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城鎮污水處理的發展方向與技術需求

經過近十年的高速建設,我國已建成并投入運行了3500多座城鎮污水處理廠,日總處理能力達到了1.4億m3,已與美國基本相當。隨著水污染控制工作的不斷深入和城鎮化進程的加速,我國城鎮污水處理設施還將處于高速建設的態勢,并有可能在未來十年內完成城鎮污水處理設施的基本建設任務。但是,基本建設的完成并不意味著發展停滯,這些設施離社會可持續發展的要求還存在較大差距,已建設施的提升改造(Upgrading)將是一項長期的任務。事實上,現有設施的提標改造幾年前就已在重點流域展開。通過不斷提升改造,新技術、新材料和新設備得以應用,城鎮污水處理設施更加高效地滿足人類社會發展要求。在大規模設施建設即將完畢、已建設施改造即將全面展開之際,系統梳理我國城鎮污水處理未來發展方向和技術需求,是一個有著重要現實意義的課題。

   1.城鎮污水處理的發展方向

   目前,世界面臨著水污染、缺水、氣候變化、能源危機以及資源枯竭等許多危及人類社會可持續發展的重大問題,而城鎮污水處理與這些人類社會重大問題密切相關,城鎮污水處理的發展應對這些重大問題的解決有所貢獻。

   控制水污染是城鎮污水處理設施的基本功能,這一功能未來需要繼續得以強化。隨著經濟社會發展,污染強度不斷增大、污染物種類日趨復雜;另一方面,隨著公眾環境意識的加強,水環境質量要求也必將不斷提高。因此,城鎮污水處理應進一步提高處理標準,降低出水中有機污染物和氮磷無機營養物的濃度,強化對內分泌干擾物等新興污染物的去除,滿足水環境要求。

   高水平的城鎮污水處理是實現水資源可持續利用的前提。中國水資源總量27000億m3,但可利用水資源量僅約8000億m3,目前用水量已超過6000億m3,缺水問題日益突出。雖然存在跨流域調水以及海水淡化等多種選擇,但總體上,只有將城鎮污水進行深度或超深度處理,徹底恢復其使用功能,實現水資源可持續利用,才能從根本上應對水危機,解決中國的缺水問題。

   日益明顯的氣候變化問題要求城鎮污水實現低碳處理。城鎮污水處理是重要的碳排放源,包括直接排放和間接排放。直接排放是指污水處理過程中有機物厭氧分解直接向大氣排放的甲烷和氮素生物轉化過程中向大氣排放的一氧化二氮。間接排放是指污水處理電耗以及所耗化學品在生產過程中發生的碳排放。美國城鎮污水處理耗電導致的間接碳排放約占全社會總排放當量的1%,污水處理直接碳排放約占總排放當量的0.42%,直接排放與間接排放總計約占總排放當量的1.42% 。城鎮污水處理行業雖小,但卻是一個不容忽視的碳排放源,應實現低碳處理。

   日益嚴重的能源危機要求城鎮污水處理過程進行能源開發利,提高能源自給率。城鎮污水處理是高能耗行業,美國城鎮污水處理(POWT)電耗占全社會總電耗的3%,中國城鎮污水處理電耗已突破100億千瓦時,且將繼續增大。另一方面,城鎮污水中“蘊含”著巨大潛能,有待開發。美國計算,污水潛能是處理污水耗能的10倍!全球每日產生的污水中潛能約相當于1億噸標準燃油,污水潛能開發可解決社會總電耗的10%;跉W洲經驗,僅采取以節能降耗為目標的提效改造措施和高效厭氧消化回收能量等傳統技術,城鎮污水處理能源自給率就可達到60%以上。

   城鎮污水處理是資源循環利用的重要載體。除水資源循環利用外,污水處理過程可實現有機質及磷等資源的循環利用。污水處理產生的污泥經穩定化處理可形成類腐殖質(like-humus),通過農業循環利用可增強土壤團聚性能,增加透氣性和持水性能,提高地力。全球磷資源分布嚴重不均:摩洛哥占42%,美國7%,歐洲1%?傮w上,全球磷資源行將枯竭,中國儲量也只有20~50年,必須構建起磷素的持續循環體系,而城鎮污水處理是磷循環的重要途徑。日本2008年進口磷肥或礦石折合磷素26萬噸,如將污水中的約5萬噸磷素回收利用,可解決進口量20%。(via 《給水排水》雜志)

   綜上分析,人類社會的可持續發展對城鎮污水處理存在多目標要求:提高出水水質,滿足水污染控制和水資源可持續循環利用的需要;節能降耗、控制碳排放,實現低碳污水處理;開發污水潛能,提高能源自給率,并逐步實現清潔能源的凈輸出;回收有機和無機資源,實現資源的循環利用。因此,城鎮污水處理未來發展方向可歸納為:提高水質、低碳處理、開發能源、回收資源。

   2.城鎮污水處理的技術需求

   按照城鎮污水處理發展方向,未來存在以下技術需求:污水深度和超深度處理技術,具體包括營養物深度去除技術、新興污染物去除技術和高品質再生水超深度集成處理技術;低碳污水處理技術,具體包括可持續新工藝、節能降耗運行優化與高效控制技術以及節能降耗新設備的應用;污水處理能源開發技術,具體包括污水能源開發技術和污泥能源開發技術;污水處理資源回收技術,具體包括PHA生物塑料回收技術和磷回收技術。

