20世紀(jì),污水處理領(lǐng)域出現(xiàn)了一系列新的污水處理技術(shù)以及實(shí)踐應(yīng)用,例如膜過濾工藝和高級氧化工藝。這些新工藝的出現(xiàn),為城市污水系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)開啟了新的管理模式(Daigger,2003),也必將大大提升水資源的可持續(xù)發(fā)展性,特別是那些能將城市水資源和廢棄物資源整合起來的新型工藝。
新工藝的誕生必將產(chǎn)生新的需求,這些需求會反過來進(jìn)一步推動新技術(shù)的發(fā)展。本文將逐一闡述和分析城市水資源環(huán)境的現(xiàn)狀、修復(fù)情況、已經(jīng)采取的具體措施,以及在當(dāng)下發(fā)展環(huán)境中技術(shù)應(yīng)當(dāng)如何進(jìn)步。
變革的需求
簡單來說,變革背后的主驅(qū)動力是全球人口增長以及生活需求的提升, 這二者的結(jié)合導(dǎo)致了資源的大量消耗 (包括水資源),以致超出了我們所生活的這個星球的承受能力(Daigger, 2007b, 2008a; Wallace, 2005)。 目前,地球的總?cè)丝诼源笥?0億, 到2050年,該數(shù)字預(yù)計(jì)將達(dá)到90億。 假如生活需求也依次提升,那么全球人口的資源消耗量將達(dá)到目前地球資源總量的3倍。顯然,這個“劇情” 無法成立,也不應(yīng)成立。
我們假設(shè)地球的總?cè)丝跀?shù)很小, 比如是兩億,并且人均資源消耗量也很低,那么我們的傳統(tǒng)消費(fèi)模式—— “攝取、消費(fèi)、廢棄”——是可持續(xù)的。 然而,事實(shí)并非如此,所以我們需要 對所有資源(包括水資源)進(jìn)行循環(huán)和回收利用,并且我們還需要提高再生資源利用率。
水資源壓力
相比其他的資源而言,水資源生來就具備可再生的能力。自打這個星球有了生命的起源,大自然母親隨即開始讓水在天地之間循環(huán)往復(fù)。當(dāng)這個循環(huán)過程“入不敷出”時,水資源壓力隨即產(chǎn)生。而不合理的水資源管理方式無疑會給整個系統(tǒng)進(jìn)一步加壓, 最明顯的例如未經(jīng)適當(dāng)處理的污水直接排入水循環(huán)圈,這將導(dǎo)致可用水總量進(jìn)一步縮減。
目前來看,水資源緊缺還只是影響了一部分人,預(yù)計(jì)到2025年,影響的范圍將擴(kuò)展到全球總?cè)藬?shù)的45% (Daigger, 2007b;WRI, 1996)。而隨著氣候變遷,這個數(shù)據(jù)還有進(jìn)一步惡化的趨勢。
一些針對資源回收的技術(shù)可以幫助改善這個狀況,但大部分回收技術(shù)的使用往往伴隨著對其他資源的消耗, 比如能量。在我們這個資源有限的世界里,任何一種資源的消耗增加,即使是水資源這樣的可再生資源,都必須慎之又慎。
由于城市水資源管理不善導(dǎo)致水資源壓力的另一個表現(xiàn)形式是水體中營養(yǎng)物總量的不斷攀升,例如水體中的磷元素(Steen, 1998; Wilsenach et al., 2003)。隨著磷礦的開采,磷越來越多的被用作人工肥料。被施以磷肥的農(nóng)作物會被人類食用,而磷會作為人類新陳代謝的產(chǎn)物排入污水中, 因此,污水中的磷(包括其他營養(yǎng)物) 開始不斷富集,不斷富集的結(jié)果將引 起水體富營養(yǎng)化。另外,我們知道, 磷資源是不可替代的,按照目前的人類消費(fèi)速率以及磷在地球上的存儲量, 在100年后,我們將無磷可用。因此,水體富營養(yǎng)化和磷資源的枯竭,這兩個原因都迫使我們必須盡快展開污水磷資源回收的行動。
