利用紫外线和臭氧进行污水再利用的系统设计方法

Dr. Achim Ried* Taeyoung Choi**

* ITT-威德高公司，德国赫尔福德Boschstr. 6, 32051，[email protected]

** ITT-威德高公司上海办事处，中国上海遵义路100号虹桥上海城A座31楼， [email protected]

摘要：在污水再利用工艺中采用臭氧和/或紫外线技术通常是将臭氧和/或紫外线处理单元与其它处理工艺相结合，如，生物处理、絮凝处理、过滤和活性碳方法等，所以，实现这些处理单元的优化组合非常重要。本文将通过两个城市污水处理的实例介绍一种污水再利用的整体工艺设计方法。

关键词：臭氧 UV 紫外线 污水再利用 城市污水 工艺设计方法

1. 概述

　　城市污水通常是家庭污水和各种工业污水的复杂混合物。传统的处理技术有凝结/絮结/沉降方法、生物方法和过滤方法。随着污水处理技术的发展和主管部门法规的不断扩充，目前正在研讨进一步的处理方法，例如，膜滤法、紫外线灭菌、臭氧氧化、吸附等。
　　在这些法规中，比较典型的是欧盟的洗浴用水指令。当污水处理厂排放的污水排入洗浴用水时，这些水必须满足灭菌的相关标准。同样，对于城市污水的再利用，如，用于农业，也必须满足严格的标准（Liberty et al. 1999）。
　　 另一个问题与不能或很难被生物降解的物质有关，其阐明了有关是否需要进一步的处理技术的争论。这些物质主要指持久性物质，它们可能源于人类活动。这方面讨论的主要化合物/领域源包括工业化学物质（例如壬基苯酚、有机化合物、PCB、邻苯二甲酸盐）、杀虫剂（例如DDT、林丹）、药品和化妆品。
　　 此外，目前公众讨论的焦点是被称为内分泌干扰物（EDC）的物质。“内分泌”一词指影响荷尔蒙系统的物质（Schlumpf and Lichtensteiner, 1996）。据报导，表层水对鱼类荷尔蒙系统会产生副作用（Seibert, 1996）。这些副作用，如，降低鱼类生育能力，主要出现在污水处理厂出口的影响区域。对人类的潜在影响仍在争论之中。
　　 其中，对于可能影响内分泌的物质，目前没有实施任何限制，对于适用的处理技术也没有相关指导政策。

2. 采用臭氧和紫外线技术进行城市污水处理的要点

　　总的来看，由于受一些长期存在的物质、细菌、气味和/或颜色的污染，大多数再生水水的循环再利用受到限制甚至无法进行处理。表1所示为一些主要处理方法和臭氧及紫外线处理的主要作用。

表1 城市污水的主要处理步骤和主要效果

3. 调研和试验研究情况

　　在过去的几年中进行了多个项目的研究，研究内容包括用臭氧和/或紫外线工艺技术对排放的污水进行再处理，以进行再利用。
　　 研究证明，臭氧可有效氧化各种化合物。这种氧化作用可以氧化成小分子，使之失去激素作用和毒性。同时极易被生物降解（Bila et al. 2004; Jasmin et al. 2005）。
　　医药品和激素品主要通过污水处理厂处理（POSEIDON 2004）。这些二级生物处理排放物处理后基本上相对于有害物质的浓度可以降低70 至90 %。但是，还会有少量或微量的残留物质对环境产生影响，如，对鱼群有不利影响。
　　 其它可用的处理方法有膜（纳滤膜或反渗膜）、絮凝/过滤、活性碳吸附和氧化。氧化工艺具有可现场处理，不产生污染凝聚物或污染吸附物质的优点。如果氧化剂只与特定的污染源发生反应，所需氧化剂用量可经济有效地达到处理目标且产生的副产品对环境没有毒性，说明氧化工艺非常有效（Ternes et al. 2003; POSEIDON 2004; Bahr et al. 2005; Zhang et al. 2005）。
　　 臭氧处理设备可安装在澄清池的后面。Von Gunten （von Gunten et al. 2005）的研究表明少量的 SS （小于60 mg/L）对处理结果没有明显的负面影响。
　　 如果污水处理厂的处理工艺包括生物处理、澄清池和沙滤，则在澄清池和沙滤之间完全可实施臭氧处理。研究证明，经过臭氧处理后，部分DOC（溶解性有机碳） （小于60%）残留可降低到土壤生物可以降解的水平（Schumacher, 2003）。在臭氧处理之后，在下一步降低形成可生物降解的DOC，这样可进一步改善处理结果。由于灭菌方面的限制很严格，UV处理适于生物过滤之后,因为臭氧氧化可以提高紫外光的吸光度，这样，最后的紫外线发生器可以使用更少的紫外灯，消耗更低的能量。表二所示为深度处理城市污水排放物的紫外线和臭氧的标准用量。

