某城市中水特性分析

陈中涛 周艳红 李凌波

摘      要：考察并分析了市政中水回用的现状和意义，并从常规分析、水中金属组成的分析、有机物组成分析入手，对某城市中水进行了系统全面的剖析，掌握该城市中水的特性，并依据该特性提出中水回用处理原则和科学合理的处理工艺。本文为其他类型废水的系统分析提供了参考，为进一步的水处理技术方案的选定提供数据基础。

关  键  词：城市中水;特性;分析

中图分类号：X 502       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）05-1005-04

Abstract： The present situation and significance of reclaimed water reuse were investigated and analyzed. A systematic and comprehensive analysis of urban reclaimed water was carried out on the basis of an analysis of metal， organic composition and other indicators in water. In accordance with the characteristics of the reclaimed water， the principles of reclaimed water reuse were proposed. The paper can provide some reference for the system analysis of other types of wastewater， and provide data base for selecting further water treatment technology.

Key words： Reclaimed water; Characteristics; Analysis

虽然我国的水资源总量庞大，但人均水资源占有量却只有世界人均水量的四分之一，是一个水资源匮乏的国家，同时水资源的分布也很不均衡，中西部地区水资源尤为紧缺[1]。水资源的匮乏和水污染的日益严重已成为制约经济发展的关键因素，同时也倒逼城市污水处理和达标污水资源化利用工作的进一步开展。据统计，每年因水资源缺口造成的工业产值损失在1 200亿元，且供水缺口仍在继续扩大。因此，在节约工业水资源的同时，如何适当处理污水使其能资源化利用兼有社会效益和经济效益。

中水主要是指城市工业污水、生活污水或雨水经过处理后达到一定的水质标准、可在一定范围内重复使用的水，其水质介于上水与下水之间。为了节约水资源，目前世界上许多国家都在摸索以资源化利用的方式处理城市污水，将城市污水通过适当的工艺处理使其成为第二水源予以开发利用，并已取得了相当多的成功经验。美国有300多个城市实现了对污水进行综合处理从而资源化利用[2];日本从20世纪60年代起就大力发展污水和中水回用技术并积极推广;其他欧洲以及中东国家也都积极开发污水回用工艺，实现污水的资源化利用以弥补日益缺乏的水资源[3]。

随着我国国民经济的飞速发展和城镇化的快速推进，城市污水的排放总量也在迅速增加。据统计，2015年我国城市污水排放量为545亿t[4]。在国家相关政策支持下，城市污水处理和达标污水利用工作得到了快速发展。目前全国污水处理装置的总处理能力达到了8.043×107 m3/d，污水处理厂平均负荷率达到63.7%，平均达标率为91.4%[5]。同时也大大促进了达标污水利用工作。如太原钢铁公司2001年建成并投入运行的处理能力为40 000 m3/d生活污水和冶金污水处理回用工程，出水主要用于冶炼装置循环冷却水和锅炉水[6];中国石油大连分公司利用国外成套技术和设备，以春柳河达标污水為水源，2006年建成并投入运行的10 000 m3/d达标污水处理回用工程，5 000 m3/d用于循环冷却水，5 000 m3/d用于锅炉。2009年5月该公司又投入运行规模为  20 000 m3/d二期达标污水处理回用工程，产水全部用于锅炉[7，8]。

由于市政污水处理场进水来源比较复杂，所以市政中水具有水质波动大、水质复杂等特点，给中水的处理和回用技术的选择带来一定的难度。本文从水质的常规跟踪分析入手，对中水的污染物展开系统全面的分析，为进一步开展中水利用的技术方案选定提供数据基础。

1  常规分析

为了全面掌握该城市中水的各项理化性质，为后续生化段处理和其他工艺的选择提供依据，对该城市中水进行了为期10天24 h的跟踪监测分析，共取得46组数据，各项分析数据如下图1所示。

数据统计结果表明，COD浓度平均值为119.6 mg/L，浓度范围为72～215 mg/L，具体统计结果见图1。结果表明：COD浓度大于120 mg/L的约占总数的37.2%;大于100 mg/L的约占总数的76.7%;大于80 mg/L的约占总数的90.7%，小于80 mg/L的仅占总数的7%;其中浓度在100～120 mg/L数据占37.2%。COD的浓度相对不高，可通过适当处理将该中水的COD浓度控制在60 mg/L以下，以满足城镇污水处理厂污染物排放标准GB 18918-2002。

