技術(shù)導(dǎo)向|未來污水處理能源自給新途徑——碳源捕獲及碳源改向
在活性污泥法誕生100年后，人們開始重新梳理污水處理的發(fā)展歷程，展望下一個百年污水處理技術(shù)的發(fā)展方向，從物質(zhì)循環(huán)、生態(tài)倫理學(xué)及社會學(xué)角度對傳統(tǒng)活性污泥技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行思辨，污水處理過程的高能耗及高“碳足跡”是常規(guī)活性污泥工藝的技術(shù)缺欠，沿用百年的活性污泥法逐漸被一些耦合資源和能源回收的概念路線所取代。目前世界范圍內(nèi)，對“污水”的認(rèn)知已經(jīng)從“廢物處理”對象轉(zhuǎn)向“資源及能源回收”的載體，一些發(fā)達(dá)國家、世界范圍內(nèi)領(lǐng)先的環(huán)境公司已經(jīng)制定了面向2030年甚至是2040年的技術(shù)發(fā)展路線圖，縱覽這些技術(shù)路線無一例外都是瞄準(zhǔn)了對污水中資源回收、能耗自給與碳中和的未來可持續(xù)技術(shù)發(fā)展路線，國內(nèi)外學(xué)者基于過往研究經(jīng)歷，對基于碳源捕獲及碳源改向技術(shù)的新型A/B工藝進(jìn)行了研究與開發(fā)，提出了具有獨特風(fēng)格的面向未來的能量平衡或碳中和技術(shù)路線。
作者簡介：劉智曉(1972-)，山東莒縣人，工學(xué)博士，高級工程師，主要從事集團(tuán)化環(huán)境及水務(wù)項目設(shè)計管理，水務(wù)項目方案設(shè)計、審核與把關(guān)、工藝與設(shè)備優(yōu)化，水處理過程優(yōu)化控制、革新污水生物處理新工藝研究與開發(fā)，高效低耗水廠/污水廠提標(biāo)改造技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的工程化應(yīng)用研究與實踐。
1 、污水中蘊含有機(jī)化學(xué)能潛力分析
對于污水中蘊含的化學(xué)能，國外很多研究者進(jìn)行了不同角度的研究及定量評估，評估基準(zhǔn)是設(shè)定典型生活污水COD為500mg/L，所含的化學(xué)能有兩種表征方式，方式一以單位COD量所含的能量為基礎(chǔ)，根據(jù)HEIDRICH的研究結(jié)論，這個數(shù)值范圍為17.7~28.7kJ/gCOD，而對于該基準(zhǔn)濃度污水，實際處理能耗約0.45kW˙h/m3，相當(dāng)于1620 kJ/m3，折合處理能耗平均為3.20 kJ/g COD。另一種方式是將COD化學(xué)潛能折合到噸水電耗，得到COD為500mg/L的污水“理論最大有機(jī)化學(xué)能”為22.55 kW˙h /m3，理論最大有機(jī)化學(xué)能是指污水所含COD全部被提取并甲烷化，采用常規(guī)工藝只有很少部分COD被甲烷化，即使是提取這極少部分的COD用于甲烷化并產(chǎn)能，這部分能量也是非常可觀的，可提取化學(xué)能范圍是1.5~1.9kW˙h /m3，這個數(shù)值也與McCarty等人的研究結(jié)果相近。
兩種能量表征方式，結(jié)果都在表明污水中所蘊含的有機(jī)化學(xué)能是對其進(jìn)行處理所需能耗的近5倍，污水中所蘊含的如此巨大的能量，如果捕獲提取其中部分COD化學(xué)能甚至是熱能并就地轉(zhuǎn)換為電能，理論上可以實現(xiàn)能耗的完全自給甚至可以變成能量輸出廠。有充分的理論依據(jù)表明，未來污水處理廠不是能源的消耗者而應(yīng)該成為能源供應(yīng)方。污水碳源常規(guī)處理工藝與能源化回收兩種途徑下COD物質(zhì)流比較見圖1。
圖1 污水碳源常規(guī)處理工藝與能源化回收兩種途徑下COD物質(zhì)流對比
