其實(shí)，提高污水廠能耗自給率不算新的理念，幾十年來(lái)，世界各國(guó)一直在追求污水廠實(shí)現(xiàn)“能耗自給”、或者“碳中和”征途中嘗試各種各樣的技術(shù)路線(xiàn)，并取得了成熟的經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)間進(jìn)入21世紀(jì)的時(shí)候，這個(gè)問(wèn)題更加得到了世界上發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的重視，一些國(guó)家就此提出了自己國(guó)家應(yīng)對(duì)未來(lái)的污水廠能耗削減、提高能耗自給率的遠(yuǎn)期規(guī)劃。

荷蘭、新加坡、美國(guó)都制定了應(yīng)對(duì)2030年的污水廠能耗自給或碳中和技術(shù)路線(xiàn)。

一、荷蘭的NEWs技術(shù)路線(xiàn)圖

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

在此基礎(chǔ)上，荷蘭專(zhuān)家組提出了幾個(gè)具有代表性、亦能引領(lǐng)2030年NEWs框架目標(biāo)的營(yíng)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(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上分別提出了三種不同側(cè)重的概念工藝（分見(jiàn)下圖）。

評(píng)論：荷蘭的2030年NEWs技術(shù)路線(xiàn)圖提出的未來(lái)污水廠技術(shù)路線(xiàn)是基于營(yíng)養(yǎng)物回收、能量回收、再生水三個(gè)方面需求而提出的有針對(duì)性的工藝流程。NEWs理念不倡導(dǎo)對(duì)原有污水處理系統(tǒng)的推倒重來(lái)，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(shù)路線(xiàn)

新加坡水務(wù)局PUB制定出3個(gè)關(guān)鍵評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：出水水質(zhì)、能源可持續(xù)性、環(huán)境可持續(xù)性。

基于此標(biāo)準(zhǔn)，分析相關(guān)污水處理技術(shù)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(biāo)：

①近期目標(biāo)（2017年）——改造棕色水廠（Brownfield）。

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

③長(zhǎng)期目標(biāo)——未來(lái)綠色水廠（Greenfield）。利用目前實(shí)驗(yàn)室中試技術(shù)（或建議技術(shù)），使能源自給率超過(guò)100%，并降低剩余污泥產(chǎn)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(lái)5年內(nèi)集中進(jìn)行，通過(guò)技術(shù)升級(jí)和設(shè)備改造去實(shí)現(xiàn)40%的能源自給率計(jì)劃目標(biāo)。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(chǔ)設(shè)備改造和工藝改造兩部分，其中基礎(chǔ)設(shè)備改造主要以提升設(shè)備效率、降低能耗為手段，以達(dá)節(jié)能降耗目標(biāo)。工藝改造則以增加側(cè)流ANAMMOX自養(yǎng)脫氮工藝、MBR及污泥預(yù)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(chǎn)電量入手。具體工藝改造措施包括:對(duì)污泥實(shí)施預(yù)處理、采用MBR工藝、增加側(cè)流ANAMMOX工藝。備升級(jí)措施為:采用高效智能化控制、通過(guò)變頻器與進(jìn)口葉輪控制優(yōu)化鼓風(fēng)機(jī)效率并應(yīng)用微孔曝氣；同時(shí)，利用高效沼氣發(fā)電機(jī)代替原有雙燃料發(fā)電機(jī)，以提高產(chǎn)電量。

圖2 烏魯班丹再生水廠計(jì)劃改造

2 新建綠色水廠案例（大士再生水廠設(shè)計(jì)）

在未來(lái)5~10年中，新加坡PUB將建設(shè)能源自給率更高的再生水廠，以達(dá)到其設(shè)定的短期目標(biāo)。新建再生水廠工藝選擇主要參考三方面內(nèi)容：

①將進(jìn)水中有機(jī)物（COD）先于生物處理工藝截留并轉(zhuǎn)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(chǎn)量。新建再生水廠除優(yōu)先采用MBR、側(cè)流ANAMMOX、污泥預(yù)處理等技術(shù)外，同時(shí)還將考慮采用生物強(qiáng)化吸附預(yù)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(shù)（Food waste co digestion），進(jìn)一步提高水廠能源自給率。目前，新加坡PUB正計(jì)劃建造大士再生水廠，將于2016年開(kāi)工新建，并于2022年投入運(yùn)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(zhǎng)期目標(biāo)——未來(lái)綠色水廠

