我国水资源污染治理的技术策略论文

'　　我国水资源污染治理的技术策略论文摘要：水环境污染和水资源短缺是全球淡水资源正面临的两大问题。随着我国经济的迅速发展，人口的增加，人民生活水平的逐步提高，工业化和城市化步伐的加快，用水量急剧增加，污水排放量也相应增加，加剧了淡水资源的短缺和水环境的污染。我国污水处理设施落后，污水处理率低.freel3，但人均水资源拥有量仅为2340.m3/a，为世界平均值的1/4。并且水资源时空分布不均，造成南多北少，东多西少的局面。在北部降水大部分集中在6～9月份，此期间的降水量占全年降水量的70%～80%。缺乏生态保护意识，一些急功近利的做法严重破坏了森林和植被，破坏了生态系统平衡，导致洪涝和干旱频繁发生。城市严重缺水制约了经济的发展，影响了人民的正常生活。在80年代，全国缺水城市236座，缺水总量1200.万m3/d；90年代初，缺水城市增加到300座，总缺水量为1600.万m3/d；预计2000年将有450座城市缺水，总缺水量将达2000.万m3/d。我国水环境污染状况也相当严重，根据1998年中国环境状况公报［８］.，全国废水排放总量为395亿m3，化学耗氧量排放总量为1499.万t，分别比上年(1997年)下降了5%和14.7%。生活污水占废水排放总量的49.1%，生活污水COD排放量占COD排放总量的46.2%，均比上年有所增加。我国主要水系长江、黄河、松花江、珠江、辽河、海河、淮河和太湖、巢湖及滇池的断面监测结果表明，36.9%的河段达到或优于地面水环境质量Ⅲ级标准，其中Ⅰ类水质占8.5%，Ⅱ类水质占21.7%，Ⅲ类水质占6.7%；63.1%河段的水质为Ⅳ、Ⅴ或劣Ⅴ类，失去了作为饮用水源的功能，其中Ⅳ类水质河段占18.3%，Ⅴ类水质占7.1%，劣Ⅴ类水质占37.7%。其中长江、珠江水质较好，监测河段中70%以上达到或优于地面水环境质量Ⅲ级标准；黄河、淮河、海河有28%～29%达到或优于地面水Ⅲ级标准；松花江、辽河污染严重，分别只有4%和11.3%达到或优于地面水Ⅲ级标准。我国一些湖泊的污染比河流更加严重，如滇池、巢湖都严重富营养化，全湖水质为Ⅴ～劣Ⅴ类；太湖中等富营养化，湖水为Ⅳ～劣Ⅴ类。1998年我国海域监测到赤潮22起，其中南海10起，东海5起，渤海和黄海7起，对我国近海生态系统和水产资源造成严重的破坏［８］.(如表1)。1.2污水处理设施我国污水处理设施落后，污水处理率低，是造成我国水环境污染的主要原因之一。 我国城市供水设施的建设要比排水设施先进得多，例如1996年我国城市供水设施服务人口的普及率达到了94.5%，而同年城市污水处理率仅13.1%，而且城市污水的日处理能力的增加幅度远低于城市日供水能力增长的幅度；1990～1998年城市市政公共污水处理厂平均年增加日处理能力110万m3左右，而城市供水年增加日供水能力850万m3左右。如照此模式发展，城市水环境恶化的状况将难以缓解或好转［９］.。表11998年中国七大水系污染情况［８］项目Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类劣Ⅴ类主要污染物长江(%)467411104悬浮物、高锰酸钾指数、氨氮黄河(%)0245471212悬浮物、挥发酚珠江(%)293672224石油类、悬浮物、氨氮淮河(%) 0111718648高锰酸钾指数海河(%)519410953石油类、高锰酸钾指数、挥发酚、氨氮辽河(%)4.52.34.522.74.561.4氨氮、高锰酸钾指数、挥发酚松花江(%)00467218挥发酚、石油类由于目前仅有部分城市征收"排水设施有偿使用费"或"污水处理费"，而且收费额低于污水处理成本，城市污水处理厂所需费用主要靠政府财政支持，由于资金不足，使一些已建成的污水处理厂难以维持正常运行。