城镇污水资源化处理技术研究与示范

节能省地型城镇污水资源化处理技术研究与示范XXXXX集团有限公司浙江大学环境与资源学院北京XXXX水处理科技有限公司中国城镇水网内容提要城镇污水是水量稳定、供给可靠的一种潜在水资源，开发城镇污水的再生利用技术，提高城镇污水循环利用率，是开源节流、减轻水体污染程度、改善生态环境质量、解决城市缺水问题的有效途径。现有的以生物处理为主流工艺的污水处理技术普遍存在耗能大、占地面积大、剩余污泥产量大等不足，其技术实质是将水污染转移为产生温室气体的大气污染，以释放CO2从而牺牲大气环境容量为代价，在一定程度上加剧了温室效应，而且不重视营养物与有机能源的回收利用，一味除磷而不考虑回收磷，未能防止磷资源的流失。我国尚有大量城镇污水处理设施正在建设或将要建设，可持续发展战略的实施要求各个工业部门均应寻求节能低耗的清洁生产技术和循环经济模式，水工业同样不能例外。现有的以生物处理为主流工艺的污水处理技术已不适应水工业技术进步的要求，作为水工业未来发展方向的节能省地型城镇污水资源化处理技术，在水本身得以再生回用的同时，应尽力做到耗能最少、CO2排放最少、剩余污泥产量最少、占地最少以及实现磷回收、有机能量和热能回收等。本文通过对各种污水处理单元技术的综合比较分析，提出“膜生物反应器与高负荷人工湿地组合工艺”以及“改良型SBR-化学沉淀工艺”两种可行的工艺方案，并拟采用产学研相结合的方式对这两种工艺方案进行深入系统的研究和工程示范，以期推动节能省地型城镇污水资源化处理技术在我国的研究与发展。中国城镇水网以能消能，污染转移，加剧温室效应.................................................................11.2.2除磷而不考虑回收磷，未能防止磷资源的流失.................................................31.2.3产生大量剩余污泥.................................................................................................41.2.4占用大量土地.........................................................................................................51.3节能省地型污水资源化处理技术是水工业的未来发展方向......................52节能省地型城镇污水资源化处理技术的工艺方案选择........................................62.1膜生物反应器与高负荷人工湿地组合工艺..................................................72.2改良型SBR-化学沉淀工艺..........................................................................103本项目的研究目标..................................................................................................134本项目的研究内容..................................................................................................134.1膜生物反应器与高负荷人工湿地组合工艺................................................134.2改良型SBR-化学沉淀工艺..........................................................................175本项目的预期成果..................................................................................................196主要技术经济指标..................................................................................................207本项目的实施进度..................................................................错误！未定义书签。8本项目的实施单位..................................................................错误！未定义书签。9经费预算..................................................................................错误！未定义书签。中国城镇水网立方米，相当于世界人均数的1/4，为世界第109位，是世界人均水资源极少的贫水国之一。与此同时，在我国部分地区尤其是长江以南，随着我国经济快速发展以及城市规模的不断扩大和人口的增加，污水排放量日益增加，水环境遭受严重破坏，使符合水质标准可供利用的水资源大幅度减少，如太湖流域就出现了“水多难用”的情况。