其中，BOD5均在10 mg/L以下，氨氮平均值为16.3 mg/L，范围为6.4～28.5 mg/L;总磷平均值为4.4 mg/L，范围为2.3～8.3 mg/L;氯化物平均值为348 mg/L，范围为320～388 mg/L;电导率平均值为2 399μs/cm，范围为2 219～2 642 μs/cm;总硬度平均值为462 mg/L，范围为442～489 mg/L;悬浮物平均值为9.7 mg/L，范围为4～30 mg/L;色度平均值为198，范围为150～225;浊度平均值为9.3 FTU，范围为8～12.2 FTU。

从水质分析数据可以看出，原水水质各指标波动较大，盐含量、浊度、硬度和色度都较高，且可生化性较差。

针对该城市中水的水质分析结果，确定后续中水预处理以除硬、除浊和脱出色度为主。由于硬度不高，传统石灰法除硬不适合该城市中水，采用双碱法（NaOH+NaCO3）能更有效除硬。浊度和色度通过管式微滤（DF）法去除，管式微滤的PVDF材料同时具有耐腐蚀和机械强度大的优点，能确保处理效果稳定性好、周期长。

COD浓度相对不高，可通过后续有机物分析确定污染物的组成，视有机污染物的难降解程度确定适当的处理手段。该中水的B/C比较低，可生化性一般，可先通过高级氧化处理，提高中水的可生化性，再用生物法进一步处理。

2  金属分析

中水中的金属组分不仅会对生化段的微生物造成冲击，影响生化处理效果，还会对双膜单元的膜组件造成不可逆的损伤，因此若中水中金属组分尤其是重金属组分的浓度过高，会影响中水的处理效果，应采用适当的工艺去除。目前污水中的有害金属组分的处理方法主要有沉淀法、吸附法、生物处理法、离子交换法、电化学处理法和膜处理法

等[9]。为明确该城市中水中金属污染物的种类和浓度，在对该城市中水进行除浊预处理后，分别采用不同的方法对其中的全金属进行了分析，分别是电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）分析法和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析法。

分析结果表明，原水中金属成分主要为Na、Ca、Mg和K，其浓度分别为2.4×105μg/L、1.17×105μg/L、3.2×104μg/L、2.3×104μg/L;分析结果显示所含有的金属钾比一般市政污水处理厂外排的出水高，经分析其为医药行业的特征污染物，说明该市政中水中有部分进水来自医药行业。

从分析结果来看金属含量不高，特别是重金属的浓度都很低，基本不影响后续生化处理单元的正常运行;如果设置超滤和反渗透双膜浓缩单元则应考虑金属氧化物含量对膜组件的影响：根据反渗透膜污染性质[7]，可能造成最前端膜元件（一段）污染的金属氧化物（Fe、Mn、Cu、Ni、Zn）浓度均较小，其中Fe最高，为0.318 mg/L，Mn和Cu浓度较小，Cu仅为0.002 mg/L，Mn未检出，可能造成最末端膜元件（末段）污染的矿物垢（Ca、Mg、Ba、Sr）浓度相对较大，其中Ca为90.4 mg/L，Mg为0.527 mg/L，Ba为0.014 9 mg/L，Sr为0.377 mg/L，对反渗透膜造成的影响体现为压降适度增加、给水压力轻度增加、盐透过率轻度增加，略微增加淡水中的盐含量，但基本不影响锅炉补水等淡水回用。其中，Ca硬浓度可通过预处理阶段的除硬单元进行去除，以减小对膜组件的影响。

3  有机物组成分析

为了更详细地了解原水中的有机物组成，从分子组成上探究有机组分的可降解性，在实验室中开展了有机物组成的分析。用溶剂二氯甲烷（分析纯）对样品进行反复多次萃取预处理，分别得到碱中性萃取物和酸性萃取物，将两类萃取物分别经无水硫酸钠脱水和KD浓缩处理后，用GC/MS进行分析，并通过NIST标准谱库搜索定性，确定污染物的具体组成。