此外，我国的非点源污染也相当严重，主要有农田径流，许多农田施用大量的化肥、农药包括有机磷、有机氯农药，其中有些是高毒性、难降解、高残留的农药，在食物链中有富集作用，对水环境的污染和对人体的危害较大。2我国水污染控制的改进措施 我国水污染的状况是严重的，我们有限的淡水资源数量不足，质量下降。我国各级政府已认识到水污染治理和水资源保护的重要性，认识到经济和社会的持续发展有赖于环境的保护和资源的合理开发利用，包括水环境的保护和水资源的合理开发利用，重视和加速了水污染治理设施的建设，争取在20世纪末使我国城市污水处理率达20%(归口于城市市政设施的污水处理厂)［９］.，如果把工矿企业修建的污水处理设施的处理能力统计在内，估计城市污水处理率达30%以上，如果把池塘、人工湿地、土地处理(农田灌溉)等自然法处理设施处理的污水量考虑在内，污水处理率可达40%(国外统计污水处理率都把塘系统、土地、湿地处理系统等考虑在内)。据统计我国工业废水处理设施的总处理率已达到87%(1998)［８］.，但实际上处理的工业废水量远达不到该值，因为一些调查统计表明，我国工业废水处理设施只有1/3是运行正常的，1/3运行不正常，而另1/3停产不运行。不少城市污水处理厂有钱建得起，却无钱维持正常运行，一些中小城市建成的常规活性污泥法处理厂尤其如此，除资金缺乏之外，操作运行和管理人员技术和管理水平低，难以掌握和操作技术复杂的处理过程和设备。经过几十年的努力，尤其是近十年的努力，我国的水污染治理工作已有很大的发展，城市污水处理率从80年代末的5%发展到90年代末的近20%，局部水环境已有所改善，但总体上全国的水环境并未有明显改善，有些水系如东北的松花江和辽河，污染反而加剧［８］.。为了更快地改善我国的水环境，保护水资源，在学习国外成功和先进经验的基础上，汲取国外和自己的失败教训并结合我国的实际情况，对我国水污染防治和水资源保护应采取综合治理措施。2.1推广应用清洁生产工艺和清洁产品，将污染消除在生产过程中这种清洁生产工艺(CleanerProductionProcess)［２］.，在国际上最近也称为"环境友好"(EnvironmentFriendly)的生产工艺，因为他们应用的原料，中间产品和产品对环境不会造成严重污染，即使有也是轻微的。例如，合成洗涤剂的生产中用不含磷洗涤剂取代含磷洗涤剂，从而在生产过程中消除了磷的最大污染源；在农药生产中取消了六六六，DDT等高毒性，高残留的有机氯农药，代之以高效、低毒、低残留农药的生产；一些化工产品生产中使用汞催化剂的生产工艺被无汞新工艺取代等，都是将污染物消除在生 产过程中，消除了它们对水环境的污染和在水生态系统中的富集及对人的潜在危害。2.2因地制宜，多种方法并举解决污水处理问题目前我国在污水处理技术方面有一种倾向，认为活性污泥法是最有效的，忽视和排斥了其它的处理方法和技术。其实在任何国家，都不是任何一种单一的处理方法能完全解决污水处理和水环境污染问题的，即使在发达国家，例如美国，也是采用多种处理方法来处理城市污水和工业废水的。例如，美国共有稳定塘上万座，占处理污水总量的25%，它与土地处理，人工湿地等系统成为中小社区(城镇)的主要处理设施［１，１２］.。美国在应用塘系统、土地处理系统的过程中研究开发和推广应用了多种多样的先进、科学、高效、节能、工程化和美化的新型塘系统(如先进组合塘系统、双曝气功率水平多塘系统、水力调节贮存塘、完全封闭蒸发塘、水生植物塘等)。德国、法国、加拿大、澳大利亚、巴西、东南亚、非洲也有大量的塘系统在应用。近十年来英国、德国、法国、荷兰等人工湿地发展迅速，它与塘系统不仅成为中小城镇的主要污水处理设施，而且也成为雨水处理的主要设施，以及工业废水重要的处理技术［１３～１５］.。作为发展中国家，中国更应该重视研究开发和推广经济、节能和有效的处理技术，具体设想如下。