通过有机物监测实现饮用水再利用

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回收与再利用水能够提高运营效率、节约成本，但目前企业和城市只是偶尔实施水的再利用。气候变化、城市化加剧、人口增长等因素要求发展水的再利用技术、发掘更多更安全的可用水源。为此，监管机构致力于提高批量水处理的可靠性、制定充分的分析标准来确保安全运营。有机物监测就是满足高水质要求、保障公众健康、保证污染物去除的最优处理效率的重要部分。通过可靠的有机物监测来实现饮用 水再利用 简介 回收与再利用水能够提高运营效率、节约成本，但目 前企业和城市只是偶尔实施水的再利用。气候变化、城市化加剧、人口增长等因素要求发展水的再利用技 术、发掘更多更安全的可用水源。为此，监管机构致 力于提高批量水处理的可靠性、制定充分的分析标准 来确保安全运营。有机物监测就是满足高水质要求、保障公众健康、保证污染物去除的最优处理效率的重 要部分。 挑战 间接饮水用再利用（IPR，Indirect Potable Reuse）事业发展迅猛，各种项目遍布美国和世界各地。但水 资源的日益短缺迫使研究和监管机构制定直接饮用水 再利用（DPR，Direct Potable Reuse）的规则框架。在回收水时，水处理厂将污水处理和饮用水处理结合 起来，设置多道安全屏障，以保障公众健康。这些工 作包括：  降低生物需氧量（BOD）  控制养分  去除病菌/病毒  确保正确的消毒  控制味道/气味  消除微量有机污染物 正确的消毒要求在杀灭活性病菌/病毒和产生致癌消毒 副产物（DBP，Disinfection Byproduct）之间取得合 理平衡。致癌消毒副产物产生于消毒剂和天然有机物 （NOM，Natural Organic Matter）的反应。为了进行 监测和平衡，处理厂必须更好地了解各个回收阶段的 进、出水水质和工艺水水质。总有机碳（TOC）分析 是确定水质的可靠方法。同其它标准（详见表 1）相 比，TOC测量具有诸多优点。TOC包括 NOM、味道 和气味化合物、微生物和细菌、微量有机污染物、有 机工业废水等。 表 1：TOC与其他可替代参数的比较 TOC 浊度 •测量有机物总量 •包括悬浮颗粒、胶体、溶解有机物 •不包括沉淀固体、无机物沉淀、有机颗粒 •测量水的清晰度，即水中的悬浮物减少水中的光通量的程度 •没有健康标准 •无法区分有机物、无机物、颜色等 DOC SUVA（UV 254纳米时的特定吸收率） •测量可溶性和胶状有机物，即可经过 0.45微米过滤的部分 •测量 DOC芳香族化合物，由 DOC和 UV吸光度（UV 254 nm时）计算，作为可替代的 EPA合规标准 •254 nm时有多种干扰 •需要 DOC和 UV 254组件 BOD COD •测量生物活性有机物 •用于测量水污染程度 •可用于评估污水处理厂的效率 •测试通常需要 5天，精确度较差 •各种有机化合物有不同的 BOD •测量有机物的化学氧化作用 •测量工业和城市污水的处理效果，但精确度较差 •测试通常需要 2小时，需要强力危险化学品 •各种有机化合物有不同的 COD 解决方案 TOC监测可以改善污水处理工艺，提高目标污染物的 去除效率。TOC监测的优势在于： • 控制污水处理工艺 • 根据实际数据作出决策 • 维护系统的整体健康 • 使出水水质达到要求 在设计水再利用处理系统时，关键在于找出关键控制 点（CCP，CriticalControlPoint）和质量控制点 （QCP，Quality Control Point），才能监视系统性能、确保工艺水质。除了监测水源变化和最终出水水质之 外，表 2还列出了得益于有机物监测的水处理工艺应 用实例。 表 2：有机物监测解决方案 应用 解决方案 安全监控 • 检测水质变化 化学品剂量投放 • 选择正确的化学品和剂量投放 颗粒活性炭 • 控制再生频率 • 优化出水水质 离子交换 膜（MF/UF） • 避免污染适当的预处理 • 延长寿命 • 管理反冲洗程序 反渗透 臭氧剂量投放 • 基于 O3/TOC比例的 O3剂量投放 正确消毒 • 限制消毒副产物的形成，但确保杀灭活性微生物 实例 加州地下水回灌的回收水量（RWC，Recycled Water Contribution）由 TOC量来决定，加州用 TOC量作 为替代参数，表征未被规定的有机污染物的量。美国 其他州也将 TOC标准，作为回灌水法规标准，如表 3所列。 表 3：各州的回灌与回收水的 TOC水平 州 TOC的回灌架构 加州 ≤0.5mg/L 华盛顿州 ≤1mg/L 佛罗里达州 ≤3mg/L 马萨诸塞州 ≤1-3mg/L 新墨西哥州 ≤3mg/L http://www.reno.gov/home/showdocument?id=30769 回收水处理厂以 TOC监测为分析手段，用于改进工 艺控制、满足补充水规则、改善处理工艺，如表 4所 列。 表 4：回收处理和 TOC监测实例 地点和回收处理 TOC的应用 加州奥兰治县 MF+ RO+ UV AOP • 测试膜完整性• 防止 RO污染 新加坡 NEWaterMF/UF+ RO+ UV • 测试 RO膜的完整性• 监测水源污染 加州圣地亚哥 O3+ BAC+ MF+ RO+UV/H2O2 AOP • 监测第三级出水 • 测量 O3/BAC的TOC去除率 • 测量 MF/RO出水中的 TOC 弗吉尼亚州费尔法克斯石灰+ GMF+ GAC或O3/BAC+ Cl2 • 优化 O3剂量，监测GAC的 TOC去除率 德克萨斯州埃尔帕索MF/UF+ NF/RO+ UV/H2O2AOP+ GAC/O3+ Cl2 • 监测从水源到饮用水水质出水的各处理单元 BAC-Biological Activated Carbon，生物活性炭过滤； GAC-Granulated Activated Carbon，颗粒活性炭；GMF- Granular Media Filtration，颗粒介质过滤；MF- Microfiltration，微过滤；O3-Ozone，臭氧；RO-Reverse Osmosis，反渗透；UF-Ultrafiltration，超滤；UV AOP-Ultraviolet Disinfection Advanced Oxidation，紫外线消毒 高级氧化 在为回灌地下水提供可靠的高品质再生水方面，以及 在防止海水浸入地下水方面，奥兰治县水区（OCWD）是领先者。从二级污水到 MF、RO、UV高级氧化， OCWD的处理工艺生产了满足或超过再生水标准以及 州、联邦饮用水标准的高质水。OCWD采用 TOC分 析来测试膜完整性、监测去除效率、防止膜污染。对 MF、UF、RO进行不当的预处理，都可能导致高昂 的能源成本和昂贵的清洁费用，并可能被迫更换膜。了解有关膜过滤前后的 TOC浓度，有助于帮助优化 有机物去除效率，以及监控入厂水质的变化。 总结 监测 TOC，能使操作人员根据实际数据作出实时决策 以优化工艺，还能使处理厂监控整个处理系统的功效，并达到出水质量目标。对再生水的日益增长的需求，以及新兴的污水处理技术，推动着直接饮用水再利用 （DPR）的架构发展。该架构将依赖于 TOC分析等 可靠的实时监控，以保障公众健康、确保高效运行。