   3.1低碳污水處理技術

   基于有機污染物去除的可持續污水處理新工藝主要是厭氧處理技術,能耗低,且可回收能源。高濃度有機廢水的厭氧技術已成熟,但城市污水有機物濃度低,厭氧處理存在投資大和占地大等障礙。目前,城鎮污水厭氧處理方向研究的熱點是厭氧膜生物反應器AnMBR,與傳統厭氧工藝相比,可大幅度減少占地,但技術成熟度離生產性應用尚存在差距。另一類可持續污水處理工藝是低能耗、低碳源消耗的脫氮工藝,有很多種類,但主要包括基于短程反硝化原理的SHARON工藝和基于厭氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工藝。與傳統的AAO工藝相比,SHARON可節約25%的能耗、40%的碳源消耗,而ANNAMOX工藝可節約60%的能耗、90%的碳源消耗。目前,SHARON和ANNAMOX在高濃度氨氮污水處理中已較成熟,在污泥回流液處理中已有一批成功案例。在典型城鎮污水處理上雖有進展,但離實際應用仍有差距。

   污水處理運行優化在節能降耗方面存在巨大潛力。在物料與能流平衡的前提下,依據各工藝參數的變化規律,合理調整并控制溶解氧和回流比,可取得明顯節能降耗效果。加拿大、美國以及北歐近兩年都在運行優化技術方面開展了大量研究,我國在水專項中也安排了相應研究。高效控制技術的研究進展為運行優化技術的應用提供了手段。其中,精確曝氣控制技術可使曝氣池的溶解氧按運行優化要求得以準確控制。另外,基于微波污泥含固量在線測定的污泥加藥量控制技術也可使脫水藥耗大大降低。

   節能降耗新設備的應用對低碳污水處理也有較大的貢獻。近兩年,鼓風曝氣有向超微孔發展的趨勢,超微孔曝氣器在6米的典型水深下氧轉移效率可超過40%;空氣懸浮鼓風機和磁懸浮鼓風機的逐步普及是鼓風機的機械效率有所提高;線性水下攪拌器的使用提高了厭氧段和缺氧段的攪拌效率。另外,被譽為機械工業“第二次革命”的磁驅動技術也開始在污水處理設備中應用,整體可望獲得10%左右機械效率的提高。

   3.2污水處理能源開發技術

   厭氧膜生物反應器AnMBR既是可持續污水處理新工藝,也是有前景的污水能源回收技術。生物電化學技術是近十年來的研究熱點,包括微生物燃料電池(MFC)產電技術和微生物電解電池(MEC)產氫技術。理論上,微生物燃料電池可使污水的能源回收率超過80%,但仍存在反應器放大的困難,離生產性應用還相距甚遠。

   污泥厭氧方向的能源化包括厭氧發酵產乙醇、厭氧發酵產氫和厭氧消化產甲烷三個技術路徑。產乙醇技術雖然成熟,但能源轉化率較低;產氫技術目前仍存在反應器放大的困難,制約生產性應用;實踐中普遍采用的是厭氧消化技術。傳統厭氧消化技術源轉化率在30%-40%,而高級厭氧消化技術(AdvancedAnaerobic Digestion)可提高到50%-60%。高級厭氧消化技術包括高溫厭氧消化、溫度分級厭氧消化(TPAD)和酸-氣兩相厭氧消化。污泥預處理技術近年來進展較快,具體包括超聲細胞破碎技術、微波細胞破碎技術、生物酶水解技術、生物細胞破碎(BIODIET®)、電絮凝技術、聚焦電脈沖技術、熱水解技術和化學細胞破碎技術(微污泥MicroSludgeTM)。目前應用較多的是熱水解技術,世界各地已有幾十個成功案例。污泥熱水解預處理是將脫水后污泥在高溫高壓水蒸汽下進行水解反應。污泥熱水解后,降低了污泥的粘滯性,且生物細胞被破壁后細胞質釋放出來,縮短了后續厭氧消化時間,提高了產氣率,消化污泥的脫水性能也得以提高。

   3.3 污水處理資源回收技術

   通過穩定化污泥的農業循環利用,使污水中的各種資源回到土壤,實現碳、氮、磷的可持續資源循環利用,是資源回收的最重要途徑。

   將污水中的碳資源經生物轉化合成PHA生物塑料也是研究熱點之一,目前中試規模已經成功,但尚未實現產業化。

   鳥糞石磷回收工藝已有多年的研究積累,目前荷蘭已有生產性示范廠投入運行。日本研究從污泥焚燒灰中回收磷,并已在岐阜市污水處理廠建設了焚燒灰磷回收示范設施,主要原理為:將堿性溶液加入污泥焚燒灰,維持50OC-90OC的反應溫度,然后進行固液分離,分離后的溶液稱為磷提取液,固體稱為脫磷灰;將熟石灰加入磷提取液中,將磷以磷酸鈣的形式沉淀下來,作為磷肥原料。

 


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