2 、“碳源捕獲”工藝單元技術(shù)路線
2.1“碳源捕獲”1.0→2.0→3.0版理念的提出
在“預(yù)處理+活性污泥+厭氧消化”經(jīng)典污水處理過程中，進(jìn)水COD大部分被活性污泥段降解氧化以氣體形式釋放(這部分約占進(jìn)水COD的30%~55%左右)，還有相當(dāng)一部分被以剩余污泥(WAS)形式排除系統(tǒng)(約占進(jìn)水COD的15%~25%左右)，甲烷化COD約占15%~20%，其余7%~10%隨出流排放。這種常規(guī)的利用初沉污泥和二沉污泥進(jìn)行混合厭氧消化產(chǎn)甲烷并通過CHP進(jìn)行能量提取的方式稱為“碳捕獲1.0版”。目前，這種“AD-CHP”聯(lián)用模式在歐洲等國家污水廠被普遍采用。新加坡烏魯班丹再生水廠(UluPandan WRP)也采用了此種模式，其工藝流程見圖2。
圖2 “碳源捕獲1.0版”技術(shù)路線(以新加坡UluPandan廠為例)
從圖2可知，即便采用了污泥厭氧消化，被能源化利用的COD比例及效率仍較低，烏魯班丹廠進(jìn)水中的COD只有17.9%被轉(zhuǎn)換為甲烷。因此，優(yōu)化厭氧消化過程，提高污水中COD甲烷轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)率，是“碳源捕獲1.0版”技術(shù)實施的關(guān)鍵步驟。近10~20年來，一些污泥厭氧消化預(yù)處理技術(shù)得到開發(fā)和應(yīng)用，如污泥超聲破解技術(shù)、污泥熱水解技術(shù)(TH)。為了進(jìn)一步提高厭氧消化過程的甲烷產(chǎn)量，提高污水廠運行能耗自給率，將有機(jī)廢物如食品、廚余廢物引入污泥厭氧消化過程，即厭氧協(xié)同消化。這種通過強化消化系統(tǒng)進(jìn)泥的預(yù)處理，或通過引入外源有機(jī)廢物提高厭氧消化系統(tǒng)沼氣產(chǎn)率進(jìn)而提高污水廠能耗自給程度的模式，可以稱為“碳源捕獲2.0版”，該模式已經(jīng)具有了“污泥增量”的意義，這里所指的污泥增量不是指增加剩余污泥的數(shù)量，而是特指通過技術(shù)手段增加進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)或者進(jìn)一步提升厭氧消化池有機(jī)負(fù)荷率的方法和途徑，實現(xiàn)了“1+1>2”的效果。
正是認(rèn)識到了污水中蘊藏的巨大有機(jī)化學(xué)能，在傳統(tǒng)“預(yù)處理-活性污泥-厭氧消化”技術(shù)路線基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升對進(jìn)水中有機(jī)碳源的網(wǎng)捕截獲、提取效率，削減或者降低進(jìn)水中有機(jī)碳源到后續(xù)活性污泥段，使COD在污水處理過程中的碳足跡由“污染物降解途徑”轉(zhuǎn)向到“能源化利用途徑”，最大程度實現(xiàn)能源化的同時又使得后續(xù)生化曝氣過程的能耗降至最低程度，實現(xiàn)了對常規(guī)污水處理中COD軌跡的轉(zhuǎn)移，即“碳源改向(Carbon Redirection)”，也可稱之為“碳源轉(zhuǎn)移”，提取后的COD進(jìn)入后續(xù)“AD-CHP”，進(jìn)一步能源化，目前這種模式逐漸成為國內(nèi)外專家的研究熱點。