土木在线论坛 \ 给排水工程 \ 中水处理回用 \ 水处理领域专家曲久辉院士等ES&T Eng.综述：中国城市污水管理新趋势与前景

水处理领域专家曲久辉院士等ES&T Eng.综述：中国城市污水管理新趋势与前景

发布于：2022-06-07 09:32:07 来自：给排水工程/中水处理回用 [复制转发]

文章作者： 曲久辉、戴晓虎、胡洪营、黄霞、陈卓、李涛、曹业始
通讯作者： Glen T. Daigger（密歇根大学）

DOI： 10.1021/acsestengg.1c00345

年初，我国水处理领域专家曲久辉院士等人在期刊ACS ES&T Engineering上合作发表了题为“Emerging Trends and Prospectsfor Municipal Wastewater Management in China”的综述论文（Review），系统梳理了我国城市污水处理的发展历程，展望了其未来发展趋势。

引言

在过去的十几年里，我国在城市污水的收集和处理方面取得了可观的实质性进展，2001年至2018年，我国污水收集量增加了4倍以上，污水处理能力增加了5倍以上，尽管取得的进展是十分迅速的，但是水污染和缺水仍是我国目前面临的两大主要危机。本文结合一些初始结果，梳理了我们国家当前城市污水管理与回用领域所采取的一些手段和方法， 重点关注以下几个方面：（1）主要 介绍了目前我国城市污水的不利水质特征对水处理系统的负面影响和纠错措施；（2）水处理膜技术；（3）有机污泥管理；（4）水再生回用；（5）农村污水治理；（6）两种污水处理新范式：污水处理概念厂及海绵城市。中国污水处理的规模之大，必将掀起新兴环保科技的飞速发展，可以预见未来在相关领域的成果将引起更为广泛的兴趣。与此同时，中国污水处理的巨大市场也是污水处理新技术的“炼金厂”，为符合中国污水处理发展趋势的技术选择提供良好平台。

图文导读

污水不利特征及影响

本文提出了目前我国城市污水主要存在四大方面不利特征：（i）污水中部分污染物浓度低于典型值，约为发达国家的一半，使得出水难以达到一类污水排放标准；（ii）COD/TKN比例低，不利于微生物对营养盐的去除；（iii）惰性悬浮固体浓度非常高，易增加机械设备（如：厌氧消化池）的磨蚀而导致设备使用寿命降低，也难以应用节能环保技术和设备，从而增大运行成本；（iv）污水收集系统维护情况差，导致污水成分发生了根本变化。在污水收集过程中，一方面清洁的水和土壤等混入污水收集系统，另一方面污水渗漏导致大量的有机物流失，严重影响了后续生化处理单元的运行效果。

膜法水处理技术

膜生物反应器（MBR）技术由于高效的废水处理效率得到了越来越多的关注。MBR成本的不断下降和使用寿命的日益增长使得其总应用成本进一步降低。目前，膜技术已在我国应用了二十多年，2018年累计日处理能力约为1600万立方米。迄今为止，在采用膜技术的城市污水处理厂中， MBR和超滤（UF）技术应用最广，分别占处理量的78%和18%。利用微滤（MF）或UF后使用反渗透（RO）以获得高质量再生水约占4%。

图1. 我国城市污水处理中膜工艺的累计处理容量占比（数据来源：截至2018年，日处理能力大于10 ⁴ 立方米的污水处理厂）

过去十年，我国大型MBR处理设备总数和容量接近指数级增长，2018年日处理量接近1500万立方米，据不完全统计，2020年市政MBR处理能力将占我国城市污水处理总量的近10%。多类型膜组件被应用于实际处理过程，极大地推动了膜供应市场的发展。2010年后，国内企业的市场份额快速增长，并在2015年后由国内供货商主导供应。

图2. 我国大规模MBR应用的开发情况大规模指每个MBR的日处理量大于10 K立方米。超大规模是指用于市政废水处理的能力大于100 K或用于工业废水处理的能力大于50 K的MBR

与传统活性污泥工艺相比，MBR可以实现高悬浮固体浓度和低污泥负荷率，通过增加SRT和HRT来实现有机物的去除，同时膜上生物量的增加也有助于硝化细菌富集实现氨的快速去除，并且在病原微生物、痕量有机污染物和微塑料的去除上也具有着较大潜力。同时，将传统的活性污泥工艺改造为MBR后，废水处理的利润将大大提升，同时将节省更多的占地面积。

