文/同濟大學 于水利
1.前言
1.1近代的市政水處理及存在的問題
近代的市政水處理是以保證水量要求為核心的，水質要求居于次要地位。處理技術主要有基于自然生態學的慢濾池（19世紀初英國發明），基于地球化學的快濾池技術（20世紀初美國發明），以及基于生物、化學氧化的有機物處理技術（20世紀初歐洲發明）。這些處理技術基本是模擬大自然對污染物的作用、分離，具有很大的隨機性，對水質的保障不可靠。再加上近代的市政水處理強調水量，忽視水質，水系統是開環的，沒有形成循環，所以導致21世紀城市水環境的嚴重惡化，水資源的極度貧乏，排放到水環境中的有毒有害污染物使生態環境，特別是人和動物的健康存在現實的或潛在的威脅。
1.2二十一世紀市政水處理工藝與系統的構建
地球的全部水量約為136×107 km3，其中海水資源132.3×107 km3，占97.3%；淡水資源（地表水）3.67×107 km3，占2.7%；人類可利用的水資源193.25×103 km3，占0.0141%；其它的水資源，例如冰川、蒸汽和深層地下水等不能被人們利用。進入二十一世紀，有限的水資源，已經不適應世界人口和經濟的持續增長，對水的需求，特別是十九世紀和二十世紀發明的、以保證水量為核心的市政水系統，對經濟持續增長的阻礙作用日趨明顯，江河斷流、水庫干涸、地下水位下降以及頻發的水污染事件，就是其突出的表現。因此，構建二十一世紀新型的市政水系統是當務之急。
新型的市政水處理系統的構建，需要符合以下原則，（1）要根據不同地區的歷史、文化和地理位置的差異，并考慮當地民眾的風俗習慣，在現有水系統的基礎上改建或新建本地區的最優化的水系統，打破市政水系統型式的統一化、通用化；（2）新型的市政水處理系統不僅要滿足當地民眾對水的質和量的需求，而且，從生態學角度，還必須滿足環境容量以及當地水資源容許開采量等要求；（3）新型的市政水系統，要突破供水水質的均一化，采用根據不同用戶的水質要求，提供相應的水質的方略。例如，飲用水提供更高質量的健康水，對與其他用水可以利用廢水回用；（4）為了節約水資源，減輕環境負荷，新型的市政水系統應該是循環型的，即實現用水、排水、處理、重復利用的閉環循環。從而實現新型市政水系統，可保證人類健康、對環境友好、省能的目標；（5）分散的小系統與大規模的循環系統相結合。
1.3膜技術與市政水系統
膜技術是美國在上世紀后期發明并開始應用的，膜技術與以生態原理及地球化學原理的水處理技術的最大區別，在于它是一種仿生技術，模仿人或動物的功能膜系統分離水中的各類污染物，因此膜技術較傳統的水處理技術更具功能化、可靠性更高。另外，因為膜分離的時間非常短,使得膜設備的體積相對較小，特別是膜分離能可靠地分離水中的病原體（例如：隱孢子蟲、賈第蟲等），使其處理水的生物安全性得到保證。
實現市政水系統的循環，需要遵循1.2的原則，但必須具有相應的處理技術相配套，而膜技術可能是實現市政水良性循環的關鍵技術。因為從理論上講，功能不同的膜，可以應對任何需要處理的原水，也可以制造出人們不同要求的各種水質的水。為了節省能耗，分散式的水循環系統是新型市政水系統中重要組成部分，分散式的水循環系統正是膜技術發揮其工藝過程設備化、靈活、簡便等特點的領域；污水的循環利用不能以犧牲用戶的用水質量為代價，膜技術能可靠保證污水回用水水質，是實現市政水系統循環的關鍵；提供健康飲用水也是膜技術具備的功能之一，當前大量的優質飲用水處理工程、桶裝水等就是例證。
2.以膜為核心的市政水處理
2.1膜-生物反應器（MBR）
膜生物反應器工藝（MBR工藝）是膜分離技術與生物技術有機結合的新型廢水處理技術，也稱膜分離活性污泥法。膜-生物反應器通常有兩種形式，一是內置式一體化膜-生物反應器（見圖1），二是外置式膜-生物反應器（見圖2）。
