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日志

 
 

德国污水厂的四级处理——微污染有机物质控制技术的现状和展望  

2016-03-02 22:40:44|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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发布日期:2016-03-02  来源:中国给水排水 

越来越多的有机微污染物在河流、湖泊,甚至地下水中被检出,其中包括:

农药残留物质、激素和抗菌素物质

微塑料物质,主要是化妆品内的细微颗粒塑料物质

这些物质虽然浓度很低,但毒性很大。长期饮用含有这些物质的自来水,会对身体健康造成危害。

污水处理厂的出水中含有许多有机微污染物质和微塑料物质,这是因为现在普通市政污水厂工艺中,都还没有专门处理此类物质的工艺和技术设备。在普通市政污水处理厂通过活性污泥吸附、生物降解或者生物转移作用等虽然也能去除一部分微污染物质,但在处理后的出水中仍然存在微塑料物质、农药残留、激素及其他有机微污染物,这些物质进入受纳水体后仍然可能引发水生态系统的问题,甚至影响到供水系统。

在一般情况下,大型市政污水处理厂处理工艺主要由机械处理、生物处理和化学处理三部分组成,必须额外引入四级处理系统才能有效去除污水中的微污染有机物质。从目前已有的研究和工程经验表明,在进行四级处理时还有可能同时将污水中的微塑料物质(microplastics)分离去除。

1 技术措施

在实施四级处理工艺时,可以采用各种不同的处理工艺技术,如臭氧工艺、膜分离工艺、物理吸附工艺和生物降解工艺等。具体选择何种工艺,主要考虑这些微量物质的分子构造和结构、极性/亲水性能、吸附性能和分解性能、抵抗性能等。

1.1 臭氧处理

臭氧处理 (见图 1) 是指采用臭氧对污水中的物质进行氧化处理, 属于最为经济有效的四级处理工艺。通过注射或扩散输入O3分子来达到消除污染物质的目的。

有效采用臭氧处理工艺的前提条件是进水中其他背景有机污染物质的浓度应尽可能低。这样臭氧可以在不受干扰的情况下直接和微污染有机物质进行反应。

一方面臭氧直接有选择性地和水中无机/有机物质进行反应 ,另一方面间接和H2O 反应,生成羟基自由基(OH),然后和水中各种成分进行反应。这一处理过程不会使被氧化物质形成无机物质,多数情况下只是物质结构发生了改变,形成了新的中间物质,即所谓的代谢物质, 这些物质对周围环境的影响尚不清楚。正是出于这一原因,许多地方要求在臭氧之后增加后续处理工艺,对这些代谢物质进行分解处理 (例如砂滤、生物氧化塘、循环流动)。

对于微塑料物质来说,考虑到停留时间很短,估计臭氧处理效率很低。只有后续安装长有生物膜的砂滤装置,才有可能截留或分解这些微塑料物质。 在实际工程中,所采用的臭氧浓度为 5~10mg/L,反应时间为 15~30min。

图 1 带有臭氧处理的市政污水处理厂工艺流程

1.2 膜分离法

对于膜法来说,还可以细分成微滤膜、超滤膜、纳滤膜以及反渗透膜。与其它方法相比,微滤膜和超滤膜的处理效果不是很理想。虽然纳滤膜和反渗透膜能够提供满意的出水水质,但运转成本很高。

1.3 吸附处理

与膜法和臭氧法相比,活性炭吸附应用十分广泛。这些活性炭以颗粒形式放置在一个过滤床 (吸附剂) 内,或者多数情况下将粉末活性炭直接投入污水中并进行混合搅拌处理。

与臭氧处理一样,有效处理的前提条件是进水中其他背景有机污染物质的浓度应尽可能低。这样臭氧可以在不受干扰情况下直接和微污染有机物质进行反应。

活性炭具有多孔隙结构和很高的比表面积,可以吸附大量有害物质。一般估计还能够有效处理微塑料物质,因为活性炭内部所含有静电吸引力能够影响固体物质并进行吸附处理。

图 2 活性炭物理吸附工艺

与臭氧处理相比,活性炭吸附的优点是不会产生中间代谢物质。如果后续安装其他处理工艺,例如采用砂滤或布袋过滤装置,则可以将携带微量有机污染物质的活性炭截留取出, 但因为这些含有活性炭的市政污水含有有害物质,不能农用,只能焚烧处置。采用活性炭工艺的另一优点是可以额外消除 COD、 SS和总磷。对微污染有机物质的去除率平均为 70%,其处理效果和臭氧工艺差不多。

来自工程的运转数据显示,单位粉末活性炭的浓度用量为 10 ~20mg/L,反应停留时间为20 ~30min。

图 3 带有粉末活性炭吸附的市政污水处理厂工艺流程

1.4 生物降解

四级处理阶段的生物处理工艺(例如,污水氧化塘、植物污水处理厂、砂滤装置、生物过滤装置)尚未被充分研究。理论上,采用微生物可以对这些问题物质进行生物降解处理,并将这些微污染物质转化成中间产品和结合物。与臭氧处理一样,此时会产生一些性质不清楚的代谢物质。总体来说,每一处理工艺的适用性和费用与每个市政污水厂的污水性质、所要求的处理效率和构筑物规模有关。

因此,这里还无法推荐或描述一个典型的处理工艺或工艺结合体;只能根据每个市政污水厂的具体情况选择有效的微污染物质处理工艺。

2 处理费用

以德国 Greven 市政污水厂为例,说明投资费用和运转费用如下:污水厂规模是 78500 人口当量 (德国污水厂规模等级4) 。在所进行的可行性研究报告中,投资费用和运转费用见下表:

根据德国环保局的统计(UBA 2015),如果将四级处理阶段所产生的额外年费用分摊到排污费内,则单位处理费用会增加 0.05 ~ 0.19 ?/m3 或者 6 ~ 16 ?/(人?年)。 这相当于增加处理费用2%~ 10%。

为了推广这一技术,德国许多地方开始实施补贴政策。举例来说,在德国Nordrhein-Westfalen州, 目前如果在市政污水处理厂内提早安装配置四级处理装置,则在总投资费用中可以申请获得 70%~ 80% 的政府补贴。这一补贴政策将持续进行,直到德国法律今后正式规定要求市政污水处理厂必须配置四级处理系统,消除微污染有机物质。

目前Nordrhein-Westfalen州正在进行可行性研究,调查在所有市政污水处理厂内进行装置升级改造的可能性。

3 法律和技术应用情况

根据目前的研究可知,这些微量污染有机物质对于水生态环境和饮用水源会产生很大危害。这些微量物质主要是存留在水中的一些药物残留物质、激素物质、X射线造影剂和类似具有有害作用的微量物质。

但从法律角度来看,德国或欧盟对市政污水处理厂还没有做出规定, 对污水厂出水中的 微污染有机物质制定排放标准或限制程度。

尽管如此,瑞士准备最晚至2031年在17年内分步将大约 50%的市政污水厂都进行四级处理。在德国Baden-Württemberg州,大约有20个市政污水处理厂已经建造配置了四级处理系统,所采用的处理工艺几乎都是活性炭吸附(见图 4)。

图4 德国Baden-Württemberg州内已建造四级处理系统的污水处理厂

根据德国Nordrhein-Westfale州的微污染处理中心提供的信息,在2020年底该州所有大型市政污水处理厂都将建造配置四级处理装置。届时,根据污水处理规范,四级处理和相应的监视参数将成为大面积推广使用的标准技术。在进行类似装置的安装配置时,州政府允许污水处理厂提高污水处理收费标准,用于补偿设备投资。

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