2.2.1在大城市中宜以活性污泥法处理设施为主要研究、开发和应用基建费低、能耗低和运行费低的革新的活性污泥法技术。污水处理流程的主要改进措施有：2.2.1.1取消初沉池我国大多数城市因多种原因(如设置化粪池，污水管道内渗严重，给水浪费等)污水有机物浓度低，BOD≤100mg/L，设置初沉池，一般能削减BOD负荷30%左右，难以使其后的曝气池维持正常运行。由于有机碳源的亏缺，更难于进行生物去除氮、磷的处理。目前国外一些污水处理厂，为了有效地去除氮、磷和改善活性污泥沉淀性能，采用了取消初沉池的工艺。对于我国处理低浓度污水的处理厂，取消初沉池能更加充分利用有限的碳源，提高出水水质，同时简化了处理流程，节省了基建投资和运行管理费用，我国广州大坦沙、佛山镇安污水处理厂等在这方面已有成功的经验［１７～１９］.。2.2.1.2曝气池宜采用节能的工艺如A/O或A/A/O工艺在节省部分能耗的同时，还能达到部分去除氮、磷和改善活性污泥沉淀效果。在原生污水有机物浓度低(BOD≤100mg/L)的情况下，采用： a.不同形式的强化一级处理，以不采用化学沉淀的工艺为宜。采用化学沉淀的强化一级处理，不仅能将BOD和COD的去除率从普通一级处理的30%左右提高到50%～60%，而且能将磷减少至1mg/L以下，其缺点是化学沉淀污泥脱水性能不好，体积大，难以处理和处置。最好采用不加化学沉淀的强化一级处理技术。例如：在曝气沉砂池之后(合建或分建)加设短水力停留时间(HRT≤30min)曝气池，沉淀池污泥回流至曝气池。回流到曝气池中的沉淀池污泥在好氧条件下进行活化，对污水中的有机物具有较强的降解和同化能力并具有良好的沉淀性能，混合液进入沉淀池后能达到较高的固液分离效率，可使BOD的去除率达到50%～60%，SS去除率达到80%以上。这种短HRT曝气池也可只接受沉淀池污泥作为污泥活化再生池，而沉砂池出水经旁路直接进入沉淀池的进水口，在此与再生污泥混合一并进入沉淀池，在此情况下BOD和COD的去除主要靠生物吸附来完成的。b.短HRT(0.5～1h)的接触氧化处理工艺。山西省一些采用二级串联接触氧化法的污水处理厂的设计与运行成功经验值得推广，太原有两个处理规模相同的污水处理厂，一个采用常规活性污泥法，一个采用二级接触氧化法(也可称为"曝气生物滤池")，前者厂区占的面积为后者的2倍，且曝气池的体积比后者接触氧化池大十几倍。采用这种污水处理工艺的污水处理厂，其基建费要比相同规模的活性污泥法节省1倍以上，运行费也仅为活性污泥法的30%～40%，这种处理工艺值得在中小型规模的污水处理厂中推广应用。c.采用AB法中的A段处理工艺。在预处理之后设置短HRT的曝气池(HRT30～40min)，在适宜的高负荷(F/M＝0.5～2.0kgBOD/kgMLSS)下工作，后接沉淀池，其去除BOD的效率可达50%～60%，SS去除率达80%～85%［２０～２１］.。d.采用HRT短的淹没式生物膜法工艺。淹没式生物膜法，包括固定式载体生物膜和悬浮载体生物膜，如：Linpor,Biostyr等，在80年代中期随着新型填料和载体的出现，被广泛用于污水处理中。用淹没式生物膜工艺处理生活污水，垃圾渗滤液和工业废水表现出了优越的性能，与常规的活性污泥法相比，淹没式生物膜曝气池的水力停留时间短，二沉池出水水质好，SS、BOD、COD和NH3－N的去除效率高，剩余污泥量相当少，这就大大降低了处理、处置及运行维护费用。祈福新村位于广东省番禺市郊，作者与同事设计和指导建成的祈福新村污水处理厂采用淹没式生物膜法新工艺，第一年全年运行效果良好，去除率BOD平均为97.2%，COD为84.6 %，NH3－N为98.1%，TP为36%，在正常运行条件下溶解氧为3～5mg/L，气水比为2.5∶1，曝气池出水中BOD平均为1.1mg/L，COD为13mg/L，TSS为25mg/L，NH3－N为0.2mg/L和TP为1.1mg/L。