還有兩個因素需要我們考慮在內(nèi)。 第一,盡管在發(fā)達(dá)國家,水資源的相關(guān)服務(wù)已經(jīng)非常到位,但是我們不應(yīng)忘記,在地球上仍舊有大約10億人沒有享受到安全的飲用水,超過25億人 沒有足夠的衛(wèi)生設(shè)施。顯然,我們需要 更有效的城市水資源管理系統(tǒng),我們必須滿足全人類對水資源的需求。第二, 全球的供水和污水機(jī)構(gòu)已經(jīng)很難籌集到足夠的資金來維持機(jī)構(gòu)本身的運(yùn)轉(zhuǎn), 更不用說,這些機(jī)構(gòu)還需要不斷升級改造以適應(yīng)人類不斷攀升的需求。
對可持續(xù)性的定義
城市污水處理和資源管理需要不斷尋求新的方法,其背后的驅(qū)動因素之一是我們的城市必須維持可持續(xù)的發(fā)展。具體表現(xiàn)為:
人們需要大 量的清潔水源和合理的衛(wèi)生體系;
人們需要對當(dāng)?shù)厮Y源更加合理應(yīng)用;
能源平衡;
加強(qiáng)營養(yǎng)物管理;
財政穩(wěn)定的公用事業(yè)建設(shè)。
總的來說,可持續(xù)發(fā)展的需求來自于經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境三方面 (Daigger and Crawford, 2005)(見表1)。經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)是為公共事業(yè)提供足夠的價值, 以確保用戶們愿意在財政上支持那些必要的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行維護(hù)和擴(kuò)展。環(huán)境目標(biāo)包括從當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的供水中滿足用水需求,同時保持能源平衡,以及減少化學(xué)品消耗和營養(yǎng)鹽排放管控。整體的社會目標(biāo)是獲得清潔的水源和合理的衛(wèi)生體系。
而挑戰(zhàn)來自于如何實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),以及采用哪些技術(shù)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo),如果我們明確了這些問題,那現(xiàn)在和將來, 我們都將擁有一個可持續(xù)發(fā)展的社會。
實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)
為了實(shí)現(xiàn)上面所述的環(huán)境目標(biāo),我們需要將現(xiàn)有的線性方法進(jìn)行改良優(yōu)化,將分散和集中的元素相結(jié)合,將水和廢棄物進(jìn)行回收,最終建立一個閉環(huán)系統(tǒng) (Daigger, 2007a, 2008a,b; Daigger and Crawford,2007),閉環(huán)系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)我們?nèi)竽繕?biāo)的潛在能力。
圖1闡述了一個城市水管理的閉環(huán)系統(tǒng)。就供水而言, 無論是民用還是商用的供水系統(tǒng),都可以大致分為兩類, 可飲用水和不可飲用水。可飲用水指的是直接飲用的水和淋浴用水,不可飲用水指的是沖廁用水、洗衣用水、澆地用水,以及其他工業(yè)用水??偟膩砜?,飲用水的消耗總量實(shí)際上非常小。所以,實(shí)際上目前可飲用水的供給量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于消耗量。事實(shí)上,飲用水可以取自當(dāng)?shù)厮?,也可以取自其他地方的水源,只要水質(zhì)合適即可。通過對用水目的區(qū)分(飲用與非飲用),我們認(rèn)為,用于飲用的供水體量應(yīng)該大大縮減。
