立足當(dāng)下，展望市政污水處理技術(shù)的未來之景
2022-08-15
目前，我國(guó)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(jī)物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)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(shì)下，該技術(shù)正面臨著越來越多的挑戰(zhàn)。下面我們一起了解一下市政水處理技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)吧。
【立足當(dāng)下，分析挑戰(zhàn)】
挑戰(zhàn)1：高能耗
以生物氧化為基礎(chǔ)的生物處理工藝需要足夠的溶解氧來實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水中有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除，該工藝所需的曝氣相關(guān)能耗可占到污水處理總能耗的50-70%，2019年我國(guó)生活污水排放總量達(dá)到710億立方米，目前我國(guó)市政污水處理的平均用電水平為0.29~0.40千瓦時(shí)/立方米。如果按平均能耗0.40千瓦時(shí)/立方米計(jì)算，則我國(guó)市政污水處理的年總電耗可達(dá)2.87×1010千瓦時(shí)。隨著我國(guó)總用水量的增加，污水排放總量將進(jìn)一步上升。此外，我國(guó)部分省市和地區(qū)將逐步把污水排放提高到“地表IV類水”標(biāo)準(zhǔn)，這就對(duì)傳統(tǒng)的生物處理工藝提出了升級(jí)要求，這無疑會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，進(jìn)一步增加污水處理的能耗。(數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò))
挑戰(zhàn)2：大量剩余污泥
在傳統(tǒng)的活性污泥法中，廢水中約50%的有機(jī)物通過生物氧化轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)，這不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥。據(jù)估計(jì)，每去除1公斤的有機(jī)物可以產(chǎn)生約0.3~0.5公斤的干生物質(zhì)。根據(jù)GEP Research發(fā)布的全球及中國(guó)污泥處理處置行業(yè)發(fā)展研究報(bào)告，2020年中國(guó)的污泥總產(chǎn)量將達(dá)到6177萬噸。目前，中國(guó)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(huì)進(jìn)入環(huán)境，造成二次污染。污泥處置仍然存在很多問題。我們現(xiàn)有的垃圾填埋場(chǎng)將滿負(fù)荷運(yùn)行，而農(nóng)業(yè)污泥對(duì)植物生長(zhǎng)的作用遠(yuǎn)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(shù)只能實(shí)現(xiàn)35-50%的污泥減量，仍有大量的固體殘?jiān)仨毤尤敕贌^程進(jìn)行處置。焚燒的投資和運(yùn)行成本太高，而且容易造成空氣污染。
挑戰(zhàn)3：溫室氣體
傳統(tǒng)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(jī)物氧化產(chǎn)生的二氧化碳，作為生物反硝化作用中間產(chǎn)品的一氧化二氮，以及厭氧消化產(chǎn)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(zhuǎn)化為溫室氣體排放。假設(shè)中國(guó)污水處理所需的電力全部來自火力發(fā)電，那么市政污水處理導(dǎo)致的二氧化碳間接排放總量將高達(dá)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(gè)國(guó)家對(duì)碳含量或碳排放征稅，即“碳稅”。如果以15美元/噸計(jì)算，我國(guó)污水處理能耗相當(dāng)于排放二氧化碳(2.57×107噸)，可增加27.5億元/年的額外費(fèi)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(zhàn)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(zhì)被當(dāng)作廢物處理掉。然而，在當(dāng)前全球資源緊張的嚴(yán)峻形勢(shì)下，有必要重新審視傳統(tǒng)的污水處理概念，將市政污水戰(zhàn)略性地視為一種資源總量。據(jù)估計(jì)，全球每年約有350萬噸磷和1320萬噸氨氮被排入廢水。根據(jù)世界糧食和農(nóng)業(yè)組織近期的一份報(bào)告，2020年全球?qū)α追屎偷实男枨蠊烙?jì)分別為200萬噸和1.2億噸。因此，如果能夠?qū)崿F(xiàn)從廢水中有效回收磷和氮資源，可以緩解17.5%和11.1%的農(nóng)業(yè)磷和氮生產(chǎn)需求。
