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我國微污染水源地污染現狀及其處理技術研究進展

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發布日期:2021-11-22 來源:現代化工 瀏覽次數:55
核心提示:摘要:綜述了微污染水源地水的水質特點、污染來源以及污染現狀;針對微污染水源水的主流處理方法進行了概述;對微污染水源水生物處理技術進行了探討。

隨著全球范圍現代化進程的不斷加快,經濟社會的持續發展,人類的生活水平和生產方式在不斷提高。與此同時,人類在生產生活過程中對環境造成了難以恢復的破壞,使得自然災害現象頻發,環境問題愈加嚴重。水污染問題作為其中之一,越來越得到國家和人民的重視。其中與每一個人最密切相關的是生活飲用水的安全。因此,必需充分了解水源地水源水的污染現狀,尋求切實可行的方法解決所面臨的水源水“微污染”問題,改善水源水質量,保障居民用水安全。

1 微污染水源地水源水

微污染水源地水源水是指天然水體受到有機物污染,使得部分水質指標超過了地表水環境質量標準(GB 3838—2002)Ⅲ類標準的水體。微污染水源水中含有種類繁多且復雜的有機物而污染物濃度較低,采用常規的給水處理工藝難以有效去除,這將直接影響人們飲用水的質量。

1.1 微污染水源水的水質特點

微污染水源水水質有以下特點:污染物種類多,包括有機物、氨氮、硝氮、磷、重金屬以及農藥等;物理性污染明顯,嗅閾值,色度較高;污染指數偏高,采用常規的工藝去除效果難以達到理想標準;此外,微污染水體中還出現了許多新型微量污染物,包括激素、消毒副產物、藥品與個人護理用品,以及新型治病微生物等。這些污染物如果得不到有效處理,在環境中長期存在,會通過食物鏈進入人體內并進行富集,從而對人體造成嚴重危害。

1.2 微污染水源水污染來源

造成水源水出現微污染現象的污染來源主要有3方面:一是由于農業生產過程中化肥和農藥的大量使用以及禽畜養殖過程中產生的糞便和尿液排放引起的污染,二是人類活動過程中產生的生活廢水及生活垃圾造成的污染,三是工業生產過程中產生的有毒有害物質的排放。

1.3 微污染水源水污染現狀

中國生態環境狀況公報顯示,2019年,全國開展了水污染防治法執法檢查,飲用水水源地生態環境問題排查整治,長江入河、渤海入海排污口排查,工業園區污水整治專項行動,長江“三磷”專項排查整治,以及啟動地下水污染防治試點等一系列專項行動。這將促進我國水環境問題的提升和改善,體現出近年來我國對環境治理和防范的重視,但目前仍有約1/4的水體處于微污染及重污染狀態,這就需要國家繼續堅持水污染治理和水源保護,繼續打好碧水保衛戰。

1.3.1 地表水水質現狀

2019年中國生態環境狀況公報顯示,全國范圍內監測的1 931個地表水水質斷面中,74.9%的斷面水質為Ⅰ~Ⅲ類,17.5%為Ⅳ類,4.2%為Ⅴ類,仍有3.4%處于劣Ⅴ類,污染指標主要是化學需氧量、總磷以及高錳酸鹽指數。與2015年水質狀況相比有了明顯提升:Ⅰ~Ⅲ類水質斷面占64.5%,Ⅳ類占21.1%,Ⅴ類占5.5%,劣Ⅴ類占8.8%。

1.3.2 主要河流水質現狀

2019年,七大流域和浙閩片河流、西北諸河、西南諸河納入監測的1 610個水質斷面中,Ⅰ~Ⅲ類水質斷面從2015年的72.1%提高到2019年的79.1%,而且2019年僅有3.0%水質斷面處于劣Ⅴ類,比2015年降低了5.9%。其中導致某些斷面水質較差的主要原因是較高的化學需氧量、高錳酸鹽指數和氨氮。從水質狀況方面來看,西北諸河、浙閩片河流、西南諸河和長江流域水質為優,珠江流域水質良好,而輕度污染水源主要集中在黃河流域、松花江流域、淮河流域、遼河流域和海河流域。

