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我国城市污水处理领域的科技发展问题探讨

文章来源:海西给排水 发布时间:2011-05-23 12:12:52 阅读次数:3290 次 [关闭]

本文通过分析我国城市污水处理行业的发展现状、特点与存在问题,对城市污水处理领域的主要科技问题和科技发展趋势进行分析,并提出城市污水处理领域技术发展重点的建议。
  1  城市污水处理量大面广,需要系统完善的综合性技术支持与服务体系
  建立城市污水处理厂对改善城市水环境,保障城市社会经济发展起着举足轻重的作用。在欧美、日本等西方发达国家,已经普遍施行城市污水的集中二级处理。近年来,我国中央政府、各级地方政府及有关部门对城市污水治理十分重视,将其作为当前和今后一段时期基本建设和环境保护领域中重点支持的产业之一,城市污水处理领域出现了前所未有的发展速度。
  目前我国的城市污水年排放量已经达到401亿m3。根据中国环境保护远景目标纲要,2010年全国设市城市和建制镇的污水平均处理率不低于50%,设市城市的污水处理率不低于60%,重点城市的污水处理率不低于70%。按照国家环保总局颁布的《污水综合排放标准》(GB 8978-1996),为了满足出水排放标准,绝大多数城镇污水处理厂都必须采用二级生化处理或深度处理工艺技术。然而,截止到1998年底,尽管我国已经建成城市污水处理厂187座,但二级处理能力仅822万m3/d,按此计算的城市污水二级处理率仅14.1%。目前,我国城市平均每100万人有1座污水处理厂,与美国等发达国家每0.5~1万人有1座污水处理厂相比,差距很大。
  毫无疑问,我国的城市污水处理行业具有很大的市场需求与产业发展前景,但同时存在严峻的资金短缺和技术设备国产化开发问题。由于污水处理厂建设和运行资金短缺,致使一大批规划中的污水处理厂迟迟不能上马,已经建设的污水处理厂也不能正常运行,预期的环境目标无法实现。对大部分地区而言,当前首要解决的不仅仅是治理深度的问题,而是治理与否的问题。近年来,我国的城市污水处理厂建设主要通过利用外资,引进国外技术设备,导致工程投资大、债务负担重,并抑制了国内污水处理技术设备制造产业的发展。
  由此可见,要在10年内完成规划目标,提高城市污水处理率,除了开发适合我国国情、切实可行、高效低耗的城市污水处理技术、工艺与设备外,健全和完善城市污水处理综合性技术支持与服务体系,制定合理可行的产业技术经济政策,尽快解决城市污水处理收费及价格问题,加大建设城市污水处理厂的投资力度,也是十分重要的。
  2  由于长期的氮磷污染,水质富营养化的控制与修复成为难题
  流域性水污染是我国水环境的重大问题,1995年国务院确定淮河、辽河、海河和太湖、巢湖、滇池为"九五"期间水污染防治的重点流域,并编制了这些流域的水污染防治规划。近年来,重点流域水污染防治工作取得较大进展,淮河、太湖两大流域的重点工业污染源已经基本达标排放,主要污染物的排放量削减了大约40%,水质污染得到初步控制。
  但我国大部分湖泊和部分河流、近海水体仍然存在相当严重的富营养化问题。近年来,时有湖泊蓝藻、绿藻等的季节性暴发现象,滇池、巢湖等湖泊富营养化造成的蓝藻问题依然存在,甚至湖泊水质达Ⅰ、Ⅱ类标准的千岛湖、洱海也每年暴发藻华。部分河流水域如汉江、珠江、葛洲坝水库等近年来也出现了水质富营养化。1998年3~4月间香港海域和珠江口的赤潮记忆犹新,9月份渤海又发生了3000 km2以上的大面积赤潮。水质富营养化问题给生态环境造成严重危害,经济损失也十分惨重。
  水体富营养化在我国已成为突出的环境问题。由于长期污染,造成水体中营养盐异常高的背景浓度,使水环境变得非常脆弱,外部条件的微小变化就会使水体营养状态发生急转,引起藻华频频暴发。在这种情况下,氮磷污染物控制与去除技术、水体富营养化发展态势预测、富营养化控制技术等方面的研究及相关技术的应用成为水环境污染控制日益紧迫的重要课题。
  3  工业污染的控制从单纯的末端治理转为清洁生产为核心的全工艺过程控制
