再生水資源化技術(shù)及應(yīng)用研究

仵麗洋

(河北地質(zhì)大學水資源與環(huán)境學院，河北 石家莊 050031)

1 河北省用水概況

河北省主要水源為地下水和地表水，2017年河北省總用水量為181.56×109m3，主要包括農(nóng)業(yè)灌溉用水、林牧漁畜用水、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)公共用水、居民生活用水和生態(tài)環(huán)境用水等，分別占總用水量的63.0%、6.5%、11.2%、2.8%、12.0%、4.5%，主要的供水對象為農(nóng)業(yè)灌溉。河北省近5a的供水量變化見圖1。

圖1 河北省地表水、地下水和水資源量年際變化圖

近5a來，河北省總體供水量呈下降趨勢，其中地下水供水量呈下降趨勢，地表水供水量呈上升趨勢，其它水源的供水量呈上升趨勢[1,2]；在用水方面，農(nóng)林牧漁畜用水量和工業(yè)用水量呈現(xiàn)下降趨勢，居民生活用水量和生態(tài)用水量呈現(xiàn)增加趨勢，從以上分析可以看出，河北省在水資源缺乏的情況下，主要通過采取節(jié)約農(nóng)業(yè)用水的措施，對地下水資源進行保護。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，居民生活和生態(tài)用水增加的趨勢將不斷加強，水資源量不足和用水量不斷增加之間的矛盾將進一步突出，作為資源性缺水的地區(qū)，再生水作為一種重要的資源將逐漸被重視。研發(fā)再生水處理技術(shù)和擴大再生水資源的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒊蔀榻鉀Q上述供需矛盾的關(guān)鍵問題，再生水(中水)在城鎮(zhèn)的應(yīng)用主要集中在沖廁、綠化、道路噴灑和景觀等方面，在農(nóng)村可以應(yīng)用在灌溉、景觀、生態(tài)補水等方面。

2 河北省再生水資源利用現(xiàn)狀

近年來隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，用水量和污水排放量都呈現(xiàn)增加的趨勢，南水北調(diào)工程的實施、節(jié)能減排計劃推行，緩解了水資源壓力。但是河北省人均水資源量306.69m3，不足全國平均水平的1/7，仍屬于嚴重資源型缺水的省份。目前，主要是通過節(jié)約水資源和提高水重復(fù)利用率來緩解水資源不足的現(xiàn)狀。

為解決水資源短缺，河北省采取了不少節(jié)水和開源的措施，其中包括大力開展中水利用措施，中水回用技術(shù)使污水變廢為寶。

2002年以來國家陸續(xù)頒布了《城市污水再生利用分類》、《再生水水質(zhì)標準》、《城市污水再生利用農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)》等一系列再生水利用標準。2012年，河北省力爭將市區(qū)中水回用率達到30%，規(guī)范了全省范圍內(nèi)的城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施運營管理。2017年2月1日，河北省正式施行《河北省城鎮(zhèn)排水與污水處理管理辦法》，提出鼓勵城鎮(zhèn)污水處理再生水利用的規(guī)定，提出有償使用再生水的辦法，鼓勵在工業(yè)生產(chǎn)、道路清掃、城市綠化、車輛沖洗、生態(tài)景觀以及建筑施工等方面優(yōu)先使用再生水，并鼓勵成立再生水經(jīng)營企業(yè)，加速再生水利用的市場推廣。

3 再生水資源化技術(shù)的應(yīng)用

目前常應(yīng)用的再生水資源化技術(shù)包括雙膜法、曝氣生物濾池技術(shù)和紫外線消毒工藝等。由于再生水的應(yīng)用領(lǐng)域不同，所以再生水出水的水質(zhì)標準不同，因而要求處理技術(shù)對污水的處理程度不同。

3.1 雙膜法在鹽堿地區(qū)的應(yīng)用

隨著再生水處理工藝廣泛應(yīng)用于城市工業(yè)中，對鹽堿地區(qū)再生水處理工藝的研究也迫在眉睫。由于鹽堿地區(qū)的污水處理廠處理的水中含有的鹽分較高，用常規(guī)的膜工藝去除水中鹽分時，很難達到出水水質(zhì)要求。因此，需要對傳統(tǒng)膜工藝進行升級改造。選用具有高礦化度和高含鹽量的某污水廠的二級出水，總?cè)芙夤腆w最高為5734mg·L-1，因此馬同宇等[3]以污水廠提升工程的設(shè)計出水為研究對象，選擇的除鹽工藝是反滲透(RO)技術(shù)；由于污水廠二級出水的鹽濃度較高，容易損壞反滲透膜，降低處理效果；因此，選用浸沒式連續(xù)膜過濾技術(shù)在負壓運行的條件下進行預(yù)處理，即浸沒式超濾加反滲透組合工藝。工藝流程如圖2所示。

