废水资源化技术现状及研究进展

'废水资源化技术现状及研究进展摘要:从可持续发展的观点出发,废水经适当处理可作为资源加以利用,废水资源化对缓解水危机和实现水资源的可持续利用有很重要的意义。本文总结了国内外废水资源化的现状,结合实例分析了废水资源化中存在的问题,阐述了用物理法、化学法、生物法处理废水的技术，提出了相应的解决措施。并说明了废水回用的意义。关键词:废水资源化问题处理方法意义前言当今世界,水资源危机已成为各国在政策、经济和技术上所面临的复杂问题。我国水资源也呈现出淡水资源总量短缺、时空分布不均、水环境污染和水生态系统破坏日趋严重以及需水量日益增大、水质要求不断提高的特点。[1]我国每年因缺水造成的工业经济损失达2300多亿元,因水污染而造成的经济损失达1800亿元。针对我国水资源的现状和问题,急需总结国内外废水资源化的先进经验并吸取教训,积极推行废水资源化,实现水资源的永续利用从可持续发展的观点出发,废水经适当处理不仅可作为资源加以利用,而且还可节约新鲜水源,减少污水排放量。但废水资源化是一项复杂的系统工程,在我国由于多方面原因尚未得到普遍应用。应该从技术、法制、政策和宣传等方面寻找出路,促使废水资源化发挥其应有的经济效益、环境效益和社会效益,为我国的可持续发展提供充足的淡水资源。 1.国内外废水资源化的现状废水资源化方向主要有以下几种:工业上回用的冷却水、锅炉供水、生产工艺用水等;农灌用水和水产养殖;城市生活中娱乐用水、风景区用水或城市公共设施用水及回灌地下等。日本1962年就开始回用污水,20世纪70年代已初见规模,至1985年已建使用中水回用的建筑60处。1991年日本的“造水计划”明确将污水再生回用技术作为最主要的开发研究内容,在污水深度处理工艺方面取得了很大进展。美国也是世界上最早进行废水资源化的国家之一,自20世纪70年代初开始大规模建设污水处理厂以来,废水资源化得到了不断发展。20世纪末,已有357个城市回用污水。全国城市污水回用总量约为94亿m3/a;其中60%为灌溉用水,60%为工业用水。1992年美国国家环保局在水再生利用导则中列举了大量的示范工程,并制定了相应的政策、法规和标准,以便更好地推广废水资源化技术。除日本和美国外,俄罗斯、西欧各国、以色列、印度、南非和纳米比亚的废水回用事业也很普遍[3,4]。我国20世纪50年代就开始用污水灌溉,到20世纪80年代,废水资源化开始迅速发展。为缓解所面临的淡水危机,青岛市1982年就将中水回用作为市政及其它杂用水。北京市1984年开始进行中水回用工程示范。在1987年出台的《北京市中水设施建设管理试行办法》中明确规定:凡建筑面积超过2万m2的旅馆、饭店和公寓以及建筑面积3万m2以上的机关科研单位和新建生活小区都要建立中水设施。以此为契机,北京市的中水设施建设得到较快的发展,1995年北京市已有中水设施115个,回用废水量达1.2万m3/d,中水建设已初具规模[5,6];此外,天津、深圳、上海和大连等缺水城市的中水建设也初见成效。2.废水资源化中存在的问题2.1废水资源化应用于农业中存在的问题资料表明[7],全国大约85%以上的污灌区,废水中有害物质超过农田灌溉水质标准。引用不达标废水灌溉农田,可能造成以下不良影响:①农田环境质量明显下降。我国污水灌溉的农田约50%受到污染[7]。长期污灌会造成土壤理化性状下降。②污染地下水。灌溉废水中的污染物未被土壤、作物吸附的部分进入地下含水层而造成不同程度的污染。③ 影响作物生长和产品质量。废水中油脂成分会影响作物的呼吸和生长,土壤中有害化合物及重金属会通过根系被植物吸收,而导致粮食蔬菜中的重金属等有毒有害物质超标。④影响人体健康。废水灌溉可能导致灌区生活环境和劳动环境的恶化,同时也会带来生物性污染和化学性污染。生物性污染易导致肠道传染病的传播,而重金属及有机污染物通过食物链危害人群,从而影响人体健康。