北京城鎮污水處理資源化利用技術探討
2014-05-15 19:22:37
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1 由污水達標排放向資源化利用轉變的緊迫性
1.1極度貧化的水資源狀況
北京是水資源嚴重短缺的大都市，人均水資源占有量只有300立方米。特別是1999年以來，北京遭受連續5年干旱，水資源緊缺已成為制約北京經濟社會發展的主要因素。
(1)水量匱乏。①地表水不足。作為北京主要地表水源的密云、官廳兩大水庫的來水和蓄水呈逐年衰減趨勢，入庫水量由60年代的20多億立方米銳減到90年代的不到4億立方米，1999年以來，密云水庫5年年均入庫水量1.64億立方米，官廳水庫年均入庫水量1.78億立方米。②地下水超采：地下水是北京的*重要的水源之一，由于常年超采地下水，地下水已累計虧損59億立方米。1999年以來的5年間平原區地下水超采344億立方米。
(2)水污染嚴重。水系污染由城區逐步向郊區擴展，符合Ⅱ類和Ⅲ類的水域不斷減少。通惠河、涼水河、清河、沙河、溫榆河等均變成了排污河道，水質還達不到V類水體要求。官廳水庫由于水質惡化，從1996年開始停止向北京市供水。
1.2水資源短缺帶來嚴重和潛在的生態問題
(1)地表水短缺引起的生態問題。由于地表水得不到徑流補給，造成河流干涸，河床裸露沙化，水質惡化，魚蝦絕跡，喪失補給地下水功能；排污還造成地下水污染。即使靠引水維持的城市河湖，也因水質惡化，時有水華發生，嚴重影響城市環境和生態安全。
(2)地下水超采引發的環境問題。由于過量開采，平原區以朝陽區紅廟至將臺路為中心形成2272km范圍的地質沉降區，*大沉降量達619mm。由于地下水污染和超量開采，地下水質不斷惡化，主要表現在總硬度和硝酸鹽氮超標。污染來自滲井滲坑、污灌、化肥、農藥、固廢和垃圾，由于超采形成區域性地下水位下降漏斗區，改變了地下水的水動力和化學條件，引起水質變化。長期的超采缺補，給北京市帶來了相當的生態赤字和潛在生態風險。
1.3由污水處理向污水資源化轉變的迫切性
尋求新水源，改善水環境，解決北京極度貧化的水資源現狀，已迫在眉睫。把污水變成新的水源是解決北京水資源問題根本性和戰略性的措施。要實現這一點就必須實現污水處理廠向污水資源化工廠的戰略轉變。這意味著：把新建污水處理工程改變為新建污水資源化工程；把以達到排放標準為目標改變為以再生利用水質標準為目標；以利用和消耗天然水體的環境容量（實際已喪失環境容量）稀釋凈化受納的排放污水功能改變為提供生態用水為目標，提供優質再生水補給地表水體和地下水體，恢復地表水和地下水的生態功能。這一戰略轉變是解決北京市水資源貧乏和逐步償還超采赤字的根本途徑。
2 污水資源化技術淺析
2.1傳統再生水處理的技術
根據國內外*新研究成果和工程實踐，城鎮污水處理廠二級出水為水源的再生水處理工藝主要有3種。
(1)化學沉淀一過濾一消毒工藝。該工藝采用化學法和機械過濾相結合的方法，是中小型中水廠采用的后處理工藝。
(2)化學沉淀一過濾一活性炭一消毒工藝。該工藝是在工藝(1)的基礎上，為了提高水質，加強對有機物、微污染物、色度、嗅味的去除而采取的強化處理措施。
(3)曝氣生物濾池一過濾一消毒工藝。曝氣生物濾池是利用好氧生物膜技術凈化污水的工藝。該工藝已廣泛用于污水深度處理和微污染水源水處理。
此外，還有一些適合小型中水處理的工藝，如生物接觸氧化法，氣浮+過濾處理等，這些工藝一般應用于建筑小區中水處理與回用或小規模污水場的深度處理。
上述傳統中水處理工藝在污水資源化工作的起步階段起到了一定的作用。但隨著污水資源化工程的深入和對回用水水質和水量要求的不斷提高，這些處理工藝在技術層面上的缺陷也日益明顯。如出水水質不合格，運行不穩定，管理復雜，運行費用高以及占地面積大等問題，都影響了其在污水資源化領域的應用。
2.2膜處理技術
膜處理技術是利用膜的高效分離性能，去除水體中的顆粒物、大分子有機物、細菌乃至小分子和鹽類等污染物，從而達到凈化水質效果的新型處理技術。根據膜的過濾孔徑和分離效果，可將膜處理技術分為微濾、超濾和反滲透等幾種。
(1)微濾/超濾＋消毒工藝。該工藝主要采用微濾或超濾膜分離技術，膜孔徑為0.1～0.5gm，二級出水通過膜分離，可以去除全部懸浮物（SS），但對小分子有機物如氨氮等無效。同時該工藝投資運行費用較高，膜沖洗頻繁，出水水質還難以達到中水標準。不宜規模化采用。