圖2 浸沒式超濾加反滲透組合工藝流程圖

采用這種改進的膜工藝，即將浸沒式超濾膜和反滲透技術(shù)組合處理高鹽度和高礦化度地區(qū)的污水，具有較高的除鹽效率，對污水的總?cè)芙庑怨腆w去除率能達到97%以上。

3.2 曝氣生物濾池技術(shù)在再生水處理中的應(yīng)用

曝氣生物濾池在處理生活污水和工業(yè)廢水等方面具有優(yōu)勢，因此該技術(shù)逐漸被應(yīng)用于再生水處理過程中。邵夢婷等[4]為了研究曝氣生物濾池在實際的再生水處理過程中的處理效果和實際應(yīng)用情況，選擇對正在應(yīng)用曝氣生物濾池、澄清池和V型濾池進行再生水處理的某處理站進行研究。

通過研究曝氣生物濾池技術(shù)在再生水處理工程中的實際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其工藝流程簡單且具有短暫的水力停留時間，這大大提高了再生水的凈化處理工作效率，降低處理時間。并且應(yīng)用曝氣生物濾池技術(shù)時，濾料表面所形成的高活性生物膜可以有效地將水體當中的SS、氨氮等有機污染物以及雜質(zhì)等截留并脫除干凈。該技術(shù)極大地優(yōu)化了出水水質(zhì)，可以將該工程應(yīng)用于對再生水水質(zhì)要求較高的領(lǐng)域中。但在運用曝氣生物濾池技術(shù)的過程中，會出現(xiàn)水頭消耗過大、水頭容易堵塞等問題，所以應(yīng)該對曝氣生物濾池進行定期清理。

3.3 紫外線消毒工藝技術(shù)在再生水處理中的應(yīng)用

紫外線消毒法在應(yīng)用過程中不需要添加任何化學試劑，不會造成水體發(fā)臭，也不會形成二次污染，且處理效率高，無有毒副產(chǎn)物的形成，因此在再生水處理過程中受到研究人員的重視。

根據(jù)大量的實驗研究可知，在200～295nm波長范圍內(nèi)，紫外線有更好的消毒效果，紫外線消毒技術(shù)的消毒效果比較容易受到污水濁度的影響。為了增強水處理時的消毒效果，在實際應(yīng)用中可以考慮將紫外線消毒工藝與其它化學消毒工藝結(jié)合使用。如，紫外線消毒技術(shù)與氯消毒結(jié)合的方法就應(yīng)用到了城市景觀用水與城市雜用水的再生水的消毒工藝中，取得了較好的消毒效果。張麟[5]在研究紫外線消毒技術(shù)應(yīng)用于再生水處理時，采用高強紫外燈配備全自動在線清洗系統(tǒng)的方法，該方法實現(xiàn)了自動化處理，方便遠程控制。與其它消毒方法相比，在城市再生水處理過程中應(yīng)用紫外線消毒工藝技術(shù)可以防止水中有害的殘留物質(zhì)影響人體健康，這使得該技術(shù)具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

3.4 再生水資源技術(shù)在不同領(lǐng)域的綜合利用

目前，隨著工、農(nóng)業(yè)的發(fā)展，水污染嚴重，地下水和地表水資源不足以支撐工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的水資源消耗。因此，再生水資源在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市景觀中的合理利用成為人們越來越重視的問題[6]。

3.4.1 再生水資源化技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用

廢水回用分為2種不同程度的回用，分別是可飲用的程度和非飲用水的程度，前者的處理成本高，一般后者應(yīng)用的比較廣泛，常用來充當工業(yè)補給用水。再生水在工業(yè)中的應(yīng)用主要是作為電廠等的冷卻用水、洗滌用水、工藝與產(chǎn)品用水、鍋爐及供熱管網(wǎng)補給水。再生水用于冷卻水時，由于用水量大且穩(wěn)定、工藝流程簡單、對水質(zhì)要求低，所以被廣泛用于電力、化工、供熱等工業(yè)。

