淺談污水處理與管理領(lǐng)域的新方法與新技術(shù)

　　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(jí)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(huì)反過來進(jìn)一步推動(dòng)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(jiǎn)單來說，變革背后的主驅(qū)動(dòng)力是全球人口增長(zhǎng)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(gè)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(gè)“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(duì)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(gè)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(gè)循環(huán)過程“入不敷出”時(shí)，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(huì)給整個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)還有進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)。

　　一些針對(duì)資源回收的技術(shù)可以幫助改善這個(gè)狀況，但大部分回收技術(shù)的使用往往伴隨著對(duì)其他資源的消耗， 比如能量。在我們這個(gè)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(gè)表現(xiàn)形式是水體中營(yíng)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(huì)被人類食用，而磷會(huì)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(yíng)養(yǎng)物) 開始不斷富集，不斷富集的結(jié)果將引 起水體富營(yíng)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(chǔ)量， 在100年后，我們將無磷可用。因此，水體富營(yíng)養(yǎng)化和磷資源的枯竭，這兩個(gè)原因都迫使我們必須盡快展開污水磷資源回收的行動(dòng)。

　　還有兩個(gè)因素需要我們考慮在內(nèi)。 第一，盡管在發(fā)達(dá)國(guó)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(duì)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(jí)改造以適應(yīng)人類不斷攀升的需求。

　　對(duì)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(dòng)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(duì)當(dāng)?shù)厮Y源更加合理應(yīng)用;

　　能源平衡;

　　加強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)物管理;

　　財(cái)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(huì)、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(jià)值， 以確保用戶們?cè)敢庠谪?cái)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(shí)保持能源平衡，以及減少化學(xué)品消耗和營(yíng)養(yǎng)鹽排放管控。整體的社會(huì)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(gè)可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)。

　　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(gè)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(gè)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?？娠嬘盟傅氖侵苯语嬘玫乃土茉∮盟?，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矗部梢匀∽云渌胤降乃?，只要水質(zhì)合適即可。通過對(duì)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(chǔ)集是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。非飲用水可以儲(chǔ)存在城市區(qū)域地下的蓄水層，或者儲(chǔ)存在地表儲(chǔ)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(huì)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(chǔ)水量?雖然海水淡化工藝在 技術(shù)上并不復(fù)雜，但是這個(gè)工藝并不符合可持續(xù)發(fā)展的需求，因?yàn)樗枰罅亢哪堋１M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?jī)H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(yíng)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(chǔ)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(gè)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(jí)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(huì)對(duì)減少水資源消耗有太多作用，但是也許對(duì)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(yíng)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(duì)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(duì)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(yíng)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(yíng)養(yǎng)物回收和源分離相結(jié)合時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)從廢水中有效提取和回收能源和營(yíng)養(yǎng)物。實(shí)現(xiàn)營(yíng)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(duì)分散型系統(tǒng)。水回用技術(shù)會(huì)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(yíng)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)的泥齡 (SRT)給微生物深度反應(yīng)提供了適宜的環(huán)境，同時(shí)對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(yíng)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(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)表明，NTSs對(duì)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(duì)衛(wèi)生間的尿液進(jìn)行分離是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。通過尿液分離，對(duì)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(yíng)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(gè)趨勢(shì)，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(gè)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(shí)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(gè)系統(tǒng) 的完整性。另外，能耗會(huì)隨著時(shí)間和季節(jié)發(fā)生變化，所以能耗也需要進(jìn)行動(dòng)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(guó)醫(yī)學(xué)期刊(British Medical Journal)的調(diào)研報(bào) 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(duì)人類健康做出了最重要的貢獻(xiàn) (BMJ, 2007)。國(guó)家工程學(xué)會(huì)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(duì)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(duì)部分挑戰(zhàn)，我們還需要對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行不斷提煉和整合，使它們成為一個(gè)更高效、可持續(xù)的體系， 這也是所有工程師最擅長(zhǎng)的事情。而挑戰(zhàn)往往不是單一的，總會(huì)牽扯到相關(guān)行業(yè)和學(xué)科，那時(shí)，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)。