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标题: 污水资源化新途径膜过滤用于农业灌溉 [打印本页]

作者: zhouye 时间: 2012-12-21 09:44
标题: 污水资源化新途径膜过滤用于农业灌溉
[ 摘要 ]
   现代膜分离技术几乎能100%地筛滤污水中的病原菌和病毒，而其它溶解性营养成分则被大部分保留。因此，污水直接经膜过滤后的出水实际上就是一种植物生长所需的"营养液"。作为一种新的污水资源化方式，介绍了膜分离技术直接过滤污水后农灌的思路、国际研究动态，并阐述这一途径对有效解决我国水环境问题所带来的启示。
  [ 正文 ]
   由于全球性水资源短缺问题，污水城市资源化与雨水城市利用等问题已引起人们的广泛关注。污水城市资源化与雨水城市利用虽目标为非饮用水，诸如冲洗厕所、浇洒道路、灌溉绿地、冲洗车辆、补充水景、建筑用水等场合，但满足水质要求一般需要二级以上的处理程度。为满足水质要求而被去除的污染物通常为悬浮物、浊度、有机物、病原菌/病毒，甚至还包括氮、磷等植物性营养元素。

   　　在污水资源化问题上，过去人们虽然也提倡过污水农灌，但现在似乎很少有人对此再感兴趣，其中不少理由显得有些牵强。无论怎样，农业是人类活动中最大的耗水用户，对水质需求在全部用户中也最低。如此说来，与其将污水中所谓污染物质去除后再直接或间接配合施肥灌溉农田，倒不如将污水中对农作物生长有益的有机物、氮、磷、钾等营养成分保留下来，让它们与水一道作为"营养液"灌溉农田。实际上，生活污水（或城市污水）中只有病原菌和病毒才称得上是对人体健康构成危害的成分。只要以适当处理方式将污水中的病原菌和病毒去除殆尽，污水便能直接灌溉农作物。这样一来，不仅实现了水、肥资源的双重生态循环，还能省去为去除有机物与氮、磷而必需的二三级处理工艺。可见，污水在去除病原菌和病毒后直接灌概农田不失为一种经济、有效且接近生态的资源化方式。

   1　适合农灌的污水与病原菌去除方法

   　　与传统的土地处理法不同，此处污水灌溉农田限定为生活污水（或严格控制的城市污水），并限定仅在农作物生长期实施灌溉，以确保营养物（即污水中的污染物）主要通过作物吸收而转化。为此，象硝酸盐氮污染地下水这样的环境问题便不易出现。对农作物生长而言，污水含盐量是需要特别注意的有害成分，因为各种农作物对水中盐分的耐受程度是不一样的。

   　　因此，被选择用于污水灌溉农田的适当技术除要求有完全的病原菌和病毒去除能力外，也应具有一定的脱盐效果。在此方面，膜分离技术具有明显优势，只要所选择的膜孔径恰当，不但病原菌/病毒能够被较为完全的筛滤，一部盐分也能被脱除。研究发现，即使是微滤膜也能对细菌和病毒起到良好的分离效果［1～2］。例如，一体式中空纤维膜（膜孔径0.1 μm）处理生活污水，其膜过滤出水中大肠菌群数小于1 个/mL［2］。研究人员把孔径为0.03 μm（超滤）和0.1 μm（微滤）的膜过滤出水进行比较发现，膜孔径的大小对病毒的去除影响不大，二者出水中的病毒浓度在同一个数量级上，运行稳定时病毒含量都在10 PFU/mL［3］。由此可见，直接用超滤或微滤膜过滤污水，完全可能达到去除细菌和病毒的目的。随着制造工艺的提高和市场发展的趋势，膜分离技术的性能已变得越来越好，膜的价格也越来越低。为此，有人已将膜分离技术喻之为"21世纪的水处理技术"。污水直接膜过滤用于农业灌溉的原理见图1。


   图1　污水膜滤用于农灌原理

   2　膜分离技术在污水处理中的应用范围

   　　继膜分离技术自20世纪60年代被引入污水处理领域以来［4］，它们的应用范围基本上分三种类型，且均与生物处理配合使用，属于两种技术的有机结合:

   　　 (1)固液膜分离-生物处理方法采用超滤（UF）或微滤（MF）膜组件截留生物污泥并使之回流生物反应池［5］；

   　　(2)气体渗透膜用于生物处理反应池，实现无气泡氧转移给细菌利用。同时，膜也用作生物膜生长的支撑介质，使氧透过介质膜从一侧转移至生物膜，而营养物从另一（液体）侧向生物膜转移［6］；

   　　(3)提取膜（非多孔性硅树脂膜）工艺被设计用于从有毒工业废水中提取（转移）可降解的有机污染物，供后续的生物处理单元降解［7］。

   　　膜分离技术直接用于过滤原污水的研究与应用还不多见，目前仅在韩国、澳大利亚和荷兰等地进行过相关的试验［8～10］。其中，只有荷兰正在进行的试验以膜直接过滤原污水用于农业再循环利用为目的。
  3　污水膜过滤效果与应用前景分析