曝气池出水TSS≤30mg/L，二沉池无剩余污泥产生，也无剩余污泥排放，自投产以来浓缩池及带式压滤机从未使用过，这样使污水厂运行简便、能耗低和运行费用低。再经2～3年的运行和试验研究，如仍能保持目前的运行效能，并无剩余污泥产生，通过明确其无剩余污泥的机理和相应的运行参数，可将其推广应用于气候条件和水质条件相似的城市和地区，如地处亚热带或热带，处理低浓度生活污水(BOD≤100mg/L)，在设计时处理流程可大大简化，取消污泥浓缩池、消化池和污泥脱水等设备。或经适当地调整应用于其他不同条件的城市和地区。2.2.1.3取消氯化消毒二级出水仍含有较多的SS和BOD、COD，投氯并不能有效杀灭病原菌，更不能杀灭病毒和病原原生动物，反而会形成大量的有机氯化物，排入水体后会造成污染。因此德国许多污水处理厂，如鲁尔河协会的100余座污水处理厂多采用最后净化塘进行杀菌，多级串联塘的细菌总数去除率高达99.99%～99.9999%［１０～１１］.。加拿大、瑞士等一些污水处理厂采用紫外线灭菌技术。2.2.1.4采用新技术和新工艺膜生物反应器是生物反应器(如活性污泥法曝气池)与膜分离设备的组合，形成一元化设备，同时对污水进行生物处理和固液分离［２２～２３］.。在这些膜生物反应器中一般使用微滤膜(MF)和超滤膜(UF)来阻留生物反应器中的生物体(污泥)取代二沉池，实现固液分离。这一处理系统的主要运行优点是，出水质量不依靠混合液的沉淀性能，也不会因任何运行失误而使出水中含有悬浮固体。由于活性污泥不必沉淀，使得这种生物反应器可在高的生物体浓度(MLSS20000.～30000.mg/L)和长的污泥停留时间(SRT50～360d)等特定条件下运行，而常规活性污泥法是无法在这样的条件下运行的。在长SRT下运行，可使污泥中增殖硝化细菌对污水进行硝化和部分反硝化处理，可使污泥本身发生好氧消化，而使剩余污泥产量比常规活性污泥法减少50%～80%。与常规活性污泥法相比，装有中空纤维微滤膜装置的生物反应器，可取代二次沉淀池和污泥消化池。多功能的膜生物反应器仅为相同处理规模的常规活性污泥法曝气池的1/5。提高处理能力4～7倍，而不必增加基建投资［２３］.。膜生物反应器是一种三级处理设施，其出水水质相当于甚至优于常规三级处理系统的出水 。因此，膜生物反应器后接纳滤(NF)或反渗透可生产出优质水而回流地下。而常规污水处理达到优质水需要经历许多个处理步骤。因此，膜生物反应器特别适用于缺水城市用作污水回收与再用设施，其出水可用作工业用水如冷却水，生活杂用水，景观用水等，其出水后加纳滤或反渗透处理，出水达到饮用水水源标准，注入地下和地表水源，或经矿化处理和消毒处理，再作饮用水。2.2.1.5适宜的污泥处理技术［２４～２７］.我国一些污水处理厂已建成的污泥消化池大都运行不够令人满意；有些运行不起来或者一直未曾运行；有些虽然能运行，但生物气产量少且甲烷含量少，低于维持消化池正常运行所需的能耗。为此宜采用A/O或A/A/O处理工艺，其剩余污泥脱水性能良好，可以不用消化池或采用适宜的其它工艺进行污泥的处理与处置。a.将污泥转化为燃料［２４］.。污泥变成油工艺在德、加、澳已经研究开发了15年，污泥转化过程是在一个双料反应器(dualreactor)中，在常温和450℃无氧的条件下进行的，污泥中含有的铝硅酸盐和重金属催化了汽相的转化反应。生产的油其性质近似于中馏分燃料，可作为内燃机和外燃机的燃料。该工艺的优点是：实现污泥的完全循环，回收能量和可利用的副产品，重金属被固定；病原菌、病毒、寄生虫卵和有机氯化物被破坏；温室气体的产量最小。b.将污泥制成建筑材料［２５］.。