Dr. Achim Ried* Taeyoung Choi**

* ITT-威德高公司，德國(guó)赫爾福德Boschstr. 6, 32051，achim.ried@itt.com

** ITT-威德高公司上海辦事處，中國(guó)上海遵義路100號(hào)虹橋上海城A座31樓， taeyoung.choi@itt.com

摘要：在污水再利用工藝中采用臭氧和/或紫外線(xiàn)技術(shù)通常是將臭氧和/或紫外線(xiàn)處理單元與其它處理工藝相結(jié)合，如，生物處理、絮凝處理、過(guò)濾和活性碳方法等，所以，實(shí)現(xiàn)這些處理單元的優(yōu)化組合非常重要。本文將通過(guò)兩個(gè)城市污水處理的實(shí)例介紹一種污水再利用的整體工藝設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：臭氧 UV 紫外線(xiàn) 污水再利用 城市污水 工藝設(shè)計(jì)方法

1. 概述

　　城市污水通常是家庭污水和各種工業(yè)污水的復(fù)雜混合物。傳統(tǒng)的處理技術(shù)有凝結(jié)/絮結(jié)/沉降方法、生物方法和過(guò)濾方法。隨著污水處理技術(shù)的發(fā)展和主管部門(mén)法規(guī)的不斷擴(kuò)充，目前正在研討進(jìn)一步的處理方法，例如，膜濾法、紫外線(xiàn)滅菌、臭氧氧化、吸附等。
　　在這些法規(guī)中，比較典型的是歐盟的洗浴用水指令。當(dāng)污水處理廠排放的污水排入洗浴用水時(shí)，這些水必須滿(mǎn)足滅菌的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。同樣，對(duì)于城市污水的再利用，如，用于農(nóng)業(yè)，也必須滿(mǎn)足嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)（Liberty et al. 1999）。
　　 另一個(gè)問(wèn)題與不能或很難被生物降解的物質(zhì)有關(guān)，其闡明了有關(guān)是否需要進(jìn)一步的處理技術(shù)的爭(zhēng)論。這些物質(zhì)主要指持久性物質(zhì)，它們可能源于人類(lèi)活動(dòng)。這方面討論的主要化合物/領(lǐng)域源包括工業(yè)化學(xué)物質(zhì)（例如壬基苯酚、有機(jī)化合物、PCB、鄰苯二甲酸鹽）、殺蟲(chóng)劑（例如DDT、林丹）、藥品和化妝品。
　　 此外，目前公眾討論的焦點(diǎn)是被稱(chēng)為內(nèi)分泌干擾物（EDC）的物質(zhì)。“內(nèi)分泌”一詞指影響荷爾蒙系統(tǒng)的物質(zhì)（Schlumpf and Lichtensteiner, 1996）。據(jù)報(bào)導(dǎo)，表層水對(duì)魚(yú)類(lèi)荷爾蒙系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生副作用（Seibert, 1996）。這些副作用，如，降低魚(yú)類(lèi)生育能力，主要出現(xiàn)在污水處理廠出口的影響區(qū)域。對(duì)人類(lèi)的潛在影響仍在爭(zhēng)論之中。
　　 其中，對(duì)于可能影響內(nèi)分泌的物質(zhì)，目前沒(méi)有實(shí)施任何限制，對(duì)于適用的處理技術(shù)也沒(méi)有相關(guān)指導(dǎo)政策。

2. 采用臭氧和紫外線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行城市污水處理的要點(diǎn)

　　總的來(lái)看，由于受一些長(zhǎng)期存在的物質(zhì)、細(xì)菌、氣味和/或顏色的污染，大多數(shù)再生水水的循環(huán)再利用受到限制甚至無(wú)法進(jìn)行處理。表1所示為一些主要處理方法和臭氧及紫外線(xiàn)處理的主要作用。

