第四节　城市污水回用深度处理工艺

一、概述

1.城市污水二级处理出水水质

表1-2是我国城镇污水处理厂的出水水质标准［《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918—2002）］。城市污水经传统二级处理后，虽然绝大部分悬浮固体和有机物被去除，但还残留有难生物降解有机物、氮和磷的化合物、不可沉淀的固体颗粒、致病微生物以及无机盐等污染物质。污水厂二级处理出水常含BOD520～30mg/L、CODCr40～100mg/L、SS20～30mg/L、NH3-N15～25mg/L、P1～3mg/L。含有这些污染物质的水如大量排放湖泊、水库等缓流水体会导致水体的富营养化。如果排放到具有较高经济价值的水体，如养鱼水体，会使该水体遭到破坏，更不适宜回用。

注：除pH值外，其余单位为mg/L。pH值、悬浮物、生化需氧量和化学需氧量的标准值是指24h定时均量混合水样的检测值；其他项目的标准值为季均值。

2.污水深度处理的对象和技术

为达到回用或排放的目的，二级处理出水必须进一步进行深度处理。深度处理的去除对象和采用的主要处理技术见表1-3。

二、悬浮物的去除

1.必要性

污水中含有悬浮物，其粒径从数十毫米到一微米以下的胶体颗粒是多种多样的。经二级处理后，在处理水中残留的悬浮物是粒径从数毫米到十微米的生物絮凝体和未被凝聚的胶体颗粒。这些颗粒几乎全部都是有机性的，二级处理水BOD5值的50％～80％都来源于这些颗粒。为了提高二级处理水的稳定度，去除这些颗粒是非常必要的。此外，对二级处理水进行以回用为目的的深度处理，如去除溶解性有机物以及以排放缓流水体为目的的脱氮除磷工艺时，去除残留悬浮物是提高深度处理和脱氮除磷效果的必要条件。

2.去除悬浮物的方法

去除二级处理水中的悬浮物采用的处理技术要根据悬浮物的状态和粒径而定。粒径在1μm以上的颗粒，一般采用过滤去除；粒径从几十纳米到几十微米的颗粒，采用微滤机一类的设备去除；粒径在零点几纳米至100nm的颗粒，应采用去除溶解性盐类的反渗透法加以去除；呈胶体状态的粒子，采用混凝沉淀法去除。

（1）混凝沉淀　是污水深度处理常用的一种技术，其去除的对象是二级处理水中呈胶体和微小悬浮状态的有机和无机污染物，从表观而言，就是去除污水的色度和浑浊度。混凝沉淀还可以去除污水中某些溶解性的物质，如砷、汞等，也能有效地去除能够导致缓流水体富营养化的氮、磷等。

（2）过滤　在污水深度处理技术中，过滤是得到最普遍应用的一种技术，是产生高质量出水的一个关键。二级处理水过滤的主要去除对象是生物处理残留的生物污泥絮体，设计时应注意以下3点。

①一般不需投加药剂。滤后水SS值可达10mg/L，COD去除率可达10％～30％。对于胶体污染物，由于难以通过过滤法去除，应考虑投加一定的药剂。如处理水中含有溶解性有机物，则应考虑采用活性炭吸附法去除。

②反冲洗困难。二级处理水中的悬浮物多是生物絮体，在滤料层表面易形成一层滤膜，致使水头损失迅速上升，过滤周期大为缩短。絮体贴在滤料表面，不易脱离，因此需要辅助冲洗，即加气表面冲洗或用气水共同反冲洗。

③滤料应适当加大粒径，以加大单位体积滤料的截污量。

三、难降解有机物的去除

1.必要性

有效的二级处理过程，主要去除污水中所有可生物降解的有机物质，其去除率一般为90％左右。难以生物降解的有机物在二级处理过程中一般不能被去除。这些有机物可能产生下列危害：

①使下游城市的给水产生臭味；

②使出水带色而不适于多种回用；

③使受纳水体玷污，不宜供娱乐之用；

④使受纳水体中的鱼有异味，不宜食用；

⑤使受纳水体产生泡沫；

⑥可能通过下游给水厂，与投加的消毒剂（尤其是氯）反应形成一些对用水居民有长期生理影响的化合物。

为了消除这些危害，有效地去除二级处理水中的难降解有机物是很必要的。

2.难降解有机物的去除方法

二级处理水中的难降解有机物多为丹宁、木质素、黑腐酸、醚类、多环芳烃、联苯胺、卤代甲烷、甲基蓝活性物质（MBAS）、除草剂和杀虫剂如滴滴涕等，对这些物质的去除，至今尚无比较成熟的处理技术。当前，从经济合理和技术可行方面考虑，采用活性炭吸附和臭氧氧化法是适宜的。