2.2废水资源化应用于工业中存在的问题用废水作工业冷却水时,可能引起腐蚀、结垢,使木质冷却塔脱去木质素,孳长细菌,在冷却中产生过量泡沫等。废水中溶解有机物、溶解氧或其它气体、藻类营养盐、氮、磷以及产生粘液的生物等成分容易生成生物粘泥,影响设备的热交换效率和寿命。锅炉用水硬度过高可能对操作安全和锅炉寿命造成威胁。水中含氨氮还会消耗冷却水中的溶解氧和余氯,腐蚀铜质材料。2.3废水资源化应用于城市生活中存在的问题废水在城市生活中主要用作市政杂用水、景观用水和生活杂用水。市政杂用水和景观用水在使用过程件及与美学和健康相关的有机污染、富营养化水平。因此,废水处理不仅要考虑有机物的去除,还要考虑除磷、脱氮、脱色、消毒以及控制浊度和硬度等。随着人们生活水平的提高,生活用水量迅猛增长。这部分用水对水质要求参差不齐,且浪费严重。鉴于此,专家们提出了双路供水系统的构想,即在自来水系统之外建设中水回用系统,“优水优用、差水差用”。但是中水设施建成后能持久应用的为数不多,北京市运转良好的只占30%[8]。深圳市已决定不再发展。主要原因在于以下几个问题:①水质水量没有保证,用户难以放心使用。一般回用水量小不能满足需要,还需补充自来水,结果设施复杂,使用不便。②系统往往运行不正常,有的设备工艺不过关,运行管理水平普遍不高,设计的自动化系统易出现故障。③一般经济上并不合算。现有建筑中水工程的规模较小,费用较高。此外,建设建筑中水系统还要涉及上下水系统、用水设备等的改造,这部分投资为数不小。可见,对于建筑中水,只能在有条件的地方,以合理的方式发展。例如:①远离城市的边远地区,如别墅、军营、度假村等给水困难、排水不便的地方最适宜以单独循环方式回用废水。②城市中未纳入总体规划且比较集中的宾馆饭店等适于以小区循环方式回用。③离城市污水处理厂很近的地区可以利用城市污水处理厂的三级出水、雨水、河水等作为中水水源,供给该区域适宜的用户2.4废水回灌地下引起的问题 在我国北方严重缺水的17省和滨海地区由于地下水超采,引起地下水位降低、地面下沉、海水入侵等环境地质问题,制约着这些地区经济的可持续发展。在这些地区可用废水进行漫灌或通过回灌井进行人工回灌,以防止地面下沉和海水入侵。但是废水回灌地下易引起地下水质恶化。据上海地矿局测算,采用人工回灌补给地下水后,地下污染物含量提高10～20倍,仅亚硝酸盐就增高100倍。由于地下水流动速度慢,循环周期长,重金属、氯化消毒产生的氯化烃等有毒有害污染物的影响不容忽视。3.废水资源化处理的方法3.1物理法物理处理法是通过物理作用分离和去除废水中不溶解的呈悬浮状态的污染物（包括油膜、油珠）的方法。处理过程中，污染物的化学性质不发生变化。方法有：①重力分离法，其处理单元有沉淀、上浮（气浮）等，使用的处理设备是沉淀池、沉砂池、隔油池、气浮池及其附属装置等。②离心分离法，其本身是一种处理单元，使用设备有离心分离机、水旋分离器等。③筛滤截留法，有栅筛截留和过滤两种处理单元，前者使用格栅、筛网，后者使用砂滤池、微孔滤机等。物理处理法的优点：设备大都较简单，操作方便，分离效果良好，故使用极为广泛。3.2化学法化学法是向污水中投加化学物质，通过化学反应降低水中污染物浓度的方法。3.2.1混凝法混凝法是指向水中投加一定量的混凝剂，通过架桥、脱稳等反应过程，使水中的颗粒污染物凝聚、沉降分离。水中胶体状态的污染物颗粒带有负电荷，胶体颗粒之间互相排斥从而形成稳定的混合液，当向水中投加带有相反电荷的混凝剂时，污水中的胶体状颗粒变为中性，接着分子引力作用下，凝聚成大颗粒发生沉降。3.2.2中和法中和法是指通过投加化学药剂消除污水中过量的酸和碱，使其pH值达到中性左右的过程。处理含酸污水投加碱，处理含碱污水投加酸。酸和碱均指投加无机酸和无机碱。一般按照“以废制废”的原则，亦可投加药剂，可间歇处理，也可以连续处理。