  为了解决工业废水污染问题,许多国家的环境决策者提出了排放污染物最小化的概念,即从污染源头进行减量,变末端治理为对全工艺过程进行控制。同时发展高效、低耗的处理技术,以保障排放最小化清洁技术的实施。它作为防治工业污染,保护环境,提高工业企业整体素质,实现可持续发展战略的重大措施,已成为当今世界的发展潮流。1992年联合国环境与发展大会将排放最小化清洁生产列入《21世纪议程》,并制定计划在全球推行。
  在国际组织的支持、帮助下,我国在1994年建立了示范工程,并于1999年在3省市作全面试点。水污染排放最小化清洁集成技术包括先进生产技术、工艺改革、资源综合利用和污染物末端治理的综合技术,是综合预防的环境策略。
  我国污废水处理与回用技术经济水平,总体来说是效率低、成本高,缺乏水资源化处理的高效、低耗工艺及相应的设备,加上水价过低,污废水回用率当然低。这就成了制约污水排放最小化清洁集成技术研究和低水质水回用的进程的关键因素之一。
  国内外实践证明顺利推行污废水排放最小化清洁生产以达到节能、降耗、减污和提高生产效率的目的,必须建立排放最小化清洁生产实施机制,对企业施加压力和诱导的激励政策。
  4  从工业废水的单独分散处理转为城市污水的集中处理
  虽然发达国家的污染控制对象已经转向微量有毒有机物,致力于受污染水体水质功能的恢复,但广大发展中国家的污染控制对象仍然主要是有机污染物,以及氮磷营养物,遏制水污染和水质富营养化不断加剧的趋势仍然是艰巨的任务。因此,今后相当长的一段时期内,加强污染源的末端治理,尤其是城市集中污水处理厂的建设,依然是我国水污染控制的最主要途径。国内外的实践表明,在绝大多数情况下,采取城市污水集中处理的方式具有非常明显的技术经济优势。
  城市污水主要由居民产生的生活污水,城市各种公共设施产生的公民建污水和工业企业排放的工业废水组成。近年来,城市污水中生活污水所占比例呈逐年上升趋势,随着2000年底国务院"一控双达标"工作的完成,城市污水的集中处理将成为水污染治理的首要任务。
  5  小城镇污水处理已经提到议事日程
  我国目前拥有各种规模和性质的建制镇19200多个,随着乡镇企业的迅速发展和村镇人口的不断集中,小城镇的污水排放量不断增加,但绝大多数没有有效的污水处理设施。由于缺乏必要的污水收集和处理设施,不仅造成小城镇本身的环境污染日益严重,而且成为区域性水环境的重要污染源。例如,太湖流域现有各种规模的城市为7座,而小型城镇高达978个,小城镇的污水治理成为太湖水污染防治的关键。
  对于我国大量的小城镇,产生的污水量一般小于2万m3/d,通常在2000~5000 m3/d之间,属于小型污水处理厂范围。由于受经济发展水平偏低、处理要求偏高、可供选择的经济适用技术很少和运营管理经验严重缺乏等多方面的问题,与大中型城市污水处理厂相比,小城镇小型污水处理厂的设计、建设和运营更加困难。小城镇污水治理是今后我国水污染控制的重点和难点之一,与此相对应,小城镇污水治理技术与设备的研究开发也是当前需要加速解决的问题。
  投资省、运行费用省、工艺流程简单、处理效果好、运行管理简便的工艺及成套设备始终是国内外污水处理界所致力于研究与寻求的方向。对于小城镇污水,这样的需求更加突出。
  6  由工艺技术开发转向工艺、设备、工程、政策和经济的综合集成与产业化
  长期以来,我国的污水处理技术研究以单项优势为主,且偏重于工艺性能的研究,对不同处理系统的综合比较研究重视不够,综合性的比较研究和技术经济评价体系研究不足,研究成果缺乏足够的系统性、完整性和成熟性,在很长的一段时间内国外的新技术和新产品就不断冲击国内市场,国产产品总是无法在市场上占有一席之地。
  最近几年,以技术设备的集成性、成套性和高效实用为基础,与工程建设和运营管理密切结合的技术决策和质量保证体系的建立开始得到高度重视。这是因为当代污水处理已经形成向高科技和设备集成化发展的趋势。在发达国家,水处理工艺的创新往往和配套设备的开发融为一体,一种新工艺的问世通常伴随着专利设备的产生,工艺的先进性通过集成化的设备来体现,并由设备的市场获得主要经济效益。在国际市场上,具有工艺技术优势和设备开发集成能力的工程公司,已经成为承担水工业工程项目的主体,并且在我国也有非常成功的业绩。
