通向闭路水循环的市政污水处理新模式解析

马加加，温智慧，姚海楠，徐润晨

（广州市水务规划勘察设计研究院有限公司，广州510640）

1 引言

伴随我国城市化进程的不断加快，城市中出现了明显的水资源需求与供给矛盾。许多地区的水源保障压力逐年增长。同时，部分城市地区的水生态较为敏感，存在严重的缺水问题，且部分城市开展调水远距离项目需要消耗大量的资金，因此，非传统、新型的水源探索工作势在必行。从这个角度来看，应积极研究市政污水处理运用通向闭路水循环的有效策略。

2 当前市政污水处理的概况

根据我国住建部统计的数据，从市政污水排放量来看，我国在2019年排放的市政污水量是5.22×1010m3，比2018年增加了5.9%；在2020年排放的市政污水量是5.55×1010m3，比2019年增加了6.5%。整个2019年度，广东省是我国排放市政污水量最多的地区，排放的总污水量高达8.086×109m3；江苏省次之，排放的市政污水量是4.727×109m3；再次为山东省，排放的市政污水量是3.544×109m3。从市政污水处理厂来看，广东省是2019年我国市政污水处理厂最多的地区，共有302座污水处理厂；山东省次之，共有218座污水处理厂；再次为江苏省，共有207座污水处理厂。截至2020年年底，我国共有2 680座市政污水处理厂，并且其数量表现出逐年增加的趋势；每日可处理市政污水1.93×108m3，比起2019年提高了7%。

其中，广东省共有699座集中市政污水处理设施（见图1），每日可处理污水2.99×107t，处理市政污水的能力为国内最高，每座市政污水处理设施每日可处理4.4×104t的市政污水。而在699座市政污水处理设施里，有1座处理市政污水的能力超过每日1.00×106t，产能为每日1.20×106t；有81座处理市政污水的能力介于105~106t/d，产能合计1.47×107t/d；有413座处理市政污水能力介于104~105t/d，产能合计每日1.34×107t；有204座处理市政污水的能力低于104t/d，产能合计6.1×105t/d。

图1 广东污水处理厂

3 市政污水处理运用通向闭路水循环的有效策略

3.1 引进NEWat er技术

进入21世纪后，发达国家设计并研发了NEWater污水处理技术，在处理市政污水时，将紫外线消毒技术、膜技术、生物技术相结合，能够有效地回收和利用市政污水使其从污水转化为饮用水，促进了水工行业的快速发展，拓展了市政污水处理的基本内涵[1]。现阶段，国外的NEWater市政污水处理厂数量正在逐步增加（见图2），供水能力充分达到了当地水源需求，能够完全解决人们的用水问题。据可靠估计，到2050年能够满足国家60%的用水量需求。

图2 NEWat er市政污水处理厂

从生产过程来看，NEWater污水处理技术先通过以往的生物技术来处理市政污水，让水受到紫外线消毒、反渗透以及微滤。其中，微滤能够将微颗粒物质有效过滤，这些微颗粒中存在大量的细菌，反渗透可以把可溶性污染物全面去除，而紫外线能够使水得到深入消毒，进而符合国际上对饮用水的判断标准和要求。

当前，NEWater技术大多应用在纯净水需求较高的供水项目中。市政污水经过该技术处理后，注入当地水库，和地表水相互混合，再通过水厂的深入处理，使市政污水最终实现向饮用水的转化，并提供给当地的人民群众饮用。需要注意的是，NEWater市政污水处理技术在生产时需要以生物技术为基础，并结合多个深度处理工序，因此，应用该技术需要解决占地大、污泥产出多、消耗能源多等多种问题。

3.2 反渗透与生物厌氧膜融合工艺

为了使NEWater市政污水处理技术面临的问题能够顺利解决，科研人员融合了反渗透技术、生物厌氧膜技术（见图3），在处理市政污水的过程中取得了显著效果。从原理上看，此工艺先借助生物厌氧膜把市政污水包含的有机物向甲烷进行转化，为后续的能源回收奠定基础。出水后进行反渗透处理，借助反渗透单元进一步清除残留离子与有机物。经过处理，可去除市政污水中98%的阴阳离子、99%的磷酸盐、97%的氨氮、97%的有机物，并且出水后水质可以符合NEWater市政污水处理技术的基本要求，达到了准IV水质标准。