日本年生产污泥300万吨，过去多采用焚烧和污泥灰填埋技术，但存在二次污染问题，因此近年来，日本采用高温熔融技术，将污泥制成玻璃和陶瓷块，其重金属熔出率几乎为零，现正进一步研制建筑陶瓷材料等。c.污泥及其它废物的回收再用-生产燃气和甲醇［２６］.。德国柏林的Schpe煤气厂，始建于60年代，因为在德国东部发现大量的泥煤储量，故用于生产煤气和发电，为此建立了许多煤化工厂、炼焦厂、发电厂和煤气厂。1995年该煤气厂改为次生原料回用中心(SVZ-SekundarrohstoffVer)。这是世界上第一座废物回用厂，将旧汽车的塑料部件、木质废料，污水污泥和家庭垃圾进行气化以生产合成煤气，然后将其转化成甲醇和用于发电。现该中心已处理了50万t废物，每年生产10万t甲醇，最近刚投产运行一座新的气化系统，使该中心的生产能力增加了12万t/a。d.Cambi工艺：同时实现污泥减量和生物气产生［２７］.。由Purac开发的Cambi工艺中，通过高温水解过程使污泥中的有机成分从不溶解状态转化为溶解状态，使有机物可用于生物降解，即厌氧消化。经高温水解后固体中有机物大为减少，再进行厌氧处理，促进了 生物气产量的增加，也可将释放出的碳作为生物脱氮的碳源。经Cambi工艺产生的脱水污泥的总固体含量达30%～40%，可以直接进行污泥焚烧。根据污泥的来源和组分，这一工艺可以间歇地和连续地运行。在挪威奥斯陆(Oslo)以北的Hamar建立了一座污泥处理厂，该厂由Cambi工艺(水解和厌氧消化)，化学回收和烘干等过程组成。送入该厂的污泥量为1000.t/月(20%总固体TS)，经脱水后污泥量降至290t/月，经烘干和萃取后减少至66t/月，即污泥量减少93%。在烘干和萃取之后TS减少70%。该系统采用全封闭工作，污泥加热时无嗅味释出。2.2.2中小城市以实用处理技术为主在县级市的城镇，污水量为数千至数万，一般小于5万m3/d。由于资金有限，技术力量薄弱等原因，宜于采用经济、简易、节能和有效的处理技术，即实用技术，主要是塘系统、人工湿地和土地处理与利用系统，与当地的生态农业相结合，成为生态农业的一个组成部分，即污水回收与再用的生态农业。2.2.2.1高效新型塘废水稳定塘不仅在发展中国家广泛应用，而且在发达国家应用得也很普遍，在美国用于处理城市污水和工业废水的塘共有上万座，在德国有3000.多座，法国有2000.多座，它们或单独应用，或与其它处理设施组合应用。这些塘系统大都由兼性塘、曝气塘、好氧塘和厌氧塘等4种普通型式的塘以多种不同的组合方式组成，因而称为普通塘系统，或称为常规塘系统。但是，这些普通塘系统有一些缺点和局限性而影响了其推广应用。从70年代末开始，美国着手研究和开发了一些新型的单元塘和塘系统。由美国加州大学anagementinDevelopingCountries.Nean-HuffmanandJBRose.Emerginganual.MunicipalarketingSeries.GlobalarketingSeries,BusinessBriefing,1999.164～16923Zenon.MunicipalInternational.AdvancedMembraneSystemsforMunicipal.Iriyama.VortexMeltingFurnaceAllofortheTreatmentofUrbanRunoff.WaterQualityInternational,199727P.Adcock.ReedBedTakeonIndustrialWaste.Water21,1999.50～5228?王宝贞.中国缺水城市污水回收与再用探讨.21世纪中国城市水管理国际研讨会论文集，199929王宝贞，王琳，杨鲁豫.污水处理与利用生态系统的研究与工程实践.21世纪中国城市水管理国际研讨会论文集，1999'