  但多年来,我国对设备的开发相对滞后,进口设备占据了主要市场。由于我国城市污水处理相关设备制造企业分散且规模小,生产设备的总体质量差,成套能力弱,尤其是工艺技术与专用设备的开发和功能要求相脱节,不能依据各种水质水量变化特性实现处理工艺与相应设备的紧密结合、同步发展和整体化,从而在适用性、稳定性和可靠性等方面不能满足城市污水处理厂的建设和运行需要。这一状况已经引起国务院主要领导和业内人士的重视,污水处理设备国产化工作正大力度地向前推进。有必要调整科技发展的思路,将工艺研究和设备开发密切结合,在推广应用先进工艺技术的同时推出高质量的成套设备,为水工业工程建设和技术改造提供全面的技术支持。
  随着国家城市污水处理产业政策的调整,污水处理收费制度的推行,以及工程建设程序的国际接轨,招投标制度的全面实行,为污水处理及成套工艺设备产业的发展提供了必要的市场条件和竞争机制。
  7  污水处理水质控制指标不断增加并越来越严,技术与经济压力加大
  水环境污染和水质富营养化问题的尖锐化以及公众环境意识的增强,迫使越来越多的国家和地区制定严格的污水处理和排放标准,涉及的水质控制指标、内容和数值不断改进,越来越严。
  1998年1月开始实施的国家《污水综合排放标准》(GB8978-1996),对城镇二级污水处理厂的排放水质不仅有更加明确和详细的规定,而且对其中几项指标的要求更加严格,除了原来的二级排放标准外,新增了更加严格的一级标准,磷酸盐和氨氮排放标准的适用范围扩大到所有排污单位,此外,还增加了色度、pH值等20多个新项目。这不仅意味着新建污水处理厂所采用的工艺流程不但要具有很高的SS、BOD5、COD去除能力,而且要具有去除营养物、色度和某些特殊有机物的能力,同时意味着许多现有污水处理厂将面临着处理工艺的改造、运行方式的改变和出水水质的改善问题。因此,迫切需要通过综合性的研究开发,推广应用一批能满足新的排放要求、处理效果好、基建和运行费用低的污水处理新技术、新工艺和更新改造技术,解决城镇污水处理厂出水COD、SS、色度和氮磷等污染物指标的达标排放问题,为新标准的全面推行以及保护有限的水资源创造先行条件。
  8  城市污水处理领域科技发展重点方向建议
  8.1  城市污水治理的水质控制准则与技术规范支持体系研究
  具有良好时效性、科学性、适用性和可操作性的水质控制准则与技术规范体系是城市污水处理发展的必要技术基础、工程技术决策质量保障的关键,也是推广新技术成果的主要途径。
  近10多年来,城市污水处理的水质控制准则与技术标准规范的制定工作取得了较大的进展和可喜的成绩,但由于管理体制、资金来源和技术力量投入等方面的问题,依然存在不少需要改进提高之处,主要表现在:1)随着社会与技术的进步,一部分准则与技术规范已经不适合当前及今后的实际需要,需要更新;2)一部分准则与技术规范主要参照国外,需要针对国内实际情况进行适用性研究;3)一些准则与技术规范的技术指标及参数的确定缺乏系统的测试与试验研究基础,其科学性有待进一步改进;4)水质要求的不断提高、新技术的应用和市场化体制的建立,需要相应的新准则和新规范体系;5)在准则与技术规范制定过程中,许多高水平的科技攻关成果尚未得到体现;6)科技管理部门以及一些实力单位对水质控制准则与技术规范的制定工作,参与意识和重视程度有待提高。
  在信息方面,目前还没有真正意义的污水处理信息网络系统,信息收集和交流的技术手段落后,缺乏准确、可靠、及时的基础信息,成为城市污水处理综合服务与决策支持的薄弱环节。
  因此,在当前情况下非常有必要通过试验研究、生产性测试和技术总结评估,为我国城市污水处理的技术准则、规范的制订和改进,以及信息网络体系的建立提供准确可靠、翔实的试验研究数据和技术基础。
  建议主要内容包括:
  · 城市污水处理与回用水质分类控制准则的技术依据和相关实施技术研究;
  · 水处理工程设计、建设技术准则与规范的技术依据与实施技术研究:城市污水处理工程项目的科技评价准则、水质水量确定准则、设计规范、工程建设标准、工程设施运行操作规范的技术依据与相关实施技术;
  · 城市污水设备产品质量控制标准体系及其技术依据的研究:包括城市污水处理设备产品的总体控制标准、关键专用机械设备与器材质量标准及其技术依据、检测方法的研究;