(2)連續微濾CMF＋R0。該工藝采用了連續微濾CMF＋RO的雙膜系統，連續微濾（CMF）解決了微濾膜組件的清洗和連續運行操作問題，但不能實質性提高水質，其污染物的去除依靠RO系統。該工藝可以去除大部分有機和無機污染物，對總氮和磷也有較好的去除效果，能夠達到很高的水質要求。但該工藝投資和運行費用過高，不適用于大規模采用。
(3)浸沒式一體化膜生物反應器（Submerge Membrane Bio－Reactor，簡稱SMBR）＋消毒工藝。浸沒式一體化膜生物反應器（SMBR）是一種將生物處理技術和膜分離技術相結合的高效污水處理系統。SMBR通過膜組件實現固液分離，提高了生物反應器中活性污泥濃度和處理效率，可以實現較高的回用水質標準。SMBR不僅可以以二沉池出水作為原水，對其進行深度處理，還可以直接以城市污水為原水，處理后直接達到中水回用標準。
2.3不同處理工藝處理后的出水水質
通過以上國內外各種廢水資源化技術的分析表明：“浸沒式一體化膜生物反應器(SMBR)”技術，將生物處理技術與膜分離技術高效結合，為實現城市污水大規模直接資源化提供了新的技術保障。
3SMBR技術在資源化領域的應用分析
1969年，美國的Smith等人首次提出了把活性污泥法和超濾工藝結合處理城市污水的方法，證明膜分離技術與普通活性污泥法相結合可以顯著提高系統的處理效率。
1989年，日本政府聯合一些大公司共同資助，進行了為期6年的“90年代水復興計劃”科研項目，研究重點集中在SMBR的處理效果與運行穩定性方面，這大大促進了膜生物反應器的開發，使膜生物反應器開始走向實際應用。
同年日本學者Yamamoto等將膜組件直接置入反應器內，通過泵的抽吸，得到過濾液，這樣一體化膜生物反應器誕生。在我國，科技部在“八五”、“九五”、“十五”連續15年將膜生物反應器的研制列入科技攻關計劃。在膜的選擇、處理效率、抗污染以及反應器的優化設計、降低能耗等方面進行了深入的研究和開發。2000年開始步入規模化推廣應用。目前，在北京市SMBR工程累計達50個，總處理量達1.5萬t/d，年節約水資源182.5萬t，在解決北京水資源缺乏難題中顯示出巨大的生命力。
3.1 SMBR技術的特點
實際工程應用表明，SMBR技術具有以下顯著優點。
(1)出水水質優良。SMBR由于將生物處理與膜分離技術有機結合，在具有傳統膜分離功能(如去除有機大分子、細菌等)的同時，還可通過其獨特的生物功能有效去除進水中的BOD和NH4-N等污染物，特別是NH4-N的去除率可達90%以上，可以實現較高的回用水質標準。
(2)系統抗沖擊力強，運行更穩定。SMBR采用外壓式中空纖維膜處理組件，是一種耐沖擊負荷的處理工藝，進水水質的波動不會影響出水水質。
(3)控制智能化，管理操作簡單。SMBR技術，省去了繁瑣的預處理過程，顯著減少了控制環節，使系統控制實現智能化，使運行管理簡化。
(4)占地面積省。SMBR技術由于水力停留時間減少和緊湊的設備化設計，系統占地面積較傳統工藝可節省20～40%。
(5)運行成本低。SMBR技術不需要任何前處理，不需要向系統中投加任何化學藥劑，不需要傳統工藝過程中的多次輸送和反沖洗，因此在運行能耗和管理費用上也顯著低于傳統污水二級處理+深度處理的工藝模式。
(6)二次污染較少。SMBR可實現污泥齡與水力停留時間的徹底分離，污泥齡較長，從而顯著減少了系統剩余污泥的產量，在減少二次污染的同時，大大降低污泥處置費用。
(7)模塊化設計。易于實現整體規劃、分步投資、逐量運行。使實際工程應用具有更好的靈活性，減少投資浪費。
3.2 SMBR技術的經濟分析
(1)建設投資。SMBR工程投資可分為2個層次：①較小規模的SMBR工程(日處理量小于500m)，其設備化比較強，從設計、土建、設備安裝到調試正常運行，通常每立方米水投資規模約在2000元。②對于有一定規模的污水處理廠（日處理量超過1萬立方米），其投資將會更省，一般每立方米水1800元左右。
(2)運行費用。運行費用包括能耗、人工、藥劑以及維修等費用。SMBR的運行費用每立方米水約在0.5～0.7元之間，其中每立方米水電耗約為0.5kw·h。
(3)折舊與日常維護。SUR聚乙烯中空纖維膜的壽命在5年左右，而PVDF材質的中空纖維膜壽命在8年左右，因此其折舊費用一般也只不過是每立方米水0.4～0.5元，而且隨著SMBR的普遍推廣，膜的價格在不斷下降，近3年來，膜的降價幅度平均約在20%。
4 結論
(1)北京水資源短缺以及由此而產生的社會、經濟、生態問題使城市規模化污水資源化戰略變得非常必要和緊迫。
(2)一體化膜生物反應器技術的成功開發和應用，使大規模的城市污水由處理達標排放轉變為資源化利用，提供了一個技術經濟可行的途徑。