基于污泥增量及碳改向的碳源提取模式工藝技術(shù)路線總體上采用“A-B”構(gòu)型，A段碳源濃縮提取工藝主要有以生物絮凝為主要作用的高負(fù)荷活性污泥工藝(HRAS)、化學(xué)強化一級處理(CEPT)、厭氧生物膜反應(yīng)器(AnMBR)等;由于A段將污水中絕大部分COD通過“網(wǎng)捕截獲”轉(zhuǎn)移到能源化途徑，進(jìn)入B段的污水呈現(xiàn)低碳高氮的特性，導(dǎo)致有機(jī)碳源嚴(yán)重缺乏，通過常規(guī)硝化-反硝化生物脫氮工藝已無法實現(xiàn)對TN的有效去除，因此B段未來的發(fā)展趨勢是采用自養(yǎng)生物脫氮技術(shù)，如短程硝化-厭氧氨氧化技術(shù)，也就是在主流采用厭氧氨氧化技術(shù)。將采用新型“A-B”工藝，即“高效碳捕獲+主流厭氧氨氧化+高效厭氧消化”的技術(shù)路線稱為污水處理“碳捕獲3.0版”，其工藝流程見圖3。
圖3 “碳捕獲3.0版”技術(shù)路線(基于A/B工藝構(gòu)型的碳捕獲+主流自養(yǎng)脫氮技術(shù)路線)
2.2“碳源捕獲”技術(shù)路線及性能
2.2.1 高負(fù)荷活性污泥工藝(HRAS)
實際應(yīng)用中HRAS工藝可選擇三種反應(yīng)器形式實現(xiàn)碳源捕獲，分別是連續(xù)流完全混合式(CSTR)、接觸-穩(wěn)定工藝(CS)、推流式反應(yīng)器(PFR)。不同構(gòu)型反應(yīng)器形式對COD的捕獲率取決于活性污泥對COD的網(wǎng)捕、絮凝、吸附及儲存能力，實際上反應(yīng)器形式還會影響“泥水”分離特性，并且上述因素互相影響;同時對COD不同組分的去除效率也有較大的差異。三種HRAS反應(yīng)器見圖4，其中CS工藝對COD的捕獲效率高于其它反應(yīng)器模式，泥水分離特性亦優(yōu)于其它反應(yīng)器，加之對COD的氧化礦化水平較低，從物料平衡角度看更能獲得較高的COD捕獲率。
圖4 高負(fù)荷活性污泥工藝(HRAS)工藝構(gòu)型及運行特性比較
研究表明，生物絮凝(Bioflocculation)過程是影響活性污泥對顆粒性、膠體性及溶解性COD快速捕獲/吸附/儲存的關(guān)鍵影響因子，因此HRAS實現(xiàn)“碳源捕獲”及“碳源改向”功效的本質(zhì)是要強化對進(jìn)水有機(jī)碳源的“絮凝管理”，為了強化活性污泥的生物吸附效率，高負(fù)荷接觸-穩(wěn)定工藝相對CSTR及PF構(gòu)型具有更高的效率，尤其是對顆粒性與膠體狀COD的捕捉，這主要是因為CS工藝通過回流活性污泥(RAS)曝氣提供了使其處于“饑餓”(famine)狀態(tài)的“穩(wěn)定段”，這種對RAS再曝氣過程可以強化其生物絮凝活性，到后續(xù)低DO濃度下“泥-水”混合反應(yīng)器可實現(xiàn)對進(jìn)水COD的快速捕捉、吸附進(jìn)食(feast)，強化了對進(jìn)水COD的捕獲率。SRT是A段最重要的工藝參數(shù)，研究表明，當(dāng)總SRT≤1.1d時，CS工藝對COD的總捕獲率可達(dá)59%，對應(yīng)進(jìn)水中COD約0.46~0.55 g COD/g COD 通過A段實現(xiàn)“碳改向”轉(zhuǎn)向厭氧產(chǎn)CH4能源化途徑。A段SRT對進(jìn)水COD中不同組份的去除效率影響較為顯著;而de Graaff等人的研究結(jié)果表明，A段SRT只需要0.3d即可獲得最高的污泥產(chǎn)率，SRT延長將會導(dǎo)致COD的進(jìn)一步礦化;A段HRT只需15min溶解性COD(SCOD)即可獲得理想的去除率。
2.2.2 CEPT工藝
