焦点提醒：将来污水处置能源自给新路子—碳源捕捉和碳源改向 刘智晓 ，工学博士，高级项目师，首要处置团体化情况和水务项目设想治理，水务项目方案设想、审核与把关、工艺与装备优化，水处置进程优化节制、改革污水生物处置新工艺研究与开辟，高效低耗水厂/污水厂提标革新手艺等相干范畴的项目化利用研究与实践。 导读 在活性污泥法降生100年后，人们最先从头梳理污水处置的成长过程，瞻望下一个百年污水处置手艺的成长标的目的，从物资轮回、生态伦理学和社会学角度对保守活性污泥手艺的成长过程进行思辩，污水处置进程的高能耗和高“碳萍踪”是常规活性污泥工艺的手艺缺欠，沿用百年的活性污泥法逐步被一些耦合伙源和能源收受接管的概念线路所代替。今朝世界规模内，对“污水”的认知已从“废料处置”对象转向“资本和能源收受接管”的载体，一些发财国度、世界规模内领先的情况公司已制订了面向2030年乃至是2040年的手艺成长线路图，纵览这些手艺线路无一破例都是对准了对污水中资本收受接管、能耗自授与碳中和的将来可延续手艺成长线路，国表里学者基在过往研究履历，对基在碳源捕捉和碳源改向手艺的新型A/B工艺进行了研究与开辟，提出了具有怪异气概的面向将来的能量均衡或碳中和手艺线路。 作者简介：刘智晓（1972-），山东莒县人，工学博士，高级项目师，首要处置团体化情况和水务项目设想治理，水务项目方案设想、审核与把关、工艺与装备优化，水处置进程优化节制、改革污水生物处置新工艺研究与开辟，高效低耗水厂/污水厂提标革新手艺等相干范畴的项目化利用研究与实践。 1 、污水中包含无机化学能潜力阐发 对污水中包含的化学能，国外良多研究者进行了分歧角度的研究和定量评估，评估基准是设定典型糊口污水COD为500mg/L，所含的化学能有两种表征体例，体例一以单元COD量所含的能量为根本，按照HEIDRICH的研究结论，这个数值规模为17.7~28.7kJ/gCOD，而对该基准浓度污水，现实处置能耗约0.45kW·h/m3，相当在1620 kJ/m3，折合处置能耗平均为3.20 kJ/g COD。另外一种体例是将COD化学潜能折合到吨水电耗，获得COD为500mg/L的污水“理论最年夜无机化学能”为22.55 kW·h /m3，理论最年夜无机化学能是指污水所含COD全数被提取并甲烷化，采取常规工艺只要很少部门COD被甲烷化，即便是提取这少少部门的COD用在甲烷化并产能，这部门能量也长短常可不雅的，可提取化学能规模是1.5~1.9kW·h /m3，这个数值也与McCarty等人的研究成果附近。 两种能量表征体例，成果都在注解污水中所包含的无机化学能是对其进行处置所需能耗的近5倍，污水中所包含的如斯庞大的能量，假如捕捉提取此中部门COD化学能乃至是热能并当场转换为电能，理论上能够实现能耗的完全自给乃至能够酿成能量输出厂。有充实的理论根据注解，将来污水处置厂不是能源的耗损者而应当成为能源供给方。污水碳源常规处置工艺与能源化收受接管两种路子下COD物资流比力见图1。 图1 污水碳源常规处置工艺与能源化收受接管两种路子下COD物资流对照 2 、“碳源捕捉”工艺单位手艺线路 2.1“碳源捕捉”1.0→2.0→3.0版理念的提出 在“预处置+活性污泥+厌氧消化”典范污水处置进程中，进水COD年夜部门被活性污泥段降解氧化以气体情势释放（这部门约占进水COD的30%~55%摆布），还相当一部门被以残剩污泥（WAS）情势解除系统（约占进水COD的15%~25%摆布），甲烷化COD约占15%~20%，其余7%~10%随出流排放。这类常规的操纵初沉污泥和二沉污泥进行夹杂厌氧消化产甲烷并经由过程CHP进行能量提取的体例称为“碳捕捉1.0版”。今朝，这类“AD-CHP”联用模式在欧洲等国度污水厂被遍及采取。新加坡乌鲁班丹再生水厂（UluPandan WRP）也采取了此种模式，其工艺流程见图2。 图2 “碳源捕捉1.0版”手艺线路（以新加坡UluPandan厂为例） 从图2可知，即使采取了污泥厌氧消化，被能源化操纵的COD比例和效力仍较低，乌鲁班丹厂进水中的COD只要17.9%被转换为甲烷。