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我國市政污水處理面臨的挑戰(zhàn)和技術(shù)革新
未來市政污水處理技術(shù)應(yīng)實現(xiàn)“從處理到回用，從能源消耗到能源自給”的轉(zhuǎn)型，進一步通往“可持續(xù)供水的理想閉路水循環(huán)”。目前，我國市政污水處理普遍采用以活性污泥法為核心的生物處理工藝。該工藝以生物氧化為核心，在好氧微生物作用下將廢水中的有機物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)及二氧化碳。在過去一百多年里，活性污泥法在市政污水處理上取得了巨大的成功，然而在新形勢下，該技術(shù)面臨著越來越多的挑戰(zhàn)。
一、目前市政污水處理面臨的挑戰(zhàn)
1.高能耗
基于生物氧化的生物處理工藝需要足夠的溶解氧來實現(xiàn)對污水中有機物和營養(yǎng)物質(zhì)的去除，該工藝所需曝氣相關(guān)的能耗可占污水處理總能耗的50~70%。2019年我國生活污水排放總量達718億立方米，而我國目前城市污水處理電耗平均水平為0.29~0.40kWh/m3。若以平均能耗0.40kWh/m計，則我國每年用于市政污水處理的總電能耗可達2.87×1010kWh。隨著我國總用水量的增加，污水排放總量將會進一步上升。此外，我國部分省市和地區(qū)將污水排放逐步提高至“地表Ⅳ類水”標(biāo)準(zhǔn)，這對傳統(tǒng)生物處理工藝又提出了升級改造的要求，無疑會提高系統(tǒng)的復(fù)雜性，進一步增加污水處理的能耗。
2.大量剩余污泥
在傳統(tǒng)活性污泥法中，污水中約50%的有機物通過生物氧化轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)，不可避免地會產(chǎn)生大量的剩余污泥。據(jù)估算，每去除1kg有機物可產(chǎn)生約0.3~0.5kg的干生物質(zhì)。根據(jù)GEPResearch發(fā)布的全球及中國污泥處理處置行業(yè)發(fā)展研究報告，2020年中國污泥總產(chǎn)量將達到6177萬噸。而目前我國通過填埋、堆肥、自然干化、焚燒等方式規(guī)范化妥善處理的剩余污泥尚不到60%，即大量的剩余污泥最終將進入環(huán)境造成二次污染。污泥處置依然存在很多問題。我國現(xiàn)有的填埋場將滿負(fù)荷運行，而污泥農(nóng)用于植物生長的作用遠(yuǎn)不及肥料。厭氧消化可用于剩余污泥處理，并以甲烷氣體回收能量，然而該技術(shù)只能實現(xiàn)35~50%的污泥減量，仍有大量固體殘余物，不得不再增加焚燒環(huán)節(jié)進行最終處置。而焚燒投資與運行費用太高，易造成大氣污染。
3.溫室氣體
傳統(tǒng)生物處理過程常伴隨大量溫室氣體排放，包括污水中有機物氧化過程產(chǎn)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，生物處理過程中所消耗的能源亦可折算為溫室氣體排放。假設(shè)我國廢水處理所需的電能全部來自火力發(fā)電，則每年因市政污水處理間接排放二氧化碳總量高達2.57×107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多個國家對碳含量或碳排放量進行征稅，即“碳稅”。例如，加拿大在2022年將提高碳稅至38美元/噸，新加坡計劃在2030年前提高碳稅至10~15美元/噸，德國的Berenberg銀行預(yù)測到2035年碳稅價格將提高至80~140歐元/噸。若以15美元/噸計，我國污水處理耗能折合排放的二氧化碳（2.57×107噸）可增加27.5億元/年的額外成本。這表明溫室氣體排放將成為廢水處理成本中不可忽略的環(huán)節(jié)。
4.資源回收效率低
在以往的市政污水處理過程中，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，在目前全球資源緊張的嚴(yán)峻形勢下，有必要重新審視傳統(tǒng)的污水處理觀念，將市政污水作為一種資源集合體進行戰(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)組織的最新報告，2020年全球磷和氮肥需求估計分別為20.0和1.2億噸。因此，若能實現(xiàn)污水中磷、氮資源的有效回收，可緩解17.5%和11.1%的農(nóng)業(yè)磷、氮的生產(chǎn)需求。
5.工藝復(fù)雜，占地面積大
近年來，在日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)下，處理工藝的升級改造成為必然。我國現(xiàn)行的污水處理工藝升級改造通常采用在原有生物處理工藝基礎(chǔ)上疊加深度處理單元。然而這樣的升級改造思路不僅延長了整個工藝處理流程，增加了處理系統(tǒng)的復(fù)雜性和運行難度，而且提高了占地面積。
