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市政污水處理技術未來趨勢展望
更新時間:2020-12-09 來源:環境縱橫

  未來市政污水處理技術應實現“從處理到回用,從能源消耗到能源自給”的轉型,進一步通往“可持續供水的理想閉路水循環”。

  目前市政污水處理面臨的挑戰

  目前,我國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,在好氧微生物作用下將廢水中的有機物轉化為生物質及二氧化碳。在過去一百多年里,活性污泥法在市政污水處理上取得了巨大的成功,然而在新形勢下,該技術面臨著越來越多的挑戰。

  高能耗

  基于生物氧化的生物處理工藝需要足夠的溶解氧來實現對污水中有機物和營養物質的去除,該工藝所需曝氣相關的能耗可占污水處理總能耗的50~70%。2019年我國生活污水排放總量達718億立方米,而我國目前城市污水處理電耗平均水平為0.29~0.40kWh/m3。若以平均能耗0.40kWh/m3計,則我國每年用于市政污水處理的總電能耗可達2.87×1010kWh。隨著我國總用水量的增加,污水排放總量將會進一步上升。此外,我國部分省市和地區將污水排放逐步提高至“地表Ⅳ類水”標準,這對傳統生物處理工藝又提出了升級改造的要求,無疑會提高系統的復雜性,進一步增加污水處理的能耗。

  大量剩余污泥

  在傳統活性污泥法中,污水中約50%的有機物通過生物氧化轉化為生物質,不可避免地會產生大量的剩余污泥。據估算,每去除1kg有機物可產生約0.3~0.5kg的干生物質。根據GEPResearch發布的全球及中國污泥處理處置行業發展研究報告,2020年中國污泥總產量將達到6177萬噸。而目前我國通過填埋、堆肥、自然干化、焚燒等方式規范化妥善處理的剩余污泥尚不到60%,即大量的剩余污泥最終將進入環境造成二次污染。污泥處置依然存在很多問題。我國現有的填埋場將滿負荷運行,而污泥農用于植物生長的作用遠不及肥料。厭氧消化可用于剩余污泥處理,并以甲烷氣體回收能量,然而該技術只能實現35~50%的污泥減量,仍有大量固體殘余物,不得不再增加焚燒環節進行最終處置。而焚燒投資與運行費用太高,易造成大氣污染。

  溫室氣體

  傳統生物處理過程常伴隨大量溫室氣體排放,包括污水中有機物氧化過程產生的二氧化碳,生物脫氮過程產生的中間產物一氧化二氮和厭氧消化過程中產生的甲烷等。而一氧化二氮和甲烷的全球變暖潛能比二氧化碳高約300倍和25倍。此外,生物處理過程中所消耗的能源亦可折算為溫室氣體排放。假設我國廢水處理所需的電能全部來自火力發電,則每年因市政污水處理間接排放二氧化碳總量高達2.57×107噸。為有效控制溫室氣體排放和全球氣溫升高,目前世界上已有40多個國家對碳含量或碳排放量進行征稅,即“碳稅”。例如,加拿大在2022年將提高碳稅至38美元/噸,新加坡計劃在2030年前提高碳稅至10~15美元/噸,德國的Berenberg銀行預測到2035年碳稅價格將提高至80~140歐元/噸。若以15美元/噸計,我國污水處理耗能折合排放的二氧化碳(2.57×107噸)可增加27.5億元/年的額外成本。這表明溫室氣體排放將成為廢水處理成本中不可忽略的環節。

  資源回收效率低

  在以往的市政污水處理過程中,污水中所含的碳、氮、磷等物質均被當作廢棄物被處置。然而,在目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觀念,將市政污水作為一種資源集合體進行戰略考量。據估算,全球范圍內每年約有350萬噸磷和1320萬噸氨氮排放到污水中。根據世界糧農組織的最新報告,2020年全球磷和氮肥需求估計分別為20.0和1.2億噸。因此,若能實現污水中磷、氮資源的有效回收,可緩解17.5%和11.1%的農業磷、氮的生產需求。

  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,處理工藝的升級改造成為必然。我國現行的污水處理工藝升級改造通常采用在原有生物處理工藝基礎上疊加深度處理單元。然而這樣的升級改造思路不僅延長了整個工藝處理流程,增加了處理系統的復雜性和運行難度,而且提高了占地面積。