再生水已經(jīng)成為北京市的重要水源之一。北京市高碑店污水處理廠采用“反硝化生物濾池加膜(超濾)過濾加臭氧接觸池加紫外線消毒”工藝進行廢水回用處理。運用此工藝可以去除污水處理廠二級出水中的有機物、氨氮、磷和懸浮物等，防止使用再生水時損壞工業(yè)設(shè)備。再生水處理工程達到100萬m3·d-1，為北京市城區(qū)的燃氣燃電廠提供冷卻水。北京某開發(fā)區(qū)污水處理廠采用“微濾加反滲透”工藝，有效去除了二級出水中的無機鹽，最后對循環(huán)冷卻水進行達標排放。

在學習函數(shù)綜合應(yīng)用知識時，可以引發(fā)學生思考其圖象(有無交點、交線圍成的圖形面積、數(shù)形結(jié)合等)，也可以通過多媒體向?qū)W生展示不同函數(shù)所表示的圖象，學生通過這些圖象的變換很快就能理解函數(shù)的概念了.除了多媒體教學，教師還可以組織學生參加動手繪畫等有趣的活動來學習數(shù)學.綜上所述，高中數(shù)學的教學應(yīng)該有意識、有目的、有策略地針對學生邏輯思維能力培養(yǎng)的需要進行變通，讓學生在日常生活中養(yǎng)成邏輯思維的習慣，以此提高高中數(shù)學教學效率、促進學生學習效率的提高.

威海熱電集團再生水深度處理廠為威海熱電集團熱電廠提供再生水，威海市水務(wù)集團第三污水處理廠為其提供了再生水水源[7]。該廠采用LHPS高效斜管沉淀池、活性污泥池與后置反硝化生物濾池組合的工藝，產(chǎn)生的再生水用于電廠的循環(huán)水補水、發(fā)電、供熱水源。

關(guān)于再生水在工業(yè)蒸汽鍋爐給水的應(yīng)用，果洪忠[8]結(jié)合國家有關(guān)行業(yè)標準的規(guī)定對高品質(zhì)再生水在工業(yè)蒸汽鍋爐的應(yīng)用進行了探究，該廠利用的是“雙模法”處理工藝，工藝流程如圖3所示。

圖3 “雙模法”處理工藝[8]

利用該工藝實現(xiàn)了再生水硬度小于自來水；應(yīng)用鍋外H-Na離子交換化學處理的方法處理再生水可以提高樹脂的使用周期；節(jié)約制水成本、降低了生產(chǎn)蒸汽的成本；但是在處理過程中，必須注意酚酞堿度的變化，時刻保障穩(wěn)定的供水量和供水壓力，利用離子交換法減少水硬度的過程中關(guān)注氯離子對樹脂的影響。工業(yè)蒸汽鍋爐使用再生水的水質(zhì)可以達到國標要求。

3.4.2 再生水資源化技術(shù)在城市景觀中的應(yīng)用

城市景觀是水資源的消耗體，同時也具有一定儲存水的能力，可以節(jié)約水資源。將再生水利用到城市景觀時，需要注意，對于會與人體產(chǎn)生接觸的景觀水體，必須采用深度處理工藝，防止再生水中的微生物病毒和藻毒素傳播疾病。主要應(yīng)用的工藝是混凝沉淀法和膜技術(shù)。如，在深圳市濱河采用直接混凝過濾技術(shù)處理，可有效去除濁度、有機污染物、磷和氮等營養(yǎng)物質(zhì)及其它溶解性物質(zhì)；清河污水處理廠采用超濾膜深度處理工藝，能完全去除水中的細菌和大腸桿菌，日處理量達80000t的再生水，為公園提供水源[9]。

對于一些面積小的景觀水體，可以選擇合適的補水期，進而防止出現(xiàn)再生水中N、P含量超標引起的水華現(xiàn)象。還可以建立過濾循環(huán)系統(tǒng)結(jié)合陳立[10]等提出的“高進低處”模式，增加景觀水體的流動性，去除藻類、病毒和細菌等。

3.4.3 再生水資源化技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

水資源是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，在水資源短缺的情況下，將再生水應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉，實現(xiàn)水資源的充分利用對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。

