饮用水厂中深度处理工艺生产废水研究 - 新闻资讯 - 破乳剂|COD去除剂|乳化液|含油|煤化工废水处理|济南乾来环保

摘要: 本文概述了饮用水厂生产废水研究的进展，根据处理工艺的不同，对比了不同处理工艺生产废水的水质特征。臭氧-生物活性炭工艺生产废水主要污染物特征为悬浮固体、有机污染物、微生物以及内源性污染物。饮用水膜法处理工艺中，超滤反冲洗水对有机物有富集作用，纳滤浓水对水中的硬度、有机污染物及新兴污染物均有富集作用。根据废水的水质特征，研究了饮用水厂生产废水回用及排放存在的问题与风险，并对已有的废水处理技术进行了综述。最后，对我国饮用水厂生产废水的处理与回用提出了一些展望。

关键词: 饮用水厂;深度处理;生产废水;处理技术

随着我国饮用水厂供水能力日益增强，产生的生产废水总量也大幅增加。生产废水是指饮用水厂在水质净化过程中产生的废水，来源于水处理工艺，包括沉淀池（澄清池）排泥水、气浮池浮渣、滤池反冲洗废水及初滤水、膜过滤清洗废水等，这部分废水约占饮用水厂总处理水量的6%～10%。对饮用水厂废水进行回收利用，既减少了废水排放量，也避免了排放水中所含污染物对环境造成的不良影响，受到广泛关注。发达国家在饮用水厂生产废水处理回用方面的研究较早，相对比较成熟，已制定了相关法规。如美国《滤池反冲洗水回用规则》，要求砂滤池反冲洗水必须经过预处理后方能回用，德国规定滤池反冲洗废水必须经过膜过滤或者其它等效的技术处理后才能回用。我国自上世纪 80 年代开始研究饮用水厂生产废水在回用过程中存在的浊度，锰、铁、铝等无机污染物，以及贾第鞭毛虫和隐孢子虫的积聚等风险，并开展应对上述问题的处理技术研究。上海市规定了废水水质指标低于原水或地表三类水标准时不得回用等条例，但目前国内关于生产废水回用方面的相关标准仍需进一步研究与细化。

随着国内地方水质标准的提升，持久性有机污染物、药物与个人护理品、农药和消毒副产物前体物等有机物污染受到重视。饮用水厂深度处理工艺快速发展，臭氧生物活性炭和膜处理工艺被广泛应用于饮用水处理。深度处理过程中所产生的生产废水主要为生物活性炭滤池的反冲洗废水、初滤水，膜处理过程的浓水、物理和化学清洗水等。对深度处理工艺生产废水开展研究，既有利于工艺的优化运行，又有利于水资源的可持续性利用和环境保护。

本文系统梳理了饮用水厂中深度处理工艺生产废水的主要水质特征。重点解析深度处理废水存在的问题与风险，并对深度处理工艺中生产废水的回用及处理方式进行详细综述，研究结果对饮用水厂生产废水的回用具有指导意义。

1 生产废水水质特征

目前，我国大多数新建及升级改造水厂多采用常规处理+臭氧活性炭的深度处理工艺，少量以常规处理加超滤、纳滤为主的膜处理水厂。深度处理工艺在运行过程中生产废水富集了大量的悬浮固体、微生物、有机物和内源性污染物等，根据不同的工艺，生产废水具有不同的水质特征。

1.1 炭滤池废水
臭氧-生物活性炭工艺的炭滤池是去除有机污染物的核心单元，根据水流流向可分为上向流和重力流两种模式。上向流炭滤池置于沉淀池之后、砂滤池之前，后置的砂滤池可以去除浊度、防止炭滤池的生物泄露；重力流炭滤池一般置于砂滤池之后，进水负荷小、反洗周期长。两种碳滤池工艺流程如图1 所示，生产废水排放至调节池中。重力流炭滤池和上向流炭滤池运行过程中都有反冲洗阶段，由于运行流态和活性炭颗粒大小不同，反冲洗方式差异较大。重力流生物活性炭池反冲洗周期一般为 3～ 7 d，冲洗方式为空气冲洗和气水联合混冲，顺序为先气冲后混冲，气冲时间控制为3～5 min，混冲时间为5～7 min［10］；冲洗后的初滤水存在生物泄露的风险，此工艺的生产废水主要为初滤水和反冲洗水。