挑戰(zhàn)5：工藝復(fù)雜，占地面積大
近年來，在日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)下，處理工藝的升級(jí)已成為必然。我國(guó)現(xiàn)有的污水處理工藝升級(jí)通常采用在原有生物處理工藝基礎(chǔ)上疊加深度處理單元的方式。然而，這樣的升級(jí)思路不僅延長(zhǎng)了整個(gè)流程，增加了處理系統(tǒng)的復(fù)雜性和操作難度，而且還增加了占地面積。
【技術(shù)革新，轉(zhuǎn)變理念】
近十幾年，隨著污染加劇，水資源短缺嚴(yán)重，人類對(duì)水質(zhì)提出了更高的要求，污水深度處理與回用技術(shù)興起。污水處理廠的側(cè)重點(diǎn)不再是核算污染物的排放量，而是如何改善水質(zhì)。膜技術(shù)開始顯現(xiàn)其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
MBR一體化設(shè)備
我國(guó)已建立了大量的污水處理廠，污水廠的設(shè)置一般都設(shè)置在城市的周圍或者與城市距離較近的郊區(qū)。在對(duì)污水進(jìn)行處理時(shí)不會(huì)受到季節(jié)、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(duì)較低。根據(jù)對(duì)現(xiàn)階段市政污水回收和利用的情況來看，相關(guān)的處理技術(shù)已經(jīng)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(shù)。
MBR一體化設(shè)備是一種將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)活性污泥法相結(jié)合的新型高效污水處理工藝，MBR一體化設(shè)備具有占地面積小，出水水質(zhì)穩(wěn)定，出水水質(zhì)可達(dá)市政污水處理廠污染物排放指標(biāo)(GB18918-2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，比其他工藝具有明顯優(yōu)勢(shì)。
通過膜分離技術(shù)與污水處理技術(shù)相結(jié)合的方式，有效實(shí)現(xiàn)市政污水高效的固液分離。在排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)厲和污水回用需求迅猛增加的今天，隨著MBR系統(tǒng)性能的提升和成本的進(jìn)一步下降，我國(guó)污水處理MBR前景更加廣闊。
MMBR一體化污水處理設(shè)備
MMBR污水處理技術(shù)因其自身的特點(diǎn)，已成為污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。MMBR是一種帶有充氣膜組件的生化反應(yīng)器。可呼吸膜組件用作生物膜附件，將氧氣直接輸送至附著的微生物膜。MMBR曝氣效率高達(dá)14.3kgO2/kwh，能源效率是普通曝氣系統(tǒng)的6倍。MMBR一體化污水處理設(shè)備中使用的膜元件由三層組成，即基質(zhì)、透氣膜和生物附著層。
在每個(gè)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(shè)計(jì)增強(qiáng)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(shù)值指標(biāo)穩(wěn)定，滿足地表水四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)于需要深度處理和升級(jí)改造的項(xiàng)目，MMBR可以在不增加儲(chǔ)罐容量、降低土建投資成本和縮短改造時(shí)間的情況下實(shí)現(xiàn)改造模式。改造可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上以模塊化的形式進(jìn)行。該膜組件可替代傳統(tǒng)的曝氣生物濾池。膜組件有許多重要的優(yōu)點(diǎn)。膜組件內(nèi)置固定式膜單元，采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)備，可以解決生活污水進(jìn)水中氨氮、總氮含量高造成的非標(biāo)準(zhǔn)工況。
【展望未來，低碳先行】
隨著水處理技術(shù)的不斷發(fā)展，市政污水處理應(yīng)逐步從“去除污染物，達(dá)標(biāo)排放”的理念轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;污水閉路循環(huán)，市政供水一體化”的新模式。應(yīng)用新的理念和技術(shù)，將現(xiàn)有的開放式市政污水處理模式升級(jí)為封閉式處理模式，實(shí)現(xiàn)水的可持續(xù)循環(huán)。未來，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化步伐的不斷加快和環(huán)境保護(hù)與水污染防治行動(dòng)的不斷深入，建立健全全流域污水治理體系的進(jìn)程將是必然的，城市綜合污水處理設(shè)備將有更大的發(fā)展空間。
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