Glen Daigger博士是前國際水協(xié)主席(2010-2014)、美國工程院院士、CH2M (西圖)的前高級副總裁兼首席技術官，目前是密歇根大學市政與環(huán)境工程學院的教授，也是One Water Solutions咨詢公司的主席和創(chuàng)始人。在過去幾年里，他一直在大力推動水資源回收廠(Water Resource Recovery Facility，簡稱WRRF)理念的傳播，改變大家對污水處理廠的傳統(tǒng)認識。他在不同場合都談到污水廠的靈活性和適應性的重要性。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。
▲ 美國能源部2015年的官方報告中對WRRF的整體概念描述圖 © energy.gov
未來水資源回收工廠必須要滿足各種功能性的要求(表1)。實際上WRRFs可以成為一個基于生物技術的經濟有機體(bio-based economy)。
▲ 表1. WRRF的功能要求
大家對環(huán)境治理的要求隨著時代進步而變化，諸如污水廠、垃圾處理廠等環(huán)保基礎設施必須適應這些變化。舉個例子，一個集中式的WRRF可能就是從一個只確保廢水達標排放的污水廠逐步轉變?yōu)槿舾蓚�更小型的功能劃分更細化的資源回收工廠。
污水資源化技術在快速演變，我們有了更多的選擇，例如：
厭氧氨氧化的發(fā)現及其商業(yè)化應用的快速普及
從廢水中回收能源日漸受到社會和政府的重視，這促進了厭氧消化技術的進一步發(fā)展
膜技術和其他深度水處理技術(如UV、高級氧化和生物活性炭BAC)促進了水回用的發(fā)展
磷回收目前是一項示范技術，各種基于生物和電化學技術的回收工藝正在不斷發(fā)展中。
這些趨勢預計會隨著生物技術和材料科學(納米技術)的進步而得到進一步的發(fā)展。正因為這樣，未來水資源回收工廠(WRRF)不僅需要適應各種功能性要求的變化，還要應對變化的技術。
因此WRRF的設計不能僅針對特定的一些功能性要求或技術做設計。相反，靈活性應該成為污水處理廠設計的首要考慮要素。在一些技術甚至還沒誕生的時候，我們怎么能設計一個能適應各種不確定的要求和變化的WRRF呢?乍看上去這是個不可能的任務，但歷史告訴我們是可行的。
實際上許多WRRFs已經有幾十年的運行歷史，也已經經歷了若干次標準和技術的升級。因此，我們其實是有相對充足的經驗來對WRRF的布局和配置做決策的。這些經驗能給一座新的WRRF的新建或者污水廠的升級提供很好的參考。
WRRF的功能性需求
Daigger博士認為WRRF在設計時要考慮的內容可以分為五大部分，包括了：水力負荷和處理能力的擴展、處理水質要求、廠房布局、污泥處理、美觀和臭氣處理。其中重點闡述了處理水質要求和廠房布局的要點。
水質要求
處理水質要求隨著時代變化而變化，這也驅動著處理技術的變化，這也會對污水廠的設備配置和布局產生顯著影響。下邊的表2總結了WRRF的可能處理目標和對應的技術選擇。
▲ 表2. WRRF的潛在處理標準以及對應的技術選擇
去除有機物無論是目前還是將來都會是污水處理的首要目標。它可以通過氧化的方式得以去除，但對于WRRFs而言，有機物的捕獲是日漸增長的技術選擇，這不僅減少了后續(xù)所需曝氣量，還能對捕獲的有機物進行厭氧發(fā)酵回收沼氣。這使大家重新對過去使用的高負荷好氧生物處理(high-rate aerobic biological treatment)產生興趣，因為它能使主流中的有機物捕獲最大化，污泥礦化最小化。大家對在主流中直接使用厭氧消化的興趣也在增加。這些工藝技術的選擇將對廠房布局產生重大影響。