根據(jù)上一段分析,我們可以得知,家庭和商業(yè)用水中的大部分都應(yīng)是非飲用水,非飲用水可以取自多種多樣的當(dāng)?shù)刭Y源,比如循環(huán)水、收集雨水等。如圖1所示,非飲用水的儲集是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。非飲用水可以儲存在城市區(qū)域地下的蓄水層,或者儲存在地表儲水設(shè)施內(nèi)。
水資源的不斷往復(fù)循環(huán)有可能導(dǎo)致溶解性固體的不斷積累,比如鹽。而為了維持水質(zhì),我們必須嚴(yán)格控制溶解性固體在水中的含量。反滲透(RO)以及其他工藝可以過濾水中的鹽分,排出的濃水將注入咸水含水層,或者用其他工藝進(jìn)一步處理,比如蒸發(fā)結(jié)晶。
有很多人會提出以下疑問,為什么不能借鑒海水淡化工藝來處理污水,以增加儲水量?雖然海水淡化工藝在 技術(shù)上并不復(fù)雜,但是這個工藝并不符合可持續(xù)發(fā)展的需求,因?yàn)樗枰罅亢哪?。盡管技術(shù)的進(jìn)步有助于降低工藝能耗,但用海水淡化工藝處理污水所需的能耗與其他工藝的能耗相比,仍然是天壤之別。因?yàn)楹K泄腆w含量是35000mg/L,而污水中的固體含量僅為1000mg/L。
可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)中的技術(shù)應(yīng)用
我們可以列舉出一些有利于可持續(xù)發(fā)展的方法:
提高當(dāng)?shù)赜晁占c利用率;
改良生活習(xí)慣,減少 用水量;
廢水回收及循環(huán)利用;
從廢水中回收能源;
回收營養(yǎng)物,氮、磷、纖維素等;
特殊種類廢水分類處理。
總之,有許多技術(shù)都有助于改善圖1所示的水系統(tǒng),以及改進(jìn)分散型或集中型水資源管理(表2)??偰繕?biāo)就是保護(hù)當(dāng)?shù)厮Y源,以滿足當(dāng)?shù)馗鞣N各樣的用水需求。
通過收集雨水來增加水資源儲備的方法十分有效,因 為雨水被收集后可以被直接利用,或者僅通過一些自然處理,就可以將其注入地下蓄水層,以備未來之需 (Strecker et al., 2005)。收集雨水的技術(shù)包括透水路面、綠色屋頂、 雨水花園等。在過去的一個世紀(jì),這些技術(shù)都得以大力發(fā)展, 雨水收集與治理技術(shù)已變得越來越可靠、可信。
水和污水處理技術(shù)都是城市水系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。 膜技術(shù)可以有效去除水中顆粒物質(zhì)(微濾和超濾),以及溶解性物質(zhì)(納濾和反滲透),因此膜技術(shù)在近年來的使用率得以明顯提高。把膜技術(shù)與生物技術(shù)整合在一起,就形成了生物膜反應(yīng)器(MBR),該技術(shù)作為一種高效回收水的工藝而迅速崛起 (Daigger et al., 2005; DiGiano et al., 2004)。高級氧化技術(shù)整合了臭氧、紫外光、過 氧化氫,以創(chuàng)造一種具有極強(qiáng)氧化性的氫氧自由基。除此之外,活性炭技術(shù)也廣泛用于水處理與回收。
解決環(huán)境目標(biāo)的工具
“技術(shù)工具箱”中的其他工具不一定會對減少水資源消耗有太多作用,但是也許對實(shí)現(xiàn)其他環(huán)境目標(biāo)大有幫助,比如有助于實(shí)現(xiàn)能量平衡和減少營養(yǎng)物流失。如圖2所示,洗衣用水和淋浴用水(稱為灰水)的污染物含量很低,但是卻占據(jù)著城市污水水量的最大比例 (Henze and Ledin, 2001;Tchobanoglous, 1981)。由于灰水污染程度低,只需要經(jīng)過適當(dāng)處理就可以成為非飲用類的再生水。所以相較于將飲用水和非飲用水合在一 起進(jìn)行循環(huán)回收,單獨(dú)對灰水進(jìn)行循環(huán)回收更加合理,因?yàn)閱为?dú)循環(huán)回收只需要耗費(fèi)較少的能量、消費(fèi)較少的資源。另外,通過使用特殊設(shè)計(jì)的熱交換器和熱泵,還能從處理灰水的過程中提取或轉(zhuǎn)移熱量,而熱能也是一 種非常重要的能源。
