含磷有機(jī)物及鄰苯二甲酸酯類等，也是色度的重要來(lái)源，此類有機(jī)物其可生化性較差，且較難降解，需要通過(guò)臭氧催化氧化等高級(jí)氧化手段處理，將難降解的雜環(huán)有機(jī)物斷鏈形成易降解的低分子有機(jī)物，進(jìn)而通過(guò)生化單元進(jìn)一步降解，使出水的COD濃度控制在60 mg/L以下，符合國(guó)家城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)GB 18918-2002。同時(shí)減輕后續(xù)雙膜處理壓力，提高回用水水質(zhì)。

綜上，根據(jù)水質(zhì)剖析的特點(diǎn)，若要將該市政中水回用，需要通過(guò)設(shè)立緩沖罐以保證中水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，并通過(guò)除硬、除濁、脫色和高級(jí)氧化以及后續(xù)生化處理進(jìn)一步優(yōu)化中水水質(zhì)，再進(jìn)行雙膜提濃脫鹽，得到的高品質(zhì)淡水，可用作鍋爐補(bǔ)水及其他回用水，少量的濃水可進(jìn)行分鹽處理或者委托有處理資質(zhì)的單位進(jìn)行回收處理。通過(guò)以上措施對(duì)該中水進(jìn)行了為期4個(gè)月的中試試驗(yàn)，中試長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，試驗(yàn)結(jié)果表明，以上中水回用的處理措施完全合理。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭易生，錢慧紅. 中國(guó)問(wèn)題報(bào)告-深度憂患-當(dāng)代中國(guó)的可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題[M]. 北京：今日中國(guó)出版社. 1998.

[2]王騰. 對(duì)美國(guó)污水回用的借鑒[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì)，2006， 12 （3）：138-140.

[3]G . Shelef， Y. Azov. The Coming Area of Intensive Wastewater Reuse in the Mediterranean Region[J]. Wat. Sci. Tech.， 1996， 33 （10-11）： 115-125.

[4]尚凱，李森，李璐，等. 污水處理新技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 當(dāng)代化工，2018，47（10）：2182-2185

[5]朱學(xué)峰，李艷，黃道平. 污水處理過(guò)程的控制與優(yōu)化綜述[J].自動(dòng)化與信息工程，2009（3）：11-15.

[6]曾志武. 太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司生活污水處理及回用[C].2010年全國(guó)能源環(huán)保生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議文集，2010.

[7]程朝路，王衛(wèi). 污水“變身”新水源——再生水工程助推大連石化科學(xué)發(fā)展[J].中國(guó)石油企業(yè)，2009（8）：60-61

[8]程艷輝，韓曉芹.反滲透膜的化學(xué)清洗[J].中氮肥，2007（6）：15-18.

[9]王光龍，蔣廉潔.污水集中處理廠污水中金屬（重金屬）的分布[J].重慶環(huán)境科學(xué)，2002，2405）：48-51