原水中碱中性及酸性萃取物的GC/MS分析结果分别见图2。

其中原水中碱中性有机组分检出物的色谱图、质谱图和物质结构式图见图3、图4和图5。

有机物组成的分析结果表明，该中水中的有机物主要为苯环类衍生物和苯环类含磷有机物及邻苯二甲酸酯类等，此类有机物一般为人工合成，分子结构较为稳定，不仅难通过生化手段降解，而且是中水色度的重要来源。难生化降解的有机污染物一般通过高级氧化法处理，比如电化学氧化法、芬顿氧化法（包括电芬顿氧化法和类芬顿氧化法）、湿式氧化法、超临界氧化法、光催化氧化法和臭氧催化氧化法等。结合处理效果和经济性，近年来国内环保企业一般采用臭氧催化氧化法和电催化氧化法两种技术处理城镇污水和工业废水，且都有较成功的应用案例。

4  结 论

（1）采用常规的分析手段分析结果表明，该中水原水水质各指标波动较大，盐含量、浊度、硬度和色度都较高，且可生化性较差，需要进行适当的预处理，以提高该中水的可生化性，以免冲击生化段，影响处理效果。色度和浊度可通过管式微滤去除，硬度通过双碱法进行去除，预处理后的中水可进入生化段进一步处理。

（2）全金属分析结果表明，该中水中的金属组分主要为钠、钙、镁和钾，其中钾元素的含量比一般市政污水处理厂的出水高，主要是由于市政来水接受了一部分的医药行业的废水。金属浓度较低，其中重金属的浓度基本在国家标准浓度限值以下，基本不会冲击后续生化单元并影响生化处理单元的正常运行。

（3）有机物组成的分析结果表明，可萃取有机相物质主要为苯环类衍生物和苯环类含磷有机物及邻苯二甲酸酯类等，也是色度的重要来源，此类有机物其可生化性较差，且较难降解，需要通过臭氧催化氧化等高级氧化手段处理，将难降解的杂环有机物断链形成易降解的低分子有机物，进而通过生化单元进一步降解，使出水的COD浓度控制在60 mg/L以下，符合国家城镇污水排放标准GB 18918-2002。同时减轻后续双膜处理压力，提高回用水水质。

综上，根据水质剖析的特点，若要将该市政中水回用，需要通过设立缓冲罐以保证中水水质相对稳定，并通过除硬、除浊、脱色和高级氧化以及后续生化处理进一步优化中水水质，再进行双膜提浓脱盐，得到的高品质淡水，可用作锅炉补水及其他回用水，少量的浓水可进行分盐处理或者委托有处理资质的单位进行回收处理。通过以上措施对该中水进行了为期4个月的中试试验，中试长周期稳定运行，试验结果表明，以上中水回用的处理措施完全合理。

参考文献：

[1]郑易生，钱慧红. 中国问题报告-深度忧患-当代中国的可持续发展问题[M]. 北京：今日中国出版社. 1998.

[2]王腾. 对美国污水回用的借鉴[J]. 水利科技与經济，2006， 12 （3）：138-140.

[3]G . Shelef， Y. Azov. The Coming Area of Intensive Wastewater Reuse in the Mediterranean Region[J]. Wat. Sci. Tech.， 1996， 33 （10-11）： 115-125.

[4]尚凯，李森，李璐，等. 污水处理新技术研究进展[J]. 当代化工，2018，47（10）：2182-2185

[5]朱学峰，李艳，黄道平. 污水处理过程的控制与优化综述[J].自动化与信息工程，2009（3）：11-15.

[6]曾志武. 太原钢铁（集团）有限公司生活污水处理及回用[C].2010年全国能源环保生产技术会议文集，2010.

[7]程朝路，王卫. 污水“变身”新水源——再生水工程助推大连石化科学发展[J].中国石油企业，2009（8）：60-61

[8]程艳辉，韩晓芹.反渗透膜的化学清洗[J].中氮肥，2007（6）：15-18.

[9]王光龙，蒋廉洁.污水集中处理厂污水中金属（重金属）的分布[J].重庆环境科学，2002，2405）：48-51