付飛宇，劉漢湖

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州，221116)

摘  要：加快推動再生水利用，對緩解水資源緊缺矛盾，保障城市經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義，是實現(xiàn)水資源可持續(xù)開發(fā)與保護的必然要求，是全面推進生態(tài)文明建設(shè)的重要支撐。某污水處理廠執(zhí)行的是《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中的一級A標準，為達到再生水回用目的。進行深度處理技術(shù)對比，選取混凝氣浮工藝，在實驗室中進行使用復(fù)配混凝劑進行混凝氣浮加上超濾膜的膜過濾對一級A尾水的深度處理能力的研究。以及明確混凝氣浮和超濾工藝對達到地表水Ⅲ類水質(zhì)標準的可行性和操作方法。使用響應(yīng)曲面法研究不同用途水質(zhì)要求下的最優(yōu)組合工藝參數(shù)。對龍湖污水處理廠深度處理一級A尾水的工藝提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：再生水；深度處理；混凝劑；混凝-氣浮；超濾

1 緒論

水資源是國民經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展不可或缺的自然資源，它的存在關(guān)乎人類的生存，關(guān)乎社會的穩(wěn)定。隨著快速的城市化和工業(yè)化，我國在自身經(jīng)濟發(fā)展的過程中不斷面臨著水資源緊缺、水污染嚴重以及區(qū)域分布不均等問題。

水利部門預(yù)測到2030年，我國總?cè)彼繉⑦_到400~500億m³，人均水資源占有量將不足1760m³，超過世界公認的缺水警戒線。《中國環(huán)境狀態(tài)公報》數(shù)據(jù)顯示，2021年以地下水為對象的6124個水質(zhì)監(jiān)測點中，超過60%的地下水水質(zhì)較差；城鎮(zhèn)化高速發(fā)展加之人口迅速增長使本就稀缺的水資源面臨水質(zhì)進一步惡化。同時，受我國特殊地理環(huán)境及氣候的影響，我國各區(qū)域水資源分布極不均衡，長江流域及其以南地區(qū)人口占全國人口總數(shù)的54%，其水資源總量也非常豐富，占全國水資源總量的81%；西北部地區(qū)人口占全國人口總數(shù)的46%，而水資源卻十分緊張，其比例僅占全國水資源總量的19%。據(jù)統(tǒng)計，我國每年近2300億元的城市工業(yè)生產(chǎn)總值受到城市缺水的影響，因廢水污染事故造成的經(jīng)濟損失約377億元，可見，水生態(tài)失調(diào)已經(jīng)制約了我國城市經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。

我國再生水回用起步較晚，直到20世紀80年代末，再生水回用研究和實踐才開始逐步推動。

再生水具有水源穩(wěn)定、水質(zhì)達標、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，能有效緩解缺水地區(qū)的水危機。在減少污水、廢水等污染物排放的同時，再生水對改善水生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)起到了積極作用，已經(jīng)成為一種可靠的替代水源。目前，再生水在世界各國得到了廣泛利用，主要包括城市河湖景觀環(huán)境、市政雜用、地下水源補給、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)以及居民日常生活用水等方面。

2 再生水回用

2.1再生水回用用途及水資源利用現(xiàn)狀

再生水具有水源穩(wěn)定、水質(zhì)達標、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，能有效緩解缺水地區(qū)的水危機。在減少污水、廢水等污染物排放的同時，再生水對改善水生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)起到了積極作用，已經(jīng)成為一種可靠的替代水源。目前，再生水在世界各國得到了廣泛利用，主要包括城市河湖景觀環(huán)境、市政雜用、地下水源補給、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)以及居民日常生活用水等方面。

由于世界各地的水資源分配不盡相同，使得國外對于再生水的利用情況也不盡相同。美國再生水的主要用途包括農(nóng)業(yè)灌溉、景觀灌溉、工業(yè)回用、地下水回灌以及娛樂環(huán)境用水^[1]。其中，灌溉用水占總回用量的60%，工業(yè)用水占總用水量的30%左右，城市生活等其他方面的回用水量大約在10%。再生水的處理流程大致為：污水通過二級和二級強化處理后再經(jīng)過包括微濾、活性炭吸附、反滲透和消毒等環(huán)節(jié)的高級處理，水質(zhì)達到飲用水標準。