1.3.3 湖泊(水庫)水質現狀

2019年,進行水質監測的110個重要湖泊(水庫)中,Ⅰ~Ⅲ類占69.1%,比2016年上升3.1%;劣Ⅴ類占7.3%,比2016年下降0.7%。主要污染指標包括總磷、化學需氧量和高錳酸鹽指數。同時對107個重要湖泊(水庫)進行營養狀態監測,其中9.3%處于貧營養狀態,62.6%為中營養狀態,處于輕度和中度富營養狀態的占比分別為22.4%和5.6%??梢钥闯瞿壳昂?水庫)的富營養化現象依然比較嚴重,其中三大湖泊——太湖、巢湖和滇池均處于輕度污染狀態。

1.3.4 重點水利工程水質現狀

2019年,三峽庫區水質為優,其中監測的77個水質斷面中,98.7%的水質斷面為Ⅰ~Ⅲ類;其余1.3%均為Ⅳ類水質斷面。Ⅳ類水質斷面的出現主要是由于總磷和化學需氧量超標所致。對其營養狀態進行評估發現,處于貧營養、中營養以及富營養狀態的水質斷面分別占1.3%、77.9%和20.8%。另一項重點水力工程南水北調工程中,東線工程的長江取水口水質為優,輸水干線京杭運河里運河、寶應運河、宿遷運河、不牢河、韓莊運河和梁濟運河段的水質均為優良。南四湖和東平湖為中營養狀態,洪澤湖和駱馬湖處于輕度富營養狀態。中線工程的取水口及輸水干線的水質均為優,入丹江口水庫的9條支流水質均為優良,而丹江口水庫為中營養狀態。

1.3.5 全國地級及以上城市集中式生活飲用水水源水質現狀

2019年,監測的902個地級及以上城市集中式生活飲用水水源斷面中,全年均達標的有830個,達標率為92.0%。其中590個地表水水源監測斷面中95.8%達標,導致超標的主要指標為總磷、硫酸鹽和高錳酸鹽指數;其余312個地下水水源監測點位達標率為84.9%,主要超標指標有錳、鐵和硫酸鹽。

1.3.6 地下水水質現狀

2019年,全國10 168個國家級地下水水質監測點中,14.4%的監測點水質為Ⅰ~Ⅲ類,66.9%為Ⅳ類,18.8%為Ⅴ類。全國2 830處淺層地下水水質監測井中,23.7%的監測井水質為Ⅰ~Ⅲ類,30.0%為Ⅳ類,其余46.3%為Ⅴ類。主要超標指標有錳、總硬度、碘化物、溶解性總固體、鐵、氟化物、氨氮、鈉、硫酸鹽和氯化物。

2 主要的處理方法

針對微污染水源水特定的水質特征,開發了許多方法對其進行處理。主要包括物理法、化學法和生物法。這些方法被分為4大類:強化常規處理技術、預處理技術、深度處理技術以及新型處理技術。各技術的具體內容列于表1。

 

與各種物理、化學處理方法相比,生物方法因低成本高效率的特點依舊是最經濟有效的處理方法。針對微污染水源水的水質特點,主要的生物處理方法有人工濕地、膜生物反應器、生物濾池、生物接觸氧化法、固定化微生物、自養反硝化以及新型工藝等。

2.1 人工濕地

人工濕地(CW)是一種由土壤、人工介質、植物、微生物構成的污水處理系統,利用物理、化學、生物過程的協同作用實現污水的凈化。近年來,人工濕地因具有高效率、低耗能、低成本的特點被廣泛應用于生活污水、工業廢水、農業廢水等的處理。Huang等構建了3個地下流人工濕地用于進化微污染水,研究發現,3個人工濕地均能夠實現一定的污染物去除能力并對水質波動有很好的適應能力。Yang等研究了人工濕地去除溶解有機碳(DOC)的性能,發現人工濕地可以將復雜的有機物降解為分子質量較低的有機物,但不能進一步轉化為二氧化碳和水。此外,Wu等研究發現人工濕地用于處理低C/N的微污染水源水時,人工濕地中植物的根系分泌物可作為異養反硝化細菌的內源碳源。

2.2 膜生物反應器

膜生物反應器(MBR)是一種將膜分離單元與生物處理單元相結合而成的新型水處理技術,利用膜的特殊作用替代了傳統生物處理工藝中的二沉池,從而減少構筑物的占地面積和污水處理成本,同時提高了污水處理效率和出水水質,有效實現了HRT和SRT的分離。Zhang等利用MBR去除微污染水源中的硝基苯和2,4,6-三氯苯酚時發現有機物的去除與MBR中生物量的積累密切相關,在較長的污泥停留時間和足夠的生物量條件下,硝基苯和2,4,6-三氯苯酚的去除率均可超過90%。隨著污水處理技術的不斷發展,近年來許多新型MBR工藝相繼出現。膜吸附生物反應器(MABR)比傳統的MBR具有更高的有機物去除效率;移動床生物膜反應器(MBBR)與固定床生物膜反應器相比可以更好地保護微生物,水頭損失更低,沒有堵塞問題等;紫外膜生物反應器(UV–MBR)可以更有效地去除CODMn和UV254,提高有機物的生物降解性和去除率。