除了水中的熱值之外,廢水流的幾種組分中的有機(jī)物也代表了能源的主要來源。如圖2所示,大多數(shù)的有機(jī)物主要存在于衛(wèi)生間和廚房所產(chǎn)生的生活污水中,這些廢水被定義為黑 水。黑水的水量并不大,我們更建議直接對黑水進(jìn)行處理,回收其中蘊(yùn)含的能源。從黑水中回收能源的技術(shù)包括熱力燃燒、厭氧消化(產(chǎn)沼氣), 這些技術(shù)可以結(jié)合用在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)里。比如,微生物燃料電池就是一種 新興的能源生產(chǎn)技術(shù) (Logan et al., 2006)。
大多數(shù)營養(yǎng)鹽都滯留在人畜尿液中,我們也將這種水稱為黃水。當(dāng)能量管理、營養(yǎng)物回收和源分離相結(jié)合時,就能實(shí)現(xiàn)從廢水中有效提取和回收能源和營養(yǎng)物。實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)物回收的 技術(shù)有很多種,比如,污水處理過程中產(chǎn)生的污泥富含了大量氮磷,如果將這些氮磷提取出來,可以直接作為氮肥磷肥應(yīng)用于土地耕作。第二種方法是施用磷酸鹽肥料,這種肥料包含了鳥糞石或者磷酸鈣,是將磷化學(xué)沉淀之后的產(chǎn)物。
如表2所示,雨水收集與水回用技術(shù)在地方層面管理中最能發(fā)揮作用, 尤其是針對分散型系統(tǒng)。水回用技術(shù)會弱化泵的作用,因?yàn)樗赜猛蔷徒赜?,不需要遠(yuǎn)距離輸送。相比 之下,能源管理和營養(yǎng)物回收技術(shù)更適用于大規(guī)模集中型系統(tǒng)。圖3展示 了一個綜合系統(tǒng),該系統(tǒng)基本包含了所有的廢水流,比如灰水、黑水、黃水, 并闡明了各種廢水流應(yīng)該對應(yīng)采用哪種處理技術(shù)。
新技術(shù)
膜過濾系統(tǒng)
膜系統(tǒng)對深度水回收系統(tǒng)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用,并且對這種系統(tǒng)的開發(fā)還將持續(xù)下去。浸入式的微濾和超濾系統(tǒng)作為反滲透系統(tǒng)的預(yù)處理工藝效果非常好,可以去除大部分的可溶性物質(zhì)成分。另外,膜過濾系統(tǒng)的改進(jìn) 將推進(jìn)深度污水處理技術(shù)和MBR的發(fā)展,這二者都是水回用工業(yè)的主力技術(shù)。
在MBR工藝 中, 較長的泥齡 (SRT)給微生物深度反應(yīng)提供了適宜的環(huán)境,同時對抑制細(xì)菌、病毒也起到了幫助,所以MBR工藝的出水水質(zhì)非常好。所以,MBR工藝是非飲用類 水回用工藝的理想備選方案。如果回用水以飲用為目的,則MBR工藝之后還需要設(shè)置反滲透工藝和紫外消毒工藝 (Tao et al., 2005, 2006)。
納米技術(shù)
近年來,納米技術(shù)已經(jīng)開始被用于進(jìn)一步改善膜的性能,用納米技術(shù)制成的膜材料性能更佳,比如,膜污染較緩、水力傳導(dǎo)性更好、允許穿透性更靈敏。反滲透技術(shù)的改良包括兩方面,膜材質(zhì)和膜組件結(jié)構(gòu)配置,其他領(lǐng)域還包括更高效的水泵輸送和能量回收系統(tǒng), 以及研發(fā)新的工藝技術(shù),例如膜蒸餾。
微生物燃料電池