日本于1962年開始利用再生水。1980年開始以東京為首的再生水利用設(shè)施迅速發(fā)展，東京利用Tamajyo污水處理廠的再生水補給郊外Nobidome河生態(tài)用水，在滿足河道景觀用水要求的同時很好地恢復(fù)了河道水生態(tài)系統(tǒng)^[3]。1985-1996年間，日本利用再生水作為150多條缺水河道的景觀用水，改善了河道的景觀水體功能。1983年3月，日本再生水利用項目達到473個，總利用量約66萬m³/d。之后，日本平均每年建設(shè)130處再生水利用工程。1993年，全國已有1963套再生水利用設(shè)施投入使用，再生水利用量達27.7萬m³/d，占全國總用水量的0.7%。1996年，全國再生水利用設(shè)施達2100套，利用水量達32.4萬m³/d，占全國總用水量的0.8%，其中41%為工業(yè)用水、32%為河湖景觀環(huán)境用水、8%為農(nóng)業(yè)灌溉用水。目前，日本年生活用水量達157億m³，年污水處理量為143億m³，處理率在90%以上；每年再生水回用約2.0億m³，主要用于缺水城市中的河道補水、景觀用水、融雪用水、沖廁用水、道路和綠地噴灑用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水。

我國再生水利用的法規(guī)制度不斷完善，分別在2002年、2005和2007年分別發(fā)布了《城市污水再生利用》系列標準的五項標準（表1）^[1-5]，明確了污水再生利用于工業(yè)用水、地下水回灌、景觀環(huán)境用水、農(nóng)田灌溉用水和城市雜用水的用水水質(zhì)，保障了污水再生利用的用水安全和衛(wèi)生。近平總書記提出了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路，明確提出對非常規(guī)水源的利用的要求，為推進非常規(guī)水源利用，提高水資源配置效率和利用效率，2017年，水利部印發(fā)了《水利部關(guān)于非常規(guī)水源納入水資源統(tǒng)一配置的指導(dǎo)意見》（水資源〔2017〕274號），明確了非常規(guī)水源入水資源配置的總體要求，配置領(lǐng)域、強化措施、監(jiān)督管理和組織保障。2021年，國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)了《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》。2021年國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部、科技部、工業(yè)和信息化部等十部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進污水資源化利用的指導(dǎo)意見》，《意見》指出，到2025年，全國地級及以上缺水城市再生水利用率達到25%以上，京津冀地區(qū)達到35%以上。為落實《關(guān)于推進污水資源化利用指導(dǎo)意見》，2022年水利部、國家發(fā)改委、住建部、工信部、自然資源部、生態(tài)環(huán)境部等6部門聯(lián)合印發(fā)《典型地區(qū)再生水利用配置試點方案》（水節(jié)約〔2021〕377號），明確以缺水地區(qū)、水環(huán)境敏感地區(qū)、水生態(tài)脆弱地區(qū)為重點，選擇基礎(chǔ)條件較好縣級及以上城市開展試點工作。試點目標是到2025年，在再生水規(guī)劃、配置、利用、產(chǎn)輸、激勵等方面形成一批效果好、能持續(xù)、可推廣的先進模式和典型案例。

3混凝氣浮研究與應(yīng)用

3.1 混凝劑研究現(xiàn)狀

混凝是目前廣泛應(yīng)用的城市和工業(yè)廢水凈化方法之一。據(jù)報道，早在公元前1500年，埃及人就使用硫酸鋁（明礬）使懸浮顆粒在水中沉降。盡管早期的羅馬人也熟悉明礬，但直到公元77年才提到它在水處理中作為凝結(jié)劑的用途。今天，混凝是為了將細顆粒和膠體凝聚成更大的顆粒，以減少廢水中的渾濁度、天然有機物以及其他可溶性有機和無機污染物。這個過程包括兩個不同的階段：（1）通過劇烈攪拌將分散的混凝劑快速混合到待處理的廢水中；（2）通過溫和攪拌將小顆粒凝聚成明確的絮凝體。最后，絮凝體沉淀，然后作為污泥去除，而處理過的廢水（上清）被轉(zhuǎn)移到后續(xù)處理過程或排放到水道。由于混凝法操作簡單，設(shè)計相對簡單，能耗低，已成功應(yīng)用于不同類型的工業(yè)。此外，由于處理工藝的通用性，混凝法可以用作廢水的前處理、后處理，甚至是主要處理方法^[2]。

