Glen Daigger博士是前國(guó)際水協(xié)主席(2010-2014)、美國(guó)工程院院士、CH2M (西圖)的前高級(jí)副總裁兼首席技術(shù)官，目前是密歇根大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院的教授，也是One Water Solutions咨詢(xún)公司的主席和創(chuàng)始人。在過(guò)去幾年里，他一直在大力推動(dòng)水資源回收廠(Water Resource Recovery Facility，簡(jiǎn)稱(chēng)WRRF)理念的傳播，改變大家對(duì)污水處理廠的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。他在不同場(chǎng)合都談到污水廠的靈活性和適應(yīng)性的重要性。去年，他在IWA期刊Water Practice & Technology發(fā)表了題為“Flexibility and Adaptability: Essential Elements ofthe Water and Resource Recovery Facility of the Future ”的文章。
▲ 美國(guó)能源部2015年的官方報(bào)告中對(duì)WRRF的整體概念描述圖 © energy.gov
未來(lái)水資源回收工廠必須要滿(mǎn)足各種功能性的要求(表1)。實(shí)際上WRRFs可以成為一個(gè)基于生物技術(shù)的經(jīng)濟(jì)有機(jī)體(bio-based economy)。
▲ 表1. WRRF的功能要求
大家對(duì)環(huán)境治理的要求隨著時(shí)代進(jìn)步而變化，諸如污水廠、垃圾處理廠等環(huán)�；A(chǔ)設(shè)施必須適應(yīng)這些變化。舉個(gè)例子，一個(gè)集中式的WRRF可能就是從一個(gè)只確保廢水達(dá)標(biāo)排放的污水廠逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿舾蓚�(gè)更小型的功能劃分更細(xì)化的資源回收工廠。
污水資源化技術(shù)在快速演變，我們有了更多的選擇，例如：
厭氧氨氧化的發(fā)現(xiàn)及其商業(yè)化應(yīng)用的快速普及
從廢水中回收能源日漸受到社會(huì)和政府的重視，這促進(jìn)了厭氧消化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展
膜技術(shù)和其他深度水處理技術(shù)(如UV、高級(jí)氧化和生物活性炭BAC)促進(jìn)了水回用的發(fā)展
磷回收目前是一項(xiàng)示范技術(shù)，各種基于生物和電化學(xué)技術(shù)的回收工藝正在不斷發(fā)展中。
這些趨勢(shì)預(yù)計(jì)會(huì)隨著生物技術(shù)和材料科學(xué)(納米技術(shù))的進(jìn)步而得到進(jìn)一步的發(fā)展。正因?yàn)檫@樣，未來(lái)水資源回收工廠(WRRF)不僅需要適應(yīng)各種功能性要求的變化，還要應(yīng)對(duì)變化的技術(shù)。
因此WRRF的設(shè)計(jì)不能僅針對(duì)特定的一些功能性要求或技術(shù)做設(shè)計(jì)。相反，靈活性應(yīng)該成為污水處理廠設(shè)計(jì)的首要考慮要素。在一些技術(shù)甚至還沒(méi)誕生的時(shí)候，我們?cè)趺茨茉O(shè)計(jì)一個(gè)能適應(yīng)各種不確定的要求和變化的WRRF呢?乍看上去這是個(gè)不可能的任務(wù)，但歷史告訴我們是可行的。
實(shí)際上許多WRRFs已經(jīng)有幾十年的運(yùn)行歷史，也已經(jīng)經(jīng)歷了若干次標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的升級(jí)。因此，我們其實(shí)是有相對(duì)充足的經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)WRRF的布局和配置做決策的。這些經(jīng)驗(yàn)?zāi)芙o一座新的WRRF的新建或者污水廠的升級(jí)提供很好的參考。
