革新再生水集成技術 新高效污水處理系統出爐

????? 2016年8月，國家重點研發計劃“水資源高效開發利用”重點專項“城鎮污水高效低碳資源化利用技術集成與示范”項目正式啟動。該項目由哈爾濱工業大學牽頭，14家單位共同參與，首次提出了“灰色”+“綠色”的高效污水處理及回用系統。

　　城市污水處理廠深度處理水的再利用是開源節流、改善生態環境、解決城市缺水的有效途徑之一，《水污染防治行動計劃》也明確規定了2020年水回用20%的要求。經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、生態安全不明確等問題。

　　污水處理

　　生態處理雖然具有節能、低碳優勢，但日益嚴重的城市水環境污染導致城市水生態功能退化、生態凈化功能難以發揮。因此，如何建立低碳、高效的城鎮污水資源化利用技術系統，實現“水安全、水環境、水景觀、水文化、水經濟”五位一體的城市水生態系統建設模式，是我國水資源可持續利用的國家重大需求。

　　2016年8月，國家重點研發計劃“水資源高效開發利用”重點專項“城鎮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、景觀生態等再生水利用需求，基于“產品”與“生態服務”一體化的研發思路，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為總目標，開展城鎮污水低碳、安全、資源化利用及風險評估技術研究。

　　形成加強型生態修復與恢復技術體系，研發新型節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，縮小水循環的空間范圍，可減輕水環境污染，還可以緩解城市排水管道的超負荷現象，具有明顯的社會效益、環境效益和經濟效益。

　　該項目由哈爾濱工業大學牽頭，聯合北京大學、中國科技大學、天津大學、北京工業大學、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境國家重點實驗室副主任馮玉杰教授協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流與能量流內在機制”，首次提出“灰色”+“綠色”的高效污水處理及回用系統，設置如下研究內容：

　　（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甲烷、污泥內碳源定向合成聚羥基烷酸酯等技術研發，推進污水/污泥低碳高效處理技術的產業化。

　　（2）再生水中氮/磷深度削減技術與裝備

　　通過城鎮污水再生利用氮、磷深度削減技術的研發，解決城市污水廠的深度處理出水作為景觀回用水或工業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，滿足工業用水、生活雜用水的高品質要求。

　　（3）強化生態凈化技術處理污水廠出水的“綠色”技術系統

　　主要包括研發集微納米材料、強化微生物電子轉移的加強型生態凈化技術、生態系統恢復與重建、城市雨水徑流凈化再利用、生態浮床技術研究，構建涵蓋污染物原位監測、材料-植物-微生物一體的加強型生態凈化系統，為綠色系統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

　　針對城市污水處理廠排水在回用過程中，常規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去除能力不足等問題，開發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化等研發。

　　（5）污水多目標回用全過程風險與技術經濟評價方法和體系

　　開展污水多目標再生回用的生態毒性和健康效應評價、生態風險和人體健康風險評價以及生態系統服務評價研究，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，為優化城鎮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能低碳運行及高品質再生水處理領域的發展方向。項目攻關形成的研究成果，將成為引領城鎮污水廠再生水處理領域發展的推動力，促進城鎮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，示范企業的高品質再生水處理規模可以在短時間內大幅度提高，按7元/m3的高品質再生水價格，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以及水生植物強化凈化系統，將提升城市河(湖)水環境治理和水生態修復效率，顯著改善了修復水體周邊的環境，整體提升區域投資環境并加快沿線區域的建設和開發，引導該區域產業結構和產業布局的調整。

　　進行再生水回用的綜合生物毒性測試和風險評價及生態服務綜合評價，能夠有助于控制再生水多目標回用對生態系統和人體健康的負面效應，促進再生水的回用。經過對城市水環境的修復，城市水體環境具有明顯的改善。水體質量得到凈化，區域水環境容量明顯增加，對水量的調節能力增強，可以消減暴雨帶來的內澇，緩解排水管網的負載。

　　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，提高了物質資源的豐富度，改善城市小氣候和居住環境，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量，同時帶動商業、建筑業、運輸業及旅游業等的迅速發展，從而促進項目影響區域的經濟繁榮。

　　此外，本項目通過污水污泥資源化途徑，可實現污泥減量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，并減少了后續污泥處理處置的壓力。污泥厭氧發酵產生的甲烷氣體、合成的PHA產品及好氧發酵產生的營養基質等實現了未來水廠輸出有價值能源及化學產品的目標，改變了傳統污水處理廠的末端處理位置，使其成為能源資源循環的重要環節。

　　綜上，該項目研究內容具有重要科學研究價值、環境效益和社會經濟效益突出。利用本項目研究成果，開發具有自主知識產權的新材料、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，展現高品質再生水集成技術的新成果，使參與企業的產品、設備或技術搶占國內市場。

　　作者簡介：任南琪，中國工程院院士，哈爾濱工業大學環境學院，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。