北京市城镇污水资源化利用技术再探讨

    1由污水达标排放向资源化利用转变的紧迫性

    1．1极度贫化的水资源状况

    北京是水资源严重短缺的大都市，人均水资源占有量只有300m。特别是1999年以来，北京遭受连续5年干旱，水资源紧缺已成为制约北京经济社会发展的主要因素。

    (1)水量匮乏。①地表水不足。作为北京主要地表水源的密云、官厅两大水库的来水和蓄水呈逐年衰减趋势，入库水量由60年代的20多亿m3锐减到90年代的不到4亿m3，1999年以来，密云水库5年年均入库水量1．64亿m，官厅水库年均入库水量1．78亿m。。②地下水超采：地下水是北京的最重要的水源之一，由于常年超采地下水，地下水已累计亏损59亿m。。1999年以来的5年间平原区地下水超采34，4亿m3。

    (2)水污染严重。水系污染由城区逐步向郊区扩展，符合Ⅱ类和Ⅲ类的水域不断减少。通惠河、凉水河、清河、沙河、温榆河等均变成了排污河道，水质还达不到V类水体要求。官厅水库由于水质恶化，从1996年开始停止向北京市供水。

    1．2水资源短缺带来严重和潜在的生态问题

    (1)地表水短缺引起的生态问题。由于地表水得不到径流补给，造成河流干涸，河床裸露沙化，水质恶化，鱼虾绝迹，丧失补给地下水功能；排污还造成地下水污染。即使靠引水维持的城市河湖，也因水质恶化，时有水华发生，严重影响城市环境和生态安全。

    (2)地下水超采引发的环境问题。由于过量开采，平原区以朝阳区红庙至将台路为中心形成2272km范围的地质沉降区，最大沉降量达619mm。由于地下水污染和超量开采，地下水质不断恶化，主要表现在总硬度和硝酸盐氮超标。污染来自渗井渗坑、污灌、化肥、农药、固废和垃圾，由于超采形成区域性地下水位下降漏斗区，改变了地下水的水动力和化学条件，引起水质变化。长期的超采缺补，给北京市带来了相当的生态赤字和潜在生态风险。

    1．3由污水处理向污水资源化转变的迫切性

    寻求新水源，改善水环境，解决北京极度贫化的水资源现状，已迫在眉睫。把污水变成新的水源是解决北京水资源问题根本性和战略性的措施。要实现这一点就必须实现污水处理厂向污水资源化工厂的战略转变。这意味着：把新建污水处理工程改变为新建污水资源化工程；把以达到排放标准为目标改变为以再生利用水质标准为目标；以利用和消耗天然水体的环境容量(实际已丧失环境容量)稀释净化受纳的排放污水功能改变为提供生态用水为目标，提供优质再生水补给地表水体和地下水体，恢复地表水和地下水的生态功能。这一战略转变是解决北京市水资源贫乏和逐步偿还超采赤字的根本途径。

    2污水资源化技术浅析

    2．1传统再生水处理的技术

    根据国内外最新研究成果和工程实践，城镇污水处理厂二级出水为水源的再生水处理工艺主要有3种。

 
(1)化学沉淀一过滤一消毒工艺。该工艺采用化学法和机械过滤相结合的方法，是中小型中水厂采用的后处理工艺。

    (2)化学沉淀一过滤一活性炭一消毒工艺。该工艺是在工艺(1)的基础上，为了提高水质，加强对有机物、微污染物、色度、嗅味的去除而采取的强化处理措施。

    (3)曝气生物滤池一过滤一消毒工艺。曝气生物滤池是利用好氧生物膜技术净化污水的工艺。该工艺已广泛用于污水深度处理和微污染水源水处理。

    此外，还有一些适合小型中水处理的工艺，如生物接触氧化法，气浮+过滤处理等，这些工艺一般应用于建筑小区中水处理与回用或小规模污水场的深度处理。

    上述传统中水处理工艺在污水资源化工作的起步阶段起到了一定的作用。但随着污水资源化工程的深入和对回用水水质和水量要求的不断提高，这些处理工艺在技术层面上的缺陷也日益明显。如出水水质不合格，运行不稳定，管理复杂，运行费用高以及占地面积大等问题，都影响了其在污水资源化领域的应用。

    2.2膜处理技术

    膜处理技术是利用膜的高效分离性能，去除水体中的颗粒物、大分子有机物、细菌乃至小分子和盐类等污染物，从而达到净化水质效果的新型处理技术。根据膜的过滤孔径和分离效果，可将膜处理技术分为微滤、超滤和反渗透等几种。

    (1)微滤／超滤+消毒工艺。该工艺主要采用微滤或超滤膜分离技术，膜孔径为0．1～0，5gm，二级出水通过膜分离，可以去除全部悬浮物(SS)，但对小分子有机物如氨氮等无效。同时该工艺投资运行费用较高，膜冲洗频繁，出水水质还难以达到中水标准。不宜规模化采用。

