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未来污水处理技术发展方向的思考与探索


发布时间:2014-08-04 23:10:21   环保文章:www.591huanbao.com



回顾百年来的发展变革,污水处理技术为改善人居环境,推
动人类文明进步产生了巨大影响。面对气候变化、能源危机、资
源紧缺等全球环境变化的挑战,结合可持续发展的要求,污水处
理系统未来发展方向应从碳减排和资源利用的角度来探索思考。
结合集中式和分散式处理理念各自的优点,依托膜混凝技术的末
端分离分散处理模式是一种有益的创新尝试。

一、影响世界的污水处理技术和系统概念
当今社会,由抽水马桶、下水道和污水厂构成的污水处理系
统已经成为现代城市文明的象征之一。人们的生活深受其影响,习惯的力量让人们鲜有机会去深入思考现行污水处理系统的合理性。实际上,污水处理系统的发展从无到有,是与各个时代的社
会需求紧密联系的,经过近一个世纪时间几经变革才形成今天的
模样。具体的污水处理技术也随之不断发展。回顾污水处理系统
发展历史上的重大变革,有利于人们对污水处理进行系统的理性
思考。虽然起初并不系统,但城市的排水设施古今中外历来有之。到19世纪,伦敦、纽约等全球各大城市相继修建了科学的公共排水系统,许多系统一直沿用至今。从字面意思可以看出,早期的排水系统承担的主要任务既非收集也非处理,而仅仅实现污水的即时排放。首个变革世界污水处理系统的事件是抽水马桶的出现。抽水马桶极大改善了人居环境,为遏制19世纪黑死病,鼠疫等传染性疾病的蔓延起到了重要作用。比尔盖茨基金全球发展项目负责人指出“在过去200年中,在拯救生命和改善健康方面,
恐怕没有哪个发明比冲水马桶带来的卫生革命做的贡献更大”。
抽水马桶也多次被评选为人类最伟大的发明之一。从污水处理系
统层面上讲,马桶的出现对现代管网系统的形成起到了决定性的
变革作用,从家庭到管网到污水处理厂形成了相对完整的污水处
理系统。到20世纪60年代美国又提出了具有超前思维的21世纪水
厂的概念,即将污水处理达到饮用水的标准,对水业未来发展产
生了深远影响。沿此思路,在新世纪初新加坡开发了Newater工
艺,通过传统的生物处理加双膜法,实现了从污水到饮用水的回
用,带动了新加坡水业跨跃式发展,使其一跃成为世界性水务中
心。污水处理系统的概念也得到进一步扩展,如果再考虑到污水
中蕴含的生物质能和营养元素,广义污水处理系统已经扩大为包
括生活污水、雨水、工业废水、污水处理厂,再生水厂,以及再
生水管理和资源回收设备的完整体系。未来的污水处理技术也应
该从广义的系统角度出发,综合的考虑污染物的去除和资源能量的循环利用。

二 面向未来的污水处理技术的考虑
1 、我国传统污水处理工艺路线面临的挑战1972年6月5日斯德哥尔摩会议通过了《联合国人类环境会议的宣言》,提出了“可持续发展”的概念。近年来,为应对全球气候变化、能源紧缺等问题,碳减排在各行各业如火如荼地进行。如图1所示,我国目前如对电力能源、汽车等行业,整个社会都提出了降低能耗、减少二氧化碳排放的要求,然而对环境行业,这个理应最“绿色”的行业,却并没有充分发展利用切实符合可持续发展理念的环境技术。污水处理高能耗的现状亟待改变,二氧化碳的排放问题也需引起人们思考。诚然,就现阶段来讲,环境行业重点或许在于治理污染。作为非生产性行业,碳减排的问题可以暂缓考虑。但以长远的发展性眼光来看,我国传统污水处理工艺路线在不远的未来注定面临以下诸多挑战。(图1)

(1)节能降耗的挑战——缺乏着力点
污水处理是典型的高能耗行业。通过污泥厌氧消化过程,可
以回收利用污水中的部分能源,然而目前我国建设的厌氧消化厂仅不足3%,短期无法实现未来碳减排的要求。基于活性污泥法的
传统污水处理技术在曝气等环节上的节能降耗潜力也相对有限。
(2)技术发展方向面临挑战——距可持续理念渐行渐