對于COD捕獲3.0技術(shù)路線，A段除了要將顆粒性及膠體狀COD最大限度捕獲外，還要考慮采取物化手段輔助生化工藝增強SCOD向pCOD或者cCOD的轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步捕獲、濃縮、與富集�；瘜W(xué)強化一級處理工藝作為二級處理的預(yù)處理工序，旨在通過混合絮凝過程強化對進(jìn)水中COD、SS及營養(yǎng)鹽的去除。CEPT工藝對SS、COD、TP、TN去除率可達(dá)80%~90%、30%~70%、80%~95%、20%~25%，這要顯著高于初沉池效率，CEPT尤其是可以強化對顆粒性有機(jī)物(pCOD)的捕獲和去除，去除率可達(dá)85%，CEPT的主要缺點是對溶解性COD去除能力有限。因此，CEPT工藝與A/B工藝的A段的HARS結(jié)合，會進(jìn)一步提升A段的COD捕獲率。根據(jù)荷蘭四個A/B工藝污水廠A段的COD捕獲效率分析，發(fā)現(xiàn)A段可以捕獲進(jìn)水COD可達(dá)53%~74%，其中有24%~48%形式以A段WAS形式排出，而另外一部分19%~50%的COD以污泥形式進(jìn)入B段，可見，A段除了提高進(jìn)水COD向活性污泥的轉(zhuǎn)化率，更要重視裹挾COD的“飽食”后這部分污泥的分離效率，這是影響后續(xù)COD甲烷化能源化的重要影響因素。A段泥水分離不佳，這主要是A段形成的絮體結(jié)構(gòu)松散稀疏、沉淀性能欠佳導(dǎo)致沉淀池泥水分離特性較弱所致，因此，投加混凝劑不但可以提高對COD的捕獲效率，而且可以提高絮凝體在沉淀池內(nèi)的沉速，有助于提高A段對COD最大程度上的濃縮與富集;A段沉淀池的水力學(xué)性能保證設(shè)計也是重要因素。
2.2.3精密篩分過濾工藝
為最大程度截留進(jìn)水中COD，德國KWB組織聯(lián)合Hydrotech、威立雅等水務(wù)公司啟動旨在回收污水中能源的應(yīng)用研究項目，提出了面向2030年“碳中和技術(shù)路線”，即“CARISMO”概念工藝，也就是“Carbon is money(碳就是錢)”理念，主要技術(shù)路線是“絮凝+微篩+后續(xù)生物膜過濾”，所采用的精細(xì)過濾裝置為轉(zhuǎn)鼓式篩網(wǎng)過濾機(jī)(micro-screen)，孔隙100微米;前段通過“化學(xué)絮凝+微篩”方式，Al鹽投加量為15~20mg/L，微篩過程可大幅截留原污水中顆粒性、膠體性與溶解態(tài)COD，“CARISMO”技術(shù)可以從污水中總共“榨取”82%的COD進(jìn)行能源化過程，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)模式。
3、 以“碳源捕獲”為基礎(chǔ)的能耗自給工藝評析
以“碳濃縮”為基礎(chǔ)的能耗自給污水處理工藝以其可持續(xù)的“碳中和”運行特性，近幾年引發(fā)了國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)、學(xué)者及水務(wù)公司的關(guān)注并為此進(jìn)行了大量研究。繼1997年Mark Van Loosdrecht教授團(tuán)隊系統(tǒng)提出了基于A/B工藝構(gòu)型的“A段污泥增量+自養(yǎng)脫氮+污泥能源化”理念及技術(shù)路線后，國內(nèi)學(xué)者北京建筑大學(xué)郝曉地教授于2003年提出了基于A/B工藝的旨在實現(xiàn)COD及磷回收的可持續(xù)技術(shù)路線，明確提出了在A段實現(xiàn)污泥產(chǎn)率最大化(maximal sludge production)也就是“污泥增量”理念，B段采用BCFS工藝或者CANON工藝，這是目前所看到的國內(nèi)學(xué)者最早在國際上提出的基于未來可持續(xù)污水處理技術(shù)路線圖。