出水氮磷的標準也變得日益嚴格。根據美國EPA2015的數據，一些生態(tài)保護區(qū)的總磷和總氮標準分別為0.01-0.1mg/L和1-3mg/L，這有可能是未來污水處理廠的出水標準。而目前脫氮除磷的生物或化學技術是可以滿足這些標準需求的。除此以外，一些深度處理技術也能滿足消毒和微量污染物的去除要求。
通過下表可以看出，鋼筋混凝土結構和管網渠道等的壽命是可以很長的，像泵、風機等轉動設備次之，所以設計布局的重要一點是要提供更具適應力的工藝反應池來應對不同的目的和處理技術。
▲ 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，一開始該廠包含格柵、進水泵、初沉池、傳統(tǒng)活性污泥生物處理。然后這個系統(tǒng)經歷了四個階段的擴容，但依然留有空間進行脫氮除磷和進一步的三級處理，如中水回用等。一些會產生臭氣和需要經常維護的處理單元就安排在方便出入的入口附近。另外各工序之間應該設有混合點，保證進入下一個工序的進料是統(tǒng)一穩(wěn)定的，這能對系統(tǒng)進行更好的整體控制。
▲ 模塊化設計的WRRF布局示意圖
另外，下圖展示的是一些WRRFs應對擴建的方法。主要的思路對于處理系統(tǒng)的脊骨(backbone)，例如管道等留有充足空間。而兩側的工藝池采用標準化設計，這樣能在有需要的時候更靈活對單個某個單元進行改造。
新技術和技術選擇
能源自給污水廠一般的工藝包括了初沉處理+高負荷活性污泥/滴濾池生物處理來使主流能耗最小化，另一方面就是對初沉池和二沉池的污泥進行厭氧消化，回收的沼氣通過CHP熱電聯(lián)產來滿足廠區(qū)的供電需求。這對出水要求不是那么嚴格的地區(qū)來說，COD、BOD5和TSS等指標能達標一般是沒有問題的。但出水標準的提高，尤其包括了氮磷的去除指標的加入，使得大家偏向使用低負荷活性污泥系統(tǒng)，相應增加了污泥好氧穩(wěn)定化的能耗。這減少了二級剩余污泥的產量，沼氣的產量也少了，生物處理的能耗卻提高了，使得WRRFs要向外購買更多能源。
這些因素使得大家重新對例如AB工藝等進行碳捕獲的工藝產生興趣，另外就是自養(yǎng)厭氧氨氧化的脫氮工藝能與其結合，產生出更多的技術選擇，盡管哪項具體技術最可靠和實惠的方法仍不明朗。此外大家對磷回收興趣的增加，而不是簡單的除磷，同樣影響著工藝的選擇。CEPT化學強化初沉池是碳源捕獲的其中一個方法，這同時能去除大量的磷，但是因為這些磷是以化學方式去除的，所以卻導致其很難進行后續(xù)回收。
高負荷生物處理系統(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。
另一個選擇是主流厭氧處理，結合生物脫氮除磷或者生物脫氮+化學除磷。Daigger博士把上述的技術選擇總結為下表：
▲ 表4. 碳捕獲和脫氮除磷工藝選擇
對于這些技術的利弊，可能還需要未來幾年時間才能摸清，而相應的支持技術也在不斷演變。對此，Daigger博士再次強調在決策上應該將這些因素跟污水廠的布局結合著來綜合考慮。
總結
污水處理目標、出水標準和技術都在不斷演變，這要求WRRF在設計上要更具靈活性來適應這些持續(xù)的變化。
WRRF的廠房布局和工藝反應池的設計不應該僅限于現在的處理要求和技術，而是應該具有應對未來政策要求和技術的包容性。這在技術上實可行的。用Buildingblock的思維來設計布局是一個可行的方法來面對處理能力、處理要求和有機物處理升級的變化，還有就是在美學和環(huán)境上的考慮。只有能幫助污水廠應對變化的設計規(guī)劃，才是通往未來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
