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【中國環(huán)保在線 名家論談】新加坡從上世紀70年代就開始了新生水領(lǐng)域的策劃和研究。但是，世界高品質(zhì)水回用工廠---美國的21世紀水廠的投資和運行費用在當時太高，直到本世紀初新加坡才決定在座新生水采用雙膜工藝。新加坡勿洛新生水廠在2002年建成。而樟宜二期的新生水工藝認為是第二代NEWater主力工藝。
世界上大部分的污水回用技術(shù)是在污水處理達標排放的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。在污水處理發(fā)展的過程中，對出水中污染物種類和濃度的限值不斷提高，導致處理流程越來越長，而處理流程的增長造成了系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，成本增加。新生水在污水處理的基礎(chǔ)上，又加入了微濾、RO和紫外的處理工藝，這樣一來流程就更長了。這也是新生水技術(shù)在介紹到中國初期大家對此技術(shù)的疑慮。
新加坡和世界其他的研究者們也注意到了長流程帶來的問題，因此新加坡已經(jīng)開始解決這個問題，其思路是將傳統(tǒng)工藝中二級處理過程改成基于MBR改進的雙膜工藝，MBR直接反滲透，這個流程減少了原來工藝中的二沉池，并將曝氣池和微濾膜池合并，可以減少工程造價，節(jié)約用地，并有可能提高微濾出水的水質(zhì)。
雖然MBR+RO的工藝路線比現(xiàn)有的工藝縮短了處理流程，但這個工藝與傳統(tǒng)的污水處理類似，仍然以降解污水中的各類物質(zhì)為處理理念，屬于資源破壞型、能量消耗型的工藝，而且MBR本身也是一種能耗較高的污水處理技術(shù)。在前沿的研究中，McCarty等學者指出，污水中的物質(zhì)不應該被當成廢物看待，而應該被當成是潛在的資源和能源物質(zhì)，在對污水中物質(zhì)的潛力進行估算后，McCarty提出，通過合適的工藝，有希望在污水處理過程中實現(xiàn)能量的產(chǎn)出。
短流程新生水工藝探索
我們團隊在短流程雙膜法的方向上進行了嘗試，具體的工藝路線是用超濾膜對生活污水中的物質(zhì)進行濃縮，得到高濃度的濃縮液以便提升污水中能量和資源物質(zhì)回收的效率。而經(jīng)超濾膜過濾后的水經(jīng)過RO膜的凈化后產(chǎn)出高品質(zhì)回用水。相比MBR+RO的工藝，這一工藝的主要變化是通過物化手段膜濃縮提升物質(zhì)回收效率。考慮到膜組件仍是這一工藝的核心單元，所以實現(xiàn)膜組件的穩(wěn)定運行是非常關(guān)鍵的一步。
我們首先通過試驗來考察膜濃縮工藝的可行性。通過觀察一年的出水效果看出，該工藝具有非常低的出水COD(30-40mg/L)和SS濃度，同時具有較高的碳源回收率 (80-90%)，并且可以成功的控制膜污染。
而后在膜濃縮工藝中又對不同的污水、不同的運行參數(shù)、不同的濃縮倍數(shù)都進行了實驗，從出水水質(zhì)和運行穩(wěn)定性來看都取得了較好的處理結(jié)果。
將膜濃縮工藝與反滲透相互結(jié)合，構(gòu)成“膜濃縮+反滲透”短程雙膜法工藝。通過對出水水質(zhì)的測試，我們發(fā)現(xiàn)該工藝可以有效去除微污染物，對COD的處理達到了非常高的水平，所有檢測微污染物的總?cè)コ识荚?1.5%(酮洛芬)以上，在原水中檢出的34種PPCPs物質(zhì)中有24種去除率達到98%以上，其中12種在工藝終出水中未檢出。
團隊進一步進行能量核算，通過統(tǒng)計各工藝能量產(chǎn)耗比，并考慮以濃縮液中的碳源作為能源供給，膜濃縮+RO的短程雙膜法能夠大程度上實現(xiàn)節(jié)約能耗。
進一步的發(fā)展
綜上來看，資源回收型短流程雙膜法工藝膜濃縮可以富集污水中有機物，利于后續(xù)能量回收，同時起到預處理作用保證RO單元?；赑PCPs的水質(zhì)分析證實微污染物可去除，雙膜保障高品質(zhì)出水；整體工藝可通過濃縮液產(chǎn)能，進一步降低能耗。從水質(zhì)保障和能耗水平的角度分析，我們團隊開發(fā)的短流程雙膜法工藝可以成為新生水改進工藝的可能方向的一步。
反滲透技術(shù)早起源于海水淡化脫鹽領(lǐng)域。借鑒過去半個世紀膜法海水淡化技術(shù)的發(fā)展歷程，科技創(chuàng)新不斷推動脫鹽能耗的降低。海淡單位能耗已經(jīng)從早幾十度電下降到目前的3.5 kWh/m3。參照新加坡的發(fā)展目標，基于鹽度能、膜蒸餾、電吸附等新技術(shù)的應用，海淡能耗有望在短期內(nèi)下降到1.5 kWh/m3，甚至基于水蛋白仿生膜等材料技術(shù)的新突破，在遠期達到更低的能耗(低于1 kWh/m3)。而對于鹽度遠低于海水的市政污水脫鹽領(lǐng)域，電吸附等新技術(shù)已經(jīng)得到應用，未來新技術(shù)同樣有望推動實現(xiàn)更低的能耗。
污水資源化處理不僅僅聚焦能耗，還包括污水中其他物質(zhì)的回收與利用，如氮元素。在目前先進技術(shù)V1.0以及短流程工藝V2.0的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)污水中全元素回收利用的V3.0也在研究之中。基于膜技術(shù)實現(xiàn)大可能的有機物的回收，再通過電吸附-離子樹脂等實現(xiàn)氨氮富集及回收，富集后的有機物用于深加工或者厭氧產(chǎn)能，富集氨氮用于農(nóng)肥加工等等，再結(jié)合目前已經(jīng)實現(xiàn)部分工程化的磷回收技術(shù)，未來污水處理有望在獲得新生水的同時，實現(xiàn)有機物、氮、磷等全元素資源化回收與利用，推動污水處理行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，服務生態(tài)文明建設(shè)。