新加坡未來(lái)綠色水廠目標(biāo)是，2030年后達(dá)到能源自給自足、實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行目標(biāo)。兩個(gè)再生水廠工藝方案目前正在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試。在長(zhǎng)期目標(biāo)中，主流ANAMMOX工藝是最有可能實(shí)現(xiàn)再生水廠能源自給自足的保障工藝。為此，新加坡將加大對(duì)這一工藝的研究力度。

評(píng)論：新加坡的2030年污水技術(shù)路線(xiàn)主要側(cè)重于污水處理過(guò)程能耗的自給，盡最大可能將污水中的COD轉(zhuǎn)化為CH4并發(fā)電產(chǎn)能。也是重視對(duì)進(jìn)水碳源的捕獲和富集技術(shù)。同時(shí)重視厭氧氨氧化技術(shù)在側(cè)流和主流工藝的應(yīng)用。

三、美國(guó)2030年污水廠能耗自給技術(shù)路線(xiàn)

歐美等國(guó)家紛紛提出未來(lái)污水處理要走碳中和運(yùn)行之路，美國(guó)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(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的目標(biāo) 。

位于美國(guó)威斯康辛州的希博伊根（Sheboygan）污水處理廠很早便認(rèn)識(shí)到了污水處理可持續(xù)性和能源獨(dú)立的重要性，于2002年參與“威斯康辛聚焦能源（Wisconsin Focus on Energy，FOE）”項(xiàng)目，確立了“能源零消耗”的運(yùn)行目標(biāo)和實(shí)施計(jì)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(jìn)行了工藝升級(jí)改造，具體流程見(jiàn)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(kāi)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(biāo)邁進(jìn)。

在開(kāi)源方面，希博伊根污水處理廠利用熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）技術(shù)充分利用污泥厭氧消化產(chǎn)生的生物氣體（CH₄）產(chǎn)電、產(chǎn)熱。同時(shí)，通過(guò)向剩余污泥中投加高濃度食品廢物（HSW）實(shí)現(xiàn)厭氧共消化，以加大生物氣體產(chǎn)出量（2012年增量達(dá)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(wàn)美元，更新水泵變頻機(jī)組（節(jié)能20%）、鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)（節(jié)能13%）、氣流控制閥（節(jié)能17%）、加熱設(shè)備以及相關(guān)的自控系統(tǒng)（PLC和SCADA），最大限度降低污水處理關(guān)鍵設(shè)備的能耗。

通過(guò)開(kāi)源與節(jié)流措施，到2013年希博伊根污水處理廠已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)電量與耗電量比值達(dá)90%~115%、產(chǎn)熱量與耗熱量值達(dá)85%~90%的佳績(jī)，基本接近碳中和運(yùn)行目標(biāo)。

評(píng)論：

對(duì)現(xiàn)有污水廠進(jìn)行改造，提高處理過(guò)程的能耗自給率，而不是推倒重來(lái)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(shí)，外源有機(jī)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(jīng)驗(yàn)參考。

四、中國(guó)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(zhuān)家提出了“建設(shè)面向未來(lái)的中國(guó)污水處理概念廠“，初步認(rèn)同概念廠應(yīng)包含但不限于以下四個(gè)方向的追求：

1. 使出水水質(zhì)滿(mǎn)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(jī)廢物協(xié)同處理的情況下，做到零能耗；

3. 追求物質(zhì)合理循環(huán)，減少對(duì)外部化學(xué)品的依賴(lài)與消耗；

4. 建設(shè)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(píng)論：

中國(guó)污水處理概念廠的提出雖稍遲于上述幾個(gè)國(guó)家，目前暫時(shí)也尚未看到明確的工藝技術(shù)路線(xiàn)的公布。但在技術(shù)理念方面，總體上涵蓋了上述幾個(gè)國(guó)家提出的技術(shù)思路并有創(chuàng)新之處，就是明確提出并強(qiáng)調(diào)了”追求物質(zhì)合理循環(huán)，減少對(duì)外部化學(xué)品的依賴(lài)與消耗”。筆者認(rèn)為，這一點(diǎn)非常重要，表明我們的污水處理過(guò)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(zhì)合理循環(huán)、降低化學(xué)品的消耗這一點(diǎn)實(shí)際上是有些模糊的，到底未來(lái)中國(guó)概念廠合理物質(zhì)循環(huán)如何實(shí)現(xiàn)，對(duì)化學(xué)品的依賴(lài)能降低多少，比較的基準(zhǔn)是如何確定的，尚待觀察。

但是有前述若干發(fā)達(dá)國(guó)家的2030年污水處理技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)規(guī)劃、及多座“碳中和”實(shí)際的案例經(jīng)驗(yàn)可以供我們借鑒，因此，我們有理由對(duì)中國(guó)概念污水廠充滿(mǎn)期待！