市政污水生物处理工艺的升级改造

市政污水生物处理工艺的升级改造

目前，我国市政污水的处理主要采用以生态污水处理为核心的生物处理技术。由于该工艺基于生物氧化的原理，因此需要高能量的输入，以去除废水中的有机和养分。1污水处理升级改造面对如此高标准的水处理要求,市政污水处理流程中必须增加深度处理单元.目前主要采用在生物工艺后,叠加先进的深度处理工艺,如混凝沉淀、反硝化滤池、曝气生物滤池、高级氧化等.经传统生物处理后污水中有机物大多以难生物降解物质为主,如将其浓度降至30mg/L以下,则需要增加高级氧化工艺或者吸附反应池来实现.例如,总氮若要低至1.5mg/L的地表Ⅳ类水标准,则须增加反硝化滤池、反渗透工艺等.图1总结了我国部分现行的污水处理升级改造工艺.可以看出,这些升级改造工艺通常采用在原生物处理工艺基础上叠加深度处理单元,不仅延长了工艺处理流程,增加了整个处理系统的复杂性和运行难度,而且提高了运行费用、能源消耗和占地面积.例如,在二沉池出水后增加高效沉淀池和反硝化滤池深度脱氮除磷,药剂和电耗等费用将总处理费用提高了0.36～0.51元/m2从污水再生从污水中回用至污水厂污水厂污水再生的闭路水循环水资源短缺已成为全球性危机,到2025年,世界三分之二的人口将受到淡水短缺的威胁随着市政污水处理排放标准日益提高,如果污水厂提标改造仅满足排放要求而不考虑污水回用,不仅导致资源的浪费,且与污水处理“绿色、低碳、循环”的理念背道而驰.鉴于此,市政污水等“非常规水资源”不应再被看作“废物”.未来市政污水处理应从“去除污染物达标排放”的理念逐渐转型过渡到“污水再生与市政供水一体化的闭路水循环”的模式,使污水成为城市潜在的淡水资源,助推城市走出水资源短缺的困境.2.1市政污水回用改造21世纪初,新加坡开发了“NEWater”工艺,市政污水通过传统生物技术后加先进的膜技术和紫外线消毒,实现了污水到饮用水的深度回用,带动了水工业跨越式发展,城市污水处理厂的内涵也得到了进一步扩展.目前,新加坡已有5家NEWater水厂,总供水能力达到约5.55×10NEWater的生产过程是首先将市政污水通过传统生物处理技术处理,其出水进一步经过微滤、反渗透和紫外线消毒(图2).微滤阶段主要滤出包括细菌在内的微颗粒物质,反渗透处理可去除大部分可溶性离子等污染物,紫外线为水质进一步消毒,以满足世界卫生组织规定的饮用水标准.目前,NEWater主要供给对高纯水有需求的工业界,部分注入于水库中与地表水混合,经给水厂进一步处理后作为饮用水供给消费者.然而,目前NEWater的生产过程主要建立在传统污水生物处理过程,叠加后续深度处理单元,因此仍面临污水处理能耗高、剩余污泥量大、占地面积广等挑战.2.2反渗透+反渗透法工艺确定氨氮为了解决上述挑战,Liu等人在上述耦合工艺中,市政污水中营养物质(氨氮和磷酸盐)和主要离子的去除主要依赖于上述耦合工艺中的反渗透单元.需要指出的是,氨氮在典型市政污水中的浓度一般介于5～40mg/L吸附法可利用材料表面特殊结构,通过离子交换作用或分子间作用力实现对氨氮的吸附去除,因其工艺简单、能耗低、反应快等优势而备受氨氮去除的关注,可成为市政污水处理新模式的重要辅助.从工艺流程来看,氨氮吸附单元置于反渗透前或后均有助于出水氨氮浓度控制.将氨氮吸附单元置于反渗透前,其需要吸附更多的氨氮,同时去除部分杂质离子,在一定程度上缓解反渗透膜污染.而将氨氮吸附单元置于反渗透后,如图3所示,吸附段主要用于低浓度氨氮的深度去除,灵活性较高,吸附剂再生频率低,且可以根据进水氨氮浓度,灵活调节渗透液流向吸附阶段的流量.经反渗透处理后,氨氮未达标准,则需要进一步进行吸附处理;也可选择部分渗透液经吸附处理后与未处理部分混合,最终达到出水标准.因此,寻求吸附快和容量高的氨氮吸附剂成为此工艺的关键.3吸收法有效去除氨氮：市政污水处理新模式的重要支撑3.1氨基氮吸附剂3.1.1天然沸石/天然沸石稀溶液的络合萃取天然沸石、黏土、膨润土(主要成分为蒙脱石)、水滑石等,由于来源广泛,已被广泛研究应用于水体中氨氮的处理.