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浅谈污水处理与管理领域的新方法与新技术
更新时间:2017-01-31 来源:中宜环科环保产业研究 作者:张婧怡

20世纪,污水处理领域出现了一系列新的污水处理技术以及实践应用,例如膜过滤工艺和高级氧化工艺。这些新工艺的出现,为城市污水系统和水资源系统开启了新的管理模式(Daigger,2003),也必将大大提升水资源的可持续发展性,特别是那些能将城市水资源和废弃物资源整合起来的新型工艺。

新工艺的诞生必将产生新的需求,这些需求会反过来进一步推动新技术的发展。本文将逐一阐述和分析城市水资源环境的现状、修复情况、已经采取的具体措施,以及在当下发展环境中技术应当如何进步。

变革的需求

简单来说,变革背后的主驱动力是全球人口增长以及生活需求的提升, 这二者的结合导致了资源的大量消耗 (包括水资源),以致超出了我们所生活的这个星球的承受能力(Daigger, 2007b, 2008a; Wallace, 2005)。 目前,地球的总人口略大于60亿, 到2050年,该数字预计将达到90亿。 假如生活需求也依次提升,那么全球人口的资源消耗量将达到目前地球资源总量的3倍。显然,这个“剧情” 无法成立,也不应成立。

我们假设地球的总人口数很小, 比如是两亿,并且人均资源消耗量也很低,那么我们的传统消费模式—— “摄取、消费、废弃”——是可持续的。 然而,事实并非如此,所以我们需要对所有资源(包括水资源)进行循环和回收利用,并且我们还需要提高再生资源利用率。

水资源压力

相比其他的资源而言,水资源生来就具备可再生的能力。自打这个星球有了生命的起源,大自然母亲随即开始让水在天地之间循环往复。当这个循环过程“入不敷出”时,水资源压力随即产生。而不合理的水资源管理方式无疑会给整个系统进一步加压, 最明显的例如未经适当处理的污水直接排入水循环圈,这将导致可用水总量进一步缩减。

目前来看,水资源紧缺还只是影响了一部分人,预计到2025年,影响的范围将扩展到全球总人数的45% (Daigger, 2007b;WRI, 1996)。而随着气候变迁,这个数据还有进一步恶化的趋势。

一些针对资源回收的技术可以帮助改善这个状况,但大部分回收技术的使用往往伴随着对其他资源的消耗, 比如能量。在我们这个资源有限的世界里,任何一种资源的消耗增加,即使是水资源这样的可再生资源,都必须慎之又慎。

由于城市水资源管理不善导致水资源压力的另一个表现形式是水体中营养物总量的不断攀升,例如水体中的磷元素(Steen, 1998; Wilsenach et al., 2003)。随着磷矿的开采,磷越来越多的被用作人工肥料。被施以磷肥的农作物会被人类食用,而磷会作为人类新陈代谢的产物排入污水中, 因此,污水中的磷(包括其他营养物) 开始不断富集,不断富集的结果将引 起水体富营养化。另外,我们知道, 磷资源是不可替代的,按照目前的人类消费速率以及磷在地球上的存储量, 在100年后,我们将无磷可用。因此,水体富营养化和磷资源的枯竭,这两个原因都迫使我们必须尽快展开污水磷资源回收的行动。

还有两个因素需要我们考虑在内。 第一,尽管在发达国家,水资源的相关服务已经非常到位,但是我们不应忘记,在地球上仍旧有大约10亿人没有享受到安全的饮用水,超过25亿人 没有足够的卫生设施。显然,我们需要更有效的城市水资源管理系统,我们必须满足全人类对水资源的需求。第二, 全球的供水和污水机构已经很难筹集到足够的资金来维持机构本身的运转, 更不用说,这些机构还需要不断升级改造以适应人类不断攀升的需求。

对可持续性的定义

城市污水处理和资源管理需要不断寻求新的方法,其背后的驱动因素之一是我们的城市必须维持可持续的发展。具体表现为:

人们需要大量的清洁水源和合理的卫生体系;人们需要对当地水资源更加合理应用;能源平衡;加强营养物管理;财政稳定的公用事业建设。

总的来说,可持续发展的需求来自于经济、社会、环境三方面 (Daigger and Crawford, 2005)(见表1)。经济的目标是为公共事业提供足够的价值, 以确保用户们愿意在财政上支持那些必要的基础设施进行维护和扩展。环境目标包括从当地现有的供水中满足用水需求,同时保持能源平衡,以及减少化学品消耗和营养盐排放管控。整体的社会目标是获得清洁的水源和合理的卫生体系。

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而挑战来自于如何实现这些目标,以及采用哪些技术来实现目标,如果我们明确了这些问题,那现在和将来, 我们都将拥有一个可持续发展的社会。

实现可持续发展的目标

为了实现上面所述的环境目标,我们需要将现有的线性方法进行改良优化,将分散和集中的元素相结合,将水和废弃物进行回收,最终建立一个闭环系统 (Daigger, 2007a, 2008a,b; Daigger and Crawford,2007),闭环系统具有实现我们三大目标的潜在能力。