图3 厌氧膜

市政污水受到厌氧处理后，许多有机物可以向甲烷直接转化，这样一来，许多能源便会得到回收，比起好氧处理，该处理方式生成的污泥量能够减少75%。该融合工艺技术可以在不需要曝气的情况下将能源消耗有效降低。部分学者曾对该市政污水处理技术进行研究，发现其高质再生水能够大幅减少单位能源消耗，最高降低80%，即0.209 kW·h/m3，节约35%的市政污水处理成本。与此同时，比起以往的生物技术和相关处理工艺，反渗透技术、生物厌氧膜技术融合工艺能够让市政污水处理过程得到优化，减少处理步骤，节约市政污水处理厂的占地面积[2]。反渗透技术会生成浓缩液，这种浓缩液包含了大量的磷酸盐、氨氮，将其通过电去离子技术、电渗析技术、鸟粪石结晶技术等进行处理后，可以进行再利用。再者，生物厌氧膜技术的出水基本不存在病原体、悬浮物等，具有一定含量的营养元素，从这个意义上讲，该融合工艺处理后的水能够直接进行农业灌溉。按照我国农业所需求的灌溉用水量，若将我国所有市政污水都借助该融合工艺进行处理并灌溉到农田中，则农业灌溉需水量的20%将会被抵消，并且磷、氮等资源的回收量也十分可观，从而让磷肥、氮肥的使用得到节约。

根据以上的融合工艺，清除市政污水的离子与营养物质需要依靠反渗透单元，但现阶段膜技术水平有限，这使得反渗透单元只能达到95%的氨氮去除能力，且厌氧工艺基本不会去除氨氮。由此可以得出，在市政污水含有30 mg/L以上的氨氮时，此融合工艺处理氨氮的水平欠佳，容易出现氨氮处理达不到处理标准的风险。为此，市政污水的反渗透出水必须全面添加去除单元。

3.3 吸附辅助法

按照以上分析能够得出，市政污水的全新处理模式依然有所欠缺，有必要采用相应辅助方法提高新模式的市政污水处理效果。客观来讲，吸附法能够对材料结构加以利用，借助分子作用力、离子交换等效应来吸附氨氮，从而将其去除。由于吸附辅助法反应速度快、消耗能源少、工艺便捷，因此，得到了人们的普遍运用，可当作市政污水全新处理模式的科学辅助方法。吸附辅助法中的水泵扬程h遵循公式（1）：

式中，D为水泵排出的几何高度，m，在取值时，高于泵入口中心线取正值，低于泵入口中心线取负值；S为水泵吸入的几何高度，m，在取值时，高于泵入口中心线取负值，低于泵入口中心线取正值；Pd和Ps为容器内操作压力，在取值时以表压正负为准；hf1代表直管阻力损失；hf2代表管件阻力损失；hf3代表进出口局部阻力损失。

风机的全压遵循公式（2）：

式中，P1为工况全压，Pa；P2为设计标准压力表中全压，Pa；B为当地大气压，mmHg（1 mmHg=0.13 kPa）；T2为工况介质温度，℃；T1为表中设计温度、未修正设计温度，℃；而760 mmHg（100 kPa）则是在海拔0 m、空气温度20℃下的大气压。

根据吸附辅助法的工艺，先在反渗透上设置氨氮吸附单元，控制出水中的氨氮含量，随后在反渗透前方设置吸附单元，对大范围的氨氮进行吸附，并将一些杂质离子去除，使得反渗透膜受到的污染程度有效降低。而在反渗透后方设置吸附单元，能够进一步去除水中低浓度的氨氮，具有较低的吸附再生频率与较高的灵活性，能够按照进水中包含的氨氮量，对吸附段的渗透液流动方向和流量展开自由调节[3]。若通过反渗透处理，水中的氨氮含量依然不符合处理标准，则工作人员应开展深入吸附处理，或混合受到吸附处理的渗透液与未受到吸附处理的混合液，以此满足出水要求。由此能够看出，吸附辅助法的重点在于选取容量大、吸附水平高的吸附剂。

3.4 科学选取吸附剂

为了充分发挥新型污水处理模式的效果，确保通向闭路水循环，就应根据实际情况科学选取吸附剂。（1）生物炭。一般来讲，生物炭属于缺氧、低氧情况下的生物质热解，经过高温热解后，生物质能够产生富含碳的固体产物。从优势上看，生物炭为多孔结构、表面积大、外表带有负电，这使其十分适合市政污水的氨氮吸附。（2）离子树脂。从结构上看，离子树脂为网状，其离子官能团能够有效变换，借助其离子变换反应，氨氮可以被选择性的去除和吸附，因此，离子树脂可用于作为氨氮的吸附剂。（3）人工水凝胶。作为一种聚合物，人工水凝胶属于网状三维结构，其骨架的亲水性基团具有较强的亲水能力，有利于氨氮吸附。

4 结语

总而言之，研究市政污水处理运用通向闭路水循环的有效策略具有重要的意义。相关人员应对当前市政污水处理的概况有一个全面了解，充分把握处理市政污水的价值和作用，能够通过NEWater技术、反渗透与生物厌氧膜融合工艺、吸附辅助法、科学选取吸附剂等多种方式实现通向闭路水循环，从而使市政污水更好地转化为再生水，推动我国城市水环境的可持续发展。