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我国微污染水源地污染现状及其处理技术研究进展

时间:2021-11-22 13:50

来源:现代化工

作者:李跃平 刘玉香

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随着全球范围现代化进程的不断加快,经济社会的持续发展,人类的生活水平和生产方式在不断提高。与此同时,人类在生产生活过程中对环境造成了难以恢复的破坏,使得自然灾害现象频发,环境问题愈加严重。水污染问题作为其中之一,越来越得到国家和人民的重视。其中与每一个人最密切相关的是生活饮用水的安全。因此,必需充分了解水源地水源水的污染现状,寻求切实可行的方法解决所面临的水源水“微污染”问题,改善水源水质量,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体受到有机物污染,使得部分水质指标超过了地表水环境质量标准(GB 3838—2002)Ⅲ类标准的水体。微污染水源水中含有种类繁多且复杂的有机物而污染物浓度较低,采用常规的给水处理工艺难以有效去除,这将直接影响人们饮用水的质量。

1.1 微污染水源水的水质特点

微污染水源水水质有以下特点:污染物种类多,包括有机物、氨氮、硝氮、磷、重金属以及农药等;物理性污染明显,嗅阈值,色度较高;污染指数偏高,采用常规的工艺去除效果难以达到理想标准;此外,微污染水体中还出现了许多新型微量污染物,包括激素、消毒副产物、药品与个人护理用品,以及新型治病微生物等。这些污染物如果得不到有效处理,在环境中长期存在,会通过食物链进入人体内并进行富集,从而对人体造成严重危害。

1.2 微污染水源水污染来源

造成水源水出现微污染现象的污染来源主要有3方面:一是由于农业生产过程中化肥和农药的大量使用以及禽畜养殖过程中产生的粪便和尿液排放引起的污染,二是人类活动过程中产生的生活废水及生活垃圾造成的污染,三是工业生产过程中产生的有毒有害物质的排放。

1.3 微污染水源水污染现状

中国生态环境状况公报显示,2019年,全国开展了水污染防治法执法检查,饮用水水源地生态环境问题排查整治,长江入河、渤海入海排污口排查,工业园区污水整治专项行动,长江“三磷”专项排查整治,以及启动地下水污染防治试点等一系列专项行动。这将促进我国水环境问题的提升和改善,体现出近年来我国对环境治理和防范的重视,但目前仍有约1/4的水体处于微污染及重污染状态,这就需要国家继续坚持水污染治理和水源保护,继续打好碧水保卫战。

1.3.1 地表水水质现状

2019年中国生态环境状况公报显示,全国范围内监测的1 931个地表水水质断面中,74.9%的断面水质为Ⅰ~Ⅲ类,17.5%为Ⅳ类,4.2%为Ⅴ类,仍有3.4%处于劣Ⅴ类,污染指标主要是化学需氧量、总磷以及高锰酸盐指数。与2015年水质状况相比有了明显提升:Ⅰ~Ⅲ类水质断面占64.5%,Ⅳ类占21.1%,Ⅴ类占5.5%,劣Ⅴ类占8.8%。

1.3.2 主要河流水质现状

2019年,七大流域和浙闽片河流、西北诸河、西南诸河纳入监测的1 610个水质断面中,Ⅰ~Ⅲ类水质断面从2015年的72.1%提高到2019年的79.1%,而且2019年仅有3.0%水质断面处于劣Ⅴ类,比2015年降低了5.9%。其中导致某些断面水质较差的主要原因是较高的化学需氧量、高锰酸盐指数和氨氮。从水质状况方面来看,西北诸河、浙闽片河流、西南诸河和长江流域水质为优,珠江流域水质良好,而轻度污染水源主要集中在黄河流域、松花江流域、淮河流域、辽河流域和海河流域。

1.3.3 湖泊(水库)水质现状

2019年,进行水质监测的110个重要湖泊(水库)中,Ⅰ~Ⅲ类占69.1%,比2016年上升3.1%;劣Ⅴ类占7.3%,比2016年下降0.7%。主要污染指标包括总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数。同时对107个重要湖泊(水库)进行营养状态监测,其中9.3%处于贫营养状态,62.6%为中营养状态,处于轻度和中度富营养状态的占比分别为22.4%和5.6%。可以看出目前湖泊(水库)的富营养化现象依然比较严重,其中三大湖泊——太湖、巢湖和滇池均处于轻度污染状态。

