通过扩大臭氧生物过滤先进水处理的现场调查来实现饮用水再利用外文翻译资料

 2022-08-08 20:38:44

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通过扩大臭氧生物过滤先进水处理的现场调查来实现饮用水再利用

Vijay Sundaram a, b, Krishna Pagilla a, *, Tatiana Guarin a, Lin Li a, Ruth Marfil-Vega c, [1], Zia Bukhari c

a Department of Civil and Environmental Engineering, University of Nevada, 1664 N Virginia St, Reno, NV, 89557-0258, USA

b Stantec Consulting Services Inc., 3875 Atherton Road, Rocklin, CA, 95765, USA

c American Water, 1 Water Street, Camden, NJ, 08102, USA

摘要

回收和再利用废水是实现水资源再生的具有经济效益的可持续性做法。迄今为止，大多数饮用水再生的先进处理 （AWT）方案都是反渗透 （RO），反渗透是通过产生源源不断的浓缩盐水来实现废水处理。如今臭氧生物过滤方案已被研究为RO的潜在替代品。然而，在世界各地使用臭氧生物过滤来实现饮用水再利用依然具有一定的有限性。我们这项研究的目的就是对臭氧-生物过滤处理进行扩展的现场调查，以解决缺水地区实施这个技术可能出现的监管、设计和操作障碍。通过16个月的调查研究，我们利用两个平行生物活性炭（BAC）过滤器在空床接触时间（EBCTs）分别运行10分钟和20分钟来处理城市废水，处理量分别高达60000和30000（BVs）。BAC 1 （EBCT 10分钟） 和 BAC 2 （EBCT 20分钟）均使用 Calgon Filtrasorb 400 颗粒活性炭 （GAC） 作为过滤介质，采用相同床深均为 0.8 m。将特定臭氧剂量从 0.9 增加到 2.0，以提供温和的反应来对抗臭氧化过程中产生的具有抗性的新物质 （CECs），防止它的氧化。在臭氧过程中会产生N-硝基二甲基胺（NDMA），臭氧废水中NDMA的平均浓度为40.4纳克/升。在 BAC 1（EBCT 10分钟）中，NDMA 在研究的第一个月（2000 BVs）中被完全移除，在 2000 到 20000 BVs 之间部分移除，在 57000 到 62000 BVs 之间监测时完全切除 NDMA。这些趋势清楚地揭示了碳基（例如吸附）和非碳基（如生物降解）去除机制之间的在时间上的相关相互作用。在 BAC 2（EBCT 20分钟）中，几乎所有 CECs（不包括 NDMA）在整个研究中始终被移除（通过 30000 BVs）。这表明，与 BAC 1相比，在负载较轻的BAC 2中，碳基和非碳基去除的相互作用有些不同。在运行 482 天后，BAC 1 （EBCT 10分钟）产生的流出物的 NDMA 浓度（2 纳克/升）低于 BAC 2 （10 纳克/升），证实了在负载较重的 BAC 中可产生NDMA 生物降解途径。这些发现强调了需要进行更多的现场测试（50000BVs或以上）。BAC 1 去除流出物中的 TOC，直到在 60000 BVs 后稳定在 6 mg/L 左右，而 BAC 2 流出物中的TOC稳定在 4 mg/L 左右。在高原条件下，带沙滤预处理和臭氧处理的 BAC 1 和 BAC 2具一定的TOC 电离去除量，每天每立方米碳介质（kg/d/m3）去除量约 0.2-0.3 kg。对这项研究的结果和过去在里诺地区的臭氧BAC研究（称为BAC 3运行的膜过滤器下游运行，EBCT为30分钟的）的比较分析表明，具有较短EBCT和有上游膜过滤器的BAC比具有较长EBCT和没有上游膜过滤器的BAC去除TOC效率更高。本研究涉及饮用水再利用和应用中臭氧-BAC方面的监管和财务问题，更好地了解到臭氧-BAC与 RO 相比性能更好，资本和运营维护成本更低。臭氧BAC处理可能会被更快的全面实施，作为兴起的饮用水再利用市场的可持续发展方案。

1.简介

清洁、便宜的水资源短缺问题对全世界国家和人民构成日益严重的威胁。根据联合国（UN）《世界城市报告》中提出，到2030年，全球水资源需求预计将增长50%，高于预计的能源需求增长（人居署，2016年）。社会各界正在重新思考其当前的饮用水、废水和雨水管理模式，以实现水的可持续性、可复原性和安全性。回收和再利用经过处理的废水（即水回用）是满足未来用水需求和水管理需求的关键战略之一。水资源再利用路线图（WEF， 2018） 列出了水资源再利用的潜在好处，包括但不限于增加可靠的新水源、增强用水的弹性和用水安全，控制海水入侵和地面沉降，保护原始水源及其生态。这些好处如果得以实现，将对全球水的可持续性产生重大积极影响。