位于荷蘭的歐盟卓越可持續(xù)水技術(shù)中心、荷蘭瓦根寧根大學(xué)(Wageningen University)Khiewwijit R.博士、比利時根特大學(xué)(Ghent University)SchaubroeckT.博士、奧地利ARAconsult的WettB. 博士等學(xué)者，近幾年紛紛了提出基于能量最大化、P回收及處理過程最低碳排放為基準(zhǔn)的“未來新型污水處理廠”、“能量自給污水處理廠”概念構(gòu)型，概念路線也是采用A/B工藝構(gòu)型(見圖5)，A段采用碳捕獲工藝通過生物絮凝或者CEPT等工藝濃縮進(jìn)水碳源，提取的碳源通過厭氧消化生產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)入能源化CHP途徑，或者進(jìn)一步厭氧發(fā)酵工藝生產(chǎn)生物塑料、生物柴油或者制取其它中等鏈脂肪酸;B段工藝采用主流PN/A(短程亞硝化-厭氧氨氧化)工藝、或者“藻菌共生系統(tǒng)”通過微藻(Microalgae)的快速生長來吸收N、P，并將微藻用于能源化或者生物肥料的制取，實現(xiàn)了碳源的能源化、N、P資源的回收及閉環(huán)利用。
圖5 基于新型A/B構(gòu)型能量/資源耦合回收理念的未來污水處理工藝概念路線
挪威科技大學(xué)Ødegaard教授2016年提出了基于MBBR技術(shù)為主體的面向未來的“能量中和”污水處理廠技術(shù)路線圖(見圖6)，此工藝是Ødegaard教授基于中國概念廠理念而“量身定做”的，Ødegaard-MBBR路線主要特點是“A段+B段+側(cè)流段”都是采用了基于MBBR為基礎(chǔ)的生物反應(yīng)器，其中A段為高負(fù)荷MBBR，A段高負(fù)荷MBBR對BOD的去除率可達(dá)85%，這遠(yuǎn)高于CEPT工藝對COD的去除率。B段及側(cè)流段采用ANITATMMox工藝，中試結(jié)果表明，夏季(23℃)B段IFAS ANITATMMox對TN的平均去除率1.4gN/(m2˙d)，冬季(17℃)去除率為0.5~0.8gN/(m2˙d)。Ødegaard-MBBR路線也采取了側(cè)流段富集的Anammox對主流的補充，是通過氣提泵實現(xiàn)MBBR懸浮載體在“主流-側(cè)流”之間循環(huán)，進(jìn)而達(dá)到生物強化的目的。
圖6 以MBBR為基礎(chǔ)的COD捕獲-主流自養(yǎng)脫氮工藝路線
實踐層面，奧地利斯特拉斯(Strass)污水處理廠以主流傳統(tǒng)工藝(AB法)與側(cè)流現(xiàn)代工藝(厭氧氨氧化)相結(jié)合方式最大化剩余污泥產(chǎn)量，通過厭氧消化產(chǎn)甲烷并熱電聯(lián)產(chǎn)，早在2005年便實現(xiàn)了能源自給率108%，完全達(dá)到碳中和運行目標(biāo)。目前，該廠利用剩余污泥與廠外廚余垃圾厭氧共消化，使得能源自給率高達(dá)200%，不僅實現(xiàn)能源自給自足，而且還有一半的能量可以向廠外供應(yīng)，已成為名副其實的“能源工廠”。
丹麥Aarhus市近些年提出了使整個城市變成碳平衡地區(qū)，目前Aarhus市已經(jīng)成為世界上第一個利用從污水處理中回收的能源，實現(xiàn)覆蓋本市大部分污水處理和自來水供給的能耗需求的城市。AarhusVand公司最近提出了“污水廠150%能量”概念，并對該市Egaa該廠進(jìn)行技術(shù)改造，所采用的主要技術(shù)路線及流程見圖7。
圖7 丹麥Egaa WWTP邁向“正能量”污水廠提標(biāo)改造技術(shù)路線
4、問題及討論
新型A/B工藝被賦予了“捕捉榨取碳源/強化自養(yǎng)脫氮”新的歷史使命，目前研究與開發(fā)的A段“碳源捕獲”技術(shù)旨在最大程度上將污水廠進(jìn)水中的有機(jī)碳源分離，本質(zhì)上是通過技術(shù)手段“碳源挪移”實現(xiàn)COD“改向”，并避免或減少被后續(xù)生化過程礦化降解，A段強化對COD的捕獲率可達(dá)進(jìn)水總COD的60%~80%，因此進(jìn)入B段的污水呈現(xiàn)高氮低碳特性，這種水質(zhì)特性通過常規(guī)脫氮途徑通常無法滿足TN排放標(biāo)準(zhǔn)，因此各種碳源需求度較低的生化工藝或自養(yǎng)脫氮工藝對被開發(fā)，如短程硝化反硝化、部分亞硝化/厭氧氨氧化(PN/A)等，但是目前技術(shù)層面尚存下述問題有待研究解決：