3.2.3氧化还原法氧化还原法是指通过投加氧化剂或还原剂与水中的污染物进行反应，从而降低污染物浓度的水处理方法。常用的氧化剂有臭氧、氯气、空气中的氧、漂白粉、纯氧等。氧化法经常用于处理含酚含氰废水。常用的还原剂则有亚硫酸氢钠、硫酸亚铁、铁屑等，还原法多用于处理含汞、含铬废水 3.2.4离子交换法离子交换法中使用的离子交换剂分为无机离子交换剂(合成沸石或天然沸石)、有机离子交换树脂(鳌和树脂、弱碱性阴离子树脂、强酸性阳离子树脂、强碱性阴离子树脂、弱酸性阳离子树脂等)。采用离子交换法时，必须选好树脂。树脂对不同离子的交换能力是不一样的，树脂的交换能力取决于各种离子对该树脂的亲和力大小另外还需考虑树脂的再生等。3.3生物法污水的生物处理法是指在一定条件下培养微生物使微生物大量增殖。微生物会氧化、分解有机污染物，从而使污染物降解为无害物质，使污水得以净化。生物处理法可分为好氧处理法和厌氧处理法两种。其中好样处理效率高，效果好，使用广泛，是生物处理的主要方法。3.3.1好氧生物法好氧生物法是利用含有大量好氧生物的活性污泥对废水进行处理，通过曝气提高微生物的活性状态，利用微生物的代谢作用使废水中的污染物得到降解和去除。好氧生物法包括生物转盘法、氧化沟法、A/O法，SBＲ法和A2/O等。另外,回灌井还可能被堵塞。3.3.2厌氧生物法厌氧生物法是在厌氧或缺氧的环境下利用厌氧微生物，降解废水中有机高分子化合物。厌氧生物法通常包括厌氧混合床AHBF、厌氧生物滤池、厌氧间歇型序批式反应法ASBＲ、上流式厌氧污泥床UASB等工艺。一般来说，厌氧生物法常在好氧处理前的预处理。3.4组合工艺处理废水以色列将SBR工艺与膜分离工艺(微量过滤)组合使用进行试验,处理后的出水经消毒后就可达到其农灌要求。日本采用三相流动层生物处理与活性炭生物吸附处理系统相结合去除污水中的氮和磷,在韩国几家公司进行的实验中获得了很大的成功。近年来大力普及推广的高度组合型净化池工艺,配合流量调节厌氧流动床法使用,对氮和BOD5的去除率比组合处理净化池提高了200%,磷的去除率也可以提高90%左右。3.5生态工程技术处理废水废水生态处理投资低、能耗低、成本低、设备简单、易于管理,尤其适合于发展中国家的废水处理。废水生态处理系统包括稳定塘系统和土地处理系统。我国不少学者也提出利用生态工程处理废水,实现废水资源化。王宝贞提出利用生态农业系统处理废水。基本处理流程为:一级处理※兼性塘(水生植物塘)※养鱼塘※养鸭、鹅塘※农业灌溉。废水经过该系统处理后,出水水质达到甚至高于二级生物处理水平。 试验表明,利用人工土快滤系统处理后的废水进行农灌和水产养殖,其产品的重金属和硝酸盐含量均不超标,并且废水经土壤—作物系统再净化,其中氮磷的去除率高达93%以上,不会污染地下水。废水生态处理系统占地面积大,还会影响周围的环境卫生,因此,应注意选址,并防止塘底漏水,污染地下水。3.6建立可持续的废水资源化管理体系废水资源化的一个关键问题是保证废水的安全使用,达到各种回用目的和要求并防止二次污染的发生。实践证明废水资源化的安全性在很大程度上不仅取决于它的技术先进程度,而且取决于废水资源化管理体系的科学性和有效性。实际上,一些在废水资源化方面走在前面的城市,由于没有充分注意研究和制定配套废水资源化管理体系,已经建成的污水深度处理和回用设施,并没有真正发挥作用。3.7建立合理的废水资源化机制废水资源化水质标准及对废水资源化系统的监测、管理措施还不够完善。不同回用方向或回用条件对水质有不同的要求,应有一套完整的回用水满足各主要行业回用要求的合理水质标准。废水资源化系统腐蚀、结垢、滋生细菌、发生黑臭现象及污染环境等可能性较大,因此应完善相关的监测、管理措施,保证常规的水源和应急措施配套,防止二次污染的产生。另外,现行较低的水价不利于各用户对废水资源化的重视,政府应考虑运用经济手段保障废水资源化的实施,建立健全水的成本核算监督管理体系,并适当辅以激励机制,对合理使用再生水的用户实行优惠和奖励。