  · 城市污水处理工程质量保障:工程项目设计、建设和运行的管理程序、评审准则与约束机制、质量控制程序与策略,管理评估的技术支持体系;
  · 城市污水处理基础信息与技术服务网络体系的构建:主要包括城市污水处理基础数据库、技术政策及其实施系统、项目管理评估系统、工程方案分析及专家支持系统、技术决策质量保障及控制策略系统、技术培训支持系统、网络信息服务系统的构建。
  8.2  城市污水处理集成化技术体系与综合示范
  如果缺乏政策、体制及运营机制的研究和示范,尤其是可供比较分析之用的集成化技术体系,单纯的工艺与设备技术发展就起不到应有的作用。实际上,这也是多年来我国科技攻关成果推广应用难、工程决策失误较频繁的重要原因。
  我国在城市污水处理技术发展与工程技术方案的确定和决策方面,一方面,长期以单项开发和引进为主,且偏重于某些工艺性能的考察,系统性和完整性方面的考虑不足,对不同处理技术的综合研究和技术、经济比较研究不够;另一方面,一些通用性、基础性的工程技术问题没有得到足够的重视和解决,加上管理技术、质量保证技术、性能测试和监控技术的薄弱,使污水处理工程设施的设计、建设和运行管理容易发生技术决策失误,某些"似是而非"的假冒伪劣技术产品和不成熟、不可靠的技术产品往往难以及时识别,从而造成难以挽回的损失。这也是近年来,不同时期流行不同工艺、一些工程技术方案的确定缺乏细化比较分析以及技术决策行政化的原因所在。
  经验教训已经表明,污水处理工程项目的立项审查、工程技术方案确定和工程设计评估评审不能仅仅停留在依靠设计单位和会议评审专家的层次,而应该逐步上升到同时依靠集成化的技术体系和研究成果的水平。就某一设计单位来说,掌握的技术和经验毕竟有限,就会议评审专家而言,邀请的范围与数量比较有限;而集成化的技术体系与示范研究成果是以国内外众多单位和专家的技术与经验为基础的。
  因此,非常有必要在"八五"、"九五"科技攻关的基础上,以水质净化与处理工艺为核心,开展城市污水集成化技术体系的开发、集成应用与示范,系统总结和评估已有的科研成果,筛选适用先进的技术,在规模化、工程化方面进一步开展攻关研究与技术示范,以可靠、实用、完善的集成化技术体系支持城市污水处理基础设施的建设和行业技术进步。
建议主要研究内容包括:
  · 城市污水水质净化与处理工艺集成化技术体系的研究开发:对已有污水水质净化与处理工艺的技术经济性能进行综合测定与评估,结合污泥产率、污水水质水量特性、通用计算模式等工程应用基础研究,进行污水水质净化与处理工艺技术体系的集成化开发;
  · 城市污水处理技术的综合评估与改进:通过对各种类型处理技术(包括各种节能降耗技术途径、氧化沟工艺、常规活性污泥工艺、厌氧处理工艺、除磷脱氮工艺、曝气技术设备等)的性能测试、评估和对比分析,为标准规范的重大更新和制定提供科学的依据;通过引进技术的生产性试验研究和消化吸收,进行创新性改进。
  · 城市污水处理厂综合性能改进与能力扩增技术:曝气系统生产性能测试和改进技术;运行维护和控制系统的技术改进,能力搭配的协调;处理系统内有机物的分布及其降解规律;不同类型微生物的微观分布及其对处理性能的影响;溶解氧分布与能量节省;混合液高效固液分离和出水SS降低的机理及控制技术;城镇与工业污水处理厂除磷脱氮改造技术和运行改进技术;低碳氮比除磷脱氮技术;内部碳源、水质特性改善和碳氮比需求降低技术;"同时硝化反硝化"机理和除磷机理;新型除磷脱氮技术的开发;难降解(有毒有害)COD和色度强化去除技术;
  · 城市污水处理通用工艺计算方法及软件:通过污泥产率及其影响因素研究,揭示各种不同计算方法的理论基础和正误,并填补参数试验值的国内空白;以最新的活性污泥数学模型理论为基础,进行全国性的污水水质特性刻画,为新技术与工艺计算方法开发、工程设计与运行提供基础信息;规范工艺设计计算方法,建立通用及统一的活性污泥工艺计算方法,开发统一的污水处理工艺计算软件;污水处理计算机控制技术与信息管理系统;