內置式一體化MBR的特點是，設備緊湊，操作壓力小（能耗低），但其單位膜面積出水量相對較小。外置式MBR的特點是工作壓力高，出水量大，不過其能耗高，膜面流速高（2-4米/秒）。
膜生物反應器工藝（圖4），與傳統的城市生活污水深度處理工藝（圖3）相比，具有流程簡單化，適應水量變化，占地面積小，污泥量小，處理水不需要消毒，便于實現自動化等特點。
鑒于MBR獨特的性能，近年來在我國污水資源化領域越來越受到青睞。截止到2009年底，在我國采用MBR工藝，規模>1萬m3/d的MBR工程約30個，最大規模：湖北省十堰市神定河MBR工程（設計能力11萬m3/d）。2010年已有7個大型MBR在建，累計處理能力>33萬m3/d。2011年數個大型MBR工程已簽約。
2.2膜法特種廢水處理
廢水處理中除了生活污水外，還有很多很難處理的廢水，例如造紙廢水、屠宰廢水、印染廢水、垃圾滲濾液等。這些廢水的顯著特點是，有機物濃度高、生物降解困難（可生化性差），對環境的危害大，傳統的污水處理工藝很難解決這類水處理問題。而膜分離是靠膜孔的截留作用去除污染物的，這種去除作用只跟污染物的尺寸有關，污染物的物化、化學性質對去除效果的影響較小。因此，我們認為膜分離是這類廢水處理的理想技術。下面以垃圾滲濾液為例介紹特種廢水的處理工藝。
填埋、焚燒、堆肥是垃圾處置的三種主要方式，我國以填埋方式應用最多，約占80%。該三種處理方式都會產生滲濾液，但填埋方式產生的滲濾液具有量多、時間長、變化大、含鹽量、有機物、氨氮濃度高的特點，是滲濾液中處理難度最大的一種。滲濾液中的難生物降解有機物多，高鹽分、高氨氮、低C/N比是處理的難點，而去除總氮是難點的核心。
2008年國家環保局發布了《生活垃圾填埋場污染控制標準》GB16889-2008 。
目前膜組合工藝，在國內外已經成為垃圾滲濾液處理的主導工藝（圖5）。
圖5 膜法垃圾滲濾液處理工藝
圖5的工藝，利用UF、RO與生物處理、過濾等組合，實現對滲濾液中有機物、氮、磷、懸浮物、色度、微生物、重金屬的去除。成都市固體廢棄物衛生處置場垃圾滲濾液處理工程，是我國第一個按《生活垃圾填埋場污染控制標準》GB16889-2008新建的大型滲濾液處理工程，該工程日產清水水量超過1000m3/d，采用圖5工藝。2008年12月31日通水，到目前已經連續運行了一年多，出水水質良好，工藝運行穩定可靠。
2.3以膜為核心的飲用水處理
我國2007年7月1日頒布了新的《生活飲用水衛生標準》(GB5749 - 2006)，檢測指標從35項提高到了106項。目前我國自來水廠，除了北京、上海、廣州、深圳等一線城市外，都是采用傳統的混凝沉淀過濾和消毒工藝，該工藝的處理水水質很難滿足新的《生活飲用水衛生標準》。
膜分離是飲用水深度處理的一種很好選擇。目前在飲用水處理領域應用最廣泛的是超濾膜和微濾膜，因此，在飲用水深度處理中通常是將膜與其它工藝組合，達到同時處理水中懸浮物、病毒、細菌和有機物的目的，目前常用的飲用水深度處理工藝有：一.原水+混凝+膜分離（UF或MF）+消毒；二.原水+混凝+沉淀+膜分離（UF或MF）+消毒；三.原水+混凝+沉淀+活性炭+膜分離（UF或MF）+消毒；四.原水+混凝+沉淀+臭氧+生物活性炭+膜分離（UF或MF）+消毒。以上工藝可根據不同的水質靈活選用。
3.結論
（1）膜分離是實現市政水系統良性循環的關鍵技術和工藝；
（2）膜組合工藝工藝可以解決飲用水安全問題；
（3）降低膜成本、控制膜污染是膜技術在市政水領域推廣應用需要解決的關鍵問題。
注：于水利（1962-），男，教授/博導，研究方向為膜分離與飲用水處理技術，Email:ysl@tongji.edu.cn
*國家863計劃（2008AA06Z304）、國家自然科學基金（50778050及50978068）、國家科技支撐計劃重點項目（2006BAJ08B09）及國際科技合作項目（2010DFA92460）