2.3 生物濾池

曝氣生物濾池(BAF)是生物氧化處理技術中一種應用生物膜法的水處理工藝,主要依靠填料上生長的微生物,在充氧條件下,降解水體中有機物、氨氮等污染物質。Dong等評估了火山巖,陶粒和沸石作為生物曝氣濾池(BAF)中的介質時對微污染水中氨氮和磷同時去除的性能,發現火山巖BAF更適合處理氨氮和磷含量低的微污染水。Xie等將火山灰顆粒作為BAF中的介質,在系統穩定運行后,出水氨氮和COD分別可以保持在0.3、3 mg/L以下。

2.4 生物接觸氧化

生物接觸氧化法(BCO)是一種利用載體上附著的生物膜進行廢水凈化的工藝,因具有高效節能、占地面積小、無需排泥等優點而得到廣泛應用。Han等在同一BCO反應器中交替進行進水、攪拌、曝氣、沉淀和出水,實現厭氧反應、缺氧反應和好氧反應,以處理低碳氮比的微污染水。在最佳運行條件下實現了污染物的快速去除,COD、氨氮、總氮和總磷的去除率分別達到72.45%、94.50%、83.38%和74.23%。

2.5 固定化微生物

固定化微生物技術是從固定化酶技術發展起來的,通過物理或化學的手段,將游離的微生物固定在限定的空間區域使其保持活性,并可反復利用的一項技術。因具有微生物密度高、反應速度快、耐毒害能力強、微生物流失少、產物分離容易、處理設備小型化等優點,被廣泛應用于污水處理。瞿艷芝等將陶粒、功能化聚氨酯泡沫、阿科蔓柔性填料、人工水草等4種不同載體固定化菌種用于處理微污染河水,當用功能化聚氨酯泡沫固定微生物時實現了更高的污染物去除效率。Gan等使用聚氨酯泡沫固定的細菌通過反硝化處理硝酸鹽微污染水,研究發現在最佳運行條件下,5 h內可完全去除硝酸鹽,而沒有亞硝酸鹽積累。

2.6 自養反硝化

自養反硝化是某些特殊微生物可以利用無機碳源以單質硫、硫化物以及還原性含硫化合物為電子供體進行反硝化,因在脫氮過程中無需外加碳源、無出水二次污染、污泥產量少、運行成本低等優勢逐漸被應用于處理微污染水體。Zhou等在生物濾池反應器中研究了基于硫的自養反硝化作用,發現與元素硫和硫化物相比硫代硫酸鹽是更好的電子供體。Wang等使用硫代硫酸鹽作為電子供體,在不增加外部堿度的情況下從微污染的地表水中去除硝酸鹽,研究發現當進水硫氮比(S/N)為1.5時自養反硝化效率最高,而當S/N降低到1.2時硫代硫酸鹽的利用率達到最高。

2.7 新型工藝

聚集生物系統(MBS)是一種由微生物液體、竹粉活性炭和水性聚氨酯凝膠以適當比例混合組成的立方顆粒,是一種先進的生物凈水產品,在內部循環流化床反應器中MBS在20~30℃的溫度和3~4 mg/L的溶解氧下顯示出穩定有效的硝化性能。粉末活性碳膜生物反應器(PAC-MBR)利用PAC吸附和生物降解去除給水中的有機物,通過硝化作用消除氨氮,通過膜截留去除顆粒物。固定式生物濾池(I-BF)將固定化微生物技術與生物濾池相結合,使濾池中的微生物可以更好地適應環境干擾并保持穩定性。

3 結語

隨著水處理技術的發展和科學技術的不斷進步,對微污染水源水的處理要求將更加嚴格,越來越多的新型工藝也將應用于微污染水源水的處理,進一步提高水源水水質,減輕水體出現的微污染現象。與此同時,要繼續加強環境監管力度,控制污染源,嚴格控制污水的排放,從源頭上遏制微污染現象的出現。

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