    (2)连续微滤cMF+R0。该工艺采用了连续微滤CMF+RO的双膜系统，连续微滤(CMF)解决了微滤膜组件的清洗和连续运行操作问题，但不能实质性提高水质，其污染物的去除依靠RO系统。该工艺可以去除大部分有机和无机污染物，对总氮和磷也有较好的去除效果，能够达到很高的水质要求。但该工艺投资和运行费用过高，不适用于大规模采用。

    (3)浸没式一体化膜生物反应器(SubmergeMembraneBio—Reactor，简称SMBR)+消毒工艺。浸没式一体化膜生物反应器(SMBR)是一种将生物处理技术和膜分离技术相结合的高效污水处理系统。SMBR通过膜组件实现固液分离，提高了生物反应器中活性污泥浓度和处理效率，可以实现较高的回用水质标准。SMBR不仅可以以二沉池出水作为原水，对其进行深度处理，还可以直接以城市污水为原水，处理后直接达到中水回用标准。

    2．3不同处理工艺处理后的出水水质

    通过以上国内外各种废水资源化技术的分析表明：“浸没式一体化膜生物反应器(SMBR)”技术，将生物处理技术与膜分离技术高效结合，为实现城市污水大规模直接资源化提供了新的技术保障。

    3SMBR技术在资源化领域的应用分析

    1969年，美国的Smith等人首次提出了把活性污泥法和超滤工艺结合处理城市污水的方法，证明膜分离技术与普通活性污泥法相结合可以显著提高系统的处理效率。

1989年，日本政府联合一些大公司共同资助，进行了为期6年的“90年代水复兴计划”科研项目，研究重点集中在SMBR的处理效果与运行稳定性方面，这大大促进了膜生物反应器的开发，使膜生物反应器开始走向实际应用。

    同年日本学者Yamamoto等将膜组件直接置入反应器内，通过泵的抽吸，得到过滤液，这样一体化膜生物反应器诞生。在我国，科技部在“八五”、“九五”、“十五”连续15年将膜生物反应器的研制列入科技攻关计划。在膜的选择、处理效率、抗污染以及反应器的优化设计、降低能耗等方面进行了深入的研究和开发。2000年开始步入规模化推广应用。目前，在北京市SMBR工程累计达50个，总处理量达1．5万t／d，年节约水资源182．5万t，在解决北京水资源缺乏难题中显示出巨大的生命力。

    3．1SMBR技术的特点

    实际工程应用表明，SMBR技术具有以下显著优点。

    (1)出水水质优良。SMBR由于将生物处理与膜分离技术有机结合，在具有传统膜分离功能(如去除有机大分子、细菌等)的同时，还可通过其独特的生物功能有效去除进水中的BOD和NH4-N等污染物，特别是NH4-N的去除率可达90％以上，可以实现较高的回用水质标准。

    (2)系统抗冲击力强，运行更稳定。SMBR采用外压式中空纤维膜处理组件，是一种耐冲击负荷的处理工艺，进水水质的波动不会影响出水水质。

    (3)控制智能化，管理操作简单。SMBR技术，省去了繁琐的预处理过程，显著减少了控制环节，使系统控制实现智能化，使运行管理简化。

    (4)占地面积省。SMBR技术由于水力停留时间减少和紧凑的设备化设计，系统占地面积较传统工艺可节省20％～40％。

    (5)运行成本低。SMBR技术不需要任何前处理，不需要向系统中投加任何化学药剂，不需要传统工艺过程中的多次输送和反冲洗，因此在运行能耗和管理费用上也显著低于传统污水二级处理+深度处理的工艺模式。

    (6)二次污染较少。SMBR可实现污泥龄与水力停留时间的彻底分离，污泥龄较长，从而显著减少了系统剩余污泥的产量，在减少二次污染的同时，大大降低污泥处置费用。

    (7)模块化设计。易于实现整体规划、分步投资、逐量运行。使实际工程应用具有更好的灵活性，减少投资浪费。

    3．2SMBR技术的经济分析

    (1)建设投资。SMBR工程投资可分为2个层次：①较小规模的SMBR工程(日处理量小于500m)，其设备化比较强，从设计、土建、设备安装到调试正常运行，通常每立方米水投资规模约在2000元。②对于有一定规模的污水处理厂(日处理量超过1万m)，其投资将会更省，一般每立方米水1800元左右。

    (2)运行费用。运行费用包括能耗、人工、药剂以及维修等费用。SMBR的运行费用每立方米水约在0．5～0．7元之间，其中每立方米水电耗约为0．5kw·h。

 (3)折旧与日常维护。SUR聚乙烯中空纤维膜的寿命在5年左右，而PVDF材质的中空纤维膜寿命在8年左右，因此其折旧费用一般也只不过是每立方米水0．4～0．5元，而且随着SMBR的普遍推广，膜的价格在不断下降，近3年来，膜的降价幅度平均约在20％。

    4结论

    (1)北京水资源短缺以及由此而产生的社会、经济、生态问题使城市规模化污水资源化战略变得非常必要和紧迫。

    (2)一体化膜生物反应器技术的成功开发和应用，使大规模的城市污水由处理达标排放转变为资源化利用，提供了一个技术经济可行的途径。