  綜上,未來市政污水處理技術迫切需要理念和技術的革新。

  市政污水處理技術革新:“從處理到回用,從能源消耗到能源自給”

  由于天然淡水資源的嚴重短缺及人口和經濟的迅速發展,中國正面臨著日益嚴重的水資源短缺危機。據統計,我國660多個城市中,有400多個處于缺水狀態,其中108個為嚴重缺水城市。我國城市供水缺口約為60億立方米/年,水資源供需矛盾日益突出。在我國缺水城市和水生態敏感地區,由于遠距離調水工程浩大,亟需探索新興非傳統水源。鑒于此,市政污水不應再被看作“廢物”,而應被視為潛在的淡水資源。此外,隨著市政污水處理排放標準的日益提高,如果市政污水處理僅滿足排放要求而不考慮回用,不僅導致資源的浪費,且與污水處理“綠色、低碳、循環”的理念背道而馳。

  基于此,南洋理工大學團隊報道了“新A-B工藝”的概念[1]。具體來說,此概念中的A段將市政污水中的有機物捕獲并直接用于甲烷生產以實現能源回收,而B段采用生物法、物化法等對營養物進行低耗高效的去除及回收(圖1)。在出水水質滿足排放標準的基礎上,實現市政污水處理廠的高能源回收效率和環境可持續性發展。

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  舉例來說,以“新A-B理念”為指引,可在A段采用厭氧膜生物反應器工藝首先將市政污水中的大部分有機物直接轉化為甲烷,實現能源回收,同時顯著減少了剩余污泥的產生;而在B段采用反滲透工藝進一步去除可溶性營養物質,殘留有機碳和主要陰陽離子。由于厭氧膜生物反應器出水已不含懸浮物和病原體等,反滲透濃縮液中富含的氨氮和磷酸鹽,可進一步采用以鳥糞石形式沉淀/結晶、電滲析、電去離子等技術進行資源回收,或直接用于農業灌溉。若經反滲透處理后,氨氮未達標準,可添加氨氮吸附單元,靈活有效控制出水氨氮濃度(圖2)。

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  以新A-B工藝理念為基礎,耦合污水處理技術產生高質再生水單位能耗約0.2~0.36kWh/m3,且工藝流程簡化,占地面積顯著減小。將大力推動市政污水處理盡早實現“從處理到回用,從能源消耗到能源自給”的技術跨越。

  市政污水處理閉路水循環:通往水資源可持續的有效途徑

  2018年,我國污水回用率僅為10%,主要應用于農業、工業、景觀、市政雜用等,幾乎不涉及城市居民生活用水。近年來,我國市政污水回用模式也逐步向水質標準嚴格的飲用水轉變。2020年市政污水總排放量將達到1000億立方米,隨著我國對再生水重視的提升,再生水供應能力有望達4000萬立方米/日。若能進一步實現從市政污水回用高質再生水用于飲用水補償,在供水量不變的情況下,可極大緩解城市水資源短缺的壓力。比如,新加坡采用“NEWater”工藝,再生后的“新生水”可滿足新加坡總用水量的40%。將“新生水”注入蓄水池,和天然水混合后輸送至自來水廠,可進一步凈化為飲用水。

  市政污水作為潛在的城市水源具有顯著的優勢和可行性。由于回用水來自市政污水處理廠,因此靠近用戶并減少了長距離輸運過程的水損失和調運成本。相較于其他新生水源(如海水淡化常適用于沿海城市),市政污水不受地理位置限制。需要指出,技術的應用亦需因地制宜,綜合考慮當地水資源、自然環境條件等。例如,在土地資源豐富的小城市及地區,可考慮結合人工濕地等技術,在人口密集的大中型城市及地區,集約化市政污水回用技術具有極大的適用性。

  展望未來,隨著水處理工藝技術的不斷發展,市政污水處理應從“污染物去除達標排放”的理念逐漸轉變為“污水再生與市政供水一體化的閉路循環”新模式。應用新的理念和技術,將現行開放式的市政污水處理模式升級為閉合式處理模式(圖3),實現水資源循環可持續。此外,國家應制定相應政策,把閉路水循環的新理念傳播到大眾心中,增強大眾接受度。

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