城市污水處理廠深度處理水的再利用是開源節(jié)流、改善生態(tài)環(huán)境、解決城市缺水的有效途徑之一，《水污染防治行動計劃》也明確規(guī)定了2020年水回用20%的要求。經(jīng)處理的城市污水廠出水回用普遍面臨建設及運行費用高、微污染物殘留及氮/磷深度削減難、生態(tài)安全不明確等問題。生態(tài)處理雖然具有節(jié)能、低碳優(yōu)勢，但日益嚴重的城市水環(huán)境污染導致城市水生態(tài)功能退化、生態(tài)凈化功能難以發(fā)揮。因此，如何建立低碳、高效的城鎮(zhèn)污水資源化利用技術系統(tǒng)，實現(xiàn)“水安全、水環(huán)境、水景觀、水文化、水經(jīng)濟”五位一體的城市水生態(tài)系統(tǒng)建設模式，是我國水資源可持續(xù)利用的國家重大需求。
2016年8月，國家重點研發(fā)計劃“水資源高效開發(fā)利用”重點專項“城鎮(zhèn)污水高效低碳資源化利用技術集成與示范”項目正式啟動。該項目針對城市工業(yè)、景觀生態(tài)等再生水利用需求，基于“產(chǎn)品”與“生態(tài)服務”一體化的研發(fā)思路，以建立“綠色”+“灰色”的耦合城市污水處理、多目標回用技術系統(tǒng)為總目標，開展城鎮(zhèn)污水低碳、安全、資源化利用及風險評估技術研究。形成加強型生態(tài)修復與恢復技術體系，研發(fā)新型節(jié)能污水生物處理及污泥安全處理處置技術、再生水中微量有機物削減技術與裝備等，建立污水處理多目標回用全過程風險與技術經(jīng)濟評價方法和體系，完成示范工程建設與運行。污水回用既可以有效地節(jié)約和利用有限的和寶貴的淡水資源，減少污水或廢水的排放量，縮小水循環(huán)的空間范圍，可減輕水環(huán)境污染，還可以緩解城市排水管道的超負荷現(xiàn)象，具有明顯的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。
該項目由哈爾濱工業(yè)大學牽頭，聯(lián)合北京大學、中國科技大學、天津大學、北京工業(yè)大學、中科院地理科學與資源研究所、北控水務等14家單位共同參與，項目負責人為任南琪院士，由城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室副主任馮玉杰教授協(xié)助任南琪院士進行項目具體實施。開展時間為2016年7月至2020年12月，專項經(jīng)費3500萬元，設置8個課題，項目技術路線見圖1。
項目圍繞“城市污水處理過程中物質(zhì)流與能量流內(nèi)在機制，首次提出“灰色”+“綠色”的高效污水處理及回用系統(tǒng)，設置如下研究內(nèi)容：
(1)污水/污泥低碳、高效處理與資源化與能源化
主要包括高效智能曝氣、顆粒污泥技術、厭氧流化床技術、微生物電催化強化剩余污泥產(chǎn)甲烷、污泥內(nèi)碳源定向合成聚羥基烷酸酯等技術研發(fā)，推進污水/污泥低碳高效處理技術的產(chǎn)業(yè)化。
(2)再生水中氮/磷深度削減技術與裝備
通過城鎮(zhèn)污水再生利用氮、磷深度削減技術的研發(fā)，解決城市污水廠的深度處理出水作為景觀回用水或工業(yè)回用水普遍面臨的氮、磷污染物的問題。氮、磷深度削減技術的集成與應用顯著提高污水處理廠的出水水質(zhì)，滿足工業(yè)用水、生活雜用水的高品質(zhì)要求。
(3)強化生態(tài)凈化技術處理污水廠出水的“綠色”技術系統(tǒng)
主要包括研發(fā)集微納米材料、強化微生物電子轉(zhuǎn)移的加強型生態(tài)凈化技術、生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建、城市雨水徑流凈化再利用、生態(tài)浮床技術研究，構建涵蓋污染物原位監(jiān)測、材料-植物-微生物一體的加強型生態(tài)凈化系統(tǒng)，為綠色系統(tǒng)建立提供成套技術體系。
(4)再生水中微量有機物削減技術與裝備的“灰色”技術系統(tǒng)
針對城市污水處理廠排水在回用過程中，常規(guī)物化深度處理工藝存在的建設及運行費用較高、對水中殘留的污染物質(zhì)去除能力不足等問題，開發(fā)復合介體吸附強化混凝處理技術及其耦合處理技術，建立復合介體(磁、沸石、粉末炭等)吸附強化混凝過濾和負荷介體高效沉淀耦合膜過濾、高效低耗強化氧化/吸附-膜分離成套污水再生利用技術集成與優(yōu)化等研發(fā)。
