专利名称：一种城市污水深度处理的方法
技术领域：
本发明涉及一种城市污水深度处理、安全回用的方法。
背景技术：
我国是一个水资源相对贫乏的国家，并具有时空分布的不均衡性，与我国当地人口、耕地资源和经济布局不相匹配。特别是随着社会经济的快速发展和城市化进程的加快，城市缺水和环境污染问题尤为突出，水资源已成为制约社会经济发展的一个重要因素。与城市供水量几乎相等的城市污水含有约0.1％的污染物质，具有水量充足，水质稳定等特征，是一种潜在的水资源，经适当处理后可作为城市可靠的第二水源加以利用。这已成为当今世界各国在缓解城市缺水问题的共识。当前各国都开展了城市污水深度处理回用技术的研究和实施，美国和日本等发达国家实施较早，走在世界的前列，我国起步相对较往。
城市污水经传统二级处理后，可去除浊度70％～80％，色度的40％～60％，SS的60％～70％，BOD5的25％～50％，CODcr的30％～55％，TP的30％～90％，但仍然含有微量的难降解的有害有机物、细菌和病毒等，且色度较高、嗅味突出、可生化性差，并具有生物毒性。这些残留的微生物和化学安全性是影响其回用的关键问题和最大障碍。
城市污水深度处理就是进一步去除常规二级处理所不能完全去除的这些物质，现有技术主要是采用物理化学的方法，通常由混凝、沉淀、过滤、活性炭吸附、膜技术、臭氧氧化、土地渗滤和消毒等单元技术优化组合而成，以形成多级屏障体系。目前城市污水深度处理的组合工艺主要有以混凝、沉淀、过滤为主的传统处理工艺，以活性炭、膜分离为主的组合工艺以及土壤含水层处理为主的组合工艺。这些典型的工艺流程仅仅在形式上有所不同，但几乎都是采用以混凝、沉淀、过滤为基础的基本城市污水深度处理技术，再配以特殊的技术单元。
然而，目前常用的这些常规混凝沉淀过滤处理技术对二次出水中存在的色度、臭味以及残留有机物等没有去除效果。而色度、臭味是人们在使用水的过程中非常重视的感观指标，并且残留有机物还会影响水的生物稳定性，因此，出水中这些物质的残留将会成为阻碍污水回用的重要因素。而以活性炭、膜分离为主的组合工艺虽然对有机物、色度去除效果较好，但由于活性炭、膜价格较高以及活性炭再生复杂、膜易污染导致成本太高。土壤含水层处理虽然对有机物和氨氮均有较好的去除效果，但占地面积大，管理不便。因此，非常需要开发一种经济安全有效的再生利用技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术在处理城市污水时，使用混凝沉淀过滤处理回用技术时二次出水中仍含有微量的有害有机物、细菌、病毒等，并且色度较高，臭味突出；使用活性炭、膜分离为主的组合工艺时成本太高，且活性炭再生复杂、膜易污染；而使用土壤含水层处理占地面积大，管理不便的缺陷，从而提供一种针对城市污水二级出水水质特征设计的、可以有效降低残留有机物含量、色度和臭味、成本低廉、操作方便的城市污水深度处理的方法。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供的城市污水深度处理的方法，其工艺流程如图1所示，包括采用混凝过滤、臭氧氧化、生物氧化来对城市污水进行深度处理，以去除城市污水二级出水中残余的难降解微量有机物、细菌、病毒等，脱色除嗅，达到安全回用之目的，具体包括如下步骤1)混凝过滤使用常规方法，将污水厂二次沉淀池出水进入混凝、沉淀、砂滤或微絮凝过滤处理单元，以去除浊度(水中的悬浮物)和部分有机物；采用絮凝沉淀过滤或微絮凝过滤时的絮凝剂可采用铝盐、铁盐等，当采用聚合氯化铝时，其用量为5～15mg/L