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        以膜分離為核心的市政水處理技術及其應用

        2010-10-13 11:28:03  

         

        以膜分離為核心的市政水處理技術及其應用*
        文/同濟大學 于水利   
         
        1.前言
        1.1近代的市政水處理及存在的問題
        近代的市政水處理是以保證水量要求為核心的,水質要求居于次要地位。處理技術主要有基于自然生態學的慢濾池(19世紀初英國發明),基于地球化學的快濾池技術(20世紀初美國發明),以及基于生物、化學氧化的有機物處理技術(20世紀初歐洲發明)。這些處理技術基本是模擬大自然對污染物的作用、分離,具有很大的隨機性,對水質的保障不可靠。再加上近代的市政水處理強調水量,忽視水質,水系統是開環的,沒有形成循環,所以導致21世紀城市水環境的嚴重惡化,水資源的極度貧乏,排放到水環境中的有毒有害污染物使生態環境,特別是人和動物的健康存在現實的或潛在的威脅。
        1.2二十一世紀市政水處理工藝與系統的構建
        地球的全部水量約為136×107 km3,其中海水資源132.3×107 km3,占97.3%;淡水資源(地表水)3.67×107 km3,占2.7%;人類可利用的水資源193.25×103 km3,占0.0141%;其它的水資源,例如冰川、蒸汽和深層地下水等不能被人們利用。進入二十一世紀,有限的水資源,已經不適應世界人口和經濟的持續增長,對水的需求,特別是十九世紀和二十世紀發明的、以保證水量為核心的市政水系統,對經濟持續增長的阻礙作用日趨明顯,江河斷流、水庫干涸、地下水位下降以及頻發的水污染事件,就是其突出的表現。因此,構建二十一世紀新型的市政水系統是當務之急。
        新型的市政水處理系統的構建,需要符合以下原則,(1)要根據不同地區的歷史、文化和地理位置的差異,并考慮當地民眾的風俗習慣,在現有水系統的基礎上改建或新建本地區的最優化的水系統,打破市政水系統型式的統一化、通用化;(2)新型的市政水處理系統不僅要滿足當地民眾對水的質和量的需求,而且,從生態學角度,還必須滿足環境容量以及當地水資源容許開采量等要求;(3)新型的市政水系統,要突破供水水質的均一化,采用根據不同用戶的水質要求,提供相應的水質的方略。例如,飲用水提供更高質量的健康水,對與其他用水可以利用廢水回用;(4)為了節約水資源,減輕環境負荷,新型的市政水系統應該是循環型的,即實現用水、排水、處理、重復利用的閉環循環。從而實現新型市政水系統,可保證人類健康、對環境友好、省能的目標;(5)分散的小系統與大規模的循環系統相結合。
        1.3膜技術與市政水系統
        膜技術是美國在上世紀后期發明并開始應用的,膜技術與以生態原理及地球化學原理的水處理技術的最大區別,在于它是一種仿生技術,模仿人或動物的功能膜系統分離水中的各類污染物,因此膜技術較傳統的水處理技術更具功能化、可靠性更高。另外,因為膜分離的時間非常短,使得膜設備的體積相對較小,特別是膜分離能可靠地分離水中的病原體(例如:隱孢子蟲、賈第蟲等),使其處理水的生物安全性得到保證。
        實現市政水系統的循環,需要遵循1.2的原則,但必須具有相應的處理技術相配套,而膜技術可能是實現市政水良性循環的關鍵技術。因為從理論上講,功能不同的膜,可以應對任何需要處理的原水,也可以制造出人們不同要求的各種水質的水。為了節省能耗,分散式的水循環系統是新型市政水系統中重要組成部分,分散式的水循環系統正是膜技術發揮其工藝過程設備化、靈活、簡便等特點的領域;污水的循環利用不能以犧牲用戶的用水質量為代價,膜技術能可靠保證污水回用水水質,是實現市政水系統循環的關鍵;提供健康飲用水也是膜技術具備的功能之一,當前大量的優質飲用水處理工程、桶裝水等就是例證。
        2.以膜為核心的市政水處理
        2.1膜-生物反應器MBR
        膜生物反應器工藝(MBR工藝)是膜分離技術與生物技術有機結合的新型廢水處理技術,也稱膜分離活性污泥法。膜-生物反應器通常有兩種形式,一是內置式一體化膜-生物反應器(見圖1),二是外置式膜-生物反應器(見圖2)。
         
         
         