是以，优化厌氧消化进程，提高污水中COD甲烷转化率和产率，是“碳源捕捉1.0版”手艺实行的要害步调。近10~20年来，一些污泥厌氧消化预处置手艺获得开辟和利用，如污泥超声破解手艺、污泥热水解手艺（TH）。为了进一步提高厌氧消化进程的甲烷产量，提高污水厂运转能耗自给率，将无机废料如食物、厨余废料引入污泥厌氧消化进程，即厌氧协同消化。这类经由过程强化消化系统进泥的预处置，或经由过程引入外源无机废料提高厌氧消化系统沼气产率进而提高污水厂能耗自给水平的模式，能够称为“碳源捕捉2.0版”，该模式已具有了“污泥增量”的意义，这里所指的污泥增量不是指增添残剩污泥的数目，而是特指经由过程手艺手段增添进入厌氧消化系统或进一步晋升厌氧消化池无机负荷率的方式和路子，实现了“1+1>2”的结果。 恰是熟悉到了污水中储藏的庞大无机化学能，在保守“预处置-活性污泥-厌氧消化”手艺线路根本上，进一步晋升对进水中无机碳源的网捕截获、提取效力，削减或下降进水中无机碳源到后续活性污泥段，使COD在污水处置进程中的碳萍踪由“污染物降解路子”转向到“能源化操纵路子”，最年夜水平实现能源化的同时又使得后续生化曝气进程的能耗降至最低水平，实现了对常规污水处置中COD轨迹的转移，即“碳源改向（Carbon Redirection）”，也可称之为“碳源转移”，提取后的COD进入后续“AD-CHP”，进一步能源化，今朝这类模式逐步成为国表里专家的研究热门。基在污泥增量和碳改向的碳源提取模式工艺手艺线路整体上采取“A-B”构型，A段碳源浓缩提取工艺首要有以生物絮凝为首要感化的高负荷活性污泥工艺（HRAS）、化学强化一级处置（CEPT）、厌氧生物膜反映器（AnMBR）等；因为A段将污水中绝年夜部门COD经由过程“网捕截获”转移到能源化路子，进入B段的污水显现低碳高氮的特征，致使无机碳源严峻缺少，经由过程常规硝化-反硝化生物脱氮工艺已没法实现对TN的有用去除，是以B段将来的成长趋向是采取自摄生物脱氮手艺，如短程硝化-厌氧氨氧化手艺，也就是在支流采取厌氧氨氧化手艺。将采取新型“A-B”工艺，即“高效碳捕捉+支流厌氧氨氧化+高效厌氧消化”的手艺线路称为污水处置“碳捕捉3.0版”，其工艺流程见图3。 图3 “碳捕捉3.0版”手艺线路（基在A/B工艺构型的碳捕捉+支流自养脱氮手艺线路） 2.2“碳源捕捉”手艺线路和机能 2.2.1 高负荷活性污泥工艺（HRAS） 现实利用中HRAS工艺可选择三种反映器情势实现碳源捕捉，别离是持续流完全夹杂式（CSTR）、接触-不变工艺（CS）、推流式反映器（PFR）。分歧构型反映器情势对COD的捕捉率取决在活性污泥对COD的网捕、絮凝、吸附和贮存能力，现实上反映器情势还会影响“泥水”分手特征，而且上述身分相互影响；同时对COD分歧组分的去除效力也有较年夜的差别。三种HRAS反映器见图4，此中CS工艺对COD的捕捉效力高在其它反映器模式，泥水份离特征亦优在其它反映器，加上对COD的氧化矿化程度较低，从物料均衡角度看更能取得较高的COD捕捉率。 图4 高负荷活性污泥工艺（HRAS）工艺构型和运转特征比力 研究注解，生物絮凝（Bioflocculation）进程是影响活性污泥对颗粒性、胶体性和消融性COD快速捕捉/吸附/贮存的要害影响因子，是以HRAS实现“碳源捕捉”和“碳源改向”功能的素质是要强化对进水无机碳源的“絮凝治理”，为了强化活性污泥的生物吸附效力，高负荷接触-不变工艺相对CSTR和PF构型具有更高的效力，特别是对颗粒性与胶体状COD的捕获，这首要是由于CS工艺经由过程回流活性污泥（RAS）曝气供给了使其处在“饥饿”（famine）状况的“不变段”，这类对RAS再曝气进程能够强化其生物絮凝活性，到后续低DO浓度下“泥-水”夹杂反映器可实现对进水COD的快速捕获、吸附进食（feast），强化了对进水COD的捕捉率。SRT是A段最主要的工艺参数，研究注解，当总SRT≤1.1d时，CS工艺对COD的总捕捉率可达59%，对应进水中COD约0.46~0.55 g COD/g COD 经由过程A段实现“碳改向”转向厌氧产CH4能源化路子。