混凝劑大體可分為無機、有機和微生物混凝劑三類，無機混凝劑原料易得，合成工藝簡單，價格低廉，在混凝劑中占有重要的地位；有機混凝劑毒性較大，價格高，但使用量少，效果好，在水處理過程中市場份額比逐漸增多；微生物混凝劑毒性低，但原料的尋找、培養(yǎng)以及使其工業(yè)化的難度較大，使用較少^[3]。

混凝劑在當(dāng)時分為低分子的鋁鹽和鐵鹽，它們的來源廣泛，價格低廉，但是投加量一般較大，處理效果一般。后來慢慢發(fā)展為高分子混凝劑，價格低廉，分子量巨大，處理效果好，逐漸更受青睞。

1）鐵鹽混凝劑

鐵鹽主要指氯化鐵、聚合硫酸鐵、聚氯化鐵等含三價鐵離子的鹽^[4]。鐵鹽混凝劑自20世紀30年代以來在水處理工藝中得到了廣泛的應(yīng)用，它經(jīng)歷了從簡單的低分子混凝劑向高分子混凝劑的發(fā)展過程。低分子混凝劑主要有氯化鐵和硫酸亞鐵，其毒性小，但混凝效果不佳，投加量大，pH適用范圍小。近年來，學(xué)者們開始對聚合鐵鹽混凝劑進行研究，主要有聚合硫酸鐵和聚合氯化鐵兩種^[5]。

有機高分子絮凝劑價格昂貴，且殘存單體或分解產(chǎn)物可能有毒。目前普遍使用的鋁鹽絮凝劑存在鋁毒及余鋁后沉淀、低溫除濁能力低等問題。而聚合鐵鹽絮凝劑以其產(chǎn)生的礬花大、絮體密實、沉降快、適用pH值范圍廣、耗量少、效果好、無毒、價格便宜等優(yōu)點，成為近年來水處理劑研究的熱點^[6]。

R.Bernhard等^[7]人以硫鐵礦礦灰為原料，將35%～45%的H₂SO₄與礦灰(Fe₂O₃質(zhì)量分數(shù)為80%)在105～110℃下反應(yīng)至90%～100%的H₂SO₄消耗掉，過濾除去剩余固體，濾液用水稀釋至硫酸鐵質(zhì)量分數(shù)為40%～45%即得產(chǎn)品。

劉峙嶸、付英、聶麗君和盧素?zé)ǖ?sup>[8-11]均在聚合硫酸鐵或聚合氯化鐵的基礎(chǔ)上合成了新型復(fù)合無機高分子混凝劑，混凝效果較好。鐵鹽混凝劑具有很多的優(yōu)點，如無毒性、無二次污染、絮凝形成快、礬花大、混凝效果好、價格低廉等，但會對處理后的水著色，且產(chǎn)生大量的污泥，這也限制了鐵鹽混凝劑的應(yīng)用。

2）鋁鹽混凝劑

鋁鹽是目前使用最多的水處理藥劑，特別是聚合氯化鋁（PAC），被廣泛應(yīng)用于各類廢水混凝處理過程中。日本首先對聚合氯化鋁進行研制開發(fā)，并于20世紀60年代應(yīng)用于水處理工藝。目前，聚合氯化鋁的常規(guī)生產(chǎn)工藝主要鋁酸鈣和鹽酸酸溶，其生產(chǎn)過程長，條件難控制，制備過程中易產(chǎn)生Al(OH)₄^-，不易聚合成Al_b形態(tài)。何錫輝等^[12]采用電解法制備聚合氯化鋁，克服了上述缺點，且生成的聚合氯化鋁投加量少，絮體大，沉降快，混凝效果好，但能耗較大。隨著人們對聚合氯化鋁的深入研究，學(xué)者們逐漸對無機復(fù)合高分子混凝劑進行更多的研究，跟鐵鹽類無機復(fù)合高分子混凝劑一樣，將聚合氯化鋁與其他混凝劑復(fù)合得到新型復(fù)合混凝劑。

張開仕等^[31]以石灰和鋁質(zhì)易拉罐廢料為原料制備聚合硫酸鋁，用來處理高濁工業(yè)廢水效果好；在硫酸鋁和氯化鋁混合溶液中加入Na₂CO₃，可制得聚合硫酸氯化鋁，其絮凝效果優(yōu)于聚合氯化鋁和聚合硫酸鋁，而且穩(wěn)定性比PAS高^[32]。