上向流生物活性炭池反冲洗周期依据水质而定，一般为7～10 d，冲洗方式为5分钟的气冲后再进行20～30 min 的冲洗水排放，冲洗水可用待滤水作为水源，此工艺中生产废水主要为反冲洗水。炭滤池初滤水约占水厂总水量的 1%～2%，除存在生物泄露风险外水质较好，反冲洗水量约占水厂总水量的2%，主要包括悬浮固体、微生物、有机污染物和内源性污染物等。

1）悬浮固体。由于前处理工艺的差异，重力流炭滤池和上向流炭滤池生产废水中的悬浮固体含量不同。重力流炭滤池其前置砂滤池对悬浮物进行了大量去除，由于滤池的截留作用以及反冲洗时活性炭可能被冲出池外，反冲洗水悬浮固体含量不稳定，在4～40 NTU之间波动。上向流炭滤池进水浊度较高，气洗后的冲洗水浊度高达数百 NTU，经过30 分钟冲洗水排放之后，才可以降至 10 NTU以下。

2）微生物。炭滤池具有良好的生长环境和较丰富的食物链结构，是微生物和无脊椎动物二次繁殖的主要场所。运行 5 个月后，炭滤池内就会出现大量的钟虫、线虫、轮虫等微型动物［16］。当滤池的微型生物累积到一定程度后，部分微生物以及微生物代谢产物会随水流反冲洗进入生产废水中，使得反冲洗废水含有较高的微生物量。反冲洗废水中菌落总数为 260 CFU/mL，甚至可检测到剑水蚤［14］，生物量也高于原水。

3）有机污染物。炭滤池对大分子难降解有机物有较好的降解作用。随着使用时间增加，炭滤池内生长了大量的微生物，产生的微生物代谢产物随着反冲洗水流冲出滤池，使得反冲洗水有机物含量增加［14］。此外，由于微生物含量易受温度变化的影响，反冲洗水中可生物降解溶解性有机碳（BDOC）、可同化有机碳（AOC）波动较大，呈现冬季高、夏季低的特点。

4）内源性污染物。在藻类高发季节，饮用水厂常规处理工艺难以去除的嗅味物质和藻类被滤池截留，导致炭滤池反冲洗水中的藻类数和嗅味物质含量高于原水。炭滤池反冲洗废水中存在大量微生物，微生物代谢过程也可能会产生嗅味物质。土嗅素（GSM）和2-甲基异茨醇（2-MIB）在反冲洗水中含量分别在 17 ng/L 和 22 ng/L 左右［14］，超过了生活饮用水卫生标准（GB 5749－2006）规定的10 ng/L的限值，影响饮用水的口感。

1.2 膜处理废水

随着膜制备技术的快速发展，膜法饮用水处理技术得以大规模应用。膜可以截留不同目标污染物，如浊度、色度、有机污染物、微生物、消毒副产物前体物、新兴污染物和溶解盐等，有效提升出厂水水质。饮用水深度处理工艺主要使用超滤和纳滤，其生产废水为超滤冲洗水、纳滤浓水以及膜化学清洗液。

1.2.1 超滤冲洗水

超滤膜在使用一段时间后会受到不同程度的污染，导致水处理效果变差、出水效率降低，需要对受污染的膜进行清洗，尽量使膜的性能得到恢复。主要的清洗方法为物理清洗，包括水力冲洗和空气冲刷，冲洗耗水量占进水量的5%～10%［21］。根据冲洗频率的不同，冲洗水浊度一般在 1～9 NTU 之间［8］。

沉淀-超滤工艺中，冲洗水水质随冲洗间隔时间的变长，有机物含量也逐渐升高，30 分钟冲洗间隔的冲洗水中 DOC 含量可达 7 mg/L［22］，有机物主要为亲水性、非腐殖类物质，分子量分布主要为大于30 k和小于1 k［8］。超滤膜能够截留绝大部分的细菌，这是超滤在饮用水处理中应用的主要优势，但这也导致了冲洗水中会富集大量的微生物。

1.2.2 纳滤浓水

纳滤膜工艺是一种获得广泛认可的高品质饮用水处理技术，其浓水占总水量 5%～25% ［23］。纳滤处理之前需经过微滤或超滤、保安过滤等前处理环节，从而满足进水淤积密度指数（SDI）要求［24］，这一部分前处理也有大量的生产废水，典型的饮用水厂纳滤处理工艺流程如图 2 所示。超滤-纳滤组合工艺可有效去除地下水中的硬度，产生具有较高硬度的浓水，如某水厂超滤-纳滤组合工艺纳滤浓水中总硬度高达 488～560 mg/L［25］。纳滤对新兴污染物有较好的截留效果，产生的浓水会对内分泌干扰物等微量污染物有富集作用［26］，这部分浓水应受到关注。