图1阐述了一个城市水管理的闭环系统。就供水而言, 无论是民用还是商用的供水系统,都可以大致分为两类, 可饮用水和不可饮用水。可饮用水指的是直接饮用的水和淋浴用水,不可饮用水指的是冲厕用水、洗衣用水、浇地用水,以及其他工业用水。总的来看,饮用水的消耗总量实际上非常小。所以,实际上目前可饮用水的供给量远远大于消耗量。事实上,饮用水可以取自当地水源,也可以取自其他地方的水源,只要水质合适即可。通过对用水目的区分(饮用与非饮用),我们认为,用于饮用的供水体量应该大大缩减。

根据上一段分析,我们可以得知,家庭和商业用水中的大部分都应是非饮用水,非饮用水可以取自多种多样的当地资源,比如循环水、收集雨水等。如图1所示,非饮用水的储集是整个系统的关键组成部分。非饮用水可以储存在城市区域地下的蓄水层,或者储存在地表储水设施内。

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水资源的不断往复循环有可能导致溶解性固体的不断积累,比如盐。而为了维持水质,我们必须严格控制溶解性固体在水中的含量。反渗透(RO)以及其他工艺可以过滤水中的盐分,排出的浓水将注入咸水含水层,或者用其他工艺进一步处理,比如蒸发结晶。

有很多人会提出以下疑问,为什么不能借鉴海水淡化工艺来处理污水,以增加储水量?虽然海水淡化工艺在 技术上并不复杂,但是这个工艺并不符合可持续发展的需求,因为它需要大量耗能。尽管技术的进步有助于降低工艺能耗,但用海水淡化工艺处理污水所需的能耗与其他工艺的能耗相比,仍然是天壤之别。因为海水中固体含量是35000mg/L,而污水中的固体含量仅为1000mg/L。

可持续发展系统中的技术应用

我们可以列举出一些有利于可持续发展的方法:

提高当地雨水收集与利用率;改良生活习惯,减少 用水量;废水回收及循环利用;从废水中回收能源;回收营养物,氮、磷、纤维素等;特殊种类废水分类处理。

总之,有许多技术都有助于改善图1所示的水系统,以及改进分散型或集中型水资源管理(表2)。总目标就是保护当地水资源,以满足当地各种各样的用水需求。

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通过收集雨水来增加水资源储备的方法十分有效,因 为雨水被收集后可以被直接利用,或者仅通过一些自然处理,就可以将其注入地下蓄水层,以备未来之需 (Strecker et al., 2005)。收集雨水的技术包括透水路面、绿色屋顶、 雨水花园等。在过去的一个世纪,这些技术都得以大力发展, 雨水收集与治理技术已变得越来越可靠、可信。

水和污水处理技术都是城市水系统的关键组成部分。 膜技术可以有效去除水中颗粒物质(微滤和超滤),以及溶解性物质(纳滤和反渗透),因此膜技术在近年来的使用率得以明显提高。把膜技术与生物技术整合在一起,就形成了生物膜反应器(MBR),该技术作为一种高效回收水的工艺而迅速崛起 (Daigger et al., 2005; DiGiano et al., 2004)。高级氧化技术整合了臭氧、紫外光、过 氧化氢,以创造一种具有极强氧化性的氢氧自由基。除此之外,活性炭技术也广泛用于水处理与回收。

解决环境目标的工具

“技术工具箱”中的其他工具不一定会对减少水资源消耗有太多作用,但是也许对实现其他环境目标大有帮助,比如有助于实现能量平衡和减少营养物流失。如图2所示,洗衣用水和淋浴用水(称为灰水)的污染物含量很低,但是却占据着城市污水水量的最大比例 (Henze and Ledin, 2001;Tchobanoglous, 1981)。由于灰水污染程度低,只需要经过适当处理就可以成为非饮用类的再生水。所以相较于将饮用水和非饮用水合在一 起进行循环回收,单独对灰水进行循环回收更加合理,因为单独循环回收只需要耗费较少的能量、消费较少的资源。另外,通过使用特殊设计的热交换器和热泵,还能从处理灰水的过程中提取或转移热量,而热能也是一 种非常重要的能源。

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除了水中的热值之外,废水流的几种组分中的有机物也代表了能源的主要来源。如图2所示,大多数的有机物主要存在于卫生间和厨房所产生的生活污水中,这些废水被定义为黑 水。黑水的水量并不大,我们更建议直接对黑水进行处理,回收其中蕴含的能源。从黑水中回收能源的技术包括热力燃烧、厌氧消化(产沼气), 这些技术可以结合用在热电联产系统里。比如,微生物燃料电池就是一种 新兴的能源生产技术 (Logan et al., 2006)。

