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我国市政污水处理面临的挑战和技术革新

来源:中国市政工程企业协会

    未来市政污水处理技术应实现“从处理到回用,从能源消耗到能源自给”的转型,进一步通往“可持续供水的理想闭路水循环”。目前,我国市政污水处理普遍采用以活性污泥法为核心的生物处理工艺。该工艺以生物氧化为核心,在好氧微生物作用下将废水中的有机物转化为生物质及二氧化碳。在过去一百多年里,活性污泥法在市政污水处理上取得了巨大的成功,然而在新形势下,该技术面临着越来越多的挑战。

一、目前市政污水处理面临的挑战

1.高能耗

    基于生物氧化的生物处理工艺需要足够的溶解氧来实现对污水中有机物和营养物质的去除,该工艺所需曝气相关的能耗可占污水处理总能耗的50~70%。2019年我国生活污水排放总量达718亿立方米,而我国目前城市污水处理电耗平均水平为0.29~0.40kWh/m3。若以平均能耗0.40kWh/m计,则我国每年用于市政污水处理的总电能耗可达2.87×1010kWh。随着我国总用水量的增加,污水排放总量将会进一步上升。此外,我国部分省市和地区将污水排放逐步提高至“地表Ⅳ类水”标准,这对传统生物处理工艺又提出了升级改造的要求,无疑会提高系统的复杂性,进一步增加污水处理的能耗。

2.大量剩余污泥

    在传统活性污泥法中,污水中约50%的有机物通过生物氧化转化为生物质,不可避免地会产生大量的剩余污泥。据估算,每去除1kg有机物可产生约0.3~0.5kg的干生物质。根据GEPResearch发布的全球及中国污泥处理处置行业发展研究报告,2020年中国污泥总产量将达到6177万吨。而目前我国通过填埋、堆肥、自然干化、焚烧等方式规范化妥善处理的剩余污泥尚不到60%,即大量的剩余污泥最终将进入环境造成二次污染。污泥处置依然存在很多问题。我国现有的填埋场将满负荷运行,而污泥农用于植物生长的作用远不及肥料。厌氧消化可用于剩余污泥处理,并以甲烷气体回收能量,然而该技术只能实现35~50%的污泥减量,仍有大量固体残余物,不得不再增加焚烧环节进行最终处置。而焚烧投资与运行费用太高,易造成大气污染。

3.温室气体 

   传统生物处理过程常伴随大量温室气体排放,包括污水中有机物氧化过程产生的二氧化碳,生物脱氮过程产生的中间产物一氧化二氮和厌氧消化过程中产生的甲烷等。而一氧化二氮和甲烷的全球变暖潜能比二氧化碳高约300倍和25倍。此外,生物处理过程中所消耗的能源亦可折算为温室气体排放。假设我国废水处理所需的电能全部来自火力发电,则每年因市政污水处理间接排放二氧化碳总量高达2.57×107吨。为有效控制温室气体排放和全球气温升高,目前世界上已有40多个国家对碳含量或碳排放量进行征税,即“碳税”。例如,加拿大在2022年将提高碳税至38美元/吨,新加坡计划在2030年前提高碳税至10~15美元/吨,德国的Berenberg银行预测到2035年碳税价格将提高至80~140欧元/吨。若以15美元/吨计,我国污水处理耗能折合排放的二氧化碳(2.57×107吨)可增加27.5亿元/年的额外成本。这表明温室气体排放将成为废水处理成本中不可忽略的环节。

4.资源回收效率低

     在以往的市政污水处理过程中,污水中所含的碳、氮、磷等物质均被当作废弃物被处置。然而,在目前全球资源紧张的严峻形势下,有必要重新审视传统的污水处理观念,将市政污水作为一种资源集合体进行战略考量。据估算,全球范围内每年约有350万吨磷和1320万吨氨氮排放到污水中。根据世界粮农组织的最新报告,2020年全球磷和氮肥需求估计分别为20.0和1.2亿吨。因此,若能实现污水中磷、氮资源的有效回收,可缓解17.5%和11.1%的农业磷、氮的生产需求。

5.工艺复杂,占地面积大

     近年来,在日益严格的污水排放标准下,处理工艺的升级改造成为必然。我国现行的污水处理工艺升级改造通常采用在原有生物处理工艺基础上叠加深度处理单元。然而这样的升级改造思路不仅延长了整个工艺处理流程,增加了处理系统的复杂性和运行难度,而且提高了占地面积。

