新春特辑|微污染物，未来污水处理发展的方向？
日期：2017-02-16
神猴辞岁，金鸡迎春，回首2016，我们的水业大家庭已逾九万人，在您的陪伴下我们又度过了美好而充实的一年。值此新春佳节之际，让我们共同回顾2016年水业的大事小情，汇百家之言，问用水之道。
小编导读：在中国，已有约158种PPCPs在河流及湖泊等天然水环境中被调查研究，被报道次数最多的前10种物质均为抗生素。随着分析技术的发展与进步，将有越来越多的微污染物引起关注，但目前依然缺乏统一的排放控制标准和环境质量标准，也缺少相关法律和国际公约的制约。未来的中国城市污水处理向着什么方向发展是一个令人深思的问题。小编带您看国内外微量污染物的检出现状以及典型工程案例~
微污染物检出概况
最近十年来，在不同国家和地区的水体、土壤、污水和污泥等中都检测到了ng/L到μg/L水平的药品和PPCPs。微污染物的大量检出是由于工业化学品、家庭个人护理品以及农药的广泛使用，并通过不同的途径进入到自然水体当中。
在中国，已有约158种PPCPs在河流及湖泊等天然水环境中被调查研究，被报道次数最多的前10种物质均为抗生素。
微污染物特性
积累性
与传统性有机物不同，部分微污染物的化学性质非常稳定, 进入自然环境之后需要上千年甚至上万年的时间才能分解。这些物质会在人和动物体内积累, 并通过食物链传播、富集, 最终导致生物体组织慢性中毒。
伪持久性
部分微污染物的稳定性不高，易降解，但因为污染源会持续输入水体，因此会在水里维持一定的浓度，被称为“伪持久”。有些微污染物在降解的过程中，会生成中间产物，这些中间产物相对稳定，且与母体结构非常相似, 通常为多点极性物质, 溶解性强, 更容易进入自然水体。中间产物通常还会与母体化合物结合, 进而可能导致水生生态环境整体毒性提高。
传统污水处理工艺中微污染物的去除机理
吸附
吸附指的是先通过物理方法或生物方法将微污染物吸附在TSS上，再通过沉淀和过滤工艺将吸附了微污染物的TSS去除。吸附量可以通过Freundlich吸附模型来计算，吸附量与吸附常数、污泥产量和被吸附物质的浓度有关。
曝气吹脱
曝气吹脱法不适用于体积较大、亲脂性或者低挥发极性化合物。吹脱效率只与亨利常数和气流有关。
生物降解与转移
生物降解是指环境中的微生物有机体在新陈代谢作用或酶促作用下，发生化学结构的改变。生物转移是指在生物体或者酶制剂的介导作用下，物质发生化学性转换的过程。
在污水处理厂不同的工艺段中，由于环境因素不同，微污染物本身的化学结构差异，发生生物降解和生物转移的反应与机理也有较大差别。
微污染物的控制技术与措施
臭氧氧化
臭氧氧化是利用臭氧的强氧化作用来降解微污染物。
臭氧还具有很强的消毒能力，消毒效果甚至可以达到欧盟的相关水质指标。另外，在臭氧氧化工艺中要注意亚硝酸盐，亚硝酸盐会快速与臭氧发生反应消耗量为3.4 gO3/gNO-2-N，这将会无形中增加臭氧的投加量。
活性炭吸附
活性炭吸附通常采用颗粒活性炭或者粉末活性炭。在常规污水处理厂工艺中，下向流颗粒活性炭过滤器通常置于二沉池之后。如果采用粉末活性炭，则可将其投加在过滤区的絮凝池内，或者直接投加在曝气区。
粉末活性炭的投加方式有3种，如图2~图4所示。
3种投加方式虽然PAC的投加点不同，并且后续处理工艺不同，但都可以实现微污染物吸附去除的目的。
近年来，由于颗粒活性炭再生成本降低，对GAC的研究也越来越多。从目前的研究成果来看，这项技术是极其有前景的，但是还不足以付诸工程设计。