Al2O3，可去除10～30％化学需氧量CODCr(、80％以上悬浮物SS和70％以上总磷TP等；2)臭氧氧化将经步骤1)处理的污水从上部进入常规的臭氧反应装置，臭氧从下部通过钛板布气进入，气水逆流进行臭氧氧化，臭氧消耗量可以根据具体来水水质和用途为2～10mg/L，水力停留时间(HRT)为5～15min，利用臭氧的强氧化性改变水中有机物的分子结构，杀菌消毒、脱色除臭，提高污水中有机物的可生化性和安全性；所述的臭氧反应装置包括原料气制备设备、臭氧发生器、臭氧反应器以及臭氧尾气破坏器等周边设备；3)生物氧化将经步骤2)处理的污水进入生物接触氧化池进行生物氧化反应，来降解臭氧氧化中间产物、残余的氨氮和降低污泥指数(SDI)，增加生物稳定性；生物接触氧化池的填料采用活性炭、陶粒、直径为2mm以上的粗石英砂等生物填料，空床停留时间(HRT)为10～20min，最后得到进行深度处理、可以回用的水。
根据不同的进水水质和出水要求，臭氧氧化与生物氧化单元之间可以采用不同的回流比，其比例在0～0.5之间，以实现多级氧化。
根据对深度处理的城市污水特定回用对象的不同要求，本发明提供的城市污水深度处理的方法还包括4)反渗透或纳滤处理使用常规方法，利用反渗透脱盐，将经步骤3)处理的污水进一步去除水中残余的有机物和无机物。
污水厂二次沉淀池出水经混凝过滤、臭氧氧化、生物氧化处理后，此时的处理水具有较高的回用价值，可用于冲厕或各种景观用途等。对于一些要求更高的用途，由于前段处理已经大大降低了SDI(silt density index)值(一种用于表征来水污染膜的潜力的指数)，后续可直接连接反渗透或纳滤处理单元，使出水水质在矿化度、硬度以及有机物等指标上得到进一步的改善。
本发明提供的城市污水深度处理的方法利用了臭氧(O3)是一种强氧化剂(E＝2.07V)，可以选择性地进行脱色除臭，改变有机物分子大小或结构，提高有机物的可生化性，同时又是一种广谱高效灭菌剂，与氯气相比消毒副产物的危害要小得多。因此，将臭氧氧化技术有应用到污水回用的处理工艺中，成为改善出水水质的有力保障。由于臭氧氧化一般不能彻底把有机物完全矿化为二氧化碳和水，而只是改变了有机物的性质和分子结构，生成许多小分子臭氧氧化中间产物；所以需要后续生物处理单元则进一步矿化这些中间产物。臭氧氧化和生物接触氧化组合工艺的另外一个特点是该方法可以显著降低来水的SDI值，为后续反渗透膜或纳滤膜的使用提供了有力的条件。目前也有一些将城市污水的二级出水经过混凝沉淀砂滤后或直接利用超滤膜或微滤膜处理后作为反渗透膜或纳滤膜来水的工程案例，但是，城市污水的二级出水由于含有一些来源于生物的有机分子，其SDI值通常都在10以上，常规的混凝沉淀过滤技术对SDI的降低贡献不大，超滤、微滤等膜过滤技术及其臭氧氧化技术都很难使得出水SDI值满足反渗透膜或纳滤膜的来水要求(SDI＜5)。但是，如表1所示，经过本发明提供的臭氧氧化和生物接触氧化组合工艺的处理，出水SDI值稳定地降到3以下，完全可以满足反渗透膜或纳滤膜的来水要求。
本发明提供的城市污水深度处理的方法是集混凝过滤、臭氧氧化、生物氧化和反渗透为一体的组合技术，与现有技术相比，其优点在于(1)采用了臭氧氧化处理，改变了有机物的分子结构，不仅能去除部分难降解的微量有机物、环境内分泌干扰物和优先控制物，还具有杀菌消毒、脱色除臭功能；(2)臭氧氧化出水进行生物氧化处理，能以较低的成本提高有机物、氨氮的去除率和降低SDI指数；(3)本发明不需调节进出水的pH值和投加生物营养元素，具有良好的性能价格比；(4)城市污水经本方法处理后，除常规水质指标达到国家饮用水指标外，微量有机物和生物毒性可达国外相关水质标准，可作为环境用水或工业过程用水。