1.3.4 重点水利工程水质现状

2019年,三峡库区水质为优,其中监测的77个水质断面中,98.7%的水质断面为Ⅰ~Ⅲ类;其余1.3%均为Ⅳ类水质断面。Ⅳ类水质断面的出现主要是由于总磷和化学需氧量超标所致。对其营养状态进行评估发现,处于贫营养、中营养以及富营养状态的水质断面分别占1.3%、77.9%和20.8%。另一项重点水力工程南水北调工程中,东线工程的长江取水口水质为优,输水干线京杭运河里运河、宝应运河、宿迁运河、不牢河、韩庄运河和梁济运河段的水质均为优良。南四湖和东平湖为中营养状态,洪泽湖和骆马湖处于轻度富营养状态。中线工程的取水口及输水干线的水质均为优,入丹江口水库的9条支流水质均为优良,而丹江口水库为中营养状态。

1.3.5 全国地级及以上城市集中式生活饮用水水源水质现状

2019年,监测的902个地级及以上城市集中式生活饮用水水源断面中,全年均达标的有830个,达标率为92.0%。其中590个地表水水源监测断面中95.8%达标,导致超标的主要指标为总磷、硫酸盐和高锰酸盐指数;其余312个地下水水源监测点位达标率为84.9%,主要超标指标有锰、铁和硫酸盐。

1.3.6 地下水水质现状

2019年,全国10 168个国家级地下水水质监测点中,14.4%的监测点水质为Ⅰ~Ⅲ类,66.9%为Ⅳ类,18.8%为Ⅴ类。全国2 830处浅层地下水水质监测井中,23.7%的监测井水质为Ⅰ~Ⅲ类,30.0%为Ⅳ类,其余46.3%为Ⅴ类。主要超标指标有锰、总硬度、碘化物、溶解性总固体、铁、氟化物、氨氮、钠、硫酸盐和氯化物。

2 主要的处理方法

针对微污染水源水特定的水质特征,开发了许多方法对其进行处理。主要包括物理法、化学法和生物法。这些方法被分为4大类:强化常规处理技术、预处理技术、深度处理技术以及新型处理技术。各技术的具体内容列于表1。

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与各种物理、化学处理方法相比,生物方法因低成本高效率的特点依旧是最经济有效的处理方法。针对微污染水源水的水质特点,主要的生物处理方法有人工湿地、膜生物反应器、生物滤池、生物接触氧化法、固定化微生物、自养反硝化以及新型工艺等。

2.1 人工湿地

人工湿地(CW)是一种由土壤、人工介质、植物、微生物构成的污水处理系统,利用物理、化学、生物过程的协同作用实现污水的净化。近年来,人工湿地因具有高效率、低耗能、低成本的特点被广泛应用于生活污水、工业废水、农业废水等的处理。Huang等构建了3个地下流人工湿地用于进化微污染水,研究发现,3个人工湿地均能够实现一定的污染物去除能力并对水质波动有很好的适应能力。Yang等研究了人工湿地去除溶解有机碳(DOC)的性能,发现人工湿地可以将复杂的有机物降解为分子质量较低的有机物,但不能进一步转化为二氧化碳和水。此外,Wu等研究发现人工湿地用于处理低C/N的微污染水源水时,人工湿地中植物的根系分泌物可作为异养反硝化细菌的内源碳源。

2.2 膜生物反应器

膜生物反应器(MBR)是一种将膜分离单元与生物处理单元相结合而成的新型水处理技术,利用膜的特殊作用替代了传统生物处理工艺中的二沉池,从而减少构筑物的占地面积和污水处理成本,同时提高了污水处理效率和出水水质,有效实现了HRT和SRT的分离。Zhang等利用MBR去除微污染水源中的硝基苯和2,4,6-三氯苯酚时发现有机物的去除与MBR中生物量的积累密切相关,在较长的污泥停留时间和足够的生物量条件下,硝基苯和2,4,6-三氯苯酚的去除率均可超过90%。随着污水处理技术的不断发展,近年来许多新型MBR工艺相继出现。膜吸附生物反应器(MABR)比传统的MBR具有更高的有机物去除效率;移动床生物膜反应器(MBBR)与固定床生物膜反应器相比可以更好地保护微生物,水头损失更低,没有堵塞问题等;紫外膜生物反应器(UV–MBR)可以更有效地去除CODMn和UV254,提高有机物的生物降解性和去除率。