    综上,未来市政污水处理技术迫切需要理念和技术的革新。

二、市政污水处理技术革新:“从处理到回用,从能源消耗到能源自给”

    由于天然淡水资源的严重短缺及人口和经济的迅速发展,中国正面临着日益严重的水资源短缺?;?。据统计,我国660多个城市中,有400多个处于缺水状态,其中108个为严重缺水城市。我国城市供水缺口约为60亿立方米/年,水资源供需矛盾日益突出。在我国缺水城市和水生态敏感地区,由于远距离调水工程浩大,亟需探索新兴非传统水源。鉴于此,市政污水不应再被看作“废物”,而应被视为潜在的淡水资源。此外,随着市政污水处理排放标准的日益提高,如果市政污水处理仅满足排放要求而不考虑回用,不仅导致资源的浪费,且与污水处理“绿色、低碳、循环”的理念背道而驰。

     基于此,南洋理工大学团队报道了“新A-B工艺”的概念。具体来说,此概念中的A段将市政污水中的有机物捕获并直接用于甲烷生产以实现能源回收,而B段采用生物法、物化法等对营养物进行低耗高效的去除及回收。在出水水质满足排放标准的基础上,实现市政污水处理厂的高能源回收效率和环境可持续性发展。

     举例来说,以“新A-B理念”为指引,可在A段采用厌氧膜生物反应器工艺首先将市政污水中的大部分有机物直接转化为甲烷,实现能源回收,同时显著减少了剩余污泥的产生;而在B段采用反渗透工艺进一步去除可溶性营养物质,残留有机碳和主要阴阳离子。由于厌氧膜生物反应器出水已不含悬浮物和病原体等,反渗透浓缩液中富含的氨氮和磷酸盐,可进一步采用以鸟粪石形式沉淀/结晶、电渗析、电去离子等技术进行资源回收,或直接用于农业灌溉。若经反渗透处理后,氨氮未达标准,可添加氨氮吸附单元,灵活有效控制出水氨氮浓度。

     以新A-B工艺理念为基础,耦合污水处理技术产生高质再生水单位能耗约0.2~0.36kWh/m3,且工艺流程简化,占地面积显著减小。将大力推动市政污水处理尽早实现“从处理到回用,从能源消耗到能源自给”的技术跨越。

三、市政污水处理闭路水循环:通往水资源可持续的有效途径

     2018年,我国污水回用率仅为10%,主要应用于农业、工业、景观、市政杂用等,几乎不涉及城市居民生活用水。近年来,我国市政污水回用模式也逐步向水质标准严格的饮用水转变。2020年市政污水总排放量将达到1000亿立方米,随着我国对再生水重视的提升,再生水供应能力有望达4000万立方米/日(https://www.askci.com/news/chanye/20161220/14513983859_2.shtml)。若能进一步实现从市政污水回用高质再生水用于饮用水补偿,在供水量不变的情况下,可极大缓解城市水资源短缺的压力。比如,新加坡采用“NEWater”工艺,再生后的“新生水”可满足新加坡总用水量的40%。将“新生水”注入蓄水池,和天然水混合后输送至自来水厂,可进一步净化为饮用水。

     市政污水作为潜在的城市水源具有显著的优势和可行性。由于回用水来自市政污水处理厂,因此靠近用户并减少了长距离输运过程的水损失和调运成本。相较于其他新生水源(如海水淡化常适用于沿海城市),市政污水不受地理位置限制。需要指出,技术的应用亦需因地制宜,综合考虑当地水资源、自然环境条件等。例如,在土地资源丰富的小城市及地区,可考虑结合人工湿地等技术,在人口密集的大中型城市及地区,集约化市政污水回用技术具有极大的适用性。

     展望未来,随着水处理工艺技术的不断发展,市政污水处理应从“污染物去除达标排放”的理念逐渐转变为“污水再生与市政供水一体化的闭路循环”新模式。应用新的理念和技术,将现行开放式的市政污水处理模式升级为闭合式处理模式,实现水资源循环可持续。此外,国家应制定相应政策,把闭路水循环的新理念传播到大众心中,增强大众接受度。

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