中水回用技术浅析

摘要:概述了中水技术在国内外的发展概况, 分析了该技术的社会、经济效益, 探讨了中水回用在我国的应用前景.同时, 对各种中水处理技术进行了比较, 分析了膜分离技术在中水回用中的可行性.

　　关键词:中水;回用;膜分离

　　我国水资源短缺, 人均占有量仅为世界平均水平的1 /4[ 1] , 而且时空分布极不平衡, 水资源有效利用率低, 跑、冒、滴、漏现象普遍, 水资源浪费严重.随着我国经济的迅猛发展, 城市规模的不断扩大, 城市用水量和废水量不断增加, 造成城市水源水量日益不足, 水资源的供需矛盾更加突出.而且水质的污染也日趋严重, 使原来具有良好水质的新鲜水供应受到限制.待开发的新鲜水源离集中供水点距离较远, 一次性投资费用高昂, 这样, 一些缺水地区无力扩大供水能力, 严重制约我国的经济发展.

　　为了解决日益突出的水资源供需矛盾, 一方面需要节约利用有限的水资源, 另一方面更应积极推进污水的回收利用技术, 走水资源利用的可持续发展道路.中水回用技术正是符合这一目标的技术, 它有着投资省、见效快、运营成本低的特点.同时, 城市污水的稳定来源和充足水量又为这一技术的实践推广提供了保证.经实践证明[ 2] , 中水回用是一项行之有效的节水技术.这一技术的广泛推广, 节约了宝贵的水资源, 缓和了城市水资源的供需矛盾, 减少了城市排水系统的负担, 控制了水污染, 保护了生态环境, 具有重要的环境效益和社会效益, 并可带来显著的经济效益.

1　国内外中水技术应用和发展概况

　　由于水资源短缺, 许多国家和地区积极着手巩固和加强节水意识以及研究城市废水再生与回用工作.城市废水回用就是将城镇居民生活及生产中使用过的水经过处理后回用, 其又有两种不同程度的回用:一是将污、废水处理到饮用水程度;另一种则是将污、废水处理到非饮用水程度.对于前一种, 因其投资较高、工艺复杂, 非特缺水地区一般不常采用, 多数国家则是将污、废水处理到非饮用的程度, 在此引出了中水的概念.根据建设部1995年发布的《城市中水设施管理暂行办法》第二条, 中水是指部分生活优质杂排水经处理净化后, 达到《生活杂用水水质标准》, 可以在一定范围内重复使用的非饮用水.主要用于厕所冲洗、绿地、树木浇灌、道路清洁、车辆冲洗、基建施工、喷水池以及可以接受其水质标准的其他用水[ 3] .

　　中水开发与回用技术近期得到了迅猛发展, 在美国、日本、印度、英国等国家(尤以日本为突出)得到了广泛的应用[ 4] .这些国家均以本国度、区域的特点, 确定出适合其国情、国力的中水回用技术, 使中水回用技术越来越趋于完善.

　　我国真正意义上的中水回用起步较晚.以前的城市污水的回用主要集中在农业污灌, 但由于对许多灌溉污水缺乏必要的处理, 造成很多农田被污染, 1998年统计有大于7 000 km2 的农田不同程度地被污染.近些年, 我国城市中水回用发展很快, 有许多缺水城市在建设城市污水处理厂的同时, 就同步建设了相应的中水回用工程, 如北京的高碑店污水处理厂(100 ×104 m3 /d)现已兴建中水回用工程, 其中20 ×104m3 /d回用作为电厂冷却水, 10 ×104 m3 /d经深度处理后回用作为化工厂冷却水和市政景观用水[ 5] ;大连春柳污水处理厂和马栏河污水处理厂在建设过程中都充分考虑了中水回用功能[ 6] ;山东青岛海伯河污水处理厂和山东枣庄污水处理厂也兴建了回用工程[ 7] .　