因此，如何实现水资源的可持续利用，是实现我国经济社会可持续发展的重要战略问题。在可开发利用的水资源中，城镇污水是水量稳定、供给可靠的一种潜在水资源，开发城镇污水的再生利用技术，提高城镇污水循环利用率，是开源节流、减轻水体污染程度、改善生态环境质量、解决城市缺水问题的有效途径。1.2现有的污水处理技术面临各种挑战1.2.1以能消能，污染转移，加剧温室效应现有的城市排水系统以收集、输送、处理和排放生活污水、商业排水、工业废水、雨水径流为主要目的。无论是生活污水、商业排水还是工业废水、雨水径流，凡是混合在一起而受污染了的水通称为城市污水，它们一般被认为是没有利用价值、甚至对水环境还存在潜在危害的废弃物。因此，现有截留、汇集、处理城市污水的目的就是采用一切可能的技术手段，以消耗大量资源、能量为代价将污水中所谓的各种污染物质去除殆尽。现代污水生物处理技术固然可以有效去除中国城镇水网有机物（COD/BOD）、氮（N）、磷（P）等污染物，但处理过程的实现是以大量资源与能源的消耗为代价。对于目前以去除有机物为主要目的的二级生物处理工艺来说，在很大程度上这种做法无异于是“以能消能”。事实上，污水中的有机物是一种潜在的生物质能，每1kgCOD约含14MJ的代谢热。以曝气方式通过微生物的新陈代谢作用降解有机物除形成“以能消能”的既成事实外，由于曝气对能量（主要是以化石燃料产生的能源，如电）的消耗还会引起大量二氧化碳（CO2）向大气排放。结果，在“以能消能”为代价而获得水质净化的同时又污染了大气，以至于这种污水处理方式事实上成为一种污染转移的技术手段，即将水污染演变为产生温室气体的大气污染。除有机物净化需耗氧之外，氨氮硝化也需要通过曝气消耗大量的氧，这一点与有机物氧化在表现形式上是完全一样的，客观上需要通过消耗能量方能达到曝气的目的。因此，现有污水处理技术其实是以释放CO2从而牺牲大气环境容量为代价！我国是《京都议定书》的签约国。虽然我国是发展中国家，人均排放量远低于发达国家，对已造成的全球温室气体效应不负历史责任，在公约中暂不承担减排义务，但目前我国已是世界第三大能源生产国，也是仅次于美国的第二大能源消费国，每年消费的能源占世界总消费量的1/10。据世界能源委员会统计，中国CO2排放量仅次于美国，居世界第二位，占全球总排放量的13.5%。由于经济持续高速发展，预计我国CO2排放量在全球所占比例将继续增加，到2020年将超过美国成为世界第一排放大国。我国既不承担减排义务，又是世界主要污染源的特殊地位，使我国的能源发展态势越来越受到国际社会中国城镇水网的广泛关注，在国际上面临着巨大的政治、经济和外交压力。2012年以后或此后不久的时间内，我国很可能将对减排做出一定的承诺。1.2.2除磷而不考虑回收磷，未能防止磷资源的流失水体富营养化已成为愈来愈严重的全球性环境问题，其主要是由于氮、磷等营养物质在环境中的超量排放引起的。特别是磷的含量，对引起水体富营养化特别敏感，一般认为当水体中总磷（TP）达到0.015mg/L时就可以引起水体富营养化。因此，世界各国不断提高其污水排放标准。目前，以控制水体富营养化为目的的污水除磷脱氮技术正从发达国家渐渐向发展中国家转移。我国最新颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的一级A标准规定氨氮不应超过5mg/L，总氮不应超过15mg/L，总磷不应超过0.5mg/L。氧、碳、氢、氮、磷五种元素构成了地球生物体原生质的97%，前四者在生态系统中借助自然现象不断循环往复，形成了物质或元素真正的循环，即水（H20）循环、碳（C）循环和氮（N）循环，但磷却与水、碳、氮在自然环境中的循环路径大相径庭。磷在自然界中主要以天然磷酸盐岩石、鸟粪层岩石等形式存在。磷在人工开采使用或经天然侵蚀后，其归宿大多是通过陆地河流流入大海，最终沉积在深海的沉积层中。沉入深海中的磷只有很少一部分可通过浅海鱼类或海鸟被带回陆地，而绝大部分的沉积磷需经过漫长（上千万甚至亿万年）的地质活动后才有可能被重新提升到陆地上来，以至于磷在生物圈中绝大部分是单向流动，从而使之成为一种不可更新、难以替代的宝贵资源。目前，世界已探明的磷储量仅够人类再使用不足100年的时间。我国磷储量虽然位居世界第三位，仅次于摩洛哥和美国，但实际现有27亿吨折标（P2O5=30%）磷矿储量仅够维持我国再使用70年左右的中国城镇水网时间，这其中还包含有绝大部分（90%以上）的非富磷矿（P2O530%）。如果仅以富磷矿磷储量（P2O5≥30%）计算，我国富磷矿储量（占总磷矿储量的8.4%）仅能够维持我国使用10～15年的时间。由此可见，我国同世界其他国家一样，也面临着磷矿产资源日益枯竭的危险。现有污水处理工艺的实质就是动用一切技术手段，运用工程方法，以消耗能源、资源为代价，将污水中的“污染物质”去除殆尽的过程。虽然因水资源的短缺而使人们意识到水本身再生循环利用的重要性，但这还是没有从根本上摆脱以去除污染物为主要目的的传统污水处理思路。事实上，污水除了“水”这一污染物媒介主体具有回用价值之外，污水中所含的所谓众多污染物也具有潜在的回收、利用价值。事实上，为了节约地球上现有有限的磷矿产资源而实现部分磷的循环利用，唯一可能回收磷的场合就是对污水和动物粪便的处理过程之中。目前已经实际应用的污水除磷工艺中，主要有化学药剂沉淀工艺和生物除磷工艺等，前者需要消耗大量的