(5)污水多目標回用全過程風險與技術經(jīng)濟評價方法和體系
開展污水多目標再生回用的生態(tài)毒性和健康效應評價、生態(tài)風險和人體健康風險評價以及生態(tài)系統(tǒng)服務評價研究，提出合理的再生水多目標回用評價的技術方法和評價指標體系，為優(yōu)化城鎮(zhèn)污水回用技術提供評價方法。
本項目提出的新技術、新材料、新裝備，代表了當前城市污水廠節(jié)能低碳運行及高品質(zhì)再生水處理領域的發(fā)展方向。項目攻關形成的研究成果，將成為引領城鎮(zhèn)污水廠再生水處理領域發(fā)展的推動力，促進城鎮(zhèn)污水的深度處理和回用率的進一步提高，緩解當前緊張的水資源供需矛盾。利用本項目的成果，示范企業(yè)的高品質(zhì)再生水處理規(guī)?？梢栽诙虝r間內(nèi)大幅度提高，按7元/m3 的高品質(zhì)再生水價格，每年的收入將超過億元。
項目研制的微納米材料光降解有機污染物的方法、微納米材料-植物-微生物耦合修復系統(tǒng)以及水生植物強化凈化系統(tǒng)，將提升城市河(湖)水環(huán)境治理和水生態(tài)修復效率，顯著改善了修復水體周邊的環(huán)境，整體提升區(qū)域投資環(huán)境并加快沿線區(qū)域的建設和開發(fā)，引導該區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構和產(chǎn)業(yè)布局的調(diào)整。進行再生水回用的綜合生物毒性測試和風險評價及生態(tài)服務綜合評價，能夠有助于控制再生水多目標回用對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康的負面效應，促進再生水的回用。經(jīng)過對城市水環(huán)境的修復，城市水體環(huán)境具有明顯的改善。水體質(zhì)量得到凈化，區(qū)域水環(huán)境容量明顯增加，對水量的調(diào)節(jié)能力增強，可以消減暴雨帶來的內(nèi)澇，緩解排水管網(wǎng)的負載。濱岸緩沖帶和濕地為眾多的生物提供了棲息地，促進物種多樣性的增加，提高了物質(zhì)資源的豐富度，改善城市小氣候和居住環(huán)境，美化城市市容。此外，濱岸緩沖帶具有娛樂和觀賞的作用，為散步休閑或者郊游踏青提供了等戶外運動提供了場所，提高了人類的文化生活質(zhì)量，同時帶動商業(yè)、建筑業(yè)、運輸業(yè)及旅游業(yè)等的迅速發(fā)展，從而促進項目影響區(qū)域的經(jīng)濟繁榮。
此外，本項目通過污水污泥資源化途徑，可實現(xiàn)污泥減量50%以上，回收污泥碳源達到70%～80%，高效回收了污水中蘊含的碳素資源，并減少了后續(xù)污泥處理處置的壓力。污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷氣體、合成的PHA 產(chǎn)品及好氧發(fā)酵產(chǎn)生的營養(yǎng)基質(zhì)等實現(xiàn)了未來水廠輸出有價值能源及化學產(chǎn)品的目標，改變了傳統(tǒng)污水處理廠的末端處理位置，使其成為能源資源循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。
綜上，該項目研究內(nèi)容具有重要科學研究價值、環(huán)境效益和社會經(jīng)濟效益突出。利用本項目研究成果，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的新材料、新工藝和新設備，將進一步提高未來的核心競爭能力。通過本項目研究成果的應用示范，展現(xiàn)高品質(zhì)再生水集成技術的新成果，使參與企業(yè)的產(chǎn)品、設備或技術搶占國內(nèi)市場。
作者簡介：任南琪，中國工程院院士，哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境學院，主要研究方向為污水處理及資源化、海綿城市建設理論與實踐。
責任作者：馮玉杰，哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境學院教授，主要研究方向為污水處理及資源化。
來源:中國環(huán)境管理 作者:任南琪
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