          
        內置式一體化MBR的特點是,設備緊湊,操作壓力?。芎牡停?,但其單位膜面積出水量相對較小。外置式MBR的特點是工作壓力高,出水量大,不過其能耗高,膜面流速高(2-4/秒)。
        膜生物反應器工藝(圖4),與傳統的城市生活污水深度處理工藝(圖3)相比,具有流程簡單化,適應水量變化,占地面積小,污泥量小,處理水不需要消毒,便于實現自動化等特點。
         
         
         
        鑒于MBR獨特的性能,近年來在我國污水資源化領域越來越受到青睞。截止到2009年底,在我國采用MBR工藝,規模>1萬m3/d的MBR工程約30個,最大規模:湖北省十堰市神定河MBR工程(設計能力11萬m3/d)。2010年已有7個大型MBR在建,累計處理能力>33萬m3/d。2011年數個大型MBR工程已簽約。
        2.2膜法特種廢水處理
        廢水處理中除了生活污水外,還有很多很難處理的廢水,例如造紙廢水、屠宰廢水、印染廢水、垃圾滲濾液等。這些廢水的顯著特點是,有機物濃度高、生物降解困難(可生化性差),對環境的危害大,傳統的污水處理工藝很難解決這類水處理問題。而膜分離是靠膜孔的截留作用去除污染物的,這種去除作用只跟污染物的尺寸有關,污染物的物化、化學性質對去除效果的影響較小。因此,我們認為膜分離是這類廢水處理的理想技術。下面以垃圾滲濾液為例介紹特種廢水的處理工藝。
        填埋、焚燒、堆肥是垃圾處置的三種主要方式,我國以填埋方式應用最多,約占80%。該三種處理方式都會產生滲濾液,但填埋方式產生的滲濾液具有量多、時間長、變化大、含鹽量、有機物、氨氮濃度高的特點,是滲濾液中處理難度最大的一種。滲濾液中的難生物降解有機物多,高鹽分、高氨氮、低C/N比是處理的難點,而去除總氮是難點的核心。
        2008年國家環保局發布了《生活垃圾填埋場污染控制標準》GB16889-2008 。

        目前膜組合工藝,在國內外已經成為垃圾滲濾液處理的主導工藝(圖5)。

                          圖5 膜法垃圾滲濾液處理工藝      
        圖5的工藝,利用UF、RO與生物處理、過濾等組合,實現對滲濾液中有機物、氮、磷、懸浮物、色度、微生物、重金屬的去除。成都市固體廢棄物衛生處置場垃圾滲濾液處理工程,是我國第一個按《生活垃圾填埋場污染控制標準》GB16889-2008新建的大型滲濾液處理工程,該工程日產清水水量超過1000m3/d,采用圖5工藝。2008年12月31日通水,到目前已經連續運行了一年多,出水水質良好,工藝運行穩定可靠。
        2.3膜為核心的飲用水處理
        我國2007年7月1日頒布了新的《生活飲用水衛生標準》(GB5749 - 2006),檢測指標從35項提高到了106項。目前我國自來水廠,除了北京、上海、廣州、深圳等一線城市外,都是采用傳統的混凝沉淀過濾和消毒工藝,該工藝的處理水水質很難滿足新的《生活飲用水衛生標準》。
        膜分離是飲用水深度處理的一種很好選擇。目前在飲用水處理領域應用最廣泛的是超濾膜和微濾膜,因此,在飲用水深度處理中通常是將膜與其它工藝組合,達到同時處理水中懸浮物、病毒、細菌和有機物的目的,目前常用的飲用水深度處理工藝有:一.原水+混凝+膜分離(UF或MF)+消毒;二.原水+混凝+沉淀+膜分離(UF或MF)+消毒;三.原水+混凝+沉淀+活性炭+膜分離(UF或MF)+消毒;四.原水+混凝+沉淀+臭氧+生物活性炭+膜分離(UF或MF)+消毒。以上工藝可根據不同的水質靈活選用。
        3.結論
        (1)膜分離是實現市政水系統良性循環的關鍵技術和工藝;
        (2)膜組合工藝工藝可以解決飲用水安全問題;
        (3)降低膜成本、控制膜污染是膜技術在市政水領域推廣應用需要解決的關鍵問題。
         

        注:于水利(1962-),男,教授/博導,研究方向為膜分離與飲用水處理技術,Email:ysl@#edu.cn



        *國家863計劃(2008AA06Z304、國家自然科學基金(5077805050978068)、國家科技支撐計劃重點項目(2006BAJ08B09)及國際科技合作項目(2010DFA92460)
         

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