2.3 生物滤池

曝气生物滤池(BAF)是生物氧化处理技术中一种应用生物膜法的水处理工艺,主要依靠填料上生长的微生物,在充氧条件下,降解水体中有机物、氨氮等污染物质。Dong等评估了火山岩,陶粒和沸石作为生物曝气滤池(BAF)中的介质时对微污染水中氨氮和磷同时去除的性能,发现火山岩BAF更适合处理氨氮和磷含量低的微污染水。Xie等将火山灰颗粒作为BAF中的介质,在系统稳定运行后,出水氨氮和COD分别可以保持在0.3、3 mg/L以下。

2.4 生物接触氧化

生物接触氧化法(BCO)是一种利用载体上附着的生物膜进行废水净化的工艺,因具有高效节能、占地面积小、无需排泥等优点而得到广泛应用。Han等在同一BCO反应器中交替进行进水、搅拌、曝气、沉淀和出水,实现厌氧反应、缺氧反应和好氧反应,以处理低碳氮比的微污染水。在最佳运行条件下实现了污染物的快速去除,COD、氨氮、总氮和总磷的去除率分别达到72.45%、94.50%、83.38%和74.23%。

2.5 固定化微生物

固定化微生物技术是从固定化酶技术发展起来的,通过物理或化学的手段,将游离的微生物固定在限定的空间区域使其保持活性,并可反复利用的一项技术。因具有微生物密度高、反应速度快、耐毒害能力强、微生物流失少、产物分离容易、处理设备小型化等优点,被广泛应用于污水处理。瞿艳芝等将陶粒、功能化聚氨酯泡沫、阿科蔓柔性填料、人工水草等4种不同载体固定化菌种用于处理微污染河水,当用功能化聚氨酯泡沫固定微生物时实现了更高的污染物去除效率。Gan等使用聚氨酯泡沫固定的细菌通过反硝化处理硝酸盐微污染水,研究发现在最佳运行条件下,5 h内可完全去除硝酸盐,而没有亚硝酸盐积累。

2.6 自养反硝化

自养反硝化是某些特殊微生物可以利用无机碳源以单质硫、硫化物以及还原性含硫化合物为电子供体进行反硝化,因在脱氮过程中无需外加碳源、无出水二次污染、污泥产量少、运行成本低等优势逐渐被应用于处理微污染水体。Zhou等在生物滤池反应器中研究了基于硫的自养反硝化作用,发现与元素硫和硫化物相比硫代硫酸盐是更好的电子供体。Wang等使用硫代硫酸盐作为电子供体,在不增加外部碱度的情况下从微污染的地表水中去除硝酸盐,研究发现当进水硫氮比(S/N)为1.5时自养反硝化效率最高,而当S/N降低到1.2时硫代硫酸盐的利用率达到最高。

2.7 新型工艺

聚集生物系统(MBS)是一种由微生物液体、竹粉活性炭和水性聚氨酯凝胶以适当比例混合组成的立方颗粒,是一种先进的生物净水产品,在内部循环流化床反应器中MBS在20~30℃的温度和3~4 mg/L的溶解氧下显示出稳定有效的硝化性能。粉末活性碳膜生物反应器(PAC-MBR)利用PAC吸附和生物降解去除给水中的有机物,通过硝化作用消除氨氮,通过膜截留去除颗粒物。固定式生物滤池(I-BF)将固定化微生物技术与生物滤池相结合,使滤池中的微生物可以更好地适应环境干扰并保持稳定性。

3 结语

随着水处理技术的发展和科学技术的不断进步,对微污染水源水的处理要求将更加严格,越来越多的新型工艺也将应用于微污染水源水的处理,进一步提高水源水水质,减轻水体出现的微污染现象。与此同时,要继续加强环境监管力度,控制污染源,严格控制污水的排放,从源头上遏制微污染现象的出现。



编辑:赵利伟

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