如澳大利亚天然沸石在10～15min内对氨氮的最大吸附容量为6.3mg/g黏土是颗粒粒径较小(<2μm)的可塑性硅铝酸盐,除了铝外,还包含少量镁、铁、钠、钾和钙,是一种重要的矿物原料.Alshameri等人3.1.2生物炭的性质生物炭是在低氧和缺氧条件下,将生物质(如农作物秸秆、木质物质、禽畜粪便和其他材料等)经过高温热解而形成的固体富碳产物.生物炭具有高比表面积、多孔结构以及特殊的表面官能团等特点,而且表面带负电3.1.3阳离子交换树脂吸附法离子交换树脂为网状结构,具有可交换离子的官能团,通过离子交换作用选择性地吸附去除氨氮.阳离子交换树脂主要用于氨氮去除吸附剂.如KU-2-8树脂对市政污水中氨氮具有较强的吸附性,吸附容量可达74.7mg/g3.1.4上具有亲水性化合物水凝胶是一种具有三维网状结构的聚合物,骨架上具有亲水性基团(如-COOH、-COO和-OH),良好的亲水能力使水溶液中的氨氮快速地扩散并结合在吸附剂表面.Zheng和Wang3.1.5面原子饱和作用纳米材料因其尺寸小、比表面积大、表面原子不饱和等独特的物理化学性质,可与其他原子相结合而稳定下来,赋予纳米材料强大的吸附能力.Zare等人3.2氨氮生物反应器-反渗透活性生物反应器roh纳米材料、离子交换树脂等可以采用化学溶剂将吸附的氨氮脱附浓缩回收,而吸附剂进行再生利用.例如,采用0.25mol/L的NaOH可使吸附氨氮处理后的混合树脂有效再生,并回收95%以上的氨氮资源值得注意的是,将氨氮吸附剂应用于厌氧膜生物反应器-反渗透-吸附工艺中,除需要优良的氨氮吸附性能以达到高质再生水的水质要求,还需要适宜的反应器构型和良好的分离性能.沸石类等无机吸附剂对氨氮的吸附具有良好的动力学性能,可以采用固定床柱式反应床.如Guo等人4市政污水回用模式的可行性随着城镇化的快速发展,水资源供需矛盾凸显.以传统江河湖库和地下水为城市主要水源的安全保障压力日益增大.在缺水城市和水生态敏感地区,由于远距离调水工程浩大,亟需探索新兴非传统水源.2018年,我国污水回用率仅10%,主要应用于农业、工业、景观、市政杂用等,几乎不涉及城市居民生活用水.如通过污水回用,在供水量不变的情况下,城市的可用水量可明显增加.另一方面,市政污水处理排放标准逐渐提高,即高排放标准下的污水与高质再生水仅一步之遥,近在咫尺.近年来,我国污水回用模式也逐步向水质标准非常严格的饮用水转变.因此,从市政污水中回用高质再生水极具前景.市政污水作为潜在的城市水源具有可行性,且具有多方面优势,如回用水靠近用户,减少了长距离输运过程的水损失和调运成本;相较于其他新生水源(如海水淡化),从市政污水中回用高质再生水能耗更低,且不受地理位置限制(海水淡化常适用于沿海城市)综上,通过实现市政污水到高质再生水的回用,可将现行开放式的市政污水处理模式升级为闭合式处理模式,构建环境可持续的城市水环境系统(图4),对未来市政污水处理技术的发展极具指导意义.本文探讨的厌氧膜生物反应器+反渗透+吸附处理工艺,可为市政污水中回用高质再生水提供高效、经济和环境可持续的有效技术手段.需要指出,技术的应用亦需因地制宜,综合考虑当地水资源、自然环境条件等.例如,在人口密集的大中型城市及地区,本文所讨论的集约化市政污水回用技术具有极大的适用性.而在土地资源丰富的小城市及地区,可考虑结合人工湿地等技术.根据近几年污水排放增长速度,预计2030年市政污水总排放量将达到1.0×105市政污水处理耦合工艺的展望目前,中国正面临着日益严重的水资源短缺的挑战,市政污水应被视为一种重要的淡水资源而不是废物来处理.当前生物污水处理工艺面临高能耗、高温室气体排放、高剩余污泥产量和低效资源回收等问题,且出水水质未能达回用标准.日益提高的污水排放标准使市政污水处理工艺升级改造成为必然.然而,目前采用的升级改造工艺主要采用在现有生物处理工艺后叠加深度后处理工艺,工艺流程长且处理成本较高.因此,亟需开发以高质再生水回用为终极目标的新型市政污水处理技术.基于此,厌氧膜生物反应器与反渗透的耦合工艺可为从市政污水回用高质再生水提供新思路.吸附法可以作为后处理工艺进一步降低氨氮浓度,为耦合工艺的应用提供保障.展