WRRF的功能性需求
Daigger博士認(rèn)為WRRF在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的內(nèi)容可以分為五大部分，包括了：水力負(fù)荷和處理能力的擴(kuò)展、處理水質(zhì)要求、廠房布局、污泥處理、美觀和臭氣處理。其中重點(diǎn)闡述了處理水質(zhì)要求和廠房布局的要點(diǎn)。
水質(zhì)要求
處理水質(zhì)要求隨著時(shí)代變化而變化，這也驅(qū)動(dòng)著處理技術(shù)的變化，這也會(huì)對(duì)污水廠的設(shè)備配置和布局產(chǎn)生顯著影響。下邊的表2總結(jié)了WRRF的可能處理目標(biāo)和對(duì)應(yīng)的技術(shù)選擇。
▲ 表2. WRRF的潛在處理標(biāo)準(zhǔn)以及對(duì)應(yīng)的技術(shù)選擇
去除有機(jī)物無(wú)論是目前還是將來(lái)都會(huì)是污水處理的首要目標(biāo)。它可以通過(guò)氧化的方式得以去除，但對(duì)于WRRFs而言，有機(jī)物的捕獲是日漸增長(zhǎng)的技術(shù)選擇，這不僅減少了后續(xù)所需曝氣量，還能對(duì)捕獲的有機(jī)物進(jìn)行厭氧發(fā)酵回收沼氣。這使大家重新對(duì)過(guò)去使用的高負(fù)荷好氧生物處理(high-rate aerobic biological treatment)產(chǎn)生興趣，因?yàn)樗苁怪髁髦械挠袡C(jī)物捕獲最大化，污泥礦化最小化。大家對(duì)在主流中直接使用厭氧消化的興趣也在增加。這些工藝技術(shù)的選擇將對(duì)廠房布局產(chǎn)生重大影響。
出水氮磷的標(biāo)準(zhǔn)也變得日益嚴(yán)格。根據(jù)美國(guó)EPA2015的數(shù)據(jù)，一些生態(tài)保護(hù)區(qū)的總磷和總氮標(biāo)準(zhǔn)分別為0.01-0.1mg/L和1-3mg/L，這有可能是未來(lái)污水處理廠的出水標(biāo)準(zhǔn)。而目前脫氮除磷的生物或化學(xué)技術(shù)是可以滿(mǎn)足這些標(biāo)準(zhǔn)需求的。除此以外，一些深度處理技術(shù)也能滿(mǎn)足消毒和微量污染物的去除要求。
通過(guò)下表可以看出，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和管網(wǎng)渠道等的壽命是可以很長(zhǎng)的，像泵、風(fēng)機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備次之，所以設(shè)計(jì)布局的重要一點(diǎn)是要提供更具適應(yīng)力的工藝反應(yīng)池來(lái)應(yīng)對(duì)不同的目的和處理技術(shù)。
▲ 表3. WRRF組成的使用壽命
廠區(qū)布局
廠區(qū)布局方面Daigger博士建議使用模塊化的方法，如下圖所示，一開(kāi)始該廠包含格柵、進(jìn)水泵、初沉池、傳統(tǒng)活性污泥生物處理。然后這個(gè)系統(tǒng)經(jīng)歷了四個(gè)階段的擴(kuò)容，但依然留有空間進(jìn)行脫氮除磷和進(jìn)一步的三級(jí)處理，如中水回用等。一些會(huì)產(chǎn)生臭氣和需要經(jīng)常維護(hù)的處理單元就安排在方便出入的入口附近。另外各工序之間應(yīng)該設(shè)有混合點(diǎn)，保證進(jìn)入下一個(gè)工序的進(jìn)料是統(tǒng)一穩(wěn)定的，這能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更好的整體控制。
▲ 模塊化設(shè)計(jì)的WRRF布局示意圖
