其實，提高污水廠能耗自給率不算新的理念，幾十年來，世界各國一直在追求污水廠實現“能耗自給”、或者“碳中和”征途中嘗試各種各樣的技術路線，并取得了成熟的經驗。當時間進入21世紀的時候，這個問題更加得到了世界上發(fā)達國家和地區(qū)的重視，一些國家就此提出了自己國家應對未來的污水廠能耗削減、提高能耗自給率的遠期規(guī)劃。

荷蘭、新加坡、美國都制定了應對2030年的污水廠能耗自給或碳中和技術路線。

一、荷蘭的NEWs技術路線圖

可持續(xù)污水處理理念早在20年前便已在歐洲出現，對可持續(xù)污水處理技術的釋義，van Loosdrecht教授剛剛在《Science》上闡述了他對未來污水處理技術發(fā)展的預測，荷蘭STOWA于2008年將這一理念高度概括為營養(yǎng)物+能量+再生水工廠的“NEWs框架”，NEWs是英文Nutrient（營養(yǎng)物） + Energy（能源） + Water （水）factories（工廠）詞組的縮寫，表示可持續(xù)理念下的污水處理廠其實是營養(yǎng)物、能源和再生水三位一體的生產工廠。

在此基礎上，荷蘭專家組提出了幾個具有代表性、亦能引領2030年NEWs框架目標的營養(yǎng)物回收、能量回收、再生水概念工藝，并在污水處理基本流程與現有技術的基礎上分別提出了三種不同側重的概念工藝（分見下圖）。

 

評論：荷蘭的2030年NEWs技術路線圖提出的未來污水廠技術路線是基于營養(yǎng)物回收、能量回收、再生水三個方面需求而提出的有針對性的工藝流程。NEWs理念不倡導對原有污水處理系統(tǒng)的推倒重來，而是建議每座污水廠要因地制宜。

 

二、新加坡2030年污水發(fā)展技術路線

新加坡水務局PUB制定出3個關鍵評價標準：出水水質、能源可持續(xù)性、環(huán)境可持續(xù)性。

基于此標準，分析相關污水處理技術水平和節(jié)能降耗效果，已制定出污水處理工藝能源自給率三階段目標：

①近期目標（2017年）——改造棕色水廠（Brownfield）。

②短期目標（2022年）——關閉部分棕色水廠，新建綠色水廠（Greenfield）。

③長期目標——未來綠色水廠（Greenfield）。利用目前實驗室中試技術（或建議技術），使能源自給率超過100%，并降低剩余污泥產量。

案例如下：

1 棕色水廠改造案例（烏魯班丹再生水廠）

棕色水廠改造將在未來5年內集中進行，通過技術升級和設備改造去實現40%的能源自給率計劃目標。目前，新加坡共有4座再生水廠：樟宜、裕廊、克蘭芝及烏魯班丹。再生水廠改造主要包括基礎設備改造和工藝改造兩部分，其中基礎設備改造主要以提升設備效率、降低能耗為手段，以達節(jié)能降耗目標。工藝改造則以增加側流ANAMMOX自養(yǎng)脫氮工藝、MBR及污泥預處理手段為主，以降低能耗。

烏魯班丹再生水廠改造將從減少能耗，增加產電量入手。具體工藝改造措施包括:對污泥實施預處理、采用MBR工藝、增加側流ANAMMOX工藝。備升級措施為:采用高效智能化控制、通過變頻器與進口葉輪控制優(yōu)化鼓風機效率并應用微孔曝氣；同時，利用高效沼氣發(fā)電機代替原有雙燃料發(fā)電機，以提高產電量。

 

圖2 烏魯班丹再生水廠計劃改造

 

2 新建綠色水廠案例（大士再生水廠設計）

在未來5~10年中，新加坡PUB將建設能源自給率更高的再生水廠，以達到其設定的短期目標。新建再生水廠工藝選擇主要參考三方面內容：

①將進水中有機物（COD）先于生物處理工藝截留并轉化為能源（CH₄）；

②減少生物處理曝氣的使用量；

③提升水廠能源產量。新建再生水廠除優(yōu)先采用MBR、側流ANAMMOX、污泥預處理等技術外，同時還將考慮采用生物強化吸附預處理（Bio-EPT）、升流式厭氧污泥床（UASB）、短程反硝化（Nitrite-shunt）工藝，并考慮廚余垃圾厭氧共消化技術（Food waste co digestion），進一步提高水廠能源自給率。目前，新加坡PUB正計劃建造大士再生水廠，將于2016年開工新建，并于2022年投入運行，其工藝流程如圖3所示。