2　中水回用水质要求

　　根据不同的回用目的, 应该有不同的中水水质标准与其对应.就全球范围而言, 世界卫生组织(WHO)1989年推出了农业的污水回用健康指标, 1992年美国国家环保局(USEPA)编制的《水回用指南》中归纳的中水回用水质指标被认为是比较全面和实用的建议指标.

　　我国针对城市污水的回用也制定了一些相应的标准, 如建设部颁布的生活杂用水水质标准(CJ25.1— 89)(见表1).但相对而言我国的标准分类不够细, 国家、行业和地方有些标准还不太统一.因此, 我国在回用水标准方面亟待加强.

3　中水处理技术

　　中水处理方法一般是按照生活污水中各种污染物的含量、中水用途及要求的水质, 采用不同的处理单元, 组成能够达到处理要求的工艺流程.中水处理方法包括生物处理技术、物化处理法等.

　　生物处理技术是利用微生物的吸附、氧化分解污水中的有机物的处理方法, 包括好氧生物处理和厌氧生物处理.中水处理多采用好氧生物处理技术[ 9] , 包括活性污泥法、接触氧化法、生物转盘等处理方法.这几种方法或单独使用, 或几种生物处理方法组合使用, 如接触氧化+生物滤池;生物滤池+活性炭吸附;转盘砂滤等流程.但以生物处理为中心的工艺存在以下弊端[ 10] :1)由于沉淀池固液分离效率不高, 曝气池内的污泥难以维持到较高浓度, 致使处理装置容积负荷低, 占地面积大;2)处理出水受沉淀效率影响, 水质不够理想, 且不稳定;3)传氧效率低, 能耗高;4)剩余污泥产量大, 污泥处理费用增加;5)管理操作复杂;6)耐水质、水量和有毒物质的冲击负荷能力极弱, 运行不稳定.

　　物理化学法是以混凝沉淀(气浮)技术及活性炭吸附相结合为基本方式, 与传统二级处理相比, 提高了水质.但混凝沉淀技术产泥量大, 污泥处置费用高.活性炭吸附虽在中水回用中应用较广泛[ 11] , 但随着水污染的加剧和污水回用量的日益增大, 其应用也将受到限制.

　　因此, 以高效、实用、可调、节能和工艺简便著称的膜处理技术应运而生.关于膜分离技术的重要性,美国官方文件曾说“18世纪电器改变了整个工业进程, 而20世纪膜技术将改变整个面貌”[ 12] .日本则把膜技术作为21世纪的重点技术进行研究开发[ 13] .

　　膜分离技术包括微滤、纳米过滤、超滤、渗析、反渗透、电渗析、气体分离等, 其以处理效果好, 能耗低,占地面积小, 操作管理容易等特点而倍受关注[ 14] .微滤可以去除沉淀不能除去的包括细菌、病毒在内的悬浮物, 还可以除磷;超滤已被用于去除腐质酸等大分子;反渗透已被用于降低矿化度和去除总溶解性固体(TDS);使用反渗透对于城市污水处理厂二级出水的脱盐率达90%以上, 水的回收率达75%左右, COD和BOD的去除率达85%左右(超滤大于50%), 细菌去除率90%以上, 对于含氮化合物、氯化物和磷也有较为优良的脱除性能[ 15] ;纳米过滤介于反渗透和超滤之间, 工作压力在0.5 ～ 1 MPa, 可以截留200 ～ 400道尔顿以上的分子, 产水量也较大, 如在827 kPa时达1 020 L/(m2 · d).纳米过滤可以直接去除一切病毒、细菌和寄生虫, 同时大幅度的降低溶解有机物(消毒副产物的前体), 它可将THMs(三卤甲烷)和HAAs(卤代乙酸类物质)前驱物去除90%, 硬度去除85% ～ 95%, 一价离子去除率大于70%(操作压力为482 ～ 689 kPa时), 在软化水的同时减少溶解固体, 低压大水量使得纳米过滤的运行费用大大降低.为减少消毒副产物和溶解有机碳, 用纳米过滤比用传统的处理和用臭氧加活性炭更便宜.