德國Fraunhofer IGB承擔了DEUS 21研究項目，將半集中式理念應(yīng)用在柯尼特林根[12]。該研究應(yīng)用的污水處理系統(tǒng)的核心是厭氧膜生物反應(yīng)器。該污水處理工藝的難度在于將厭氧生物處理技術(shù)與膜過濾相結(jié)合起來，又被稱為厭氧膜生物反應(yīng)器工藝(An-MBR)。

圖4 An-MBR工藝流程[12]

該處理工藝將污水轉(zhuǎn)變?yōu)椴缓腆w的濾液、沼氣以及厭氧消化后的剩余固體。An-MBR出水在農(nóng)業(yè)中的利用，不僅可以節(jié)省去除營養(yǎng)元素所帶來的投入，還可以充分利用再生水中含有的N、P營養(yǎng)元素。An-MBR處理后的出水中COD濃度較低，無顆粒物，幾乎沒有致病菌，且含有大量的營養(yǎng)元素。由于出水中含有較高濃度的營養(yǎng)元素氮，在利用再生水時，需要與不含氮的水(如雨水)混合，再補充磷元素進行植物澆灌。根據(jù)植物的不同生長階段特征，制訂合理的灌溉與施肥計劃，來實現(xiàn)更有效地再生水農(nóng)業(yè)灌溉。

4 再生水資源化應(yīng)用的環(huán)境風險防控建議

在選用水源時，為了保障后續(xù)污水再生處理系統(tǒng)進行正常、高效、穩(wěn)定的運行，必須使進入城市污水收集系統(tǒng)的污水達到一定的水質(zhì)標準，從而獲得高質(zhì)量的再生水。再生水水源主要以使用生活污水為主，減少對工業(yè)廢水的使用。當工業(yè)廢水和醫(yī)藥廢水進入污水收集系統(tǒng)時，需要選用合適的處理方法對其進行預(yù)處理，從而使得工業(yè)廢水和醫(yī)藥廢水的水質(zhì)滿足相關(guān)排放標準，達標后才可進入污水收集系統(tǒng)[13]。

再生水中含有大量營養(yǎng)物質(zhì)和多種微生物，包含各種致病菌，為了防止環(huán)境污染，有必要選擇合理的灌溉方式，還可以實現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)的有效利用。國外曾有研究表明，地表滴灌和地下滴灌可以有效降低再生水灌溉時引起的土壤污染。因此，對于不同污水類型、不同土壤條件下，為了更好地保證再生水在農(nóng)業(yè)灌溉上的長足發(fā)展，必須選用適合農(nóng)作物的污灌方式、次數(shù)、最佳灌溉時間及灌溉定額；為了防止再生水中的重金屬離子對土壤造成污染，盡量采用生活污水作為再生水的來源；為了保障再生水在農(nóng)業(yè)灌溉中的利用安全，需要檢測必要的指標。在進行間接食用農(nóng)作物灌溉用水中，需要重點檢測重金屬、有毒有害有機物、病原微生物、TDS等指標。在進行非食用農(nóng)作物農(nóng)田灌溉時，應(yīng)重點監(jiān)測病原微生物和TDS等指標。

5 結(jié)論

再生水的資源化能有效緩解河北省水資源短缺的現(xiàn)狀，可以解決工業(yè)用水、城市景觀用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水緊缺的現(xiàn)狀，特別是農(nóng)業(yè)灌溉用水問題。因此，將再生水資源合理、安全地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉方面成為今后河北省的主要再生水資源化方向。

再生水包括經(jīng)過適當處理達到一定水質(zhì)標準的廢水和雨水，其中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，也可能含有有害物質(zhì)，因此再生水用于灌溉對土壤和農(nóng)作物也存在潛在風險。

在水資源短缺地區(qū)如河北省，將再生水用于農(nóng)田灌溉具有可行性，因為在短期內(nèi)再生水中含有的少量重金屬、病原微生物等有毒有害物質(zhì)對土壤、地下水和農(nóng)作物的影響都在規(guī)定的限定值范圍內(nèi)。此外，對于居民住宅小區(qū)、單位的景觀環(huán)境用水，盡量減少利用城市供水，有條件的地方必須使用雨水或者再生水的，不得使用城市供水。