什么是上游碳源濃縮？
圍繞“碳中和”目標，早在多年前，歐洲就有學者提出了碳源濃縮理念：在污水處理前端“捕捉”進水COD，將其直接用于后端厭氧產(chǎn)CH4。但長期以來，我國污水處理行業(yè)缺乏“碳中和”帶來的對于污水處理工藝創(chuàng)新的壓力，普遍技術方向是解決污水處理廠實際運行中的一些迫切技術問題，比如“達到準IV排放標準的高水平的脫氮除磷技術”。
而近年來，一些研究團隊將碳源濃縮理念與物化法相結(jié)合，打開了該技術在我國落地實踐的可能性。
未來新水務專家組專家、清華大學環(huán)境學院教授王凱軍解釋：“國內(nèi)探索的碳源濃縮以膜技術為代表，但不同于將膜過程置于工藝流程末端的常規(guī)工藝設計，膜濃縮過程置于污水處理全流程工藝的前端。濃縮過程去除了污水中大部分的COD和TP，留存在水中污染物僅以氨氮為主；在此基礎上，后續(xù)可以探索嫁接新的技術，如離子交換、RO、厭氧氨氧化等，形成系列的顛覆性工藝技術。”
他介紹，近年，荷蘭某地水委會通過了興建新污水廠的提案，希望通過應用一系列的新技術新理念，建設一座在未來20-30年內(nèi)保持領先的污水廠，指標目標是“將氮磷回收率提高75%，去除80%醫(yī)藥殘留物，污泥產(chǎn)量和化學品用量減少90%”。這份提案展示的主要的術理念創(chuàng)新，一是采用集成的技術和設備，二是踐行上游碳源濃縮的理念。其主要工藝是，經(jīng)過電絮凝和氣浮，經(jīng)一級納濾后，進行離子交換，以實現(xiàn)水和資源的全回收。
濃縮過程去除的COD和TP，大大降低了后續(xù)處理工藝的難度，也為諸多目標的實現(xiàn)帶來便利。香港大學教授，清華大學深圳國際研究生院教授李曉巖表示：“如果沒有一級強化，所有的有機物都進入二級處理，經(jīng)過很長戰(zhàn)線，多出很多工作。如果一級處理，如CEPS（化學強化一級處理），除去絕大部分的COD和TP后，后面的操作就可以非常正面了，低耗、減碳、資源化都有可能。”
濃縮過后
針對經(jīng)碳源濃縮后的污水，近年，王凱軍團隊圍繞后續(xù)技術銜接開展了持續(xù)研究，包括離子交換、RO、藻類處理、厭氧氨氧化、樹脂吸附等，以期形成重構基于膜分離特征的新理論和新工藝。
王凱軍介紹，目前，該課題已初步得出一些結(jié)論：
① 膜濃縮和傳統(tǒng)生化處理工藝的銜接是成熟的。在這一工藝里，采用生物脫氮仍然有其優(yōu)勢，但沒有完全展示新工藝的優(yōu)勢。
② 碳源濃縮和厭氧氨氧化相銜接，已有解決方案但存在一定的技術障礙。
③ 雙膜法，即膜濃縮銜接RO，不存在任何技術障礙，可實現(xiàn)短流程的水資源回收。
④ 碳源濃縮與離子交換的銜接，也已是較為成熟的技術，可實現(xiàn)零排放及資源全回收。
針對碳源濃縮后的“碳源”，國內(nèi)也有研究團隊開展工作。
基于未來磷回收的必要性及對可降解塑料（PHA）的需求趨勢，李曉巖團隊利用CEPT后的污泥，開展了磷回收及生產(chǎn)PHA的系列研究。“一個城市中，15-20%的有機物消耗都體現(xiàn)在了污水里面，超過50%的磷都在污水里面，這個潛在的回收就很有意義。”
他介紹：“用污泥生產(chǎn)PHA，普通污水污泥不一定走得通，有機物沒有那么容易降解的。但CEPS的污泥有可能走通，將pH到4.5，后用AO法就可以生產(chǎn)出PHA。”同理，CEPT后的污泥，也更利于磷的回收。“先將磷溶解出來，再沉淀回收。將pH降到4.5，兩天時間磷就能夠溶出來；由于里面含鐵離子，曝氣后，磷就能以藍鐵礦的形式沉淀下來。”
哈爾濱工業(yè)大學（深圳）教授王愛杰團隊從2010年開始，也開展了系列研究，探討將水中的碳通過分離、轉(zhuǎn)化、原位利用，實現(xiàn)反哺處理系統(tǒng)。
“如平膜微濾技術，試圖把水中懸浮態(tài)的有機物快速分出。對于分離出來的污泥，我們關注到污泥里EPS（多糖類物質(zhì)）中有機碳的利用，通過投入少量種子引導體系產(chǎn)生鼠李糖脂（表面活性劑），結(jié)合分離過程，可將EPS中的有機碳剝離下來，進一步利用。此過程通過表面活性劑逐層破解污泥顆粒黏合性結(jié)構，并通過旋流分離過程快速分散和剝離EPS有機質(zhì)。”
王愛杰團隊在山東某污水廠開展的中試應用效果表明，碳分離+污泥短程發(fā)酵制取SCFAs+回補生化系統(tǒng), 可實現(xiàn)污泥減量10-20%, 替代80-90%的外部碳源投加。
值得一提的是，在碳源回收、低碳處理的效果之外，碳源濃縮工藝在研究工作中，還展示了一些意料之外的可能性，值得進一步探討。