目前污水处理厂大量采用延时曝气等工艺和取消初沉池的设
计,与国际主流技术不一致。在系统规划理念上相对落后,导致
资源再生利用存在先天不足,例如目前回用水往往需要经过长途
的输运才能实现真正的回用。针对各自国情,欧美发达国家分别
就再生水回用、污水生物质能利用、氮磷回收等领域展开不同侧
重的研究,而我国目前就污水处理技术在未来可持续发展方向上
还没有特别明确的讨论和思考。
传统污水处理系统是目前市政领域污水处理任务的实际承担
者。面对这个现实基础,寻求传统污水处理系统的可持续发展模
式成为近年来的重点工作。以荷兰BCFS工艺为例,在节能减排
上开发同步硝化反硝化技术,以节能碳源和减少污泥产量;对营
养元素,尤其是磷元素,结合鸟粪石结晶等工艺实现回收;在能
量回收上,在推广污泥厌氧消化以通过沼气的利用来实现资源利
用;再生水利用可以通过以膜技术为代表的深度处理来实现,新
加坡在此领域已经取得了实际应用。

除此以外,我国在污水处理技术的节能降耗上还有一些开源
节流的措施可以参考。举例来说,奥地利的Strass污水处理厂采
用比较传统的A-B法,以增强能量回收为出发点,通过调控增加
厌氧消化的污泥量,最终在2005年实现了完全的能源自给。而由
于技术、管理等多方面的原因,污泥厌氧处理技术在我国应用尚
不普遍,值得在未来重点关注。
可以预期,传统污水处理系统的可持续发展模式会得到进一
步发展。随着厌氧氨氧化(Anammox)、磷回收和反渗透工艺的
普及,有机物、氮、磷的排放可以进一步降低。通过两级高温消
化、水热消化和餐厨垃圾共消化等方式,能量回收率有望进一步
提高。虽然对现有工艺基础上进行工艺升级,改建成本较低,然
而以曝气生物过程为基础的传统污水处理工艺不能避免有机质能
源的消耗和二氧化碳的排放,深度处理等复杂工艺的建设和运行
成本也难以降低。传统污水集中处理高能耗和系统脆弱性的模式
没用彻底改变。低碳的、资源回收利用的、零排放的系统,才是
未来污水处理系统的最佳定位。

2、源分离污水处理模式在我国的发展与应用
与传统集中式系统不同,源分离作为颠覆性的变革,采用在
源头对污水进行分别的方式收集和处理污水。生活污水中80%的
氮和50%的磷来自于尿液。源分离式收集利于将氮、磷元素进行
彻底的回收,同时缓解污水末端处理过程中产生的运输以及生产
化肥产生的能源消耗、污染排放等问题。此外,通过污水处理系
统的发展变革可以看到,通过管网输送污染物是特定社会技术背
景下的历史选择。现代的管网系统已经被证实为缺乏可持续性和
抗干扰能力的脆弱系统,其带来的后果往往是对资源的破坏,而
非回收利用。源分离处理系统摒弃污水输运管网,以符合清洁生
产、循环经济和可持续发展的源头减量、循环利用、全过程控制为原则,实现最大程度污水能源与资源回收。

源分离系统在世界范围内得到广泛关注。我国在源分离领域
也进行了积极的探索实践,奥林匹克公园和鄂尔多斯生态城镇是
其中两个典型项目,却都没有取得良好的实际效果。奥体公园北
部的黄水资源化处理中心长期处于停工状态,而改用汽车运输到
污水处理厂处理。采用瑞典技术的鄂尔多斯项目在社区居民长达
几年的反对声中改回了抽水马桶系统。深究其原因,技术层面和
管理层面上皆有。鄂尔多斯东胜区政府认为项目总体不成熟,存
在决策盲目的问题。在质量和技术方面政府没有认真把关,开发
商的建设进度也存在滞后。瑞典斯德哥尔摩环境研究院总结认为
项目整体设计有缺陷,对中国气候了解不透彻,国内外设备也存
在不匹配的问题。总之,目前技术和管理上还存在一定不足,高
速城市化的中国承担不起分散处理的缓慢推进,中国庞大的管理
体系也限制了分散式处理技术的本土化,源分离技术也没有与现
有的管理体系相结合,间接导致社区民众接受程度低。源分离理
念从生态卫生和循环利用的角度出发是非常先进的,分散处理也
蕴含着清洁生产的源头减量、全过程控制理念。然而其实际推广
应用还需要从管理技术等多个社会层面进行研究设计,这也是目
前世界各国,尤其是部分欧洲国家积极探索研究的领域。

