北京城鎮(zhèn)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(zhuǎn)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(xù)5年干旱，水資源緊缺已成為制約北京經(jīng)濟社會發(fā)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(qū)地下水超采344億立方米。
(2)水污染嚴重。水系污染由城區(qū)逐步向郊區(qū)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(zhì)還達不到V類水體要求。官廳水庫由于水質(zhì)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(tài)問題
(1)地表水短缺引起的生態(tài)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(zhì)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(zhì)惡化，時有水華發(fā)生，嚴重影響城市環(huán)境和生態(tài)安全。
(2)地下水超采引發(fā)的環(huán)境問題。由于過量開采，平原區(qū)以朝陽區(qū)紅廟至將臺路為中心形成2272km范圍的地質(zhì)沉降區(qū)，*大沉降量達619mm。由于地下水污染和超量開采，地下水質(zhì)不斷惡化，主要表現(xiàn)在總硬度和硝酸鹽氮超標。污染來自滲井滲坑、污灌、化肥、農(nóng)藥、固廢和垃圾，由于超采形成區(qū)域性地下水位下降漏斗區(qū)，改變了地下水的水動力和化學條件，引起水質(zhì)變化。長期的超采缺補，給北京市帶來了相當?shù)纳鷳B(tài)赤字和潛在生態(tài)風險。
1.3由污水處理向污水資源化轉(zhuǎn)變的迫切性
尋求新水源，改善水環(huán)境，解決北京極度貧化的水資源現(xiàn)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(zhàn)略性的措施。要實現(xiàn)這一點就必須實現(xiàn)污水處理廠向污水資源化工廠的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變。這意味著：把新建污水處理工程改變?yōu)樾陆ㄎ鬯Y源化工程；把以達到排放標準為目標改變?yōu)橐栽偕盟|(zhì)標準為目標；以利用和消耗天然水體的環(huán)境容量（實際已喪失環(huán)境容量）稀釋凈化受納的排放污水功能改變?yōu)樘峁┥鷳B(tài)用水為目標，提供優(yōu)質(zhì)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(tài)功能。這一戰(zhàn)略轉(zhuǎn)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(tǒng)再生水處理的技術
根據(jù)國內(nèi)外*新研究成果和工程實踐，城鎮(zhèn)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(zhì)，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(qū)中水處理與回用或小規(guī)模污水場的深度處理。
上述傳統(tǒng)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(zhì)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(zhì)不合格，運行不穩(wěn)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(zhì)效果的新型處理技術。根據(jù)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(zhì)還難以達到中水標準。不宜規(guī)?；捎谩?BR> (2)連續(xù)微濾CMF＋R0。該工藝采用了連續(xù)微濾CMF＋RO的雙膜系統(tǒng)，連續(xù)微濾（CMF）解決了微濾膜組件的清洗和連續(xù)運行操作問題，但不能實質(zhì)性提高水質(zhì)，其污染物的去除依靠RO系統(tǒng)。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(zhì)要求。但該工藝投資和運行費用過高，不適用于大規(guī)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(tǒng)。SMBR通過膜組件實現(xiàn)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(xiàn)較高的回用水質(zhì)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(zhì)
通過以上國內(nèi)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(xiàn)城市污水大規(guī)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(tǒng)的處理效率。
1989年，日本政府聯(lián)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(wěn)定性方面，這大大促進了膜生物反應器的開發(fā)，使膜生物反應器開始走向?qū)嶋H應用。
同年日本學者Yamamoto等將膜組件直接置入反應器內(nèi)，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(xù)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(yōu)化設計、降低能耗等方面進行了深入的研究和開發(fā)。2000年開始步入規(guī)?；茝V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(jié)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(yōu)點。
(1)出水水質(zhì)優(yōu)良。SMBR由于將生物處理與膜分離技術有機結合，在具有傳統(tǒng)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(xiàn)較高的回用水質(zhì)標準。
(2)系統(tǒng)抗沖擊力強，運行更穩(wěn)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(zhì)的波動不會影響出水水質(zhì)。
(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(huán)節(jié)，使系統(tǒng)控制實現(xiàn)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(tǒng)占地面積較傳統(tǒng)工藝可節(jié)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(tǒng)中投加任何化學藥劑，不需要傳統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)剩余污泥的產(chǎn)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(xiàn)整體規(guī)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(jīng)濟分析
(1)建設投資。SMBR工程投資可分為2個層次：①較小規(guī)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(diào)試正常運行，通常每立方米水投資規(guī)模約在2000元。②對于有一定規(guī)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(zhì)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(chǎn)生的社會、經(jīng)濟、生態(tài)問題使城市規(guī)?；鬯Y源化戰(zhàn)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(fā)和應用，使大規(guī)模的城市污水由處理達標排放轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源化利用，提供了一個技術經(jīng)濟可行的途徑。