表2. 城市污水的处理方法和主要作用

　　以下两个例子将更详细地介绍使用臭氧进行城市污水处理的优点。

3.1 案例分析 I ： 巴林韦斯特污水处理厂

　　巴林劳动与农业部决定在韦斯特城市污水处理厂采用臭氧处理方法，处理总流量为200，000 m³/天（将来为300，000 m³/天）。传统的一级和二级处理步骤不能满足世界卫生组织规定的加州指导标准和美国环境保护署规定的农业非限制性灌溉的指导标准。
　　 在本例中，除某些细菌外，需重点去除寄生虫“粪类圆线虫”。已有的处理技术无法进行去除，以达到合格标准（< 1 个/L）。
　　 由助理咨询工程师（ACE）进行的小规模试验表明，与氯相比较，臭氧去除寄生虫的功能更强大（R. J. Abumaizar et al, 2003）。
　　 实验结果表明，使用10 mg/l 的用量，反应时间为25-30 分钟，用臭氧去除粪类圆线虫的去除率大于95% 。要达到同样的去除率，所需氯的用量为30 mg/l ，反应时间为 120 分钟。
　　 为此，臭氧厂需要的总用量为144 kg 臭氧/小时 （48 kg/h的3倍）。对于二级排放物设计的臭氧用量为12 mg/L 。引气需要使用扩散系统。整个12 mg/L的剂量需要分成两部分– 预臭氧和后臭氧（图1）。每个臭氧化步骤包含一个3室的接触室，每种情况下停留时间约为25 分钟。

图1： 巴林臭氧处理厂处理流程图

图 2：巴林臭氧处理厂 （威德高 Effizon 高压发生器）

3.2 案例分析II ： 丹麦卡伦堡处理厂

　　卡伦堡的污水处理厂处理的混合污水包含20%的城市污水和80%的工业污水。工业污水主要来自一个大型的国际医药公司，该公司在该地区经营着世界上最大的胰岛素生产厂之一。
　　虽然卡伦堡只是一个小城镇，但由于邻近药厂的影响，处理厂需要净化和澄清近350,000户居民的污水。污水含有难降解的有机杂质，要监测COD 值。由于药厂计划扩大生产规模，卡伦堡当局决定彻底重建污水处理厂。在处理的最后一步，再循环系统中引入了臭氧处理，使每天降解COD的量达1,250 kg。所以，臭氧系统设计为 180 kg 臭氧/小时 （90 kg/h的2倍）。
　　生物预澄清后的污水通过普通污水处理厂的各个处理步骤后，在再循环系统中用臭氧进行处理。该臭氧化过程在六个反应釜内发生，总处理量为300 m³。在总接触时间仅15分钟内，顽固的有机杂质大幅下降。臭氧氧化前，COD值为100-150 mg/l，处理目标可达到COD < 70 mg/l。
　　 这种污水不仅含有上述有机杂质，而且还含有药物和具荷尔蒙效应的残留物，即“内分泌干扰物”。通过常规的净化和澄清工艺无法彻底充分降解这些危害环境的物质。研究结果表明臭氧是降解城市污水中这些有害物质的有效途径。这种用臭氧进行氧化处理的方式在多势垒概念（A. Ried, T. Ternes et. al, 2003）中扮演着决定性的角色。

图3： 卡伦堡流程图

4 结论

　　作为城市污水的高级处理手段，利用臭氧和紫外线技术可以使排放的污水质量满足目前和将来的循环水标准要求。特别是利用臭氧和紫外线处理的方法，可以满足现行的灭菌规范和未来有关各种持久性物质的规范要求，例如，利用臭氧和紫外线处理方法可以达到有关工业化学物质、荷尔蒙和药物残留的要求。
　　 除显著、明确的处理效果外，在设计污水再利用工艺时，还需考虑成本流通和操作经验，在这方面，臭氧和紫外线处理技术则会表现出全方位的优势。

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致谢：

本文作者衷心感谢巴林助理咨询工程师和丹麦卡伦堡市政当局为本文提供相关数据信息，并给予大力的帮助和配合。