以膜分離為核心的市政水處理技術(shù)及其應(yīng)用*
文/同濟(jì)大學(xué) 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(zhì)要求居于次要地位。處理技術(shù)主要有基于自然生態(tài)學(xué)的慢濾池（19世紀(jì)初英國發(fā)明），基于地球化學(xué)的快濾池技術(shù)（20世紀(jì)初美國發(fā)明），以及基于生物、化學(xué)氧化的有機(jī)物處理技術(shù)（20世紀(jì)初歐洲發(fā)明）。這些處理技術(shù)基本是模擬大自然對(duì)污染物的作用、分離，具有很大的隨機(jī)性，對(duì)水質(zhì)的保障不可靠。再加上近代的市政水處理強(qiáng)調(diào)水量，忽視水質(zhì)，水系統(tǒng)是開環(huán)的，沒有形成循環(huán)，所以導(dǎo)致21世紀(jì)城市水環(huán)境的嚴(yán)重惡化，水資源的極度貧乏，排放到水環(huán)境中的有毒有害污染物使生態(tài)環(huán)境，特別是人和動(dòng)物的健康存在現(xiàn)實(shí)的或潛在的威脅。
1.2二十一世紀(jì)市政水處理工藝與系統(tǒng)的構(gòu)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(jìn)入二十一世紀(jì)，有限的水資源，已經(jīng)不適應(yīng)世界人口和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，對(duì)水的需求，特別是十九世紀(jì)和二十世紀(jì)發(fā)明的、以保證水量為核心的市政水系統(tǒng)，對(duì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)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(fā)的水污染事件，就是其突出的表現(xiàn)。因此，構(gòu)建二十一世紀(jì)新型的市政水系統(tǒng)是當(dāng)務(wù)之急。
新型的市政水處理系統(tǒng)的構(gòu)建，需要符合以下原則，（1）要根據(jù)不同地區(qū)的歷史、文化和地理位置的差異，并考慮當(dāng)?shù)孛癖姷娘L(fēng)俗習(xí)慣，在現(xiàn)有水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改建或新建本地區(qū)的最優(yōu)化的水系統(tǒng)，打破市政水系統(tǒng)型式的統(tǒng)一化、通用化；（2）新型的市政水處理系統(tǒng)不僅要滿足當(dāng)?shù)孛癖妼?duì)水的質(zhì)和量的需求，而且，從生態(tài)學(xué)角度，還必須滿足環(huán)境容量以及當(dāng)?shù)厮Y源容許開采量等要求；（3）新型的市政水系統(tǒng)，要突破供水水質(zhì)的均一化，采用根據(jù)不同用戶的水質(zhì)要求，提供相應(yīng)的水質(zhì)的方略。例如，飲用水提供更高質(zhì)量的健康水，對(duì)與其他用水可以利用廢水回用；（4）為了節(jié)約水資源，減輕環(huán)境負(fù)荷，新型的市政水系統(tǒng)應(yīng)該是循環(huán)型的，即實(shí)現(xiàn)用水、排水、處理、重復(fù)利用的閉環(huán)循環(huán)。從而實(shí)現(xiàn)新型市政水系統(tǒng)，可保證人類健康、對(duì)環(huán)境友好、省能的目標(biāo)；（5）分散的小系統(tǒng)與大規(guī)模的循環(huán)系統(tǒng)相結(jié)合。
1.3膜技術(shù)與市政水系統(tǒng)
膜技術(shù)是美國在上世紀(jì)后期發(fā)明并開始應(yīng)用的，膜技術(shù)與以生態(tài)原理及地球化學(xué)原理的水處理技術(shù)的最大區(qū)別，在于它是一種仿生技術(shù)，模仿人或動(dòng)物的功能膜系統(tǒng)分離水中的各類污染物，因此膜技術(shù)較傳統(tǒng)的水處理技術(shù)更具功能化、可靠性更高。另外，因?yàn)槟し蛛x的時(shí)間非常短,使得膜設(shè)備的體積相對(duì)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(shí)現(xiàn)市政水系統(tǒng)的循環(huán)，需要遵循1.2的原則，但必須具有相應(yīng)的處理技術(shù)相配套，而膜技術(shù)可能是實(shí)現(xiàn)市政水良性循環(huán)的關(guān)鍵技術(shù)。因?yàn)閺睦碚撋现v，功能不同的膜，可以應(yīng)對(duì)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(zhì)的水。為了節(jié)省能耗，分散式的水循環(huán)系統(tǒng)是新型市政水系統(tǒng)中重要組成部分，分散式的水循環(huán)系統(tǒng)正是膜技術(shù)發(fā)揮其工藝過程設(shè)備化、靈活、簡便等特點(diǎn)的領(lǐng)域；污水的循環(huán)利用不能以犧牲用戶的用水質(zhì)量為代價(jià)，膜技術(shù)能可靠保證污水回用水水質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)市政水系統(tǒng)循環(huán)的關(guān)鍵；提供健康飲用水也是膜技術(shù)具備的功能之一，當(dāng)前大量的優(yōu)質(zhì)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(yīng)器（MBR）