綜上，未來市政污水處理技術(shù)迫切需要理念和技術(shù)的革新。
二、市政污水處理技術(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)濟的迅速發(fā)展，中國正面臨著日益嚴(yán)重的水資源短缺危機。據(jù)統(tǒng)計，我國660多個城市中，有400多個處于缺水狀態(tài)，其中108個為嚴(yán)重缺水城市。我國城市供水缺口約為60億立方米/年，水資源供需矛盾日益突出。在我國缺水城市和水生態(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)被視為潛在的淡水資源。此外，隨著市政污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，如果市政污水處理僅滿足排放要求而不考慮回用，不僅導(dǎo)致資源的浪費，且與污水處理“綠色、低碳、循環(huán)”的理念背道而馳。
基于此，南洋理工大學(xué)團隊報道了“新A-B工藝”的概念。具體來說，此概念中的A段將市政污水中的有機物捕獲并直接用于甲烷生產(chǎn)以實現(xiàn)能源回收，而B段采用生物法、物化法等對營養(yǎng)物進行低耗高效的去除及回收。在出水水質(zhì)滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)市政污水處理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物直接轉(zhuǎn)化為甲烷，實現(xiàn)能源回收，同時顯著減少了剩余污泥的產(chǎn)生；而在B段采用反滲透工藝進一步去除可溶性營養(yǎng)物質(zhì)，殘留有機碳和主要陰陽離子。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)進行資源回收，或直接用于農(nóng)業(yè)灌溉。若經(jīng)反滲透處理后，氨氮未達標(biāo)準(zhǔn)，可添加氨氮吸附單元，靈活有效控制出水氨氮濃度。
以新A-B工藝?yán)砟顬榛A(chǔ)，耦合污水處理技術(shù)產(chǎn)生高質(zhì)再生水單位能耗約0.2~0.36kWh/m3，且工藝流程簡化，占地面積顯著減小。將大力推動市政污水處理盡早實現(xiàn)“從處理到回用，從能源消耗到能源自給”的技術(shù)跨越。
三、市政污水處理閉路水循環(huán)：通往水資源可持續(xù)的有效途徑
2018年，我國污水回用率僅為10%，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、景觀、市政雜用等，幾乎不涉及城市居民生活用水。近年來，我國市政污水回用模式也逐步向水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的飲用水轉(zhuǎn)變。2020年市政污水總排放量將達到1000億立方米，隨著我國對再生水重視的提升，再生水供應(yīng)能力有望達4000萬立方米/日（https://www.askci.com/news/chanye/20161220/14513983859_2.shtml）。若能進一步實現(xiàn)從市政污水回用高質(zhì)再生水用于飲用水補償，在供水量不變的情況下，可極大緩解城市水資源短缺的壓力。比如，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，可進一步凈化為飲用水。
市政污水作為潛在的城市水源具有顯著的優(yōu)勢和可行性。由于回用水來自市政污水處理廠，因此靠近用戶并減少了長距離輸運過程的水損失和調(diào)運成本。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Y源、自然環(huán)境條件等。例如，在土地資源豐富的小城市及地區(qū)，可考慮結(jié)合人工濕地等技術(shù)，在人口密集的大中型城市及地區(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，隨著水處理工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，市政污水處理應(yīng)從“污染物去除達標(biāo)排放”的理念逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔鬯偕c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理模式升級為閉合式處理模式，實現(xiàn)水資源循環(huán)可持續(xù)。此外，國家應(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，增強大眾接受度。
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