立足當下，展望市政污水處理技術的未來之景
2022-08-15
目前，我國的市政污水處理普遍采用以活性污泥法為核心的生物處理工藝。該工藝以生物氧化為核心，在好氧微生物的作用下將廢水中的有機物轉化為生物質和二氧化碳。在過去的一百年中，活性污泥法在市政污水處理中取得了巨大的成功，然而，在新的形勢下，該技術正面臨著越來越多的挑戰。下面我們一起了解一下市政水處理技術面臨的挑戰吧。
【立足當下，分析挑戰】
挑戰1：高能耗
以生物氧化為基礎的生物處理工藝需要足夠的溶解氧來實現對廢水中有機物和營養物質的去除，該工藝所需的曝氣相關能耗可占到污水處理總能耗的50-70%，2019年我國生活污水排放總量達到710億立方米，目前我國市政污水處理的平均用電水平為0.29~0.40千瓦時/立方米。如果按平均能耗0.40千瓦時/立方米計算，則我國市政污水處理的年總電耗可達2.87×1010千瓦時。隨著我國總用水量的增加，污水排放總量將進一步上升。此外，我國部分省市和地區將逐步把污水排放提高到“地表IV類水”標準，這就對傳統的生物處理工藝提出了升級要求，這無疑會增加系統的復雜性，進一步增加污水處理的能耗。(數據來源于網絡)
挑戰2：大量剩余污泥
在傳統的活性污泥法中，廢水中約50%的有機物通過生物氧化轉化為生物質，這不可避免地會產生大量的剩余污泥。據估計，每去除1公斤的有機物可以產生約0.3~0.5公斤的干生物質。根據GEP Research發布的全球及中國污泥處理處置行業發展研究報告，2020年中國的污泥總產量將達到6177萬噸。目前，中國只有不到60%的剩余污泥通過填埋、堆肥、自然干化和焚燒得到妥善處置，這意味著大量的剩余污泥會進入環境，造成二次污染。污泥處置仍然存在很多問題。我們現有的垃圾填埋場將滿負荷運行，而農業污泥對植物生長的作用遠不如肥料。厭氧消化可用于剩余污泥處理和甲烷氣體的能源回收，然而，這種技術只能實現35-50%的污泥減量，仍有大量的固體殘渣必須加入焚燒過程進行處置。焚燒的投資和運行成本太高，而且容易造成空氣污染。
挑戰3：溫室氣體
傳統的生物處理過程往往伴隨著大量的溫室氣體排放，包括廢水中有機物氧化產生的二氧化碳，作為生物反硝化作用中間產品的一氧化二氮，以及厭氧消化產生的甲烷。一氧化二氮和甲烷的全球變暖潛力約為二氧化碳的300倍和25倍。此外，生物處理過程中消耗的能源也可以轉化為溫室氣體排放。假設中國污水處理所需的電力全部來自火力發電，那么市政污水處理導致的二氧化碳間接排放總量將高達每年2.57×107噸。為了有效控制溫室氣體排放和全球氣溫上升，世界上有40多個國家對碳含量或碳排放征稅，即“碳稅”。如果以15美元/噸計算，我國污水處理能耗相當于排放二氧化碳(2.57×107噸)，可增加27.5億元/年的額外費用。這表明，溫室氣體排放將成為污水處理成本中不可忽視的一部分。
挑戰4：資源回收效率低
在過去的市政污水處理過程中，污水中含有的碳、氮、磷和其他物質被當作廢物處理掉。然而，在當前全球資源緊張的嚴峻形勢下，有必要重新審視傳統的污水處理概念，將市政污水戰略性地視為一種資源總量。據估計，全球每年約有350萬噸磷和1320萬噸氨氮被排入廢水。根據世界糧食和農業組織近期的一份報告，2020年全球對磷肥和氮肥的需求估計分別為200萬噸和1.2億噸。因此，如果能夠實現從廢水中有效回收磷和氮資源，可以緩解17.5%和11.1%的農業磷和氮生產需求。
挑戰5：工藝復雜，占地面積大
近年來，在日益嚴格的污水排放標準下，處理工藝的升級已成為必然。我國現有的污水處理工藝升級通常采用在原有生物處理工藝基礎上疊加深度處理單元的方式。然而，這樣的升級思路不僅延長了整個流程，增加了處理系統的復雜性和操作難度，而且還增加了占地面積。
【技術革新，轉變理念】
近十幾年，隨著污染加劇，水資源短缺嚴重，人類對水質提出了更高的要求，污水深度處理與回用技術興起。污水處理廠的側重點不再是核算污染物的排放量，而是如何改善水質。膜技術開始顯現其獨特優勢。
MBR一體化設備
我國已建立了大量的污水處理廠，污水廠的設置一般都設置在城市的周圍或者與城市距離較近的郊區。在對污水進行處理時不會受到季節、枯水期、豐水期等因素的影響，因此其回收和利用的成本也相對較低。根據對現階段市政污水回收和利用的情況來看，相關的處理技術已經趨于成熟，例如污水的深度處理、超深度處理以及再生利用等技術。
MBR一體化設備是一種將膜分離技術與傳統活性污泥法相結合的新型高效污水處理工藝，MBR一體化設備具有占地面積小，出水水質穩定，出水水質可達市政污水處理廠污染物排放指標(GB18918-2002)的一級A標準，比其他工藝具有明顯優勢。
通過膜分離技術與污水處理技術相結合的方式，有效實現市政污水高效的固液分離。在排放標準日趨嚴厲和污水回用需求迅猛增加的今天，隨著MBR系統性能的提升和成本的進一步下降，我國污水處理MBR前景更加廣闊。
MMBR一體化污水處理設備
MMBR污水處理技術因其自身的特點，已成為污水處理領域的研究熱點之一。MMBR是一種帶有充氣膜組件的生化反應器?？珊粑そM件用作生物膜附件，將氧氣直接輸送至附著的微生物膜。MMBR曝氣效率高達14.3kgO2/kwh，能源效率是普通曝氣系統的6倍。MMBR一體化污水處理設備中使用的膜元件由三層組成，即基質、透氣膜和生物附著層。
在每個膜元件的外表面上形成能夠去除氨氮和總氮的生物膜，污水通過特定順序的膜組件。特殊的水力設計增強了生物膜與生活污水中的污染物接觸，提高了各膜組件的處理效率。出水氨氮和總氮的數值指標穩定，滿足地表水四類水質標準。
對于需要深度處理和升級改造的項目，MMBR可以在不增加儲罐容量、降低土建投資成本和縮短改造時間的情況下實現改造模式。改造可以在現有基礎上以模塊化的形式進行。該膜組件可替代傳統的曝氣生物濾池。膜組件有許多重要的優點。膜組件內置固定式膜單元，采用特殊的結構設計，實現對原水中懸浮固體和膠體的過濾和截留。采用一體化污水處理設備，可以解決生活污水進水中氨氮、總氮含量高造成的非標準工況。
【展望未來，低碳先行】
隨著水處理技術的不斷發展，市政污水處理應逐步從“去除污染物，達標排放”的理念轉變為“污水閉路循環，市政供水一體化”的新模式。應用新的理念和技術，將現有的開放式市政污水處理模式升級為封閉式處理模式，實現水的可持續循環。未來，隨著我國城鎮化步伐的不斷加快和環境保護與水污染防治行動的不斷深入，建立健全全流域污水治理體系的進程將是必然的，城市綜合污水處理設備將有更大的發展空間。
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