COD捕集：通往市政污水處理能源自給的可行途徑
來源：環(huán)境縱橫作者：萬俊鋒 張萌
編者按：隨著城市可持續(xù)發(fā)展要求的不斷提高，以及污水資源化和碳減排等具體政策措施的落實(shí)，市政污水的綠色高效處理及回用引起了廣泛的關(guān)注和討論。傳統(tǒng)以活性污泥法為核心的處理工藝在市政污水處理應(yīng)用百年之后，其污染物去除的單一功能與污水處理廠日益提高的能源自給、污泥減量、資源回收、碳減排等復(fù)合目標(biāo)漸行漸遠(yuǎn)。對此，世界各國都在積極尋求行之有效的解決方案。來自新加坡南洋理工大學(xué)的劉雨教授團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，未來市政污水處理廠的定位不應(yīng)僅僅被限于污染物去除，而應(yīng)作為能源廠、資源廠、水廠和碳減排廠等發(fā)揮更顯著的作用�；诖�，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了新A-B工藝的理念，該理念可具象為一系列的工藝形式，如以COD捕集為核心的能源回收和碳減排工藝、以新型膜處理為核心的資源回收和水回用工藝等。工藝之間相互交叉、融合、支撐、發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)最大化污水能量回收、資源回用、溫室氣體減排、水循環(huán)回用等復(fù)合目標(biāo)。
本研究聚焦以COD捕集為核心的新A-B工藝，并對部分不同的工藝組合形式及其能耗情況進(jìn)行討論和分析，以期為市政污水處理能源自給和碳減排提供可行的技術(shù)方案。
研究背景
活性污泥法是一種廣泛應(yīng)用于市政污水處理的傳統(tǒng)生物技術(shù)，其主要通過在曝氣情況下將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為生物污泥和二氧化碳以實(shí)現(xiàn)污染物降解。在實(shí)際應(yīng)用過程中，活性污泥法被改進(jìn)和拓展以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對污水中氮、磷等污染物的去除。在過去100多年的應(yīng)用過程中，活性污泥法一直承擔(dān)著市政污水處理的重任，降污成效顯著。
然而，隨著環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)要求的不斷提高，活性污泥法在能源消耗、剩余污泥等方面的問題凸顯。具體來說，活性污泥法對污染物的去除以消耗大量能源為代價(jià)，如在美國市政用水相關(guān)能耗可占到國家年電能消耗的3%。另一方面，活性污泥法產(chǎn)泥量大，污泥產(chǎn)率可達(dá)0.3-0.5 g/g COD，如在中國2019年污泥產(chǎn)量已超過6000萬噸（以含水率80%計(jì)）。為應(yīng)對上述問題，目前污水處理廠多采用厭氧發(fā)酵處理剩余污泥的方法，不僅可產(chǎn)生沼氣以產(chǎn)電回收能源，而且可實(shí)現(xiàn)污泥減量。但應(yīng)該看到，該方法通常僅可使污水處理廠的能源效率達(dá)到20-50%，遠(yuǎn)未達(dá)到能源自給的最終目標(biāo)。除此之外，由于污泥組成的復(fù)雜性和難降解性，傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵對污泥的減量效率僅為30-50%，即仍有大量的剩余污泥亟待解決。
基于上述活性污泥法的現(xiàn)狀和問題，來自新加坡南洋理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了新的研究思路：污水中的有機(jī)物在進(jìn)行好氧處理轉(zhuǎn)化為剩余污泥前應(yīng)盡可能的被捕集用于厭氧處理。該思路具有一石三鳥的作用，1）強(qiáng)化能源回收；2）減少用于氧化有機(jī)物的能源消耗；3）減少剩余污泥產(chǎn)量。在該思路的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出未來污水處理的設(shè)計(jì)理念，即新A-B工藝（圖1）。本研究將就目前不同類型的碳捕集技術(shù)進(jìn)行介紹，同時(shí)對基于其耦合的新A-B工藝及其能耗情況進(jìn)行討論和分析，以期為市政污水處理能源自給提供可行的技術(shù)方案。
圖1新A-B工藝?yán)砟顖D
污水處理廠的能源現(xiàn)狀
目前，以活性污泥法為核心的市政污水處理工藝能耗為0.3-0.6 kWh/m3，平均0.45 kWh/m3，即1620 kJ/m3。以COD濃度為500 mg/L的市政污水為例，污水處理的單位污染物能耗可計(jì)算為3.20 kJ/g COD。據(jù)報(bào)道，典型市政污水中蘊(yùn)含的能量可達(dá)14.7-17.8 kJ自由能/g COD，即5倍于污水處理所需能耗。上述計(jì)算表明，市政污水處理實(shí)現(xiàn)能源自給具有極大的潛力。