耿雅妮等^[13]研究不同鋁鹽混凝劑對不同原水水質(zhì)的混凝效果，并對其結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)PAC的最佳投加量為2~8mL，PAFC的最佳投加量為2~6mL，PAC，PAFC的最佳pH值均為6~8。渭河原水濁度與UV254較高，混凝劑投加量比pH值更能影響高濁度原水的混凝效果；清姜河原水濁度與UV254較低，pH值比混凝劑投加量更能影響低濁度原水的混凝效果。

近年來，水體中殘余鋁的毒性問題得到了世界各國的關(guān)注，世界衛(wèi)生組織限定鋁的殘留標準為0.2mg/L，美國限定為0.15~0.2mg/L，我國限定為0.2mg/L^[14]。楊忠蓮^[15]研究發(fā)現(xiàn)在腐植酸-高嶺土模擬地表水混凝處理中，氯化鋁、硫酸鋁和聚合氯化鋁（PAC）在不同投加量下的濁度和UV254去除率最高可達90%左右；PAC投加量較高時混凝效果較好，其混凝出水中殘留總鋁量（約為0.9mg/L）和余鋁率（-3.0%）均是三種混凝劑中最低的，且PAC能夠有效降低出水中毒性較大的溶解性鋁的含量（約為0.6mg／L）。

3.2 氣浮技術(shù)研究現(xiàn)狀

溶氣氣浮通過微氣泡從氣流中分離細顆粒。傳統(tǒng)的氣浮包括四個過程：微氣泡發(fā)生、廢水化學(xué)預(yù)處理、浮選和污泥去除。該技術(shù)在結(jié)構(gòu)上由一個隔板將浮選槽分成兩個區(qū)(接觸區(qū)和分離區(qū))。接觸區(qū)保證了粒子與微氣泡的碰撞和粘附，然后傳遞到分離區(qū)。這些絮團由浮力作用上升到水面，形成浮渣^[16]。

氣浮技術(shù)處理效果的好壞，很大程度上取決于微氣泡的數(shù)量與質(zhì)量。微氣泡是由飽和器(水箱或文丘里管)中的水和空氣混合物在高壓(通常為300-700kpa)下突然降壓所產(chǎn)生的。產(chǎn)生的氣泡被輸送到接觸區(qū)^[17]。一般情況下，輸送到接觸區(qū)的微氣泡數(shù)量取決于發(fā)生器壓力和循環(huán)流量(Qr)^[18]。氣浮參數(shù)與氣浮工藝的建立直接相關(guān)，比如，當(dāng)使用混凝時，DAF參數(shù)會發(fā)生變化^[19]。根據(jù)文獻，許多參數(shù)可以影響微氣泡的產(chǎn)生^[20]（數(shù)量、直徑和上升速度）。例如，包括空氣壓力、進水流量和注入空氣流量^[21]，這決定了最合適的微氣泡生成，回流量或回流率也是影響微氣泡的重要因素^[22-24]。

沈怡等^[25]在北方某市政污水處理廠升級改造工程采用“溶氣氣浮+活性焦吸附+V型過濾+消毒”的深度處理工藝，可使出水主要指標（總氮除外）達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838—2002）中的地表水Ⅲ類標準。其中，溶氣氣浮技術(shù)作為本工程強化處理措施，能夠高效去除TP，其出水質(zhì)量濃度小于0.02mg·L^-1，達到化學(xué)除磷極限。

SepidehAnsari等^[26]在實驗室規(guī)模實驗中，在沒有事先改變和調(diào)整pH的情況下，通過罐體試驗確定最佳混凝劑和絮凝劑劑量。以1500mg/L^?1聚氯化鋁(PAC)為混凝劑，40mg/L^?1陽離子聚丙烯酰胺(PAM)為絮凝劑，得到了最佳的絮凝劑量。COD、BOD₅去除率分別為39±10、24.0±3.8。預(yù)處理后的平均BOD₅/COD由0.44增加到0.5。在降低TSS(98.1%)和VSS(98.4%)方面也取得了良好的效果。

4 結(jié)論

混凝氣浮工藝對于生化階段之后的深度處理來使一級A尾水達到地表水Ⅲ類水有著較大的意義，在混凝氣浮過程中如何使用混凝劑，無機、有機混凝劑的復(fù)配使用，溶氣罐壓力對微氣泡性能影響，混凝劑投加順序等方面是應(yīng)該下一步去做的，實驗室小試實驗來確定混凝氣浮的最佳參數(shù)。

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作者簡介：付飛宇（1999-），男，安徽合肥人，碩士研究生，中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院在校學(xué)生，主要，從事水資源利用化和水處理。