膜生物反應(yīng)器工藝（MBR工藝）是膜分離技術(shù)與生物技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型廢水處理技術(shù)，也稱膜分離活性污泥法。膜-生物反應(yīng)器通常有兩種形式，一是內(nèi)置式一體化膜-生物反應(yīng)器（見圖1），二是外置式膜-生物反應(yīng)器（見圖2）。
內(nèi)置式一體化MBR的特點(diǎn)是，設(shè)備緊湊，操作壓力?。芎牡停鋯挝荒っ娣e出水量相對(duì)較小。外置式MBR的特點(diǎn)是工作壓力高，出水量大，不過其能耗高，膜面流速高（2-4米/秒）。
膜生物反應(yīng)器工藝（圖4），與傳統(tǒng)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(yīng)水量變化，占地面積小，污泥量小，處理水不需要消毒，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)。
鑒于MBR獨(dú)特的性能，近年來在我國污水資源化領(lǐng)域越來越受到青睞。截止到2009年底，在我國采用MBR工藝，規(guī)模>1萬m3/d的MBR工程約30個(gè)，最大規(guī)模：湖北省十堰市神定河MBR工程（設(shè)計(jì)能力11萬m3/d）。2010年已有7個(gè)大型MBR在建，累計(jì)處理能力>33萬m3/d。2011年數(shù)個(gè)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(diǎn)是，有機(jī)物濃度高、生物降解困難（可生化性差），對(duì)環(huán)境的危害大，傳統(tǒng)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(guān)，污染物的物化、化學(xué)性質(zhì)對(duì)去除效果的影響較小。因此，我們認(rèn)為膜分離是這類廢水處理的理想技術(shù)。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(yīng)用最多，約占80%。該三種處理方式都會(huì)產(chǎn)生滲濾液，但填埋方式產(chǎn)生的滲濾液具有量多、時(shí)間長、變化大、含鹽量、有機(jī)物、氨氮濃度高的特點(diǎn)，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(jī)物多，高鹽分、高氨氮、低C/N比是處理的難點(diǎn)，而去除總氮是難點(diǎn)的核心。
2008年國家環(huán)保局發(fā)布了《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》GB16889-2008 。
目前膜組合工藝，在國內(nèi)外已經(jīng)成為垃圾滲濾液處理的主導(dǎo)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(shí)現(xiàn)對(duì)滲濾液中有機(jī)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(wèi)生處置場垃圾滲濾液處理工程，是我國第一個(gè)按《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》GB16889-2008新建的大型滲濾液處理工程，該工程日產(chǎn)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(jīng)連續(xù)運(yùn)行了一年多，出水水質(zhì)良好，工藝運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
2.3以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(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749 - 2006)，檢測指標(biāo)從35項(xiàng)提高到了106項(xiàng)。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(tǒng)的混凝沉淀過濾和消毒工藝，該工藝的處理水水質(zhì)很難滿足新的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。
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(lǐng)域應(yīng)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(dá)到同時(shí)處理水中懸浮物、病毒、細(xì)菌和有機(jī)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(jù)不同的水質(zhì)靈活選用。
3.結(jié)論
（1）膜分離是實(shí)現(xiàn)市政水系統(tǒng)良性循環(huán)的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)在市政水領(lǐng)域推廣應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵問題。
注：于水利（1962-），男，教授/博導(dǎo)，研究方向?yàn)槟し蛛x與飲用水處理技術(shù)，Email:ysl@#edu.cn
*國家863計(jì)劃（2008AA06Z304）、國家自然科學(xué)基金（50778050及50978068）、國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2006BAJ08B09）及國際科技合作項(xiàng)目（2010DFA92460）