（1）活性炭吸附　活性炭是以含碳为主的物质作为原料，经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂。活性炭含有大量微孔，具有巨大的比表面积，对于污水中一些难去除的物质，如表面活性剂、酚、农药、染料、难生物降解有机物和重金属离子等具有较高的处理效率。为了避免活性炭层被悬浮物所堵塞或活性炭表面被胶体污染物所覆盖使活性炭的吸附功能降低，二级处理水在用活性炭进行处理前，需进行一定程度的预处理。采用的前处理技术主要是过滤和以石灰或铁盐为混凝剂的混凝沉淀。

（2）臭氧氧化法　作为深度处理技术，臭氧对二级处理水进行以回用为目的的处理，其主要作用有以下3项。

①去除污水中残存的有机物。臭氧能够氧化的有机物有蛋白质、氨基酸、木质素、腐殖酸、链式不饱和化合物和氰化物等。

②脱除污水的着色。为了提高脱色效果，应考虑以砂滤作为前处理技术。

③杀菌消毒。如欲提高处理效果，应考虑以砂滤去除悬浮物为前处理的技术措施。

四、溶解性无机盐的去除

1.必要性

回用水中如含有溶解性无机盐类物质可能产生下列问题：

①金属材料与含有大量溶解性无机盐类的污水相接触，可能产生腐蚀作用；

②溶解度较低的钙盐和镁盐从水中析出，附着在器壁上，形成水垢；

③还原，产生硫化氢，放出臭气；

④灌溉用水中含有盐类物质，对土壤结构不利，影响农业生产。

因此，含有大量溶解性无机盐类物质的污水，由于仅通过二级处理技术是不可能去除的，在回用前应进行脱盐处理。

2.脱盐技术

在以回用为目的的污水深度处理中，常用的脱盐技术主要有离子交换法和膜分离法。

（1）离子交换法　离子交换法是通过离子交换剂上的离子与水中离子交换以去除水中阴离子或者阳离子的方法。在城市污水深度处理中它是一种主要的处理技术。离子交换法脱盐处理主要是以含盐浓度为100～300mg/L的污水作为对象的。含高盐浓度的污水也可以考虑用离子交换法进行处理。由于树脂的交换容量所限，只能用于小水量，而且需要进行频繁的再生处理。因此，设备费、再生药剂费都较高。从经济角度来看，用离子交换法脱盐，污水含盐量不宜超过500mg/L。

（2）膜分离法　膜分离法是利用特殊膜（离子交换膜、半透膜）的选择透过性，对溶剂（通常是水）中的溶质或微粒进行分离或浓缩的方法的统称。溶质通过膜的过程称为渗析，溶剂通过膜的过程称为渗透。膜分离技术由于在分离过程中不发生相变，具有较高的能量转化率及分离率，且可在常温下进行，因而在实际中得到了广泛的应用。

根据溶质或溶剂透过膜的推动力不同，膜分离法可分为以下三类。

①以电动势为推动力的方法——电渗析和电渗透。

②以浓度差为推动力的方法——扩散渗析和自然渗透。

③以压力差为推动力的方法——压渗析、反渗透、超滤、微滤和纳滤。

在污水深度处理中，常用的膜分离设备有5种。

①微滤器（MF）。膜孔径>0.1～0.5μm，工作压力为300kPa左右。可用于分离污水中较细小的颗粒物质（<15μm）和粗分散相油珠等或作为其他处理工艺的预处理，如用做反渗透设备的预处理，去除悬浮物质、BOD5和COD成分，减轻反渗透负荷，使其运行稳定。

②超滤器（UF）。膜孔径0.01～0.1μm，工作压力为150～700kPa。超滤器可分离污水中细小颗粒物质（<10μm）和乳化油等；回收有用物质（如从电镀涂料废液中回收涂料，从化纤工业中回收聚乙烯醇）；在用于污水深度处理时，可去除大分子与胶态有机物质、病毒和细菌等；或者作为反渗透设备的预处理，去除悬浮物质、BOD5和COD成分，减轻反渗透的负荷，使其运行稳定。

③纳滤器（NF）。膜孔径0.001～0.01μn，操作压力为500～1000kPa。纳滤器可截留相对分子质量为200～500的有机化合物，主要用于分离污水中多价离子和色度粒子，可除去二级出水中2/3的盐度、4/5的硬度以及超过90％的溶解有机碳和THM前体物。纳滤进水要求几乎不含浊度，故仅适用于经砂滤、微滤甚至超滤作为预处理的水质。