①進(jìn)一步優(yōu)化A段工藝，深入研究A段高負(fù)荷活性污泥工藝條件對進(jìn)水中不同性質(zhì)的COD(VFAs及溶解性COD、顆�；蛘邞腋B(tài)COD、膠體狀COD)的捕捉特性及影響因子，以及上述不同性質(zhì)的COD混合狀態(tài)下在厭氧消化過程特性、甲烷化轉(zhuǎn)化潛能。此外A段高負(fù)荷活性污泥形成的污泥絮體(floc)特性與厭氧消化過程具有關(guān)聯(lián)性，但目前不同來源文獻(xiàn)參數(shù)差異較大，需對上述工藝過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計并確定合適的運行控制參數(shù)。另外，突發(fā)性進(jìn)水水質(zhì)沖擊對HARS系統(tǒng)運行特性的影響會導(dǎo)致A段出水水質(zhì)波動，進(jìn)而對后續(xù)工藝的影響對此還需進(jìn)一步研究;
②賦予能量回收理念的新型A/B工藝，工藝原理及參數(shù)已經(jīng)完全不同于過去常規(guī)A/B法，新型B段工藝技術(shù)尚不成熟、關(guān)鍵技術(shù)瓶頸亟待突破。如低溫低濃度條件下主流自養(yǎng)脫氮技術(shù)的運行穩(wěn)定性、厭氧氨氧化活性及效率保持，尤其是水溫(≦15℃)條件下Anammox活性及工程尺度反應(yīng)器的持續(xù)運行穩(wěn)定性。研究顯示，當(dāng)水溫由30℃降低到10℃，Anammox菌活性降低10倍。我國很多地域冬季水溫低于13~15℃，短期寒冷天氣水溫甚至低于11℃，這種水溫條件下，主流反應(yīng)器內(nèi)Anammox菌的活性被快速抑制，工程尺度層面如何實現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，目前看技術(shù)瓶頸尚未突破。
③不同的研究顯示B段反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)物的存在尤其是隨著SCOD/N比值(≥0.5)的提高會有助于異養(yǎng)反硝化過程從而抑制Anammox,但是最近有研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)硝化反硝化脫氮(N/DN)過程與厭氧氨氧化過程可以有效共存，最近Cao Ye-shi等人在新加坡樟宜(Changi)再生水廠的試驗研究結(jié)果及污水廠實地檢測結(jié)果顯示，厭氧氨氧化菌與普通異養(yǎng)反硝化菌可以共存同一個反應(yīng)器/生物池內(nèi)，且對TN的去除有各自貢獻(xiàn)，樟宜再生水廠TN的去除率89%，其中傳統(tǒng)途徑N/DN貢獻(xiàn)率為50%，而Anammox途徑貢獻(xiàn)率達(dá)38%，最近五年的運行數(shù)據(jù)顯示N/DN與PN/A過程對TN的去除貢獻(xiàn)幾乎接近。顯然，這個結(jié)論顯然與許多學(xué)者研究和追求的方向不同，目前學(xué)界努力方向都是設(shè)法盡最大程度上削減進(jìn)入B段的COD，追求完整意義上的主流厭氧氨氧化，樟宜再生水廠的生產(chǎn)尺度的驗證數(shù)據(jù)顯然顛覆了傳統(tǒng)觀點，樟宜項目運行結(jié)論為兩種過程協(xié)同存在提供了實踐層面的支撐，但上述兩種過程在同一個反應(yīng)器內(nèi)不同菌群(AOB、NOB、AnAOB及HB)協(xié)同發(fā)揮作用的機(jī)制、影響因子、優(yōu)化運行調(diào)控策略及對其它地域的適應(yīng)性(新加坡常年污水溫度28-32℃)，現(xiàn)在結(jié)論尚不明確。但是，這無疑為未來繼續(xù)深入和開發(fā)新型“異養(yǎng)N/DN-自養(yǎng)AMX”混合共存反應(yīng)器提供了嶄新的研究方向。