图3. 2014-2017年间用于我国城市污水处理的49个MBR的（a）处理的性能和（b）处理成本（不包括土地征用成本和运营过程中的膜折旧费用）

再生水技术

2019年，我国中水回用总量达到126亿立方米，本文以北京和天津两个城市为例，对再生水技术进行了分析。北京市缺水问题严重，2017年北京再生水回用量约为10.5亿立方米，占全市供水总量26%，主要用于城市湖泊、河道的景观用水，大大改善了城市景观和生态环境。此外，再生水还应用于冷却、锅炉给水等工业生产过程中。对比之下，天津的水回用量较低（4.8亿立方米），约占总供水量的16%，大部分再生水用于景观灌溉、道路清洁，用于生态景观仅占2%。

图4. 我国城市地区水回用量及再生水处理容量情况

图5. 北京市不同水源地供水量情况

图6. 北京市不同应用的水再生情况

图7. 天津市不同水源地消耗水量情况

图8. 天津市不同应用的水再生情况

污泥处置

在过去的十年，我国污水污泥产量已超过3000万吨。与发达国家相比，我国污水处理起步较晚，安全处置和资源化利用上都存在着较多问题。对此，我国在生物固定与资源化利用、污泥脱水干燥、共消化/预处理等领域投入大量资金，进行了大量研究。目前已经确定了四个主要的污泥处理处置途径：好氧堆肥与景观土地结合；污泥脱水与卫生填埋结合；干燥焚烧与填埋、制造建筑材料结合以及厌氧消化与景观土地应用结合。

图9. 2009至2019年，我国污水处理厂每年的污泥产量情况

图10. 我国污泥处理和处置路线图

农村污水处理

我国农村地区快速发展，污水排放增加显著，但人口密度低、住宅分散、下水道建设成本高、污水处理规模小，需要建立更加完备的下水道、处理设施和服务体系。2018年我国颁布新立法，首次提出了全国农村污水处理规划，明确了农村污水排放要求，鼓励发展更多面向农村地区的污水处理技术。其中，生物接触氧化技术在农村污水处理市场具有较强的适用性。

图11. 在各种条件下确定农村污水排放限额的原则

污水处理概念厂

我国未来的污水处理厂应该具有四个基本追求：追求水资源可持续循环利用，追求提高能源自给率，追求物质合理循环，追求环境友好。文中以位于我国中部河南省的睢县第三污水处理厂和2021年投入使用的江苏省宜兴市污水处理概念厂两者为典型案例进行探讨，其中睢县第三污水处理厂是我国第一家将市政和农业污泥厌氧消化用于电力和热回收的中型污水处理厂。这种融合新技术可用于解决我国污水独特特征对污水处理的不利影响，运行工艺系统为当地提供了更好的污水处理效果，获得了更广泛的环境和经济效益。此外，为应对快速城市化带来的洪涝及其他水系统问题，我国于2013年提出了“海绵城市”计划，力求通过采用渗透、保留、储存、净化、收获和排水等方法来模仿自然水文循环，最大限度地减少城市化对城市生态环境的影响。目前，我国已选择30个城市作为试点城市，通过建设透水路面、人工湿地、绿色屋顶等设施改进城市集水、排水系统，以应对更加严重的城市污染负荷和水涝灾害。

图12. 睢县第三污水处理厂

思考与展望

随着城市污水收集和处理设施的不断完善，我们城市污水收集和处置能力得到了显著提升，实现了更高水平、更高质量的水环境保护目标，还通过完善水处理系统功能，从中获得了可观的环境效益。例如，以MBR为代表的膜技术的应用体现了产-学-研良好结合的现状，展示了我国将前沿性、创新性技术应用于大规模污水实际处理的能力。同样的现象也出现在污泥处置领域，尤其是污泥热水解技术。此外，我国在污水综合治理上提出针对性更强的方案。以概念污水处理厂和海绵城市为代表的成功案例证明了我国有能力将先进技术和在城市系统中实践结合起来，构建更加优异的水生态系统。同时，国际合作将对我国污水处理的发展起到至关重要的作用。持续的合作将是互惠互利的，这有助于加速实现全球可持续发展目标。

文章信息 ：

Qu, J.;Dai, X.; Hu, H.-Y.; Huang, X.; Chen, Z.; Li, T.; Cao, Y.; Daigger, G. T.Emerging Trends and Prospects for Municipal Wastewater Management in China. ACS ES&T Eng. 2022 , 2 (3), 323–336.

文献源地址：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsestengg.1c00345

污水管水处理管理水管