圖3 大士再生水廠生活污水

3長期目標——未來綠色水廠

新加坡未來綠色水廠目標是，2030年后達到能源自給自足、實現碳中和運行目標。兩個再生水廠工藝方案目前正在實驗室中進行測試。在長期目標中，主流ANAMMOX工藝是最有可能實現再生水廠能源自給自足的保障工藝。為此，新加坡將加大對這一工藝的研究力度。

 

評論：新加坡的2030年污水技術路線主要側重于污水處理過程能耗的自給，盡最大可能將污水中的COD轉化為CH4并發(fā)電產能。也是重視對進水碳源的捕獲和富集技術。同時重視厭氧氨氧化技術在側流和主流工藝的應用。

三、美國2030年污水廠能耗自給技術路線

歐美等國家紛紛提出未來污水處理要走碳中和運行之路，美國水環(huán)境研究基金（WERF）更是制定出至2030年所有污水處理廠均要實現碳中和運行的目標 。

位于美國威斯康辛州的希博伊根（Sheboygan）污水處理廠很早便認識到了污水處理可持續(xù)性和能源獨立的重要性，于2002年參與“威斯康辛聚焦能源（Wisconsin Focus on Energy，FOE）”項目，確立了“能源零消耗”的運行目標和實施計劃。

1 工藝概況與處理效果

希博伊根污水處理廠始建于1982年，采用傳統(tǒng)活性污泥法工藝。1997年—1999年該廠進行了工藝升級改造，具體流程見圖1。

圖1 希博伊根污水處理廠工藝流程

2 能源回收與節(jié)能

希博伊根污水處理廠在能源利用上從開源、節(jié)流兩方面入手，具體措施為增加能源回收效率和減少處理工藝能耗，逐步朝著“能源零消耗”的目標邁進。

在開源方面，希博伊根污水處理廠利用熱電聯(lián)產（CHP）技術充分利用污泥厭氧消化產生的生物氣體（CH₄）產電、產熱。同時，通過向剩余污泥中投加高濃度食品廢物（HSW）實現厭氧共消化，以加大生物氣體產出量（2012年增量達200%）。

在節(jié)流環(huán)節(jié)，希博伊根污水處理廠自籌資金近110萬美元，更新水泵變頻機組（節(jié)能20%）、鼓風機系統(tǒng)（節(jié)能13%）、氣流控制閥（節(jié)能17%）、加熱設備以及相關的自控系統(tǒng)（PLC和SCADA），最大限度降低污水處理關鍵設備的能耗。

通過開源與節(jié)流措施，到2013年希博伊根污水處理廠已實現了產電量與耗電量比值達90%~115%、產熱量與耗熱量值達85%~90%的佳績，基本接近碳中和運行目標。

評論：

對現有污水廠進行改造，提高處理過程的能耗自給率，而不是推倒重來或者完全新建能耗自給的污水廠，這種因地制宜的做法值得借鑒。同時，外源有機物協(xié)同厭氧消化或許為我們提高污水廠能耗自給提供了成熟的經驗參考。

 

四、中國2030年污水處理概念廠

201年，以曲久輝院士為主的六名行業(yè)專家提出了“建設面向未來的中國污水處理概念廠“，初步認同概念廠應包含但不限于以下四個方向的追求：

1. 使出水水質滿足水環(huán)境變化和水資源可持續(xù)循環(huán)利用的需要；

2. 大幅提高污水處理廠能源自給率，在有適度外源有機廢物協(xié)同處理的情況下，做到零能耗；

3. 追求物質合理循環(huán)，減少對外部化學品的依賴與消耗；

4. 建設感官舒適、建筑和諧、環(huán)境互通、社區(qū)友好的污水處理廠。

 

評論：

中國污水處理概念廠的提出雖稍遲于上述幾個國家，目前暫時也尚未看到明確的工藝技術路線的公布。但在技術理念方面，總體上涵蓋了上述幾個國家提出的技術思路并有創(chuàng)新之處，就是明確提出并強調了”追求物質合理循環(huán)，減少對外部化學品的依賴與消耗”。筆者認為，這一點非常重要，表明我們的污水處理過程追求綠色、可持續(xù)！而不僅僅是單方面追求能耗的自給程度。但是追求物質合理循環(huán)、降低化學品的消耗這一點實際上是有些模糊的，到底未來中國概念廠合理物質循環(huán)如何實現，對化學品的依賴能降低多少，比較的基準是如何確定的，尚待觀察。

但是有前述若干發(fā)達國家的2030年污水處理技術發(fā)展路線規(guī)劃、及多座“碳中和”實際的案例經驗可以供我們借鑒，因此，我們有理由對中國概念污水廠充滿期待！