3、末端分离分散污水处理系统
从低碳、资源回收、零排放的角度定位未来的污水处理系
统,需要整体考虑从收集运输到处理再利用多个环节,全面关注
水、氮磷元素和能源三个方面的回收利用。在技术爆炸的当下,
寻求符合可持续发展理念的污水处理模式可谓是世界上最困难的
问题和最具有挑战性的事业,尤其需要考虑遵循可持续原则的顶层设计,而非过分局限于污染治理技术的开发上。

污水处理模式由目前的集中式向集中与分散相结合发展是未来发展可能的趋势之一。集中与分散问题专家聂梅生教授认为未来应用新技术更倾向分散式的。住房和城乡建设部仇保兴副部长指出“要超越福特式大规模、集中式处理的旧框框,这是一个工业时代的观点,不是文明时代的观点”。新的路线能否在尊重目前我国集中式污水处理系统建设现状的同时,充分考虑可持续发展理念在污水处理上对再生水循环等方面的要求呢?国外曾有一些类似的探讨,比利时的威力教授提出面向未来城市设计的“零废水ZeroWasteWater系统”,强调了上游分离概念,他认为现有技术可以首先对污水进行分离处理,把污水作为综合资源来对待。结合我国国情而言,基于“末端分离”的分散污水处理系统或许是更适用于我国的新模式。与源分离模式不同,基于“末端分离”的资源化处理路线指污水在管网系统的末端,即在进入污水厂时先完成浓缩预处理后,分别得到富含有机物的污水浓缩液和低浓度污水,之后再进行下一步的资源化利用的污水处理方
式。高浓度浓缩液可以进行厌氧产沼气、生物燃料电池等方式回
收能量;对于低浓度有机废水,可以用膜处理过程获得高品质回
用水;浓缩处理后氮、磷元素易于作为植物肥料得到再次利用,
最终实现污水充分的资源化。末端分离的污水处理系统的发展面临的不仅仅是技术问题,同时要考虑技术人员的接受程度,公众
接受程度以及社会管理体系。寻求符合可持续发展理念的有效合
理污水处理模式还需要不懈地探索努力。

三、面向未来的污水处理技术初步研究
在基于末端分离的污水资源化处理过程中,污水的浓缩预
处理是实现污水资源化的关键步骤,需要相应的技术开发作为支
撑。近年来不断涌现的新技术为未来污水处理技术增加了选择。
以MBR为代表的膜技术近年来发展迅速。混凝和过滤技术的结
合工艺作为污水浓缩预处理的技术路线进行了初步研究,探讨了
“混凝-微滤”和“混凝-动态膜”两条浓缩路线的可行性并考内容,但是缺乏专门的有针对性的、系统、全面的法规和政策,
现有的有关政策和技术标准也缺乏强制性。二是缺乏雨水管理设
施建设的投融资、审批、建设、运维、管理等政策细节。例如有
文件提出实施雨水利用措施后可减免防洪费,但是没有具体的实
施办法。没有在工程项目立项审批、开工许可、竣工验收等环
节,把好实施雨水管理相关措施的关。三是缺乏奖惩措施,没有
调动社会资金投资雨水管理的积极性 四是基础设施建设的规范对
雨水管理考虑不足,建筑、道路、园林绿化、市政等基础设施建
设时没有实施雨水管理的相关技术措施。
5、缺乏高效管理体系,雨水管理水平低
与发达国家和地区的城市相比,北京城市雨水系统管理的水
平较低、手段较落后,主要表现在:(1)管理较混乱,资料信息
不全;(2)资料载体落后,缺乏数字化、信息化;(3)雨水监
控系统不健全,缺乏雨水管网的水量监测和水系、河湖的自动化
监控与调度设施;(4)管理手段以临时决策、应急管理为主,缺
乏整体、综合、系统的管理和超前管理,缺乏对暴雨和城市排水
系统的准确模拟和积滞水预报预警。

四、结语
现有污水处理系统的优势与弊端值得反思和总结。结合可持
续发展的要求,污水处理系统未来的发展方向应从碳减排和资源
利用的角度来设计思考。结合集中式和分散式处理各自的优点,
末端分离的分散处理模式是一种值得探讨的创新尝试。初步研究
表明膜混凝浓缩过程在技术上具有可行性,末端分离的分散式处
理系统的设计和开发还需要更多的研究和探索。

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