   　　荷兰研究人员使用孔径为0.03 μm管状膜，进行了直接过滤城市污水的试验［10］；试验用原水水质为：SS 142～235 mg/L, 浊度 98～192 NTU, COD 430～740 mg/L, BOD 155～280 mg/L, 总氮 43～93 mg/L, 总磷 4.4～10.5 mg/L。试验结果表明，在膜的污水通量达100 L/(m2·h·bar)(1 bar=105 Pa）的情况下，对悬浮物、浊度、有机物、营养元素、细菌、病毒等的去除率分别为：悬浮物99.99%，浊度99.99%，COD 60%，BOD 50%，总氮20%，总磷40%，K+ 20%，Cl-10%，细菌99.99%，病毒99.99%。从试验结果看，经膜直接过滤后的污水是仅含溶解性植物营养物质的无（病原）菌无（病）毒、透明度很高的液体，是一种名副其实的植物"营养液"。

   　　荷兰研究人员在他们试验研究结果的基础上，结合农作物生长对水分与肥分的特定需求参数，进行了污水灌溉农田时作物生长期间水分与肥分的物料平衡计算［10］。以半干旱地区种植小麦、大豆、玉米三种旱作作物为例，来自一个5000当量人口城镇污水经膜直接过滤后可灌溉10 hm2面积的土地，并提供充足的作物养分。

   　　参照我国生活污水（或城市污水）水质特征，对比现行《农田灌溉水质标准》（GB5084-92 ），膜直接过滤后的污水完全可以满足旱作作物灌溉水质需要，甚至有可能用于水作作物和蔬菜种植。中国是一个农业大国，农业用水量占全国总用水量的80%以上，同时，农作物生长对肥料的需求也非常大，因此，污水农业资源化潜力巨大。综合中国水资源短缺与水污染并存的水环境现状以及资源匮乏与财力有限的现实，污水直接膜滤后灌溉农田不失为一种经济有效的污水处理与利用方式，特别适合小城镇分散式处理。

   　　在强调可持续发展的今天，生态经济（或循环经济）将逐渐在全球成为主要经济发展模式，它是21世纪世界各国环境保护必然的战略选择，因为它能有效地化解环境与发展之间的尖锐矛盾。经过工业革命近300年的消耗之后，可供人类利用的自然资源已经所剩无几，人类必须寻求新的发展道路，生态经济正是最重要的选择之一。新的文明时代必然伴随着新产业的出现，废物/水再利用产业的兴起就是人类社会步入环境文明时代的重要标志，是历史发展的必然趋势。污水直接膜过滤能达到"去除糟粕，保留精华"的目的，它的研发创意便直接源于生态经济的思想，它能最大程度地促使水分与养分的循环和持久利用。

   　　参考文献

   1　 Magara Y，Itoh M. The effect of operational factors on solid/liquid separation by ultramembrane filtration in a biological denitrification system for collected human excreta treatment plants. Water Sci and Tech, 1991, 23: 1583～1590

   2　Ueda T， et al. Treatment of domestic sewage from rural settlements by a membrane bioreactor. Water Sci Tech,1996, 34: 189～196

   3　Chiemchaisri C， et al. Organic stabilization and nitrogen removal in membrane separation bioreactor for domestic wastewater treatment. 　*" Water Sci Tech, 1992, 25: 231～240

   4　Smith C W， et al. The use of ultrafiltration membrane for activated sludge separation. In: Proceeding of the 24th Annual Purdue Industrial Waste Conference. Purdue University, West Lafayette, Indiana, USA, 1969, 1300～1310

   5　Anderson G K， et al. Crossflow microfiltration: a membrane process for biomass retention in anaerobic digestion. In: Proceedinsg of the 4th World Filtration Congress. Royal Flemish Society of Engineers, Brussels, Belgium, 1986, 2(11): 75～84

   6　Hirasa O， et al. Preparation of new support for immoblization of activated sludge. J Ferm Bioeng, 1991, 71(5): 307～309

   7　Livingston A G. Extractive membrane bioreactors: a new process technology for detoxifying chemical industrial wastewaters. J Chem Technol Biotechnol, 1994, 60: 117～124.

   8　Ahn K H， et al. Application of tubular ceramic membrane for building wastewater reuse. In: Proceedings of IAWQ 19th Biennial Conference. Vancouver, Canada, 1998, Book 4: 136～143

   9　Hudman J F， et al. Performance of the Memtec MembioTM prototype plant at Cronulla sewage treatment plant. In: Proceedings of AWWA 16th Federal Convention. Sydney, Australia, 1995, 83～90

   10*"Evenblij H， et al. Direct reuse of membrane filtrated raw wastewater. In: Proceedings of Conference from Nutrient Removal to Recovery. Amsterdam, the Netherlands, 2002,67～76



   北京市教育委员会科技发展计划资助项目(KM200310016072)。



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   　Technisch Universiteit Delft, Delft, Nederlands
   　(荷兰代夫特工业大学土木与地质工程学院卫生工程系)

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