文/同济大学 于水利
1.前言
1.1近代的市政水处理及存在的问题
近代的市政水处理是以保证水量要求为核心的，水质要求居于次要地位。处理技术主要有基于自然生态学的慢滤池（19世纪初英国发明），基于地球化学的快滤池技术（20世纪初美国发明），以及基于生物、化学氧化的有机物处理技术（20世纪初欧洲发明）。这些处理技术基本是模拟大自然对污染物的作用、分离，具有很大的随机性，对水质的保障不可靠。再加上近代的市政水处理强调水量，忽视水质，水系统是开环的，没有形成循环，所以导致21世纪城市水环境的严重恶化，水资源的极度贫乏，排放到水环境中的有毒有害污染物使生态环境，特别是人和动物的健康存在现实的或潜在的威胁。
1.2二十一世纪市政水处理工艺与系统的构建
地球的全部水量约为136×107 km3，其中海水资源132.3×107 km3，占97.3%；淡水资源（地表水）3.67×107 km3，占2.7%；人类可利用的水资源193.25×103 km3，占0.0141%；其它的水资源，例如冰川、蒸汽和深层地下水等不能被人们利用。进入二十一世纪，有限的水资源，已经不适应世界人口和经济的持续增长，对水的需求，特别是十九世纪和二十世纪发明的、以保证水量为核心的市政水系统，对经济持续增长的阻碍作用日趋明显，江河断流、水库干涸、地下水位下降以及频发的水污染事件，就是其突出的表现。因此，构建二十一世纪新型的市政水系统是当务之急。
新型的市政水处理系统的构建，需要符合以下原则，（1）要根据不同地区的历史、文化和地理位置的差异，并考虑当地民众的风俗习惯，在现有水系统的基础上改建或新建本地区的最优化的水系统，打破市政水系统型式的统一化、通用化；（2）新型的市政水处理系统不仅要满足当地民众对水的质和量的需求，而且，从生态学角度，还必须满足环境容量以及当地水资源容许开采量等要求；（3）新型的市政水系统，要突破供水水质的均一化，采用根据不同用户的水质要求，提供相应的水质的方略。例如，饮用水提供更高质量的健康水，对与其他用水可以利用废水回用；（4）为了节约水资源，减轻环境负荷，新型的市政水系统应该是循环型的，即实现用水、排水、处理、重复利用的闭环循环。从而实现新型市政水系统，可保证人类健康、对环境友好、省能的目标；（5）分散的小系统与大规模的循环系统相结合。
1.3膜技术与市政水系统
膜技术是美国在上世纪后期发明并开始应用的，膜技术与以生态原理及地球化学原理的水处理技术的最大区别，在于它是一种仿生技术，模仿人或动物的功能膜系统分离水中的各类污染物，因此膜技术较传统的水处理技术更具功能化、可靠性更高。另外，因为膜分离的时间非常短,使得膜设备的体积相对较小，特别是膜分离能可靠地分离水中的病原体（例如：隐孢子虫、贾第虫等），使其处理水的生物安全性得到保证。
实现市政水系统的循环，需要遵循1.2的原则，但必须具有相应的处理技术相配套，而膜技术可能是实现市政水良性循环的关键技术。因为从理论上讲，功能不同的膜，可以应对任何需要处理的原水，也可以制造出人们不同要求的各种水质的水。为了节省能耗，分散式的水循环系统是新型市政水系统中重要组成部分，分散式的水循环系统正是膜技术发挥其工艺过程设备化、灵活、简便等特点的领域；污水的循环利用不能以牺牲用户的用水质量为代价，膜技术能可靠保证污水回用水水质，是实现市政水系统循环的关键；提供健康饮用水也是膜技术具备的功能之一，当前大量的优质饮用水处理工程、桶装水等就是例证。
2.以膜为核心的市政水处理
2.1膜-生物反应器（MBR）
膜生物反应器工艺（MBR工艺）是膜分离技术与生物技术有机结合的新型废水处理技术，也称膜分离活性污泥法。膜-生物反应器通常有两种形式，一是内置式一体化膜-生物反应器（见图1），二是外置式膜-生物反应器（见图2）。