微生物燃料電池是一項(xiàng)突破性技術(shù),它利用電子轉(zhuǎn)移來捕獲微生物代謝過程中釋放的能量,即可以從廢水有機(jī)物中直接提取電能 (Logan et al., 2006)。其過程包括三階段:首先,微生物在電極上生長為生物膜 ; 然后,電子供體通過質(zhì)子交換膜與電子受體分離,建立電流;最后,通過有機(jī)物質(zhì) (BOD5)的氧化產(chǎn)生電能。
雖然這種技術(shù)仍處于發(fā)展的早期 階段,并且在提高產(chǎn)能效率和經(jīng)濟(jì)性方面都需要進(jìn)一步優(yōu)化,但它依然具有巨大的潛力。
自然處理系統(tǒng)(NTSs)
我們對自然界中微生物的認(rèn)知正在不斷提升,這就有助于我們利用自然系統(tǒng)(NTSs)處理廢水 (Kadlec and Knight, 1996)。NTSs中有多種多樣的物理、化學(xué)、生物反應(yīng),這些反應(yīng)可以非??斓?ldquo;扼殺”污水中的大量污染 物。
例如,NTSs已被用于收集、貯存、 處理雨水,而它還可以去除污水中大量污染物,包括營養(yǎng)鹽、細(xì)菌、持久性痕量污染物(藥物和內(nèi)分泌干擾物)。 經(jīng)過長期實(shí)驗(yàn)表明,NTSs對于可飲用類水體的處理作用較好,因此在未來也將逐漸應(yīng)用于水回用領(lǐng)域。
分離尿液的衛(wèi)生間
如表2和圖3所示,對衛(wèi)生間的尿液進(jìn)行分離是一個發(fā)展趨勢。通過尿液分離,對尿液進(jìn)行單獨(dú)處理,既能使用最低的能耗,又能回收其中的營養(yǎng)元素,將其制為肥料 (Larsen et al., 2001; Maurer et al., 2006)。從分離的尿液中可以沉淀出鳥糞石,再用其作為原料生產(chǎn)農(nóng)業(yè)肥料,雖然這還只是一個趨勢,但科研人員們正在通往實(shí)踐應(yīng)用的道路上不斷努力。
自控系統(tǒng)
圖3所示系統(tǒng)的運(yùn)行需要配備一個復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng),以確?;厥账?“進(jìn)”和“出”保持一定的平衡,同時還需要結(jié)合考慮雨水水量。產(chǎn)水系統(tǒng)必須有合理的自控系統(tǒng),以保持整個系統(tǒng) 的完整性。另外,能耗會隨著時間和季節(jié)發(fā)生變化,所以能耗也需要進(jìn)行動態(tài)管理。目前,科研人員正在研究新一代的傳感器和系統(tǒng)控制技術(shù) (Shannon et al., 2008)。
總結(jié)與思考
根據(jù)英國醫(yī)學(xué)期刊(British Medical Journal)的調(diào)研報 道, 在過去的150年間,現(xiàn)代的供水系 統(tǒng)和衛(wèi)生系統(tǒng)對人類健康做出了最重要的貢獻(xiàn) (BMJ, 2007)。國家工程學(xué)會也認(rèn)為現(xiàn)代供水系統(tǒng)和衛(wèi)生系統(tǒng)是20世紀(jì)最偉大的工程成就之一 (Constable and Sommerville, 2003)。即使這樣,我們應(yīng)始終牢記,環(huán)境在不斷變遷,供水和衛(wèi)生系統(tǒng)需要不斷更迭新技術(shù)和新工藝。 所以,我們將始終面對各種新型的、 有趣的、重要的挑戰(zhàn)。
幸運(yùn)的是,我們現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)能應(yīng)對部分挑戰(zhàn),我們還需要對這些技術(shù)進(jìn)行不斷提煉和整合,使它們成為一個更高效、可持續(xù)的體系, 這也是所有工程師最擅長的事情。而挑戰(zhàn)往往不是單一的,總會牽扯到相關(guān)行業(yè)和學(xué)科,那時,我們還將需要從其他行業(yè)與學(xué)科中尋求新的幫助 (Daigger, 2007a,b; 2008a,b; Daigger and Crawford, 2005)。
標(biāo)簽:
相關(guān)技術(shù)