通向閉路水循環(huán)的市政污水處理新模式解析

馬加加，溫智慧，姚海楠，徐潤晨

（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510640）

1 引言

伴隨我國城市化進(jìn)程的不斷加快，城市中出現(xiàn)了明顯的水資源需求與供給矛盾。許多地區(qū)的水源保障壓力逐年增長。同時(shí)，部分城市地區(qū)的水生態(tài)較為敏感，存在嚴(yán)重的缺水問題，且部分城市開展調(diào)水遠(yuǎn)距離項(xiàng)目需要消耗大量的資金，因此，非傳統(tǒng)、新型的水源探索工作勢在必行。從這個(gè)角度來看，應(yīng)積極研究市政污水處理運(yùn)用通向閉路水循環(huán)的有效策略。

2 當(dāng)前市政污水處理的概況

根據(jù)我國住建部統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，從市政污水排放量來看，我國在2019年排放的市政污水量是5.22×1010m3，比2018年增加了5.9%；在2020年排放的市政污水量是5.55×1010m3，比2019年增加了6.5%。整個(gè)2019年度，廣東省是我國排放市政污水量最多的地區(qū)，排放的總污水量高達(dá)8.086×109m3；江蘇省次之，排放的市政污水量是4.727×109m3；再次為山東省，排放的市政污水量是3.544×109m3。從市政污水處理廠來看，廣東省是2019年我國市政污水處理廠最多的地區(qū)，共有302座污水處理廠；山東省次之，共有218座污水處理廠；再次為江蘇省，共有207座污水處理廠。截至2020年年底，我國共有2 680座市政污水處理廠，并且其數(shù)量表現(xiàn)出逐年增加的趨勢；每日可處理市政污水1.93×108m3，比起2019年提高了7%。

其中，廣東省共有699座集中市政污水處理設(shè)施（見圖1），每日可處理污水2.99×107t，處理市政污水的能力為國內(nèi)最高，每座市政污水處理設(shè)施每日可處理4.4×104t的市政污水。而在699座市政污水處理設(shè)施里，有1座處理市政污水的能力超過每日1.00×106t，產(chǎn)能為每日1.20×106t；有81座處理市政污水的能力介于105~106t/d，產(chǎn)能合計(jì)1.47×107t/d；有413座處理市政污水能力介于104~105t/d，產(chǎn)能合計(jì)每日1.34×107t；有204座處理市政污水的能力低于104t/d，產(chǎn)能合計(jì)6.1×105t/d。

圖1 廣東污水處理廠

3 市政污水處理運(yùn)用通向閉路水循環(huán)的有效策略

3.1 引進(jìn)NEWat er技術(shù)

進(jìn)入21世紀(jì)后，發(fā)達(dá)國家設(shè)計(jì)并研發(fā)了NEWater污水處理技術(shù)，在處理市政污水時(shí)，將紫外線消毒技術(shù)、膜技術(shù)、生物技術(shù)相結(jié)合，能夠有效地回收和利用市政污水使其從污水轉(zhuǎn)化為飲用水，促進(jìn)了水工行業(yè)的快速發(fā)展，拓展了市政污水處理的基本內(nèi)涵[1]?，F(xiàn)階段，國外的NEWater市政污水處理廠數(shù)量正在逐步增加（見圖2），供水能力充分達(dá)到了當(dāng)?shù)厮葱枨?，能夠完全解決人們的用水問題。據(jù)可靠估計(jì)，到2050年能夠滿足國家60%的用水量需求。

圖2 NEWat er市政污水處理廠

從生產(chǎn)過程來看，NEWater污水處理技術(shù)先通過以往的生物技術(shù)來處理市政污水，讓水受到紫外線消毒、反滲透以及微濾。其中，微濾能夠?qū)⑽㈩w粒物質(zhì)有效過濾，這些微顆粒中存在大量的細(xì)菌，反滲透可以把可溶性污染物全面去除，而紫外線能夠使水得到深入消毒，進(jìn)而符合國際上對飲用水的判斷標(biāo)準(zhǔn)和要求。

