给水排水 | 分散式处理技术在城市/农村地区的创新应用

张俊一 1647
文章来源:张俊一
  分散式处理是对现有城市供水和污水系统的有效补充,它能解决农村地区不安全的供水和卫生条件差的问题,并促进水和资源的原位回收和再利用。广泛应用于集中式处理系统的技术可能并不总是适用于具有更复杂多样的小规模分散式系统。本次大会有关于城市/农村地区分散系统先进技术和理念的研究和实际应用,重点关注源头分离、处理、再利用,以及风险控制和运维的优化。厕所革命和新公共卫生运动

  受厄尔尼诺现象影响,在过去20年里我们遇到越来越多的极端旱灾和水灾。例如南非,内陆地区降雨频繁,而处于地中海气候的开普敦却在近年面临严峻的旱灾挑战。南非水研究委员会(Water Research Commission)的首席执行官Dhesigen Naidoo教授表示,除了自然气候变化意外,基础设施的不足也是水资源短缺的因素之一。他表示有很多方式可以增加水资源,例如收集雨水、居民和工业用水的回用,海水淡化等。

  虽然我们看到寻找更快更智能的解决方案的动力和需求,但是这些问题分散在不同部门,而且问题也不仅限于水,所以让许多政府和地区不知从何做起。另一方面,发达国家的解决方案往往不能在发展中国家大规模复制,因为受到了金融、税收、基建、人力、水和能源等各种资源的限制。发展中国家目前主要还是依靠原位公共卫生系统,但这也带来了糟糕的用户体验和粪便污泥的安全清理处置的问题。面对这样的困境,Naidoo教授提出了以“新公共卫生” New Sanitation)为核心打造新循环经济的概念,他认为这可能是我们开启通往循环经济之门的钥匙。

  

  Naidoo教授说的“新公共卫生”就是在此多重多种新技术和平台组成,提供安全和有尊严的公共卫生服务,一方面耗水量低,甚至零耗水,另一方面有着无与伦比的废物回收分流系统。盖茨基金会的“厕所革命”推动这个理念的重要催化剂,他们召集了一支全球化的团队重新定义废物管理。

 

  Naidoo教授和同样来自WRC的SudhirPillay博士介绍了他们在南非推广的最新进展,如何通过和大学以及企业的合作将理念变成实际应用:例如盖茨基金会联合WRC,加州理工大学和中国江苏宜兴艾克森公司打造了一款能源和水自给的集装化、模块化的厕所设备就是一个很好的例子。他通过上下两者韦恩图来让我们重新审视水-能源-食品-社会的关系。

  纳米膜材料

  来自Cranfield University的Ewan McAdam博士介绍了基于纳米膜的新型厕所设计。在他的研究中,纳米膜厕所作为单独的卫生系统引入家庭,并且有独立的供电系统。

 

  为了解决粪便污泥特征信息的缺乏,他此前先对粪便污泥的沉降速度和回收量进行了评估,最终选出了两阶式冲洗模式实现尿粪的固液源头分离。他也已开发一个小型的燃烧室处理粪便污泥,化学氧化的效果也得以验证有效,产生的低等级热量随后用于为处理尿液的热驱动膜分离提供蒸气压梯度。重要的是这项研究表明,通过将这种模块化组件整合而成的纳米膜厕所,可以为单一家庭提供完整的卫生设施,无需依赖外界电能。

 

  McAdam博士的研究也得到了盖茨基金会“厕所革命”项目的资助。他表示下一步还需要对原型进行优化,毕竟现有的系统还是过于复杂。

  电化学技术的研究进展

  在各种新兴的处理概念中,生物电化学系统(BES)利用微生物和电极的作用,能同步实现污水处理和资源回收,已经在处理各类废水的研究中显示不错的潜力。本届大会上我们也看到不少相关的研究进展。来自清华大学的左魁昌博士介绍了一项结合了中空纤维膜的微生物脱盐电池(HFM-MDC)技术。他搭建的系统如下所示:

 

  在用实际污水运行105天后,淡水转化率为86%,相应浓缩液(14%)的电导率为初始的6.7倍和并回收了98.7%的磷(40.9±4.9mg / L)。通过化学在线反冲洗和曝气,HFM的跨膜压力控制在≤20 kPa。他表示关于膜的生产和运行仍有待进一步的研究。

  来自中科院生态环境研究中心的胡承志博士则介绍了基于新型电化学的超滤膜反应器。它的电凝聚(EC)和电氧化(EO)被整合到一个反应器中,超滤膜组件被放置在电极之间的电场区中,目的是改善出水水质并减少膜污垢。

 

  由于形成了极化滤饼层,在较高的电场强度下形成的EMR显示出较高的孔隙率和亲水性,因此EMR显示出比传统的EC和UF组合更高的水通量。EO通过分解腐殖酸(HA)分子(例如羧基官能团和芳香族结构)来调节滤饼层的形态,从而得到更多孔隙的滤饼层,而EC增加了滤饼层的亲水性,从而缓解膜污染。与EC-UF相比,EMR占地面积更小,并且由于改进的抗污染性和更紧凑的反应器设计,EMR也可降低能耗。他认为这种系统适合中国农村地区的分散式饮用水处理。

  


  厌氧膜生物反应器与厌氧氨氧化技术的结合

  日本国立东北大学的李玉友教授对日本污水处理技术的应用和研究成果进行了最新的回顾。讨论了各系统的有效性,环境效益和实际应用的现状,包括集中式工厂和分散式系统,其中包括了日本经典的净化槽(Johkasou)技术的各种具体应用。

  

  他重点介绍了基于厌氧MBR和厌氧氨氧化的低碳设计:日本早在2000年就有了第一个AnMBR的工程应用,研究也从早期的产氢发展到如今处理市政污水。而他自己的实验室从2011年起就开始对anammox的研究。李教授表示学术圈对两种工艺已经分开研究了很长的时间了,但对于其结合应用的研究却很少。

  他的团队搭建的小规模实验系统由一个运行体积为20 L的AnMBR和一个含有悬浮载体的7 L单阶厌氧氨氧化反应器组成。这个新概念系统在日本仙台的Senen污水处理厂,已经运行了200多天。AnMBR的HRT已成功缩短至6小时,而单阶厌氧氨氧化反应器的HRT成功缩短至2小时。他表示在收集更多数据后会就这套创新结合型工艺的表现再作详细报告。

  

标签:水处理

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