A段SRT对进水COD中分歧组份的去除效力影响较为显著；而de Graaff等人的研究成果注解，A段SRT只需要0.3d便可取得最高的污泥产率，SRT耽误将会致使COD的进一步矿化；A段HRT只需15min消融性COD（SCOD）便可取得抱负的去除率。 2.2.2 CEPT工艺 对COD捕捉3.0手艺线路，A段除要将颗粒性和胶体状COD最年夜限度捕捉外，还要斟酌采纳物化手段辅助生化工艺加强SCOD向pCOD或cCOD的转化，进一步捕捉、浓缩、与富集。化学强化一级处置工艺作为二级处置的预处置工序，旨在经由过程夹杂絮凝进程强化对进水中COD、SS和养分盐的去除。CEPT工艺对SS、COD、TP、TN去除率可达80%~90%、30%~70%、80%~95%、20%~25%，这要显著高在初沉池效力，CEPT特别是能够强化对颗粒性无机物（pCOD）的捕捉和去除，去除率可达85%，CEPT的首要错误谬误是对消融性COD去除能力无限。是以，CEPT工艺与A/B工艺的A段的HARS连系，会进一步晋升A段的COD捕捉率。按照荷兰四个A/B工艺污水厂A段的COD捕捉效力阐发，发觉A段能够捕捉进水COD可达53%~74%，此中有24%~48%情势以A段WAS情势排出，而别的一部门19%~50%的COD以污泥情势进入B段，可见，A段除提高进水COD向活性污泥的转化率，更要正视裹挟COD的“餍饫”后这部门污泥的分手效力，这是影响后续COD甲烷化能源化的主要影响身分。A段泥水份离欠安，这首要是A段构成的絮体布局疏松稀少、沉淀机能欠佳致使沉淀池泥水份离特征较弱而至，是以，投加混凝剂不单能够提高对COD的捕捉效力，并且能够提高絮凝体在沉淀池内的沉速，有助在提高A段对COD最年夜水平上的浓缩与富集；A段沉淀池的水力学机能包管设想也是主要身分。 2.2.3周详筛分过滤工艺 为最年夜水平截留进水中COD，德国KWB组织结合Hydrotech、威立雅等水务公司启动旨在收受接管污水中能源的利用研究项目，提出了面向2030年“碳中和手艺线路”，即“CARISMO”概念工艺，也就是“Carbon is money（碳就是钱）”理念，首要手艺线路是“絮凝+微筛+后续生物膜过滤”，所采取的邃密过滤装配为转鼓式筛网过滤机（micro-screen），孔隙100微米；前段经由过程“化学絮凝+微筛”体例，Al盐投加量为15~20mg/L，微筛进程可年夜幅截留原污水中颗粒性、胶体性与消融态COD，“CARISMO”手艺能够从污水中总共“榨取”82%的COD进行能源化进程，远远高在常范围式。 3、 以“碳源捕捉”为根本的能耗自给工艺评析 以“碳浓缩”为根本的能耗自给污水处置工艺以其可延续的“碳中和”运转特征，近几年激发了国表里浩繁研究机构、学者和水务公司的存眷并为此进行了年夜量研究。继1997年Mark Van Loosdrecht传授团队系统提出了基在A/B工艺构型的“A段污泥增量+自养脱氮+污泥能源化”理念和手艺线路后，国内学者北京建筑年夜学郝晓地传授在2003年提出了基在A/B工艺的旨在实现COD和磷收受接管的可延续手艺线路，明白提出了在A段实现污泥产率最年夜化（maximal sludge production）也就是“污泥增量”理念，B段采取BCFS工艺或CANON工艺，这是今朝所看到的国内学者最早在国际上提出的基在将来可延续污水处置手艺线路图。 位在荷兰的欧盟出色可延续水手艺中间、荷兰瓦根宁根年夜学（Wageningen University）Khiewwijit R.博士、比利时根特年夜学（Ghent University）SchaubroeckT.博士、奥地利ARAconsult的WettB. 