④反渗透（RO）。膜孔径<0.001μm，操作压力>1.0MPa。反渗透不仅可以除去盐类和离子状态的其他物质，还可以除去有机物质、胶体、细菌和病毒。反渗透对城市二级处理出水的脱盐率达到90％以上，水的回收率为75％左右，COD、BOD去除率在85％以上，反渗透对含氮化合物、氯化物和磷也有良好的脱除性能。为防止膜堵塞，二级处理出水通常采用过滤和活性炭吸附等预处理工艺。为了减小结垢的危险，有时需要去除铁、锰等。

⑤电渗析（ED）。适合于含盐量在500～4000mg/L的高盐浓度水处理，能够去除水中呈离子化的无机盐类，对二级处理水可考虑不予前处理，比反渗透处理工艺要简单些。通过一次电渗析工艺处理，污水的脱盐率可达20％～50％，如欲取得更高的脱盐率，则需要采用多级串联式系统或序批循环式系统、部分循环系统等。以城市污水二级处理水为对象，水回收率可达90％。

五、污水的消毒处理

污水经二级处理后，水质大大改善，细菌含量也大幅度减少，但细菌的绝对值仍很可观，并存在有病原菌的可能。为确保公共卫生安全，常规污水处理厂一定要对二级处理后的出水进行消毒，尤其对于回用水来说，必须符合回用水细菌数量的标准。

六、氮、磷的去除

1.氮、磷对污水再生利用的影响

污水的再生利用往往离不开脱氮除磷技术，这是因为传统的城市污水二级生物处理技术，旨在降低污水中以BOD5、COD综合指标表示的含碳有机物和悬浮固体的浓度，对于氮、磷只能去除细菌细胞由于生理上的需要而摄取的数量。通常，二级处理后氮的去除率只有20％～40％，磷的去除率仅为10％～30％，大多数的氮、磷尚未去除。氮、磷含量较高的再生污水回用于城市水体、工业用水或市政杂用水时将造成以下危害。

①氮和磷是藻类和水生植物的营养源，会造成城市水体的富营养化，有损水体外观，降低旅游价值。

②回用水中的氮、磷会导致生物黏膜在输水管道、用水设备表面的过量增殖，从而造成堵塞或影响效率。

③氨氮的氧化会造成水体中溶解氧浓度的降低和碱度的消耗。

④氨氮能与氯反应生成氯胺，因此会增加消毒所需的投氯量，提高水处理成本。

⑤氨对铜有腐蚀性，若用含一定浓度氨氮的再生水作为冷却水回用时，对以铜为主要材料的冷却设备有腐蚀作用。

因此，当城市污水作为城市第二水源开发时，对于某些回用对象，必须对氮和磷的含量加以控制。

2.脱氮工艺

污水脱氮方法一般可分为化学法（如氨吹脱法、折点加氯法和离子交换法等）和生物法两大类。各种脱氮工艺的原理及特点见表1-4。

3.除磷工艺

除磷方法一般可分为化学法和生物法两大类。各种除磷工艺的原理及特点见表1-5。

七、同步脱氮除磷系统

为了达到在一个处理系统中同时去除氮和磷的目的，近年来各种脱氮除磷工艺应运而生，主要有氧化沟工艺、A2O工艺、巴顿甫（Barden-pho）脱氮除磷工艺、UCT工艺和SBR工艺等。

八、城市污水回用深度处理的工艺选择与组合

由于污水成分的复杂性及回用水质的要求不同，污水回用处理工艺也千差万别。城市污水深度处理的基本单元技术有混凝（化学除磷）、沉淀（澄清、气浮）、过滤、消毒。对水质要求更高时采用的深度处理单元技术有活性炭吸附、臭氧氧化、离子交换、膜分离技术、脱氮除磷技术等。

城市污水深度处理工艺方案（某种单元过程或单元组合）的优化选择，取决于：①二级出水水质及回用水水质的要求；②工程设计规模；③单元工艺可行性与整体流程的适应性；④运行控制难度、设备国产化程度、固体与气体废物产生与处置方法；⑤工程投资与运行成本；⑥当地的实际条件和要求。工艺流程最好通过实验室试验确定，并借鉴国内外已成功运行的经验，避免出现技术偏差。

《污水再生利用工程设计规范》（GB/T 50335—2002）给出了深度处理单元技术的处理效率和目标水质，见表1-6、表1-7。