水资源回用有多种形式，包括农业灌溉、景观灌溉、冷却水、工业过程用水等。所有这些形式都需要建造和维护专用的非饮用水分配系统，如紫管。然而，随着废水处理的进步，将废水再利用为饮用水（或'饮用水再生'）在现在是可能的。这是回用水的最高效率，不需要建造和维护“紫色管道”分配系统。与不可饮用水的再利用技术相比有以下几个优点，包括：1）没有“紫管系统”来构建; 2）“紫色管道”系统与饮用水分配系统之间没有交叉连接的风险;3）有全年使用污水的可能性，从而消除季节性储存和再处理需求;4） 潜在的长期环境效益，如水库、水生生态保护、海水入侵控制和地面沉降等。在实施饮用水再利用项目时，研究表明，公众和监管社区主要关注回用水的病原体、受管制的饮用水污染物、新出现的污染物（CEC，包括药品、个人护理产品、阻燃剂、激素等）和可靠性（WEF，2018年）。大多数饮用水再利用技术目前都依赖于反渗透（RO），这是一种昂贵的工艺，主要通过过滤出水中几乎所有的有机和无机污染物来去除盐分。造成 RO 成本较高的两个关键因素：RO 设施购买和运营的成本以及辅助处理RO废品或盐水废物的成本约占工艺流程的15-20%。对于沿海社区，盐水废物可以以较低的成本排到海洋中。然而，对于内陆社区来说，盐水处理可能和RO过程本身一样昂贵。由于许多饮用水再利用项目几乎不需要去除盐，因此，如果开发可靠、更具成本效益的方法来去除病原体、饮用水污染物和 CECs，则可能不需要使用 RO。臭氧生物过滤（及其辅助工艺）现已证明在饮用水再利用项目应用中与RO一样有效，而且成本要低得多，特别是对于有盐水处理问题的内陆社区（Sundaram等人，2014年）。然而，监管障碍目前阻碍了对饮用水再利用项目广泛使用非RO解决方案的发展。例如，加利福尼亚州已授权将RO处理技术用于地下水增殖项目的地下应用（注水井）（加利福尼亚州，2018年）。因此，在加利福尼亚州，在沿海社区规划或实施了几个基于RO的注水井地下水增殖项目，但内陆社区无法按计划实施因为无法在内陆地区获得进行海洋盐水处置的许可（WateReuse，2019年）。

而在2017年，全球63%的人口居住在内陆地区（联合国，2017年）。开发和实施非RO的内陆饮用水再利用方案可以有助于全球城市水循环。例如，在加州2015年干旱期间，一些较小的内陆社区（如东波特维尔）面临严重的饮用水短缺，如果饮用水再利用设施负担得起，这些水资源短缺问题就会减少（格林，2018年;斯温，2015年）。对于内陆社区，使用臭氧生物过滤的饮用水再利用处理技术似乎是最优质的替代方法，因为与RO相比，投资成本较低（约33%为RO），能源需求更低（25%为RO）。此外，由于臭氧生物过滤不产生盐水，这种非RO工艺有助于降低近20%的浓盐水（Lee等人，2012年;Sundaram等人，2014年）。过去的臭氧生物过滤调查处理了与清除散装有机物方面有关的臭氧生物过滤性能若干问题（Arnold等人，2018年;Reaume等人，2015年;Reungoat等人，2012年，臭氧副产品（巴卡罗等人，2019年;Sundaram等人，2014年）和CECs（Bourgin等人，2018年;黑胡子等人，2015年;霍伦德等人，2009年;Lee等人，2012年;梅德兰和奥林格，2013;Reungoat等人，2012年;桑达拉姆和埃默里克，2010年）。关于臭氧生物过滤设计和操作参数，已有文章探讨了若干研究预置的作用（Bourgin等人，2018年;霍伦德等人，2009年;Lee等人，2012年），生物过滤介质类型（Reaume等人，2015年;Sun等人，2018年），生物过滤器空床接触时间（EBCT）（Arnold等人，2018年;巴卡罗等人，2019年;Reungoat等人，2011年）。然而，作者进行的一项全面的文献审查表明，大多数的废水臭氧生物过滤设施并非根据最近确定的与CECs有关的饮用水再利用项目目标设计的。表1概述了全面的臭氧生物过滤设施。文献综述还表明，一些试点规模和示范规模的臭氧生物过滤调查提前结束，但处理量相对较低（即处理BVs少于15 000个），而且仍有关于臭氧-生物渗透性能设计参数的问题，如上游处理步骤中处理的 BVs 对于具有颗粒介质的生物过滤器（例如，沙、无烟煤）可能并不重要。由于从 GAC 过渡到 BAC 主要是体积处理功能，因此经过处理的 BVs 对于使用 GAC 介质的生物过滤器至关重要。经过处理的 BVs 提供了对使用原始 GAC 介质的床铺向 BAC 过渡的条件。例如，臭氧生物过滤性能调查在不到14000BVs操作后终止，该调查时间太短，无法量化长期影响，或未报告所处理的BVs（Arnold等人，2018年;巴卡罗等人，2019年;Reaume等人，2015年;Sundaram等人，2014年）。然而，一项持续时间较长的研究（约60000 BVs）报告，即使经过两年的运作和超过50000 BVs的流量，CECs的清除量也已被拆除用水和再利用从业人员使用各种类型和结构的生物过滤来实现与饮用水生产相关的不同目标。