5、結(jié)論
展望基于資源回收與碳平衡理念的未來污水處理廠，中國要因地制宜、構(gòu)建符合國情的未來污水處理發(fā)展技術(shù)路線圖。要認(rèn)真梳理和反思過往常規(guī)污水處理路徑存在的不可持續(xù)特性，污水處理過程高耗能并排放大量溫室氣體(GHG)，與此同時，污水中COD蘊含的巨大有機(jī)化學(xué)能(約1.5~1.9kW˙h/m3)遠(yuǎn)遠(yuǎn)未被挖掘及利用，未來污水處理的發(fā)展方向是朝著營養(yǎng)物、能源及再生水“三廠合一”模式轉(zhuǎn)變。研究與開發(fā)進(jìn)水碳源轉(zhuǎn)向及污泥增量技術(shù)，對污水中有機(jī)碳源實現(xiàn)高效網(wǎng)捕截獲、濃縮及分離并轉(zhuǎn)向能源化途徑，是提高能量自給效率、最終實現(xiàn)能量平衡及碳平衡運行的物質(zhì)基礎(chǔ)。
對于中國，要首先考慮管網(wǎng)系統(tǒng)完善，如試點取消化糞池、進(jìn)行雨污分流、完善污水管網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)，提高進(jìn)水COD濃度同時，有條件地區(qū)逐步恢復(fù)和普及厭氧消化系統(tǒng)的建設(shè)及運行(行業(yè)指導(dǎo)政策、經(jīng)濟(jì)補貼要予以支持)，為實現(xiàn)“碳源捕獲1.0版”提供有效碳源基礎(chǔ)。在“1.0版”運營基礎(chǔ)上，逐步考慮向“2.0版”邁進(jìn)，2.0版基礎(chǔ)是基于“污泥增量”理念，可采用熱水解(THP)或引入外源有機(jī)物實現(xiàn)厭氧協(xié)同消化，進(jìn)一步提高污水廠能量自給水平，實現(xiàn)能量平衡、甚至邁向“正能量”污水廠，對于城市有機(jī)廢物引進(jìn)污水廠與污泥協(xié)同厭氧消化，涉及到跨部門協(xié)作，實現(xiàn)“1+1>2”效果，這方面國家要給予政策支持(有機(jī)物儲運及自產(chǎn)電能聯(lián)網(wǎng)等)。特別強調(diào)的是，未來排放標(biāo)準(zhǔn)的制定與修訂要考慮碳源轉(zhuǎn)向能源化途徑后對后續(xù)脫氮工藝的影響，高排放標(biāo)準(zhǔn)要與“碳平衡”運行要實現(xiàn)目標(biāo)解耦，“魚和熊掌不可兼得”，要優(yōu)先鼓勵碳源的能源化、資源化途徑!碳捕獲“3.0版”技術(shù)路線是國際公認(rèn)未來污水處理的發(fā)展方向，但“3.0版”實現(xiàn)基礎(chǔ)是有賴于后續(xù)“B段”低溫條件下自養(yǎng)脫氮工藝技術(shù)瓶頸的解決及工程尺度上穩(wěn)定性、可靠性驗證，需要自主完成從小試→中試→生產(chǎn)規(guī)模不同尺度上的驗證，目前看，“3.0版”還面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)需要克服，為此，針對“B段”技術(shù)瓶頸開發(fā)出新型反應(yīng)器(懸浮、載體及復(fù)合式)、及新型生物活性刺激載體，進(jìn)而進(jìn)一步提高Anammox的數(shù)量及活性是未來的技術(shù)發(fā)展方向。
(更詳細(xì)內(nèi)容參見《中國給水排水》第8期：未來污水處理能源自給新途徑——碳源捕獲及碳源改向;作者：北京首創(chuàng)股份有限公司/首創(chuàng)愛華天津市政環(huán)境工程有限公司劉智曉)
原標(biāo)題:未來污水處理能源自給新途徑—碳源捕獲及碳源改向