1.2.3 膜清洗液

为了降低膜污染，恢复膜通量，须定期对膜进行化学清洗。化学清洗是用酸、碱、氧化剂和表面活性剂等对膜孔和膜表面的污染物进行清洗，从而将污染物去除，常用的化学清洗剂包括 HCl、NaOH、NaClO、草酸和柠檬酸等［27］。化学清洗液中成分复杂，主要包括有机物、无机物以及生物污染物等，必须经过特殊处理。

2 生产废水存在的风险

饮用水厂处理工艺中产生的生产废水一般排至水厂浓缩池或调节池，根据上清液水质、受纳水体、水资源现状等因素决定回用或排放。深度处理工艺生产废水目前研究不多，炭滤池和超滤反冲洗水在水处理系统中可以直接回用或排放，但由于其高有机物含量、高微生物量的特点，回用或排放可能存在一定的风险。

2.1 回用风险

有机物富集是深度处理工艺生产废水的主要特征之一。若将富集了大量有机物的生产废水与原水混合，在一定程度上会影响原水水质，也会增加混凝剂投加量，造成运行成本增加。膜深度处理水厂中将有机污染物含量较高的生产废水回用重新经过膜处理系统，会加剧膜污染，增加反洗频率等。

微生物是饮用水厂主要关注的问题。贾第鞭毛虫和隐孢子虫病在美国、加拿大、日本、英国和韩国等国家均有过暴发［28］，特别是在美国，自 1984 年以来爆发了 12 次与饮用水有关的隐孢子虫病，其中 3次与生产废水回用有关［29］。生产废水中含有很高的微生物量，回用可能会造成微生物污染。同时，炭滤池反冲洗水中存在一些可以抵御常规氯消毒剂量杀灭的休眠体或虫卵，一旦进入供水管网，会增大生物风险。

对生产废水进行回用需密切注意消毒副产物前体物的富集。运行时间较长的炭滤池对有机物的降解作用主要依靠滤池上生物膜，但生物膜的发育和生长会增加消毒副产物的生成潜能。膜反洗水中存在大量与消毒副产物生成密切相关的分子量小于 1k的有机物［8］。对生产废水回用可能会增大水体中消毒副产物前体物的含量，导致水厂出水消毒副产物超标。

2.2 排放风险

目前国内大型水厂大多数在设计时都考虑了生产废水的回用措施，但由于水质、成本等原因，有相当部分的水厂并未回用，经过简单处理之后将废水排入环境中。炭滤池和超滤生产废水中悬浮固体、有机和新兴污染物等含量高，微生物种类、数量丰富；纳滤浓水和膜化学清洗液水质成分复杂，回用会造成污染物死端循环，上述污染物排放到环境中，存在一定的风险。

3 生产废水的处理技术

对于饮用水厂常规处理产生的生产废水回用和处理技术研究，对深度处理产生的生产废水具有一定意义。常用的废水处理技术可分为三大类：基于沉淀、气浮及过滤的常规处理技术，膜处理技术以及针对膜清洗液的特殊处理。

3.1 常规处理技术

常规处理技术针对水质较差的生产废水，除沉淀、砂滤阶段的生产废水外，深度处理中主要为上向流炭滤池的冲洗水和冲洗间隔较长的超滤冲洗水。应用较多的技术包括混凝-沉淀、气浮以及颗粒床过滤等常规处理技术。混凝-沉淀技术仍是最常用的生产废水处理技术，将生产废水收集到浓缩池，混凝沉淀后将上清液进行排放或回用。需要注意的是，回用时不建议添加有机絮凝剂和阴阳离子聚合物进行助凝；上清液根据一定比例均匀与原水混合，继而回到产水环节中。通过回用一定比例的生产废水，可以起到强化混凝的作用，有利于水厂减少混凝剂投加量［31］。混凝-沉淀法所需构筑物一次性投资、运行费用较低。但混凝工艺对小分子有机物，溶解性污染物和微生物的去除能力较弱［32］。废水回用会将这些污染物重新送入产水环节中，单纯的混凝-沉淀很难达到废水回用处理要求。

气浮法是使悬浮物附着气泡上升到水面，从而分离水和悬浮物的处理方法。气浮工艺对密度低的颗粒物和藻类有较好的去除效果，对混凝剂投加量、水质变化的适应能力较强，出水水质稳定，如天津芥园水厂采用加压气浮工艺对排泥水处理系统进行改造［33］。但气浮工艺设备复杂，设备运行过程控制参数多，维护费用高，电能消耗大，操作复杂，一次性投资高，对微生物去除效果较差。

