通向閉路水循環的市政污水處理新模式解析

馬加加，溫智慧，姚海楠，徐潤晨

（廣州市水務規劃勘察設計研究院有限公司，廣州510640）

1 引言

伴隨我國城市化進程的不斷加快，城市中出現了明顯的水資源需求與供給矛盾。許多地區的水源保障壓力逐年增長。同時，部分城市地區的水生態較為敏感，存在嚴重的缺水問題，且部分城市開展調水遠距離項目需要消耗大量的資金，因此，非傳統、新型的水源探索工作勢在必行。從這個角度來看，應積極研究市政污水處理運用通向閉路水循環的有效策略。

2 當前市政污水處理的概況

根據我國住建部統計的數據，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2019年度，廣東省是我國排放市政污水量最多的地區，排放的總污水量高達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，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，并且其數量表現出逐年增加的趨勢；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最高，每座市政污水處理設施每日可處理4.4×104t的市政污水。而在699座市政污水處理設施里，有1座處理市政污水的能力超過每日1.00×106t，產能為每日1.20×106t；有81座處理市政污水的能力介于105~106t/d，產能合計1.47×107t/d；有413座處理市政污水能力介于104~105t/d，產能合計每日1.34×107t；有204座處理市政污水的能力低于104t/d，產能合計6.1×105t/d。

圖1 廣東污水處理廠

3 市政污水處理運用通向閉路水循環的有效策略

3.1 引進NEWat er技術

進入21世紀后，發達國家設計并研發了NEWater污水處理技術，在處理市政污水時，將紫外線消毒技術、膜技術、生物技術相結合，能夠有效地回收和利用市政污水使其從污水轉化為飲用水，促進了水工行業的快速發展，拓展了市政污水處理的基本內涵[1]。現階段，國外的NEWater市政污水處理廠數量正在逐步增加（見圖2），供水能力充分達到了當地水源需求，能夠完全解決人們的用水問題。據可靠估計，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

從生產過程來看，NEWater污水處理技術先通過以往的生物技術來處理市政污水，讓水受到紫外線消毒、反滲透以及微濾。其中，微濾能夠將微顆粒物質有效過濾，這些微顆粒中存在大量的細菌，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，進而符合國際上對飲用水的判斷標準和要求。

當前，NEWater技術大多應用在純凈水需求較高的供水項目中。市政污水經過該技術處理后，注入當地水庫，和地表水相互混合，再通過水廠的深入處理，使市政污水最終實現向飲用水的轉化，并提供給當地的人民群眾飲用。需要注意的是，NEWater市政污水處理技術在生產時需要以生物技術為基礎，并結合多個深度處理工序，因此，應用該技術需要解決占地大、污泥產出多、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市政污水處理技術面臨的問題能夠順利解決，科研人員融合了反滲透技術、生物厭氧膜技術（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物向甲烷進行轉化，為后續的能源回收奠定基礎。出水后進行反滲透處理，借助反滲透單元進一步清除殘留離子與有機物。經過處理，可去除市政污水中98%的陰陽離子、99%的磷酸鹽、97%的氨氮、97%的有機物，并且出水后水質可以符合NEWater市政污水處理技術的基本要求，達到了準IV水質標準。

圖3 厭氧膜

市政污水受到厭氧處理后，許多有機物可以向甲烷直接轉化，這樣一來，許多能源便會得到回收，比起好氧處理，該處理方式生成的污泥量能夠減少75%。該融合工藝技術可以在不需要曝氣的情況下將能源消耗有效降低。部分學者曾對該市政污水處理技術進行研究，發現其高質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，節約35%的市政污水處理成本。與此同時，比起以往的生物技術和相關處理工藝，反滲透技術、生物厭氧膜技術融合工藝能夠讓市政污水處理過程得到優化，減少處理步驟，節約市政污水處理廠的占地面積[2]。反滲透技術會生成濃縮液，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、電滲析技術、鳥糞石結晶技術等進行處理后，可以進行再利用。再者，生物厭氧膜技術的出水基本不存在病原體、懸浮物等，具有一定含量的營養元素，從這個意義上講，該融合工藝處理后的水能夠直接進行農業灌溉。按照我國農業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行處理并灌溉到農田中，則農業灌溉需水量的20%將會被抵消，并且磷、氮等資源的回收量也十分可觀，從而讓磷肥、氮肥的使用得到節約。

根據以上的融合工藝，清除市政污水的離子與營養物質需要依靠反滲透單元，但現階段膜技術水平有限，這使得反滲透單元只能達到95%的氨氮去除能力，且厭氧工藝基本不會去除氨氮。由此可以得出，在市政污水含有30 mg/L以上的氨氮時，此融合工藝處理氨氮的水平欠佳，容易出現氨氮處理達不到處理標準的風險。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，吸附法能夠對材料結構加以利用，借助分子作用力、離子交換等效應來吸附氨氮，從而將其去除。由于吸附輔助法反應速度快、消耗能源少、工藝便捷，因此，得到了人們的普遍運用，可當作市政污水全新處理模式的科學輔助方法。吸附輔助法中的水泵揚程h遵循公式（1）：

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

風機的全壓遵循公式（2）：

式中，P1為工況全壓，Pa；P2為設計標準壓力表中全壓，Pa；B為當地大氣壓，mmHg（1 mmHg=0.13 kPa）；T2為工況介質溫度，℃；T1為表中設計溫度、未修正設計溫度，℃；而760 mmHg（100 kPa）則是在海拔0 m、空氣溫度20℃下的大氣壓。

根據吸附輔助法的工藝，先在反滲透上設置氨氮吸附單元，控制出水中的氨氮含量，隨后在反滲透前方設置吸附單元，對大范圍的氨氮進行吸附，并將一些雜質離子去除，使得反滲透膜受到的污染程度有效降低。而在反滲透后方設置吸附單元，能夠進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，能夠按照進水中包含的氨氮量，對吸附段的滲透液流動方向和流量展開自由調節[3]。若通過反滲透處理，水中的氨氮含量依然不符合處理標準，則工作人員應開展深入吸附處理，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，吸附輔助法的重點在于選取容量大、吸附水平高的吸附劑。

3.4 科學選取吸附劑

為了充分發揮新型污水處理模式的效果，確保通向閉路水循環，就應根據實際情況科學選取吸附劑。（1）生物炭。一般來講，生物炭屬于缺氧、低氧情況下的生物質熱解，經過高溫熱解后，生物質能夠產生富含碳的固體產物。從優勢上看，生物炭為多孔結構、表面積大、外表帶有負電，這使其十分適合市政污水的氨氮吸附。（2）離子樹脂。從結構上看，離子樹脂為網狀，其離子官能團能夠有效變換，借助其離子變換反應，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，人工水凝膠屬于網狀三維結構，其骨架的親水性基團具有較強的親水能力，有利于氨氮吸附。

4 結語

總而言之，研究市政污水處理運用通向閉路水循環的有效策略具有重要的意義。相關人員應對當前市政污水處理的概況有一個全面了解，充分把握處理市政污水的價值和作用，能夠通過NEWater技術、反滲透與生物厭氧膜融合工藝、吸附輔助法、科學選取吸附劑等多種方式實現通向閉路水循環，從而使市政污水更好地轉化為再生水，推動我國城市水環境的可持續發展。