改革现行给水及排水收费政策,实行“污染者付费”的环境政策,对水资源供水、排水及水环境污染进行统一的管理、收费和经营,促进废水资源化系统的运转,逐步摆脱依靠财政补贴的局面,走上企业化经营的道路。3.8加强舆论宣传力度有关部门对废水资源化的重要意义,对消除人们在使用再生水问题上的心理障碍缺乏强有力的宣传工作,这将不利于我国可持续发展战略中水资源管理问题的进一步深化。人们长期在观念上认为便宜而方便的自来水是一种社会福利,未能树立“喝水需付费,排水也需付费”的观念。应加强宣传力度,转变公众的思想观念,强化公众的资源、环境和生态意识,提高公众对废水资源化、中水回用及征收排污费等新生事物的心理承受能力,让公众意识到水危机的严重性和废水资源化的紧迫性,能自觉支持废水资源化工程,增强节水意识。 4.废水资源化的意义4.1废水资源化可以增强城市的供水能力。废水经适当处理后,作为补充水回用于生产和生活之中,成为城市的一种新水源,可以减轻或避免远距离输水和购买高价水资源等问题。海湾合作委员会国家(包括巴林、卡塔尔、科威特、阿曼、沙特阿拉伯和阿联酋)目前已将35%的城市废水进行回用,这个供水量占他们总供水量的2.2%,计划到2020年增加到11%,以色列在2000年时的城市废水回用率已经超过65%,并规划在未来10年中提高到90%。我国部分城市如北京、天津和大连等也进行了这方面的尝试,并取得一定成效。4.2废水资源化有助于改善城市水环境将城市废水进行回用,可以大大减少污染物的排放,减轻水环境的污染负荷,达到保护或改善城市水环境的目的。如上海市苏州河的黑臭现象,通过近几年大力控制污水的排入,已经使苏州河的黑臭基本被消除,河流生态系统又开始建立起来。4.3废水资源化可减少因水污染而造成的经济损失城市废水的大量排放会带来巨大的经济损失。据世界银行统计,20世纪90年代我国平均每年因水和大气污染造成的经济损失高达540亿美元,占全国GDP的8%左右。如果广泛地实施废水资源化,可以大大降低这部分损失,促进我国国民经济的快速健康发展。4.4废水资源化有利于水资源的蓄养废水资源化使得城市对新鲜水资源的需求量降低,因此自然水体中的水量相应增加,水资源在自然环境中的停留时间延长,从而提高了水体的自净和再生能力,如一些污染物在停留时间较长的条件下,可以得到较为彻底的降解.因此,废水资源化有利于水资源的循环再生和蓄养。5.结束语每年国内生产会产生大量的废水，如对其进行资源化回用或有效处理，既可以减少环境污染,又可节约水资源和生产成本，有利于国民经济的可持续发展。任何时候我们都不能以牺牲环境为代价去换取经济的一时发展，也不能以今天的发展损害明天的发展。纵观国内外，日趋严重的污染现状和紧迫的资源形势都要求我们到了该为子孙后代留点什么的时候了。实现污水资源化，防范和避免水资源危机，是解决水资源短缺的一条有效途径，是关系全球经济发展和人类生存环境的重大课题，因此努力推进污水资源化意义重大。 参考文献［1］李琳，张清敏，杨建华．复合微生物絮凝处理废水的研究［J］．环境科学与技术，2006．［2］蔡琳晖，聂麦茜，贾建慧，等．废水为碳源生产微生物絮凝剂［J］．应用化工，2007．［3］张自杰,钱易,章飞娟.环境工程手册——水污染防治卷.北京:高等教育出版社,1996,10:1384～1412.［4］国家环境保护总局.2001年中国环境状况公报.环境保护,2002［5］李素玉，李玉，任娟，等．多种微生物净化玉米淀粉工业废水的协同效应研究［J］．环境保护，2003．［6］张运华．综合废水回用技术研究与应用效果［J］．武汉理工大学学报，2009．［7］金亚飚．城市生活污水作为钢铁工业水源的可行性探讨［J］．中国水工业网，2009．［8］武书彬．水污染控制与治理技术［N］化学工业出版社，2001．'