　　目前, 膜分离作为中水回用技术已在我国天津、大连、沈阳等严重缺水的北方地区得到了广泛的应用[ 15 -16] .1998年, 大连大器公司设计的200 m3 /d的膜中水回用装置就己在大连投入运行;天津德人公司首先开发了重力淹没式膜生物反应器, 该技术在2000年己应用于天津普辰大厦的中水回用系统, 处理规模为25 m3 /d, 该装置占地仅2.8 m2 , 处理成本为1.05元/m3;2004年沈阳环境科学研究院采用膜生物反应器技术处理辽宁省通信公司沈阳分公司棋盘山培训中心的生活污水, 出水指标均好于《沈阳市中水水质标准》的各项指标, 并具有较好的脱氮功能.

　　可见膜分离技术无论从处理水质还是从经济效益方面都将对中水回用的发展产生深远的影响.

4　中水回用的节水潜力和经济效益

　　目前, 我国许多大中城市都建立起了规模巨大的污水处理厂, 每个大城市每天都有数十万m3 的污水和工业废水经处理后达标排放至水体, 非常可惜[ 17] .如果将其中的一半深加工成中水并利用起来, 一年可节约的自来水, 相当于建立一座大型水库, 而且不受气候条件的限制.

　　在这一方面, 国内外已经有了很多成熟的经验[ 18 -19] .在天津市, 仅中水洗车一项每年节约自来水超过500万m3 .在大连, 大连机车车辆厂1998年投资150万元对污水处理厂进行了改造, 实施了中水回用工程, 现在日回用中水800 m3 , 工厂绿化、冲厕及冷却水等都用上了中水, 年节约水20万m3.美国1926年首次回收污水, 1971年已有358家工厂企业利用处理后的城市污水, 回收量5.1亿m3 .美国加利福尼亚州每年利用净化污水2.7亿m3 , 相当于100万人口一年的用水量.1985年, 前西德城市75% ～ 80%的污水已经过二级处理后加以利用.通过大规模推进中水利用, 发达国家的许多城市在城市发展扩大的同时实现了用水需求的零增长甚至是负增长.综上所述, 中水回用是开源节流的重要途径.

　　中水回用的经济效益也十分巨大.根据常州市城北污水处理厂运营情况的调查, 2002年该企业污水处理能力为15万m3 /d, 每天处理10万m3 , 处理费用为0.4 ～ 0.5元/m3 , 加上人员及折旧等费用,每m3 运营费用为0.8元, 仅靠收取的污水处理费(1.1 ～ 1.2元)就能够实现正常运营.如果中水实现回用, 则其价格(约1元/m3)将远远超出出水深度处理的成本(目前为0.4元/m3 , 随着技术进步将不断降低), 这样企业就能实现良性发展循环[ 20] .即使小区域的中水回用, 也具有很大的经济效益, 济南南郊宾馆中水工程投入使用后, 年节水25万m3 , 年经济效益30万元, 已经完全收回了投资成本并有超额节支[ 21] .王有乐等对甘肃工业大学的研究也表明, 校园污水资源化有明显的经济效益和环境效益, 应该在校园建设中推广[ 22] .

　　我国地域辽阔, 不同地区的水资源开发成本、自来水价格、设备运行成本等都有较大的差别, 但从总体来看, 中水回用必将带来可观的经济效益和社会综合效益.

5　结语

　　实践证明, 中水回用在技术上、经济上都是可行的, 已成为一些缺水国家和地区解决水危机的有效途径.中水回用在我国仍处于起步阶段, 国家应建设和完善中水回用系统, 缓解大部分城市的“水荒”, 以实现城市的可持续发展.随着经济的发展, 水资源的日益短缺, 中水回用技术, 尤其是以膜分离为中心的中水回用技术, 必将发挥越来越重要的作用, 前景十分广阔.