颗粒床过滤是一种深层过滤技术，主要用于去除水中的悬浮物、胶体和微生物，对于有机物含量高、沉降性能差的高藻期生产废水是一种有效的回用处理技术。已有研究表明，流化床出水浊度<10NTU，达到了生活饮用水水源水质标准的二级标准［34］。对于高浊度的生产废水需要先澄清再进入滤池进行处理以避免堵塞颗粒床，缩短过滤周期。对于水质较好的生产废水则无需澄清。颗粒床滤池本身需要反冲洗，增加了工艺复杂性，降低了生产废水的回收率。

3.2 膜处理技术

膜处理工艺可以实现生产废水回用，同时提升水厂废水回用的安全性。重力流活性炭滤池生产废水和部分膜冲洗水水质较好，不需采用常规处理技术，对这部分废水可以通过膜处理技术进行处理后回用。直接对生产废水进行膜处理负荷较大，需要频繁进行反冲洗，能耗较高。在膜处理单元前对废水有必要进行预处理，防止膜污染，提高水厂整体产水率，主要预处理工艺有混凝、炭吸附和臭氧氧化等。

混凝-膜处理工艺，不仅能显著的降低反洗水的浊度，还可以有效去除反洗水中的有机物和微生物。混凝工艺对大分子有机物有较强的去除作用，同时膜附近的浓差极化区和膜面形成的泥饼层对小分子有机物具有截留作用，加上膜处理池中混凝剂水解絮凝产物对有机物仍然有吸附作用，使得出水DOC、UV254、THMFP 浓度进一步降低，对水中类腐殖酸、类色氨酸有机物及大分子有机物和疏水性有机物实现有效控制。混凝-膜处理工艺所需占地面积小，出水水质稳定，可根据进水水质调节参数控制出水。但由于微滤或超滤膜对水中有机物、氨氮和藻源性有机物几乎无去除能力，为防止回用过程中的有害物的富集，在原水有机物、氨氮和藻含量较高时需采取其它预处理技术。

混凝-粉末活性炭-膜处理工艺是在混凝-膜处理工艺上的改进，在混凝工艺去除大分子有机物之后，利用粉末活性炭（PAC）依靠物理和化学性能使得有机物在其表面和孔隙内部吸附，对消毒副产物前体物去除效率较高［36］。混凝-PAC 膜处理工艺将膜反洗水中的污染物转移至固相，混凝沉淀产生的絮体和吸附了有机物的 PAC作为污泥排出系统，预处理出水回流至调节池与原水混合，避免了新建回收系统的高成本、管理复杂问题，又避免了直接回流时造成的原水污染加剧。

混凝-臭氧-超滤也是较为合适的对生产废水的回用处理方法。臭氧投加后，可以对微生物进行氧化灭活，使膜前废水中的微生物含量进一步降低［14］，保证超滤膜后出水微生物各项指标的安全性。

综上，不同的预处理工艺对废水处理效果不同，不同的膜前预处理技术具有不同的特点，如表 1 所示，水厂可根据水质状况、经济条件等采取合适的处理技术。

3.3 特殊处理

膜处理单元的化学清洗液、纳滤的浓水等废水经过常规、膜处理之后很难达到出水水质要求，可根据水质特性对水中的污染物进行针对性去除。化学清洗液根据使用的化学清洗剂，清洗废液的特性不同，可以通过投加药剂去除，也可考虑酸碱废水中和处理，以“废”治“废”。

4 结语与展望

随着国家饮用水水质标准的提升，深度处理生产废水回用或排放受到更多关注。对深度处理工艺生产废水开展研究，既有利于工艺的优化运行，又有利于水资源的可持续性利用和环境保护。我国饮用水厂生产废水的回用应该从对常规生产废水的研究，转化到对臭氧-活性炭和膜处理深度工艺的生产废水研究上来，并落实生产废水处理与回用系统建设，确保废水回用的安全性。饮用水厂深度处理生产废水主要包括悬浮固体、微生物、有机物、内源性污染物以及膜处理浓缩的污染物等，结合饮用水厂全流程，加强生产废水水质的监测和分析，开展安全评价。同时，饮用水厂生产废水的处理与回用应充分考虑其经济性和技术的可靠性，针对具体情况选择合适的处理工艺，建立完善我国饮用水厂生产废水回用标准势在必行。

原标题：饮用水厂中深度处理工艺生产废水研究

原作者：孙天晓，唐海华，周叶，唐玉霖

上一篇：生物膜系统处理焦化废水的研究

下一篇：基于化工污水处理中膜技术的应用

咨询服务电话：13793114545

咨询服务电话：
13793114545