另外，使用本发明提供的城市污水深度处理方法可以解决城市污水处理和安全回用水质的问题，能够以较低的处理成本，获取高质量出水，具有良好的性能价格比。这对缓解城市缺水矛盾，提高水资源的利用率，减少环境污染和促进社会经济的可持续发展均具有重要的现实意义，特别是对于我国缺水城市更具有良好的经济效益和环境效益，具有良好应用的前景。
图1为本发明提供的城市污水深度处理的方法的工艺流程示意图。
具体实施例方式
本实例在北京市某污水处理厂建有混凝沉淀过滤、臭氧高级氧化和生物接触氧化组合工艺中试试验装置，并以该厂二级生物处理出水为研究对象。
将污水厂二次沉淀池出水依次经混凝过滤、臭氧氧化、生物氧化处理。二沉池出水进入混凝沉淀砂滤处理单元，絮凝剂投药量为15mg/L Al2O3，其出水称为中水；然后将此中水从上部进入臭氧反应器，臭氧从下部通过钛板布气进入，气水逆流进行臭氧氧化，臭氧消耗量和水力停留时间(HRT)分别控制在3～10mg/L和5～15min之间；最后进入生物接触氧化池进行生物氧化反应，来降解臭氧氧化中间产物、残余的氨氮和降低污泥指数(SDI)，增加生物稳定性；生物接触氧化池填料采用活性炭，空床停留时间(HRT)为10～20min，最后得到进行深度处理、可以回用的水。
原水水质和实验结果列于表1和表2。
由表1所列的组合工艺各处理单元水质变化平均值可知，该污水厂的二次沉淀池出水(原水)经混凝过滤单元处理后得到中水，其对CODMn、DOC、NH4+-N、UV254、色度的去除率分别为21.6％、23.9％、35.8％、8％和11％；中水经臭氧氧化后，DOC从6.36mg/L下降为5.5mg/L，去除率达13.5％；CODMn从6.45mg/L下降为4.32mg/L，去除率达33％；色度从40度下降到2.5度，脱色率超过93％，脱色效果明显；UV254从0.134下降到0.068，去除率达49.3％，这说明臭氧氧化破坏了有机物的性质和结构，从而提高了出水的可生化性；对NH4+-N几乎没有效果，反而有时还会增加，这是由于有机氮被氧化的结果，同时部分NH4+-N的去除主要是由于被吹脱的结果。经过生物活性炭处理后，DOC下降到3.4mg/L，总去除率46.5％；CODMn下降到2.92mg/L，总去除率达54.7％；UV254下降到0.059，去除率达56％；NH4+-N下降1.24mg/L，去除率达87.60％。由表1和表2(某一时刻组合工艺各单元水质全分析)可知，经该组合工艺处理后，出水水质明显改善，除个别水质指标外可达饮用水水质标准。
表1、组合工艺各处理单元水质变化平均值单位 mgL
表2、某一时刻组合工艺各单元水质全分析 mg/L
注nd表示未检出，下同。
将上述经活性炭处理的出水，再经后续反渗透单元处理，出水水质见表3，其出水水质指标完全达到自来水和工业锅炉用水水质标准，能得到回用价值较高的回用水。
表3、后续反渗透处理单元出水水质平均值单位 mg/L
使用本发明的方法对含有不同浓度(高浓度104～106个/L和低浓度102～103个/L)的大肠杆菌的污水进行处理，其结果列于表4，可以看出，污水厂二次沉淀池出水经本发明提供的方法处理，能有效去除大肠杆菌，以保障回用的安全性。
表4、臭氧消毒灭菌效果