當(dāng)前，NEWater技術(shù)大多應(yīng)用在純凈水需求較高的供水項(xiàng)目中。市政污水經(jīng)過該技術(shù)處理后，注入當(dāng)?shù)厮畮?，和地表水相互混合，再通過水廠的深入處理，使市政污水最終實(shí)現(xiàn)向飲用水的轉(zhuǎn)化，并提供給當(dāng)?shù)氐娜嗣袢罕婏嬘谩Ｐ枰⒁獾氖牵琋EWater市政污水處理技術(shù)在生產(chǎn)時(shí)需要以生物技術(shù)為基礎(chǔ)，并結(jié)合多個(gè)深度處理工序，因此，應(yīng)用該技術(shù)需要解決占地大、污泥產(chǎn)出多、消耗能源多等多種問題。

3.2 反滲透與生物厭氧膜融合工藝

為了使NEWater市政污水處理技術(shù)面臨的問題能夠順利解決，科研人員融合了反滲透技術(shù)、生物厭氧膜技術(shù)（見圖3），在處理市政污水的過程中取得了顯著效果。從原理上看，此工藝先借助生物厭氧膜把市政污水包含的有機(jī)物向甲烷進(jìn)行轉(zhuǎn)化，為后續(xù)的能源回收奠定基礎(chǔ)。出水后進(jìn)行反滲透處理，借助反滲透單元進(jìn)一步清除殘留離子與有機(jī)物。經(jīng)過處理，可去除市政污水中98%的陰陽離子、99%的磷酸鹽、97%的氨氮、97%的有機(jī)物，并且出水后水質(zhì)可以符合NEWater市政污水處理技術(shù)的基本要求，達(dá)到了準(zhǔn)IV水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 厭氧膜

市政污水受到厭氧處理后，許多有機(jī)物可以向甲烷直接轉(zhuǎn)化，這樣一來，許多能源便會(huì)得到回收，比起好氧處理，該處理方式生成的污泥量能夠減少75%。該融合工藝技術(shù)可以在不需要曝氣的情況下將能源消耗有效降低。部分學(xué)者曾對該市政污水處理技術(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其高質(zhì)再生水能夠大幅減少單位能源消耗，最高降低80%，即0.209 kW·h/m3，節(jié)約35%的市政污水處理成本。與此同時(shí)，比起以往的生物技術(shù)和相關(guān)處理工藝，反滲透技術(shù)、生物厭氧膜技術(shù)融合工藝能夠讓市政污水處理過程得到優(yōu)化，減少處理步驟，節(jié)約市政污水處理廠的占地面積[2]。反滲透技術(shù)會(huì)生成濃縮液，這種濃縮液包含了大量的磷酸鹽、氨氮，將其通過電去離子技術(shù)、電滲析技術(shù)、鳥糞石結(jié)晶技術(shù)等進(jìn)行處理后，可以進(jìn)行再利用。再者，生物厭氧膜技術(shù)的出水基本不存在病原體、懸浮物等，具有一定含量的營養(yǎng)元素，從這個(gè)意義上講，該融合工藝處理后的水能夠直接進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉。按照我國農(nóng)業(yè)所需求的灌溉用水量，若將我國所有市政污水都借助該融合工藝進(jìn)行處理并灌溉到農(nóng)田中，則農(nóng)業(yè)灌溉需水量的20%將會(huì)被抵消，并且磷、氮等資源的回收量也十分可觀，從而讓磷肥、氮肥的使用得到節(jié)約。

根據(jù)以上的融合工藝，清除市政污水的離子與營養(yǎng)物質(zhì)需要依靠反滲透單元，但現(xiàn)階段膜技術(shù)水平有限，這使得反滲透單元只能達(dá)到95%的氨氮去除能力，且厭氧工藝基本不會(huì)去除氨氮。由此可以得出，在市政污水含有30 mg/L以上的氨氮時(shí)，此融合工藝處理氨氮的水平欠佳，容易出現(xiàn)氨氮處理達(dá)不到處理標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)。為此，市政污水的反滲透出水必須全面添加去除單元。

