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【上海水處理設(shè)備網(wǎng)www.esdzu.com】未來市政污水處置技術(shù)應(yīng)實(shí)現(xiàn)“從處理到回用，從能源消耗到能源自給”轉(zhuǎn)型，進(jìn)一步通往“可持續(xù)供水的理想閉路水循環(huán)”

目前市政污水處置面臨的挑戰(zhàn)

目前，國(guó)市政污水處置普遍采用以活性污泥法為核心的生物處置工藝。該工藝以生物氧化為核心，好氧微生物作用下將廢水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)及二氧化碳。過去一百多年里，活性污泥法在市政污水處置上取得了巨大的勝利，然而在新形勢(shì)下，上海純水設(shè)備該技術(shù)面臨著越來越多的挑戰(zhàn)。

高能耗

基于生物氧化的生物處置工藝需要足夠的溶解氧來實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除，該工藝所需曝氣相關(guān)的能耗可占污水處置總能耗的50~70%2019年我國(guó)生活污水排放總量達(dá)718億立方米，而我國(guó)目前鄉(xiāng)村污水處置電耗平均水平為0.29~0.40kWh/m3若以平均能耗0.40kWh/m3計(jì)，則我國(guó)每年用于市政污水處置的總電能耗可達(dá)2.871010kWh隨著我國(guó)總用水量的增加，污水排放總量將會(huì)進(jìn)一步上升。此外，國(guó)局部省市和地區(qū)將污水排放逐步提高至“地表Ⅳ類水”規(guī)范，這對(duì)激進(jìn)生物處置工藝又提出了升級(jí)改造的要求，無疑會(huì)提高系統(tǒng)的復(fù)雜性，進(jìn)一步增加污水處置的能耗。

大量剩余污泥

激進(jìn)活性污泥法中，污水中約50%有機(jī)物通過生物氧化轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)，不可防止地會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥。據(jù)估算，每去除1kg有機(jī)物可產(chǎn)生約0.3~0.5kg干生物質(zhì)。根據(jù)GEPResearch發(fā)布的全球及中國(guó)污泥處置處置行業(yè)發(fā)展研究演講，2020年中國(guó)污泥總產(chǎn)量將達(dá)到6177萬噸。而目前我國(guó)通過填埋、堆肥、自然干化、焚燒等方式規(guī)范化妥善處置的剩余污泥尚不到60%即大量的剩余污泥最終將進(jìn)入環(huán)境造成二次污染。污泥處置依然存在很多問題。國(guó)現(xiàn)有的填埋場(chǎng)將滿負(fù)荷運(yùn)行，而污泥農(nóng)用于植物生長(zhǎng)的作用遠(yuǎn)不及肥料。厭氧消化可用于剩余污泥處置，并以甲烷氣體回收能量，然而該技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)35~50%污泥減量，仍有大量固體剩余物，不得不再增加焚燒環(huán)節(jié)進(jìn)行最終處置。而焚燒投資與運(yùn)行費(fèi)用太高，易造成大氣污染。

溫室氣體

激進(jìn)生物處置過程常隨同大量溫室氣體排放，包括污水中有機(jī)物氧化過程發(fā)生的二氧化碳，生物脫氮過程產(chǎn)生的中間產(chǎn)物一氧化二氮和厭氧消化過程中產(chǎn)生的甲烷等。而一氧化二氮和甲烷的全球變暖潛能比二氧化碳高約300倍和25倍。此外，生物處置過程中所消耗的能源亦可折算為溫室氣體排放。假設(shè)我國(guó)廢水處置所需的電能全部來自火力發(fā)電，則每年因市政污水處置間接排放二氧化碳總量高達(dá)2.57107噸。為有效控制溫室氣體排放和全球氣溫升高，目前世界上已有40多個(gè)國(guó)家對(duì)碳含量或碳排放量進(jìn)行征稅，即“碳稅”例如，加拿大在2022年將提高碳稅至38美元/噸，新加坡計(jì)劃在2030年前提高碳稅至10~15美元/噸，德國(guó)的Berenberg銀行預(yù)測(cè)到2035年碳稅價(jià)格將提高至80~140歐元/噸。若以15美元/噸計(jì)，國(guó)污水處置耗能折合排放的二氧化碳（2.57107噸）可增加27.5億元/年的額外本錢。這標(biāo)明溫室氣體排放將成為廢水處置利息中不可忽略的環(huán)節(jié)。

資源回收效率低

以往的市政污水處置過程中，污水中所含的碳、氮、磷等物質(zhì)均被當(dāng)作廢棄物被處置。然而，目前全球資源緊張的嚴(yán)峻形勢(shì)下，有必要重新審視保守的污水處置觀念，將市政污水作為一種資源集合體進(jìn)行戰(zhàn)略考量。據(jù)估算，全球范圍內(nèi)每年約有350萬噸磷和1320萬噸氨氮排放到污水中。根據(jù)世界糧農(nóng)組織的最新演講，2020年全球磷和氮肥需求估計(jì)分別為20.0和1.2億噸。因此，若能實(shí)現(xiàn)污水中磷、氮資源的有效回收，可緩解17.5%和11.1%農(nóng)業(yè)磷、氮的生產(chǎn)需求。

工藝復(fù)雜，占地面積大

近年來，日益嚴(yán)格的污水排放規(guī)范下，處置工藝的升級(jí)改造成為必定。國(guó)現(xiàn)行的污水處置工藝升級(jí)改造通常采用在原有生物處置工藝基礎(chǔ)上疊加深度處置單元。然而這樣的升級(jí)改造思路不只延長(zhǎng)了整個(gè)工藝處置流程，增加了處置系統(tǒng)的復(fù)雜性和運(yùn)行難度，上海純水設(shè)備而且提高了占地面積。