  · 污水处理通用与关联技术的研究开发与集成:主要包括城市居民用水规律、污染物排放规律及典型值研究,污水处理工程公用与附属设施的设计建设技术研究,水与污水处理系统安全防护与健康保障技术研究,工业废水对城市污水厂运行性能的影响及其控制技术研究等;
  · 城市污水处理技术的集成应用与示范:两段组合式好氧生物处理技术及工程示范;强化一级处理的物化-生物集成工艺及其工程化;城市污水的生态工程处理技术及工程示范;污泥堆肥技术的工程化和产业化;污泥厌氧消化成套工艺技术;高效快速厌氧污泥稳定化工艺;高效好氧污泥稳定化工艺;污水综合利用的集成化工艺技术与应用示范。
  8.3  城市污水处理成套工艺设备国产化、产业化开发
  我国从"六五"到"九五"期间,进行了水污染防治技术的科学研究,取得了显著的成绩,并与许多发达国家进行了广泛的技术交流和合作,引进了先进的技术和设备。尽管上述工作为实现水工业关键技术设备的集成化、产业化、国产化,形成较完整的水工业体系,奠定了初步的基础,但是已有科技成果的产业化率、以及相关的设备配套率仍相当低,已经成为限制我国污水处理行业健康、快速发展的"瓶颈"。特别是目前我国污水处理设备产业的主力军仍是乡镇企业,产品设备较落后,技术含量较低,生产规模较小,配套性和规格化较差,缺乏国际竞争力。
  因此有必要对一些已经开发成功的、对我国污水处理发展起关键作用的成套技术与设备进行产业化攻关,实现这些关键技术产品生产的规范化、系统化、成套化、产业化和市场化,逐步形成不同层次不同档次不同工艺类型的成套工艺设备供给能力,重点为处理能力为1~20万m3/d的处理系统,并兼顾县镇小型污水处理厂和分散工业点源污水处理的需求,从而达到覆盖所有处理规模的目的。依据实用性、适用性、经济性和可靠性的原则,采用自主开发和引进技术并重的方式,密切结合污水处理工艺的特点和创新发展,将工艺研究和设备开发密切结合,围绕强化一级污水处理、高效沉淀、中小规模污水处理、高效氧化沟、厌氧(水解酸化)处理处和水泵调速优化控制的技术和配套设备开发和产业化,重点发展以下关键设备:新型机械预处理设备,高效、高可靠度、低噪声的系列化曝气装置,高氧转移率、低阻力、长寿命的空气扩散设备,低压、耐污染膜分离设备,排泥设备,SBR工艺滗水器,污泥机械浓缩脱水,污泥消化及沼气利用设备,污泥处置与产品化利用技术设备,自动化控制系统及在线式连续测量仪表,智能化控制与管理软件,大流量、低扬程潜水泵,投药设备,水下推进器、潜水搅拌器,风机,阀门,等。
  8.4  城市污水处理的前瞻性关键技术研究
  在城市化和工业化进程中,我国一些地区的水污染十分严重,水质严重恶化,以至原本十分紧缺的水量不能得到充分利用,加剧了缺水危机。为了控制水污染对城市水资源可持续利用的不利影响,城市污水及工业废水的排放标准将更加严格,针对城市污水及工业废水深度处理与回用的技术也已经提到议事日程。这就是21世纪水工业发展面临的新问题。
  因此,对于新世纪水工业的持续发展,不但存在一些亟待解决的基础性和通用性技术问题,而且还需要研究开发新的工艺与技术来解决没有得到解决的问题以及新近出现的问题,因此,针对其中关键性和基础性技术的研究和经济适用新技术的开发将构成水工业持续发展的重要基础。  
建议主要研究内容包括:
  · 城市污水高效低耗处理技术、工艺与设备:主要包括针对适用于新排放标准的城市污水处理新技术、新工艺;含高比例工业废水或低碳氮比的城市污水处理技术;以城市污水回用为目的的深度处理新技术、新工艺;污水水质监测新技术和新方法;污水厂污泥处理、处置与利用新技术;城市污水的完全无害处置新技术等。
  · 适合小城镇特点的污水处理技术与设备:主要包括小城镇污水处理的技术政策与准则;小城镇污水收集、输送与预处理技术;生物强化与化学强化一级处理技术;简易物化-生化联合处理技术与工艺;厌氧/好氧高效低能耗污水处理技术;氧化沟技术的应用研究;生物滤池与其他固定膜法污水处理技术的应用;小城镇污水分散与简易处理技术与设备研究开发;中小型污水、污泥生态利用技术及工程示范;高浓度有机废水(畜禽、淀粉、发酵工业)处理技术;生物塘、土地处理及污水无害灌溉技术等。
  


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