生物过滤器用作 1）作为 CECs 屏障，用于去除各种化学物质2）作为 膜预处理步骤以改善膜通量3） 作为NDMA 屏障4） 去除其他易于生物降解的步骤臭氧副产品，如醛和甘草。然而，目前没有明确的标准来根据饮用水再利用项目特定目标和条例去确定设计和操作参数。生物过滤介质类型和上游处理步骤可能对生物过滤器性能产生重大影响。二次废水的质量（例如TOC）会影响臭氧需求。二次污水中由可溶性微生物产品、顽固的有机物和残留有机颗粒物构成的有机物数量取决于生物处理的类型，并在一定程度上取决于处理过程（巴克和斯塔基，1999年;克拉拉等人，2005年）。如果流入的水经过超滤而不是沙滤，臭氧生物过滤性能可能会有所不同。过去的调查表明，生物过滤器的 TOC 去除率受上游过滤过程的影响（Bourgin等人，2018年;Lee等人，2012年;Reungoat等人，2012年;Sundaram等人，2014年）。然而，在延长操作后，上游处理的性质（例如，滤孔尺寸）与生物过滤器的性能（例如，在通过生物过滤器的CC去除和命运方面）之间的关系在其他地方没有提出。现有的臭氧生物过滤设计和操作实践在臭氧生物渗透、性能可靠性以及资本和业务成本方面取得的成果不明确。能否展示出有效性、是否满足法规要求、废水运营商对其不熟悉以及对臭氧生物过滤的成本和 Oamp;M 成本不明确，这些都是给正在考虑尝试臭氧-BAC（即臭氧化，然后是生物过滤，其中过滤介质是颗粒活性炭[GAC]）的社区带来沉重负担的挑战。

因此，臭氧生物过滤和其他非RO技术的潜力尚未得到充分利用，该技术尚未得到全世界广泛应用的认可。在考虑臭氧生物过滤技术的范围（即以沙、无烟煤、GAC等为介质的生物过滤器）时，臭氧-BAC显示出对饮用水再利用项目近期实施的最大潜力。从项目团队和其他人员对以前的废水臭氧BAC研究回顾来看，具体的臭氧剂量在0.8-2范围内，BAC EBCT在10-20分钟的范围内，从GAC到BAC在生物量开发方面的过渡约为70天，生物多样性在相当长的时期内发展（Arnold等人，2018年;巴卡罗等人，2019年;Bourgin等人，2018年;霍伦德等人，2009年;Lee等人，2012年;Reungoat等人，2011年;Sundaram等人，2014年;桑达拉姆和埃默里克，2010年）。根据上述文献，用于评估臭氧-BAC性能和过程控制的化学指标包括NDMA、PFAS、CECs（如TCEP、TCPP和TDCPP）、TOC和SUVA。随着时间的推移，臭氧-BAC工艺对饮用水在污染物方面的去除可靠性很重要，也对监管社区水资源再利用非常重要。由于法规批准和操作协议，需要对臭氧-BAC 性能进行基于实时工具的启动到稳定状态的现场验证。因此，这项研究需要在一个运行中的水资源回收设施（WRRF）中，对两个具有不同EBCT的臭氧-BAC系统进行连续19个月的实地示范，并观察了一系列污染物的去除情况。这种实验设计（和相关结果）的两个平行相同的生物过滤器（包括相同的介质类型和床深）在不同的EBCT（和载荷率）下连续运行，在延长的时期内被认为是独一无二的。研究的重点是在臭氧-BAC用作饮用水再利用中的主要 CECs 屏障时，加深对 CECs 去除过程可靠性的理解。因此，需要长时间（连续运行 473 天）处理过滤的二次废水同时维护所有臭氧-BAC 过程变量时，对臭氧-BAC 工艺在去除污染物方面的可靠性进行不断评估。具体来说，这项努力的结果旨在填补关于在饮用水再利用应用中将GAC向BAC过渡的文献的空白。例如，NDMA 是可生物降解的 CECs 之

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