表1 城市污水的主要處理步驟和主要效果

3. 調(diào)研和試驗(yàn)研究情況

　　在過(guò)去的幾年中進(jìn)行了多個(gè)項(xiàng)目的研究，研究?jī)?nèi)容包括用臭氧和/或紫外線(xiàn)工藝技術(shù)對(duì)排放的污水進(jìn)行再處理，以進(jìn)行再利用。
　　 研究證明，臭氧可有效氧化各種化合物。這種氧化作用可以氧化成小分子，使之失去激素作用和毒性。同時(shí)極易被生物降解（Bila et al. 2004; Jasmin et al. 2005）。
　　醫(yī)藥品和激素品主要通過(guò)污水處理廠處理（POSEIDON 2004）。這些二級(jí)生物處理排放物處理后基本上相對(duì)于有害物質(zhì)的濃度可以降低70 至90 %。但是，還會(huì)有少量或微量的殘留物質(zhì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，如，對(duì)魚(yú)群有不利影響。
　　 其它可用的處理方法有膜（納濾膜或反滲膜）、絮凝/過(guò)濾、活性碳吸附和氧化。氧化工藝具有可現(xiàn)場(chǎng)處理，不產(chǎn)生污染凝聚物或污染吸附物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。如果氧化劑只與特定的污染源發(fā)生反應(yīng)，所需氧化劑用量可經(jīng)濟(jì)有效地達(dá)到處理目標(biāo)且產(chǎn)生的副產(chǎn)品對(duì)環(huán)境沒(méi)有毒性，說(shuō)明氧化工藝非常有效（Ternes et al. 2003; POSEIDON 2004; Bahr et al. 2005; Zhang et al. 2005）。
　　 臭氧處理設(shè)備可安裝在澄清池的后面。Von Gunten （von Gunten et al. 2005）的研究表明少量的 SS （小于60 mg/L）對(duì)處理結(jié)果沒(méi)有明顯的負(fù)面影響。
　　 如果污水處理廠的處理工藝包括生物處理、澄清池和沙濾，則在澄清池和沙濾之間完全可實(shí)施臭氧處理。研究證明，經(jīng)過(guò)臭氧處理后，部分DOC（溶解性有機(jī)碳） （小于60%）殘留可降低到土壤生物可以降解的水平（Schumacher, 2003）。在臭氧處理之后，在下一步降低形成可生物降解的DOC，這樣可進(jìn)一步改善處理結(jié)果。由于滅菌方面的限制很?chē)?yán)格，UV處理適于生物過(guò)濾之后,因?yàn)槌粞跹趸梢蕴岣咦贤夤獾奈舛龋@樣，最后的紫外線(xiàn)發(fā)生器可以使用更少的紫外燈，消耗更低的能量。表二所示為深度處理城市污水排放物的紫外線(xiàn)和臭氧的標(biāo)準(zhǔn)用量。

表2. 城市污水的處理方法和主要作用

　　以下兩個(gè)例子將更詳細(xì)地介紹使用臭氧進(jìn)行城市污水處理的優(yōu)點(diǎn)。

3.1 案例分析 I ： 巴林韋斯特污水處理廠

　　巴林勞動(dòng)與農(nóng)業(yè)部決定在韋斯特城市污水處理廠采用臭氧處理方法，處理總流量為200，000 m³/天（將來(lái)為300，000 m³/天）。傳統(tǒng)的一級(jí)和二級(jí)處理步驟不能滿(mǎn)足世界衛(wèi)生組織規(guī)定的加州指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)環(huán)境保護(hù)署規(guī)定的農(nóng)業(yè)非限制性灌溉的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。
　　 在本例中，除某些細(xì)菌外，需重點(diǎn)去除寄生蟲(chóng)“糞類(lèi)圓線(xiàn)蟲(chóng)”。已有的處理技術(shù)無(wú)法進(jìn)行去除，以達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)（< 1 個(gè)/L）。
　　 由助理咨詢(xún)工程師（ACE）進(jìn)行的小規(guī)模試驗(yàn)表明，與氯相比較，臭氧去除寄生蟲(chóng)的功能更強(qiáng)大（R. J. Abumaizar et al, 2003）。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用10 mg/l 的用量，反應(yīng)時(shí)間為25-30 分鐘，用臭氧去除糞類(lèi)圓線(xiàn)蟲(chóng)的去除率大于95% 。要達(dá)到同樣的去除率，所需氯的用量為30 mg/l ，反應(yīng)時(shí)間為 120 分鐘。
　　 為此，臭氧廠需要的總用量為144 kg 臭氧/小時(shí) （48 kg/h的3倍）。對(duì)于二級(jí)排放物設(shè)計(jì)的臭氧用量為12 mg/L 。引氣需要使用擴(kuò)散系統(tǒng)。整個(gè)12 mg/L的劑量需要分成兩部分– 預(yù)臭氧和后臭氧（圖1）。每個(gè)臭氧化步驟包含一個(gè)3室的接觸室，每種情況下停留時(shí)間約為25 分鐘。