3.3 吸附輔助法

按照以上分析能夠得出，市政污水的全新處理模式依然有所欠缺，有必要采用相應(yīng)輔助方法提高新模式的市政污水處理效果。客觀來講，吸附法能夠?qū)Σ牧辖Y(jié)構(gòu)加以利用，借助分子作用力、離子交換等效應(yīng)來吸附氨氮，從而將其去除。由于吸附輔助法反應(yīng)速度快、消耗能源少、工藝便捷，因此，得到了人們的普遍運(yùn)用，可當(dāng)作市政污水全新處理模式的科學(xué)輔助方法。吸附輔助法中的水泵揚(yáng)程h遵循公式（1）：

式中，D為水泵排出的幾何高度，m，在取值時(shí)，高于泵入口中心線取正值，低于泵入口中心線取負(fù)值；S為水泵吸入的幾何高度，m，在取值時(shí)，高于泵入口中心線取負(fù)值，低于泵入口中心線取正值；Pd和Ps為容器內(nèi)操作壓力，在取值時(shí)以表壓正負(fù)為準(zhǔn)；hf1代表直管阻力損失；hf2代表管件阻力損失；hf3代表進(jìn)出口局部阻力損失。

風(fēng)機(jī)的全壓遵循公式（2）：

式中，P1為工況全壓，Pa；P2為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)壓力表中全壓，Pa；B為當(dāng)?shù)卮髿鈮海琺mHg（1 mmHg=0.13 kPa）；T2為工況介質(zhì)溫度，℃；T1為表中設(shè)計(jì)溫度、未修正設(shè)計(jì)溫度，℃；而760 mmHg（100 kPa）則是在海拔0 m、空氣溫度20℃下的大氣壓。

根據(jù)吸附輔助法的工藝，先在反滲透上設(shè)置氨氮吸附單元，控制出水中的氨氮含量，隨后在反滲透前方設(shè)置吸附單元，對大范圍的氨氮進(jìn)行吸附，并將一些雜質(zhì)離子去除，使得反滲透膜受到的污染程度有效降低。而在反滲透后方設(shè)置吸附單元，能夠進(jìn)一步去除水中低濃度的氨氮，具有較低的吸附再生頻率與較高的靈活性，能夠按照進(jìn)水中包含的氨氮量，對吸附段的滲透液流動(dòng)方向和流量展開自由調(diào)節(jié)[3]。若通過反滲透處理，水中的氨氮含量依然不符合處理標(biāo)準(zhǔn)，則工作人員應(yīng)開展深入吸附處理，或混合受到吸附處理的滲透液與未受到吸附處理的混合液，以此滿足出水要求。由此能夠看出，吸附輔助法的重點(diǎn)在于選取容量大、吸附水平高的吸附劑。

3.4 科學(xué)選取吸附劑

為了充分發(fā)揮新型污水處理模式的效果，確保通向閉路水循環(huán)，就應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況科學(xué)選取吸附劑。（1）生物炭。一般來講，生物炭屬于缺氧、低氧情況下的生物質(zhì)熱解，經(jīng)過高溫?zé)峤夂?，生物質(zhì)能夠產(chǎn)生富含碳的固體產(chǎn)物。從優(yōu)勢上看，生物炭為多孔結(jié)構(gòu)、表面積大、外表帶有負(fù)電，這使其十分適合市政污水的氨氮吸附。（2）離子樹脂。從結(jié)構(gòu)上看，離子樹脂為網(wǎng)狀，其離子官能團(tuán)能夠有效變換，借助其離子變換反應(yīng)，氨氮可以被選擇性的去除和吸附，因此，離子樹脂可用于作為氨氮的吸附劑。（3）人工水凝膠。作為一種聚合物，人工水凝膠屬于網(wǎng)狀三維結(jié)構(gòu)，其骨架的親水性基團(tuán)具有較強(qiáng)的親水能力，有利于氨氮吸附。

4 結(jié)語

總而言之，研究市政污水處理運(yùn)用通向閉路水循環(huán)的有效策略具有重要的意義。相關(guān)人員應(yīng)對當(dāng)前市政污水處理的概況有一個(gè)全面了解，充分把握處理市政污水的價(jià)值和作用，能夠通過NEWater技術(shù)、反滲透與生物厭氧膜融合工藝、吸附輔助法、科學(xué)選取吸附劑等多種方式實(shí)現(xiàn)通向閉路水循環(huán)，從而使市政污水更好地轉(zhuǎn)化為再生水，推動(dòng)我國城市水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。