能耗
不同技术的能耗分析见表1、表2。
臭氧氧化最大的能耗在于臭氧制备，而臭氧制备量又取决于臭氧浓度，臭氧浓度则取决于待去除微污染物的种类和浓度以及所希望达到的去除率。区别不同的臭氧发生方式是很有必要的，比如输送液态氧就比原地制备纯氧要更加经济。
颗粒活性炭最大的能耗在于滤柱本身的压力损失，以及预过滤和反冲洗的能耗。粉末活性炭最大的能耗在于活性炭的投加、搅拌以及循环。粉末活性炭工艺中，将产生较大量的污泥需要处理，随着污泥中炭比例逐渐提高，污泥的热值也会随之升高，所以在污泥焚烧时，就必须消耗更多的能量。
不同工艺都存在的一个能耗点就是水泵类的提升设备。
以相同去除率为前提，臭氧氧化的一次能源消耗要低于活性炭吸附，但是臭氧制备所消耗的电能会增加水厂总能耗20%～40%。
随着水厂的规模增大，单位水量处理费用将呈现下降趋势，并且活性炭吸附工艺的处理费用下降要比臭氧氧化工艺更加快速。
案例介绍
瑞士克洛滕污水处理厂
从2008~2010年期间，科研人员在瑞士苏黎世州附近的克洛滕污水处理厂进行中试，科研人员将粉末活性炭投加在絮凝池内，并加入絮凝剂，出水直接进入砂滤池，砂滤池的反冲洗水回流到生物段。2013~2015年科研人员还在瑞士锡萨赫州的埃尔戈茨污水处理厂进行了为期2年的大规模生产性试验。
试验结果表明，活性炭吸附与砂滤工艺的结合在除磷、削减TSS和浊度方面，都优于单纯的砂滤工艺。并且，该结合工艺虽然省去了沉淀池，但是对大部分微污染物的去除率依然可以达到80%以上，也有个别微污染物的去除率略低，比如丙酸和磺胺甲恶唑。
这两个水厂的试验结果验证了省去沉淀工艺，只采用吸附和过滤工艺，依然可以实现较高的微污染物去除率，并且可以节省投资费用。
德国Schwerte污水处理厂
德国鲁尔协会的Thomas Grunebaum博士对德国Schwerte污水处理厂进行了微污染物去除试验。Schwerte污水处理厂的处理水量为1万m3/d，设计最大进水流速为640 L/s，旱季平均流速为110 L/s。对比试验设有两条工艺路线，路线一采用传统生物处理工艺，路线二采用生物处理工艺后加设臭氧氧化工艺和活性炭吸附工艺。
活性炭工艺段设有3座反应器，每个反应器的容积为150 m3，活性炭投加方式采用水喷射泵。PAC回流至生物反应区可以提高PAC的停留时间，进而有效提高PAC对微污染物的吸附量。
臭氧氧化工艺段设有6个反应器，每个反应器的容积为32 m3，其中1、3、5为臭氧氧化反应器，2、4、6为臭氧反应后的脱气塔。试验结果表明，臭氧投加量与反应时间的设定主要取决于微污染物本身，双氯酚酸等易被氧化降解的微污染物在臭氧投加量为3 mg/L，反应时间为20 min时，就可以被大量去除。而除了微污染物本身的性质以外，臭氧投加量和反应时间还与期望达到的出水浓度以及进水DOC浓度有关。
总之，对比试验结果表明，臭氧氧化去除能力低于活性炭吸附去除能力，一方面是因为在侧流反应中，臭氧氧化效果始终受限于侧流水量的循环率；另一方面是活性炭可以循环至活性污泥反应区，进一步提高活性炭的负荷，从而达到更高的吸附去除率。
微信对原文有删减。原文标题：城市污水处理微污染物的挑战与对策，作者：许国栋、张婧怡、陈珺、余刚，刊登在《给水排水》2016年09期。
来源：许国栋等 给水排水
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