博士等学者，近几年纷纭了提出基在能量最年夜化、P收受接管和处置进程最低碳排放为基准的“将来新型污水处置厂”、“能量自给污水处置厂”概念构型，概念线路也是采取A/B工艺构型（见图5），A段采取碳捕捉工艺经由过程生物絮凝或CEPT等工艺浓缩进水碳源，提取的碳源经由过程厌氧消化出产甲烷转入能源化CHP路子，或进一步厌氧发酵工艺出产生物塑料、生物柴油或制取其它中等链脂肪酸；B段工艺采取支流PN/A（短程亚硝化-厌氧氨氧化）工艺、或“藻菌共生系统”经由过程微藻（Microalgae）的快速发展来接收N、P，并将微藻用在能源化或生物肥料的制取，实现了碳源的能源化、N、P资本的收受接管和闭环操纵。 图5 基在新型A/B构型能量/资本耦合收受接管理念的将来污水处置工艺概念线路 挪威科技年夜学Ødegaard传授2016年提出了基在MBBR手艺为主体的面向将来的“能量中和”污水处置厂手艺线路图（见图6），此工艺是Ødegaard传授基在中国概念厂理念而“量身定做”的，Ødegaard-MBBR线路首要特点是“A段+B段+侧流段”都是采取了基在MBBR为根本的生物反映器，此中A段为高负荷MBBR，A段高负荷MBBR对BOD的去除率可达85%，这远高在CEPT工艺对COD的去除率。B段和侧流段采取ANITATMMox工艺，中试成果注解，夏日（23℃）B段IFAS ANITATMMox对TN的平均去除率1.4gN/（m2·d），冬季（17℃）去除率为0.5~0.8gN/(m2·d)。Ødegaard-MBBR线路也采纳了侧流段富集的Anammox对支流的弥补，是经由过程气提泵实现MBBR悬浮载体在“支流-侧流”之间轮回，进而到达生物强化的目标。 图6 以MBBR为根本的COD捕捉-支流自养脱氮工艺线路 实践层面，奥地利斯特拉斯（Strass）污水处置厂以支流保守工艺（AB法）与侧流现代工艺（厌氧氨氧化）相连系体例最年夜化残剩污泥产量，经由过程厌氧消化产甲烷并热电联产，早在2005年便实现了能源自给率108%，完全到达碳中和运转方针。今朝，该厂操纵残剩污泥与厂外厨余垃圾厌氧共消化，使得能源自给率高达200%，不但实现能源自力更生，并且还一半的能量能够向厂外供给，已成为名不虚传的“能源工场”。 丹麦Aarhus市近年提出了使全部城市酿成碳均衡地域，今朝Aarhus市已成为世界上第一个操纵从污水处置中收受接管的能源，实现笼盖本市年夜部门污水处置和自来水供给的能耗需求的城市。AarhusVand公司比来提出了“污水厂150%能量”概念，并对该市Egaa该厂进行手艺革新，所采取的首要手艺线路和流程见图7。 图7 丹麦Egaa WWTP迈向“正能量”污水厂提标革新手艺线路 4、问题和会商 新型A/B工艺被付与了“捕获榨取碳源/强化自养脱氮”新的汗青任务，今朝研究与开辟的A段“碳源捕捉”手艺旨在最年夜水平大将污水厂进水中的无机碳源分手，素质上是经由过程手艺手段“碳源挪移”实现COD“改向”，并避免或削减被后续生化进程矿化降解，A段强化对COD的捕捉率可达进水总COD的60%~80%，是以进入B段的污水显现高氮低碳特征，这类水质特征经由过程常规脱氮路子凡是没法知足TN排放尺度，是以各类碳源需求度较低的生化工艺或自养脱氮工艺对被开辟，如短程硝化反硝化、部门亚硝化/厌氧氨氧化（PN/A）等，可是今朝手艺层面尚存下述问题有待研究处理： ①进一步优化A段工艺，深切研究A段高负荷活性污泥工艺前提对进水中分歧性质的COD（VFAs和消融性COD、颗粒或悬浮态COD、胶体状COD）的捕获特征和影响因子，和上述分歧性质的COD夹杂状况下在厌氧消化进程特征、甲烷化转化潜能。另外A段高负荷活性污泥构成的污泥絮体（floc）特征与厌氧消化进程具相关联性，但今朝分歧来历文献参数差别较年夜，需对上述工艺进程进行优化设想并肯定适合的运转节制参数。别的，突发性进水水质冲击对HARS系统运转特征的影响会致使A段出水水质波动，进而对后续工艺的影响对此还需进一步研究； ②付与能量收受接管理念的新型A/B工艺，工艺道理和参数已完全分歧在曩昔常规A/B法，新型B段工艺手艺尚不成熟、要害手艺瓶颈亟待冲破。如低温低浓度前提下支流自养脱氮手艺的运转不变性、厌氧氨氧化活性和效力连结，特别是水温（≦15℃）前提下Anammox活性和项目标准反映器的延续运转不变性。研究显示，当水温由30℃下降到10℃，Anammox菌活性下降10倍。