微汙染物 未來汙水處理發展的方向?

2020-12-08 中國水網

在中國，已有約158種PPCPs在河流及湖泊等天然水環境中被調查研究，被報導次數最多的前10種物質均為抗生素。隨著分析技術的發展與進步，將有越來越多的微汙染物引起關注，但目前依然缺乏統一的排放控制標準和環境質量標準，也缺少相關法律和國際公約的制約。未來的中國城市汙水處理向著什麼方向發展是一個令人深思的問題。小編帶您看國內外微量汙染物的檢出現狀以及典型工程案例~

微汙染物檢出概況

最近十年來，在不同國家和地區的水體、土壤、汙水和汙泥等中都檢測到了ng/L到μg/L水平的藥品和PPCPs。微汙染物的大量檢出是由於工業化學品、家庭個人護理品以及農藥的廣泛使用，並通過不同的途徑進入到自然水體當中。

在中國，已有約158種PPCPs在河流及湖泊等天然水環境中被調查研究，被報導次數最多的前10種物質均為抗生素。

微汙染物特性

積累性

與傳統性有機物不同，部分微汙染物的化學性質非常穩定,進入自然環境之後需要上千年甚至上萬年的時間才能分解。這些物質會在人和動物體內積累,並通過食物鏈傳播、富集,最終導致生物體組織慢性中毒。

偽持久性

部分微汙染物的穩定性不高，易降解，但因為汙染源會持續輸入水體，因此會在水裡維持一定的濃度，被稱為「偽持久」。有些微汙染物在降解的過程中，會生成中間產物，這些中間產物相對穩定，且與母體結構非常相似,通常為多點極性物質,溶解性強,更容易進入自然水體。中間產物通常還會與母體化合物結合,進而可能導致水生生態環境整體毒性提高。

傳統汙水處理工藝中微汙染物的去除機理

吸附

吸附指的是先通過物理方法或生物方法將微汙染物吸附在TSS上，再通過沉澱和過濾工藝將吸附了微汙染物的TSS去除。吸附量可以通過Freundlich吸附模型來計算，吸附量與吸附常數、汙泥產量和被吸附物質的濃度有關。

曝氣吹脫

曝氣吹脫法不適用於體積較大、親脂性或者低揮發極性化合物。吹脫效率只與亨利常數和氣流有關。

生物降解與轉移

生物降解是指環境中的微生物有機體在新陳代謝作用或酶促作用下，發生化學結構的改變。生物轉移是指在生物體或者酶製劑的介導作用下，物質發生化學性轉換的過程。

在汙水處理廠不同的工藝段中，由於環境因素不同，微汙染物本身的化學結構差異，發生生物降解和生物轉移的反應與機理也有較大差別。

微汙染物的控制技術與措施

臭氧氧化

臭氧氧化是利用臭氧的強氧化作用來降解微汙染物。

臭氧還具有很強的消毒能力，消毒效果甚至可以達到歐盟的相關水質指標。另外，在臭氧氧化工藝中要注意亞硝酸鹽，亞硝酸鹽會快速與臭氧發生反應消耗量為3.4gO3/gNO-2-N，這將會無形中增加臭氧的投加量。

活性炭吸附

活性炭吸附通常採用顆粒活性炭或者粉末活性炭。在常規汙水處理廠工藝中，下向流顆粒活性炭過濾器通常置於二沉池之後。如果採用粉末活性炭，則可將其投加在過濾區的絮凝池內，或者直接投加在曝氣區。

粉末活性炭的投加方式有3種，如圖2~圖4所示。

3種投加方式雖然PAC的投加點不同，並且後續處理工藝不同，但都可以實現微汙染物吸附去除的目的。

近年來，由於顆粒活性炭再生成本降低，對GAC的研究也越來越多。從目前的研究成果來看，這項技術是極其有前景的，但是還不足以付諸工程設計。

能耗

不同技術的能耗分析見表1、表2。

臭氧氧化最大的能耗在於臭氧製備，而臭氧製備量又取決於臭氧濃度，臭氧濃度則取決於待去除微汙染物的種類和濃度以及所希望達到的去除率。區別不同的臭氧發生方式是很有必要的，比如輸送液態氧就比原地製備純氧要更加經濟。

顆粒活性炭最大的能耗在於濾柱本身的壓力損失，以及預過濾和反衝洗的能耗。粉末活性炭最大的能耗在於活性炭的投加、攪拌以及循環。粉末活性炭工藝中，將產生較大量的汙泥需要處理，隨著汙泥中炭比例逐漸提高，汙泥的熱值也會隨之升高，所以在汙泥焚燒時，就必須消耗更多的能量。

不同工藝都存在的一個能耗點就是水泵類的提升設備。

以相同去除率為前提，臭氧氧化的一次能源消耗要低於活性炭吸附，但是臭氧製備所消耗的電能會增加水廠總能耗20%～40%。

隨著水廠的規模增大，單位水量處理費用將呈現下降趨勢，並且活性炭吸附工藝的處理費用下降要比臭氧氧化工藝更加快速。

案例介紹

瑞士克洛滕汙水處理廠

從2008~2010年期間，科研人員在瑞士蘇黎世州附近的克洛滕汙水處理廠進行中試，科研人員將粉末活性炭投加在絮凝池內，並加入絮凝劑，出水直接進入砂濾池，砂濾池的反衝洗水回流到生物段。2013~2015年科研人員還在瑞士錫薩赫州的埃爾戈茨汙水處理廠進行了為期2年的大規模生產性試驗。

試驗結果表明，活性炭吸附與砂濾工藝的結合在除磷、削減TSS和濁度方面，都優於單純的砂濾工藝。並且，該結合工藝雖然省去了沉澱池，但是對大部分微汙染物的去除率依然可以達到80%以上，也有個別微汙染物的去除率略低，比如丙酸和磺胺甲惡唑。

這兩個水廠的試驗結果驗證了省去沉澱工藝，只採用吸附和過濾工藝，依然可以實現較高的微汙染物去除率，並且可以節省投資費用。

德國Schwerte汙水處理廠

德國魯爾協會的ThomasGrunebaum博士對德國Schwerte汙水處理廠進行了微汙染物去除試驗。Schwerte汙水處理廠的處理水量為1萬m³/d，設計最大進水流速為640L/s，旱季平均流速為110L/s。對比試驗設有兩條工藝路線，路線一採用傳統生物處理工藝，路線二採用生物處理工藝後加設臭氧氧化工藝和活性炭吸附工藝。

活性炭工藝段設有3座反應器，每個反應器的容積為150m³，活性炭投加方式採用水噴射泵。PAC回流至生物反應區可以提高PAC的停留時間，進而有效提高PAC對微汙染物的吸附量。

臭氧氧化工藝段設有6個反應器，每個反應器的容積為32m³，其中1、3、5為臭氧氧化反應器，2、4、6為臭氧反應後的脫氣塔。試驗結果表明，臭氧投加量與反應時間的設定主要取決於微汙染物本身，雙氯酚酸等易被氧化降解的微汙染物在臭氧投加量為3mg/L，反應時間為20min時，就可以被大量去除。而除了微汙染物本身的性質以外，臭氧投加量和反應時間還與期望達到的出水濃度以及進水DOC濃度有關。

總之，對比試驗結果表明，臭氧氧化去除能力低於活性炭吸附去除能力，一方面是因為在側流反應中，臭氧氧化效果始終受限於側流水量的循環率；另一方面是活性炭可以循環至活性汙泥反應區，進一步提高活性炭的負荷，從而達到更高的吸附去除率。


編輯：李丹

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