大多数营养盐都滞留在人畜尿液中,我们也将这种水称为黄水。当能量管理、营养物回收和源分离相结合时,就能实现从废水中有效提取和回收能源和营养物。实现营养物回收的 技术有很多种,比如,污水处理过程中产生的污泥富含了大量氮磷,如果将这些氮磷提取出来,可以直接作为氮肥磷肥应用于土地耕作。第二种方法是施用磷酸盐肥料,这种肥料包含了鸟粪石或者磷酸钙,是将磷化学沉淀之后的产物。

如表2所示,雨水收集与水回用技术在地方层面管理中最能发挥作用, 尤其是针对分散型系统。水回用技术会弱化泵的作用,因为水回用往往是就近回用,不需要远距离输送。相比 之下,能源管理和营养物回收技术更适用于大规模集中型系统。图3展示 了一个综合系统,该系统基本包含了所有的废水流,比如灰水、黑水、黄水, 并阐明了各种废水流应该对应采用哪种处理技术。

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新技术

膜过滤系统

膜系统对深度水回收系统的发展具有至关重要的作用,并且对这种系统的开发还将持续下去。浸入式的微滤和超滤系统作为反渗透系统的预处理工艺效果非常好,可以去除大部分的可溶性物质成分。另外,膜过滤系统的改进 将推进深度污水处理技术和MBR的发展,这二者都是水回用工业的主力技术。

在MBR工艺 中, 较长的泥龄 (SRT)给微生物深度反应提供了适宜的环境,同时对抑制细菌、病毒也起到了帮助,所以MBR工艺的出水水质非常好。所以,MBR工艺是非饮用类 水回用工艺的理想备选方案。如果回用水以饮用为目的,则MBR工艺之后还需要设置反渗透工艺和紫外消毒工艺 (Tao et al., 2005, 2006)。

纳米技术

近年来,纳米技术已经开始被用于进一步改善膜的性能,用纳米技术制成的膜材料性能更佳,比如,膜污染较缓、水力传导性更好、允许穿透性更灵敏。反渗透技术的改良包括两方面,膜材质和膜组件结构配置,其他领域还包括更高效的水泵输送和能量回收系统, 以及研发新的工艺技术,例如膜蒸馏。

微生物燃料电池

微生物燃料电池是一项突破性技术,它利用电子转移来捕获微生物代谢过程中释放的能量,即可以从废水有机物中直接提取电能 (Logan et al., 2006)。其过程包括三阶段:首先,微生物在电极上生长为生物膜 ; 然后,电子供体通过质子交换膜与电子受体分离,建立电流;最后,通过有机物质 (BOD5)的氧化产生电能。

虽然这种技术仍处于发展的早期 阶段,并且在提高产能效率和经济性方面都需要进一步优化,但它依然具有巨大的潜力。

自然处理系统(NTSs)

我们对自然界中微生物的认知正在不断提升,这就有助于我们利用自然系统(NTSs)处理废水 (Kadlec and Knight, 1996)。NTSs中有多种多样的物理、化学、生物反应,这些反应可以非常快的“扼杀”污水中的大量污染 物。

例如,NTSs已被用于收集、贮存、 处理雨水,而它还可以去除污水中大量污染物,包括营养盐、细菌、持久性痕量污染物(药物和内分泌干扰物)。 经过长期实验表明,NTSs对于可饮用类水体的处理作用较好,因此在未来也将逐渐应用于水回用领域。

分离尿液的卫生间

如表2和图3所示,对卫生间的尿液进行分离是一个发展趋势。通过尿液分离,对尿液进行单独处理,既能使用最低的能耗,又能回收其中的营养元素,将其制为肥料 (Larsen et al., 2001; Maurer et al., 2006)。从分离的尿液中可以沉淀出鸟粪石,再用其作为原料生产农业肥料,虽然这还只是一个趋势,但科研人员们正在通往实践应用的道路上不断努力。

自控系统

图3所示系统的运行需要配备一个复杂的监控系统,以确保回收水的 “进”和“出”保持一定的平衡,同时还需要结合考虑雨水水量。产水系统必须有合理的自控系统,以保持整个系统 的完整性。另外,能耗会随着时间和季节发生变化,所以能耗也需要进行动态管理。目前,科研人员正在研究新一代的传感器和系统控制技术 (Shannon et al., 2008)。

总结与思考

根据英国医学期刊(British Medical Journal)的调研报 道, 在过去的150年间,现代的供水系 统和卫生系统对人类健康做出了最重要的贡献 (BMJ, 2007)。国家工程学会也认为现代供水系统和卫生系统是20世纪最伟大的工程成就之一 (Constable and Sommerville, 2003)。即使这样,我们应始终牢记,环境在不断变迁,供水和卫生系统需要不断更迭新技术和新工艺。 所以,我们将始终面对各种新型的、 有趣的、重要的挑战。

幸运的是,我们现有的技术已经能应对部分挑战,我们还需要对这些技术进行不断提炼和整合,使它们成为一个更高效、可持续的体系, 这也是所有工程师最擅长的事情。而挑战往往不是单一的,总会牵扯到相关行业和学科,那时,我们还将需要从其他行业与学科中寻求新的帮助 (Daigger, 2007a,b; 2008a,b; Daigger and Crawford, 2005)。 

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