圖1： 巴林臭氧處理廠處理流程圖

圖 2：巴林臭氧處理廠 （威德高 Effizon 高壓發(fā)生器）

3.2 案例分析II ： 丹麥卡倫堡處理廠

　　卡倫堡的污水處理廠處理的混合污水包含20%的城市污水和80%的工業(yè)污水。工業(yè)污水主要來(lái)自一個(gè)大型的國(guó)際醫(yī)藥公司，該公司在該地區(qū)經(jīng)營(yíng)著世界上最大的胰島素生產(chǎn)廠之一。
　　雖然卡倫堡只是一個(gè)小城鎮(zhèn)，但由于鄰近藥廠的影響，處理廠需要凈化和澄清近350,000戶(hù)居民的污水。污水含有難降解的有機(jī)雜質(zhì)，要監(jiān)測(cè)COD 值。由于藥廠計(jì)劃擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，卡倫堡當(dāng)局決定徹底重建污水處理廠。在處理的最后一步，再循環(huán)系統(tǒng)中引入了臭氧處理，使每天降解COD的量達(dá)1,250 kg。所以，臭氧系統(tǒng)設(shè)計(jì)為 180 kg 臭氧/小時(shí) （90 kg/h的2倍）。
　　生物預(yù)澄清后的污水通過(guò)普通污水處理廠的各個(gè)處理步驟后，在再循環(huán)系統(tǒng)中用臭氧進(jìn)行處理。該臭氧化過(guò)程在六個(gè)反應(yīng)釜內(nèi)發(fā)生，總處理量為300 m³。在總接觸時(shí)間僅15分鐘內(nèi)，頑固的有機(jī)雜質(zhì)大幅下降。臭氧氧化前，COD值為100-150 mg/l，處理目標(biāo)可達(dá)到COD < 70 mg/l。
　　 這種污水不僅含有上述有機(jī)雜質(zhì)，而且還含有藥物和具荷爾蒙效應(yīng)的殘留物，即“內(nèi)分泌干擾物”。通過(guò)常規(guī)的凈化和澄清工藝無(wú)法徹底充分降解這些危害環(huán)境的物質(zhì)。研究結(jié)果表明臭氧是降解城市污水中這些有害物質(zhì)的有效途徑。這種用臭氧進(jìn)行氧化處理的方式在多勢(shì)壘概念（A. Ried, T. Ternes et. al, 2003）中扮演著決定性的角色。

圖3： 卡倫堡流程圖

4 結(jié)論

　　作為城市污水的高級(jí)處理手段，利用臭氧和紫外線(xiàn)技術(shù)可以使排放的污水質(zhì)量滿(mǎn)足目前和將來(lái)的循環(huán)水標(biāo)準(zhǔn)要求。特別是利用臭氧和紫外線(xiàn)處理的方法，可以滿(mǎn)足現(xiàn)行的滅菌規(guī)范和未來(lái)有關(guān)各種持久性物質(zhì)的規(guī)范要求，例如，利用臭氧和紫外線(xiàn)處理方法可以達(dá)到有關(guān)工業(yè)化學(xué)物質(zhì)、荷爾蒙和藥物殘留的要求。
　　 除顯著、明確的處理效果外，在設(shè)計(jì)污水再利用工藝時(shí)，還需考慮成本流通和操作經(jīng)驗(yàn)，在這方面，臭氧和紫外線(xiàn)處理技術(shù)則會(huì)表現(xiàn)出全方位的優(yōu)勢(shì)。

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致謝：

本文作者衷心感謝巴林助理咨詢(xún)工程師和丹麥卡倫堡市政當(dāng)局為本文提供相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并給予大力的幫助和配合。