我国良多地区冬季水温低在13~15℃，短时间严寒气候水温乃至低在11℃，这类水温前提下，支流反映器内Anammox菌的活性被快速按捺，项目标准层面若何实现不变达标，今朝看手艺瓶颈还没有冲破。 ③分歧的研究显示B段反映器内无机物的具有特别是跟着SCOD/N比值（≥0.5）的提高会有助在异养反硝化进程从而按捺Anammox,可是比来有研究发觉常规硝化反硝化脱氮（N/DN）进程与厌氧氨氧化进程能够有用共存，比来Cao Ye-shi等人在新加坡樟宜（Changi）再生水厂的实验研究成果和污水厂实地检测成果显示，厌氧氨氧化菌与通俗异养反硝化菌能够共存统一个反映器/生物池内，且对TN的去除有各自进献，樟宜再生水厂TN的去除率89%，此中保守路子N/DN进献率为50%，而Anammox路子进献率达38%，比来五年的运转数据显示N/DN与PN/A进程对TN的去除进献几近接近。明显，这个结论明显与很多学者研究和寻求的标的目的分歧，今朝学界尽力标的目的都是想法尽最年夜水平上削减进入B段的COD，寻求完全意义上的支流厌氧氨氧化，樟宜再生水厂的出产标准的验证数据明显倾覆了保守不雅点，樟宜项目运转结论为两种进程协同具有供给了实践层面的支持，但上述两种进程在统一个反映器内分歧菌群（AOB、NOB、AnAOB和HB）协同阐扬感化的机制、影响因子、优化运转调控策略和对其它地区的顺应性（新加坡终年污水温度28-32℃），此刻结论尚不明白。可是，这无疑为将来继续深切和开辟新型“异养N/DN-自养AMX”夹杂共存反映器供给了极新的研究标的目的。 5、结论 瞻望基在资本收受接管与碳均衡理念的将来污水处置厂，中国要随机应变、建立合适国情的将来污水处置成长手艺线路图。要当真梳理和反思过平常规污水处置路径具有的不成延续特征，污水处置进程高耗能并排放年夜量温室气体（GHG），与此同时，污水中COD包含的庞大无机化学能（约1.5~1.9kW·h/m3）远远未被发掘和操纵，将来污水处置的成长标的目的是朝着养分物、能源和再生水“三厂合一”模式改变。研究与开辟进水碳源转向和污泥增量手艺，对污水中无机碳源实现高效网捕截获、浓缩和分手并转向能源化路子，是提高能量自给效力、终究实现能量均衡和碳均衡运转的物资根本。 对中国，要起首斟酌管网系统完美，如试点打消化粪池、进行雨污分流、完美污水管网系统的扶植，提高进水COD浓度同时，有前提地域慢慢恢复和普和厌氧消化系统的扶植和运转（行业指点政策、经济补助要予以撑持），为实现“碳源捕捉1.0版”供给有用碳源根本。在“1.0版”运营根本上，慢慢斟酌向“2.0版”迈进，2.0版根本是基在“污泥增量”理念，可采取热水解（THP）或引入外源无机物实现厌氧协同消化，进一步提高污水厂能量自给程度，实现能量均衡、乃至迈向“正能量”污水厂，对城市无机废料引进污水厂与污泥协同厌氧消化，触及到跨部分协作，实现“1+1>2”结果，这方面国度要赐与政策撑持（无机物储运和自产电能联网等）。特殊强调的是，将来排放尺度的制订与修订要斟酌碳源转向能源化路子后对后续脱氮工艺的影响，高排放尺度要与“碳均衡”运转要实现方针解耦，“鱼和熊掌不成兼得”，要优先鼓动勉励碳源的能源化、资本化路子！碳捕捉“3.0版”手艺线路是国际公认将来污水处置的成长标的目的，但“3.0版”实现根本是有赖在后续“B段”低温前提下自养脱氮工艺手艺瓶颈的处理和项目标准上不变性、靠得住性验证，需要自立完成从小试→中试→出产范围分歧标准上的验证，今朝看，“3.0版”还面对诸多手艺挑战需要降服，为此，针对“B段”手艺瓶颈开辟出新型反映器（悬浮、载体和复合式）、和新型生物活性刺激载体，进而进一步提高Anammox的数目和活性是将来的手艺成长标的目的。 （更具体内容拜见《中国给水排水》第8期：将来污水处置能源自给新路子——碳源捕捉和碳源改向；作者：北京初创股分无限公司/初创爱华天津市政情况项目无限公司刘智晓）
将来污水处置能源自给新路子—碳源捕捉和碳源改向
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