使用经过活性炭过滤的自来水，和使用本发明的方法对污水厂二次沉淀池出水进行处理的水，对鲫鱼进行暴露对比实验，即利用生物方法通过连续检测长期暴露在不同水质条件下的鲫鱼畸变情况，从而评价处理工艺出水的安全性。实验方法为采用现场流水动态实验，实验水源直接采用现场工艺进出水，设自来水(经活性炭处理)处理组为对照组，中水组来自中水系统进水(即臭氧进水)，臭氧活性炭组(O3+BAC)组来自处理装置臭氧活性炭组(O3+GAC)后出水；实验用鱼选用当年幼鱼，每组100尾幼鱼，曝露实验期为2个月，曝露前称平均体重、平均体长，随机分组，每两周记录其畸变情况；水温控制在20℃以上(恒温加热棒)，自然光周期与外源灯光结合，每天投饵(5-10％鱼体重)。其不同暴露时间畸变的结果列于表5，可以看出，经本发明的方法对污水厂二次沉淀池出水进行处理的水可以与自来水的水质相当，能明显减少鲫鱼致突变率。
表5、曝露对鲫鱼畸变的影响
权利要求
1.一种城市污水深度处理的方法，包括采用混凝过滤、臭氧氧化、生物氧化，来对城市污水进行深度处理，以去除城市污水二级出水中残余的难降解微量有机物、细菌、病毒，并脱色除嗅，得到可以安全回用的出水。
2.如权利要求1所述的城市污水深度处理的方法，其特征在于，所述的混凝过滤是使用常规方法，将污水厂二次沉淀池出水进入混凝、沉淀、砂滤或微絮凝过滤处理单元，以去除浊度和部分有机物；采用絮凝沉淀过滤或微絮凝过滤时的絮凝剂为铝盐或铁盐。
3.如权利要求1或2所述的城市污水深度处理的方法，其特征在于，所述的絮凝剂为聚合氯化铝，其用量为5～15mg/L Al2O3。
4.如权利要求1所述的城市污水深度处理的方法，其特征在于，所述的臭氧氧化是将经混凝过滤处理的污水从上部进入常规的臭氧反应装置，臭氧从下部通过钛板布气进入，气水逆流进行臭氧氧化，臭氧消耗量为2～10mg/L，水力停留时间为5～15min；所述的臭氧反应装置包括原料气制备设备、臭氧发生器、臭氧反应器以及臭氧尾气破坏器。
5.如权利要求1所述的城市污水深度处理的方法，其特征在于，所述的生物氧化是将经臭氧氧化处理的污水进入生物接触氧化池进行生物氧化反应，来降解臭氧氧化中间产物、残余的氨氮和降低污泥指数；生物接触氧化池的填料采用活性炭、陶粒或直径为2mm以上的粗石英砂，空床停留时间为10～20min。
6.如权利要求1所述的城市污水深度处理的方法，其特征在于，还包括反渗透或纳滤处理。
全文摘要
本发明涉及一种城市污水深度处理的方法。该方法包括采用混凝过滤、臭氧氧化、生物氧化，来对城市污水进行深度处理，以去除城市污水二级出水中残余的难降解微量有机物、细菌、病毒等，脱色除嗅，达到安全回用之目的。根据对深度处理的城市污水特定回用对象的不同要求，本方法还包括反渗透或纳滤处理，进一步去除水中残余的有机物和无机物。本方法是集混凝过滤、臭氧氧化、生物氧化和反渗透为一体的组合技术，可以解决城市污水处理和安全回用水质的问题，能够以较低的处理成本，获取高质量出水，具有良好的性能价格比。这对缓解城市缺水矛盾，提高水资源的利用率，减少环境污染和促进社会经济的可持续发展均具有重要的现实意义。
文档编号C02F1/78GK1796314SQ200410101598
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月24日 优先权日2004年12月24日
发明者杨敏, 蒋以元, 吴成强, 张昱, 齐嵘, 汪严明 申请人:中国科学院生态环境研究中心