内置式一体化MBR的特点是，设备紧凑，操作压力小（能耗低），但其单位膜面积出水量相对较小。外置式MBR的特点是工作压力高，出水量大，不过其能耗高，膜面流速高（2-4米/秒）。
膜生物反应器工艺（图4），与传统的城市生活污水深度处理工艺（图3）相比，具有流程简单化，适应水量变化，占地面积小，污泥量小，处理水不需要消毒，便于实现自动化等特点。
鉴于MBR独特的性能，近年来在我国污水资源化领域越来越受到青睐。截止到2009年底，在我国采用MBR工艺，规模>1万m3/d的MBR工程约30个，最大规模：湖北省十堰市神定河MBR工程（设计能力11万m3/d）。2010年已有7个大型MBR在建，累计处理能力>33万m3/d。2011年数个大型MBR工程已签约。
2.2膜法特种废水处理
废水处理中除了生活污水外，还有很多很难处理的废水，例如造纸废水、屠宰废水、印染废水、垃圾渗滤液等。这些废水的显著特点是，有机物浓度高、生物降解困难（可生化性差），对环境的危害大，传统的污水处理工艺很难解决这类水处理问题。而膜分离是靠膜孔的截留作用去除污染物的，这种去除作用只跟污染物的尺寸有关，污染物的物化、化学性质对去除效果的影响较小。因此，我们认为膜分离是这类废水处理的理想技术。下面以垃圾渗滤液为例介绍特种废水的处理工艺。
填埋、焚烧、堆肥是垃圾处置的三种主要方式，我国以填埋方式应用最多，约占80%。该三种处理方式都会产生渗滤液，但填埋方式产生的渗滤液具有量多、时间长、变化大、含盐量、有机物、氨氮浓度高的特点，是渗滤液中处理难度最大的一种。渗滤液中的难生物降解有机物多，高盐分、高氨氮、低C/N比是处理的难点，而去除总氮是难点的核心。
2008年国家环保局发布了《生活垃圾填埋场污染控制标准》GB16889-2008 。
目前膜组合工艺，在国内外已经成为垃圾渗滤液处理的主导工艺（图5）。
图5 膜法垃圾渗滤液处理工艺
图5的工艺，利用UF、RO与生物处理、过滤等组合，实现对渗滤液中有机物、氮、磷、悬浮物、色度、微生物、重金属的去除。成都市固体废弃物卫生处置场垃圾渗滤液处理工程，是我国第一个按《生活垃圾填埋场污染控制标准》GB16889-2008新建的大型渗滤液处理工程，该工程日产清水水量超过1000m3/d，采用图5工艺。2008年12月31日通水，到目前已经连续运行了一年多，出水水质良好，工艺运行稳定可靠。
2.3以膜为核心的饮用水处理
我国2007年7月1日颁布了新的《生活饮用水卫生标准》(GB5749 - 2006)，检测指标从35项提高到了106项。目前我国自来水厂，除了北京、上海、广州、深圳等一线城市外，都是采用传统的混凝沉淀过滤和消毒工艺，该工艺的处理水水质很难满足新的《生活饮用水卫生标准》。
膜分离是饮用水深度处理的一种很好选择。目前在饮用水处理领域应用最广泛的是超滤膜和微滤膜，因此，在饮用水深度处理中通常是将膜与其它工艺组合，达到同时处理水中悬浮物、病毒、细菌和有机物的目的，目前常用的饮用水深度处理工艺有：一.原水+混凝+膜分离（UF或MF）+消毒；二.原水+混凝+沉淀+膜分离（UF或MF）+消毒；三.原水+混凝+沉淀+活性炭+膜分离（UF或MF）+消毒；四.原水+混凝+沉淀+臭氧+生物活性炭+膜分离（UF或MF）+消毒。以上工艺可根据不同的水质灵活选用。
3.结论
（1）膜分离是实现市政水系统良性循环的关键技术和工艺；
（2）膜组合工艺工艺可以解决饮用水安全问题；
（3）降低膜成本、控制膜污染是膜技术在市政水领域推广应用需要解决的关键问题。
注：于水利（1962-），男，教授/博导，研究方向为膜分离与饮用水处理技术，Email:ysl@tongji.edu.cn
*国家863计划（2008AA06Z304）、国家自然科学基金（50778050及50978068）、国家科技支撑计划重点项目（2006BAJ08B09）及国际科技合作项目（2010DFA92460）