綜上，未來市政污水處置技術(shù)迫切需要理念和技術(shù)的革新。

市政污水處置技術(shù)革新：從處理到回用，從能源消耗到能源自給”

由于天然淡水資源的嚴(yán)重短缺及人口和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，中國(guó)正面臨著日益嚴(yán)重的水資源短缺危機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)660多個(gè)城市中，有400多個(gè)處于缺水狀態(tài)，其中108個(gè)為嚴(yán)重缺水鄉(xiāng)村。國(guó)鄉(xiāng)村供水缺口約為60億立方米/年，水資源供需矛盾日益突出。國(guó)缺水鄉(xiāng)村和水生態(tài)敏感地區(qū)，由于遠(yuǎn)距離調(diào)水工程浩大，亟需探索新興非傳統(tǒng)水源。鑒于此，市政污水不應(yīng)再被看作“廢物”而應(yīng)被視為潛在淡水資源。此外，隨著市政污水處置排放規(guī)范的日益提高，如果市政污水處置僅滿足排放要求而不考慮回用，不只導(dǎo)致資源的浪費(fèi)，且與污水處理“綠色、低碳、循環(huán)”理念南轅北轍。

基于此，南洋理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)道了新A-B工藝”概念[1]具體來說，此概念中的A段將市政污水中的有機(jī)物捕獲并直接用于甲烷生產(chǎn)以實(shí)現(xiàn)能源回收，而B段采用生物法、物化法等對(duì)營(yíng)養(yǎng)物進(jìn)行低耗高效的去除及回收（圖1出水水質(zhì)滿足排放規(guī)范的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)市政污水處置廠的高能源回收效率和環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展。

舉例來說，以“新A-B理念”為指引，可在A段采用厭氧膜生物反應(yīng)器工藝首先將市政污水中的大部分有機(jī)物直接轉(zhuǎn)化為甲烷，實(shí)現(xiàn)能源回收，同時(shí)顯著減少了剩余污泥的發(fā)生；而在B段采用反滲透工藝進(jìn)一步去除可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，殘留有機(jī)碳和主要陰陽離子。由于厭氧膜生物反應(yīng)器出水已不含懸浮物和病原體等，反滲透濃縮液中富含的氨氮和磷酸鹽，可進(jìn)一步采用以鳥糞石形式沉淀/結(jié)晶、電滲析、電去離子等技術(shù)進(jìn)行資源回收，或直接用于農(nóng)業(yè)灌溉。若經(jīng)反滲透處置后，氨氮未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，可添加氨氮吸附單元，靈活有效控制出水氨氮濃度（圖2

以新A-B工藝?yán)砟顬榛�礎(chǔ)，耦合污水處置技術(shù)發(fā)生高質(zhì)再生水單位能耗約0.2~0.36kWh/m3且工藝流程簡(jiǎn)化，占地面積顯著減小。將大力推動(dòng)市政污水處置盡早實(shí)現(xiàn)“從處理到回用，從能源消耗到能源自給”技術(shù)跨越。

市政污水處置閉路水循環(huán)：通往水資源可持續(xù)的有效途徑

2018年，國(guó)污水回用率僅為10%主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、景觀、市政雜用等，幾乎不涉及鄉(xiāng)村居民生活用水。近年來，國(guó)市政污水回用模式也逐步向水質(zhì)規(guī)范嚴(yán)格的飲用水轉(zhuǎn)變。2020年市政污水總排放量將達(dá)到1000億立方米，隨著我國(guó)對(duì)再生水重視的提升，再生水供應(yīng)能力有望達(dá)4000萬立方米/日（https://www.askci.com/news/chanye/20161220/14513983859_2.shtml若能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)從市政污水回用高質(zhì)再生水用于飲用水彌補(bǔ)，供水量不變的情況下，可極大緩解鄉(xiāng)村水資源短缺的壓力。比方，新加坡采用“NEWater工藝，再生后的新生水”可滿足新加坡總用水量的40%將“新生水”注入蓄水池，和天然水混合后輸送至自來水廠，可進(jìn)一步凈化為飲用水。

市政污水作為潛在鄉(xiāng)村水源具有顯著的優(yōu)勢(shì)和可行性。由于回用水來自市政污水處置廠，因此靠近用戶并減少了長(zhǎng)距離輸運(yùn)過程的水損失和調(diào)運(yùn)成本。相較于其他新生水源（如海水淡化常適用于沿海城市）市政污水不受地理位置限制。需要指出，技術(shù)的應(yīng)用亦需因地制宜，綜合考慮當(dāng)?shù)厮�資源、自然環(huán)境條件等。例如，土地資源豐富的小鄉(xiāng)村及地區(qū)，可考慮結(jié)合人工濕地等技術(shù)，人口密集的大中型鄉(xiāng)村及地區(qū)，集約化市政污水回用技術(shù)具有極大的適用性。

展望未來，隨著水處置工藝技術(shù)的不時(shí)發(fā)展，市政污水處置應(yīng)從“污染物去除達(dá)標(biāo)排放”理念逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?span>“污水再生與市政供水一體化的閉路循環(huán)”新模式。應(yīng)用新的理念和技術(shù)，將現(xiàn)行開放式的市政污水處置模式升級(jí)為閉合式處理模式（圖3實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)可持續(xù)。此外，國(guó)家應(yīng)制定相應(yīng)政策，把閉路水循環(huán)的新理念傳播到大眾心中，增強(qiáng)大眾接受度。