另外，下圖展示的是一些WRRFs應(yīng)對(duì)擴(kuò)建的方法。主要的思路對(duì)于處理系統(tǒng)的脊骨(backbone)，例如管道等留有充足空間。而兩側(cè)的工藝池采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，這樣能在有需要的時(shí)候更靈活對(duì)單個(gè)某個(gè)單元進(jìn)行改造。
新技術(shù)和技術(shù)選擇
能源自給污水廠一般的工藝包括了初沉處理+高負(fù)荷活性污泥/滴濾池生物處理來(lái)使主流能耗最小化，另一方面就是對(duì)初沉池和二沉池的污泥進(jìn)行厭氧消化，回收的沼氣通過(guò)CHP熱電聯(lián)產(chǎn)來(lái)滿(mǎn)足廠區(qū)的供電需求。這對(duì)出水要求不是那么嚴(yán)格的地區(qū)來(lái)說(shuō)，COD、BOD5和TSS等指標(biāo)能達(dá)標(biāo)一般是沒(méi)有問(wèn)題的。但出水標(biāo)準(zhǔn)的提高，尤其包括了氮磷的去除指標(biāo)的加入，使得大家偏向使用低負(fù)荷活性污泥系統(tǒng)，相應(yīng)增加了污泥好氧穩(wěn)定化的能耗。這減少了二級(jí)剩余污泥的產(chǎn)量，沼氣的產(chǎn)量也少了，生物處理的能耗卻提高了，使得WRRFs要向外購(gòu)買(mǎi)更多能源。
這些因素使得大家重新對(duì)例如AB工藝等進(jìn)行碳捕獲的工藝產(chǎn)生興趣，另外就是自養(yǎng)厭氧氨氧化的脫氮工藝能與其結(jié)合，產(chǎn)生出更多的技術(shù)選擇，盡管哪項(xiàng)具體技術(shù)最可靠和實(shí)惠的方法仍不明朗。此外大家對(duì)磷回收興趣的增加，而不是簡(jiǎn)單的除磷，同樣影響著工藝的選擇。CEPT化學(xué)強(qiáng)化初沉池是碳源捕獲的其中一個(gè)方法，這同時(shí)能去除大量的磷，但是因?yàn)檫@些磷是以化學(xué)方式去除的，所以卻導(dǎo)致其很難進(jìn)行后續(xù)回收。
高負(fù)荷生物處理系統(tǒng)(包括懸浮和生物膜系統(tǒng))和非硝化的生物除磷工藝是另外兩個(gè)碳捕獲選擇。這兩種選擇的脫氮工藝都可以有下游的厭氧氨氧化處理完成。
另一個(gè)選擇是主流厭氧處理，結(jié)合生物脫氮除磷或者生物脫氮+化學(xué)除磷。Daigger博士把上述的技術(shù)選擇總結(jié)為下表：
▲ 表4. 碳捕獲和脫氮除磷工藝選擇
對(duì)于這些技術(shù)的利弊，可能還需要未來(lái)幾年時(shí)間才能摸清，而相應(yīng)的支持技術(shù)也在不斷演變。對(duì)此，Daigger博士再次強(qiáng)調(diào)在決策上應(yīng)該將這些因素跟污水廠的布局結(jié)合著來(lái)綜合考慮。
總結(jié)
污水處理目標(biāo)、出水標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)都在不斷演變，這要求WRRF在設(shè)計(jì)上要更具靈活性來(lái)適應(yīng)這些持續(xù)的變化。
WRRF的廠房布局和工藝反應(yīng)池的設(shè)計(jì)不應(yīng)該僅限于現(xiàn)在的處理要求和技術(shù)，而是應(yīng)該具有應(yīng)對(duì)未來(lái)政策要求和技術(shù)的包容性。這在技術(shù)上實(shí)可行的。用Buildingblock的思維來(lái)設(shè)計(jì)布局是一個(gè)可行的方法來(lái)面對(duì)處理能力、處理要求和有機(jī)物處理升級(jí)的變化，還有就是在美學(xué)和環(huán)境上的考慮。只有能幫助污水廠應(yīng)對(duì)變化的設(shè)計(jì)規(guī)劃，才是通往未來(lái)水資源回收廠的正道。
參考資料
Glen Daigger, Flexibility and adaptability: Essential elements of the WRRF of the future, Water Practice & Technology. March 2017, 12 (1) 156-165; DOI: 10.2166/wpt.2017.019