圖2顯示了傳統(tǒng)活性污泥法的工藝流程及有機(jī)物物質(zhì)流情況。分析表明，通過污泥厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為甲烷進(jìn)行能量回收的有機(jī)物占比為35%（初沉污泥26%+二沉污泥7%），即4.58 kJ/g COD�？紤]到熱電聯(lián)產(chǎn)的電能轉(zhuǎn)化效率35%，該部分能量可轉(zhuǎn)化為電能1.60 kJ/g COD，即污水處理廠能源效率僅為1.60/3.20×100%=50%。進(jìn)一步分析用于能源回收的有機(jī)物來源可知，初沉污泥的貢獻(xiàn)率達(dá)78%，進(jìn)一步驗(yàn)證了在生物氧化工藝單元前進(jìn)行碳捕集對提高污水處理廠能源效率的重要性。
圖2傳統(tǒng)活性污泥法中有機(jī)物物質(zhì)流
基于COD捕集的新A-B工藝類型及其能耗分析
如圖1所示，新A-B工藝的核心在于盡可能的實(shí)現(xiàn)能源回收（A段）同時(shí)減少營養(yǎng)物去除/回收（B段）的能源消耗。目前，用于碳捕集的A段技術(shù)有化學(xué)強(qiáng)化一級處理（chemically enhanced primary treatment，CEPT）、高速率活性污泥法（high rate activated sludge，HRAS）、厭氧處理（anaerobic treatment）。由于污水中大部分有機(jī)物被捕集，B段應(yīng)選取可在低C/N比下進(jìn)行營養(yǎng)物去除的工藝，如短程硝化-反硝化、短程硝化-厭氧氨氧化等（圖3）。
圖3部分潛在的新A-B工藝類型
CEPT+短程硝化-反硝化工藝
一般來說，CEPT工藝通過化學(xué)藥劑的投加可實(shí)現(xiàn)顯著的顆粒性有機(jī)物去除，但溶解性有機(jī)物去除效果差強(qiáng)人意。因此，污水中部分有機(jī)物會進(jìn)入B段�？紤]到厭氧氨氧化工藝對有機(jī)物的敏感性，選取短程硝化-反硝化與CEPT進(jìn)行工藝耦合。對工藝的有機(jī)物物質(zhì)流進(jìn)行分析（圖4），該工藝組合可捕集污水中43%的有機(jī)物用于能量回收，產(chǎn)生電能2.09 kJ/g COD，污水處理廠能源效率為2.09/3.20×100%=65.31%。
圖4 CEPT+短程硝化-反硝化工藝中有機(jī)物物質(zhì)流
HRAS+短程硝化-反硝化工藝
HRAS工藝是活性污泥法的升級工藝，通過控制較短的水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間實(shí)現(xiàn)對有機(jī)物的快速捕集。HRAS工藝對有機(jī)物的去除效率為55-65%，即仍有可觀的有機(jī)物進(jìn)入B段。因此，研究選取短程硝化-反硝化工藝與HRAS工藝進(jìn)行耦合。對工藝的有機(jī)物物質(zhì)流進(jìn)行分析（圖5），該工藝組合可捕集污水中47%的有機(jī)物用于能量回收，產(chǎn)生電能2.29 kJ/g COD，污水處理廠能源效率為2.29/3.20×100%=71.56%。
圖5 HRAS+短程硝化-反硝化工藝中有機(jī)物物質(zhì)流
厭氧+短程硝化-厭氧氨氧化工藝
主流厭氧處理是目前市政污水處理的研究熱點(diǎn)，其主要通過厭氧微生物實(shí)現(xiàn)對污水中有機(jī)物的直接轉(zhuǎn)化產(chǎn)生甲烷。已有研究表明，厭氧處理對有機(jī)物的捕集效率可達(dá)80%以上�；诖�，進(jìn)入B段的污水具有較低的C/N比，因此可選用更為節(jié)能的短程硝化-厭氧氨氧化與其耦合。對工藝的有機(jī)物物質(zhì)流進(jìn)行分析（圖6），該工藝組合中65%的有機(jī)物可通過厭氧處理直接從污水中回收甲烷，8%的有機(jī)物通過厭氧發(fā)酵進(jìn)行產(chǎn)甲烷，即最終可捕集污水中73%的有機(jī)物用于能量回收，產(chǎn)生電能3.55 kJ/g COD，污水處理廠能源效率為3.55/3.20×100%=110.94%。
圖6厭氧+短程硝化-厭氧氨氧化工藝中有機(jī)物物質(zhì)流
小結(jié)及展望
綜上分析，以厭氧處理為A段的新A-B工藝可實(shí)現(xiàn)污水處理廠的能源自給。除此之外，由于厭氧生物過程具有較低細(xì)胞產(chǎn)率，使得厭氧處理可顯著降低污水處理過程的污泥產(chǎn)量，據(jù)報(bào)道該減量幅度可達(dá)60%以上。因此，該耦合工藝具有較大的發(fā)展?jié)摿Α５趯?shí)際應(yīng)用過程中，仍有諸多問題亟待攻克，如溶解性甲烷、反應(yīng)溫度等。
在主流厭氧處理方面，厭氧膜生物反應(yīng)器（anaerobic membrane reactor，AnMBR）日益受到關(guān)注。一方面，AnMBR可在低能耗情況下實(shí)現(xiàn)較高的有機(jī)物捕集/去除效率（可達(dá)90%以上），強(qiáng)化能源回收；另一方面，AnMBR出水富含氮、磷等，為營養(yǎng)物的分離和回收創(chuàng)造了先決條件；再者，膜處理對污水中的病原體等具有較好的去除效果，因此富含氮、磷等營養(yǎng)物的AnMBR出水亦可用于農(nóng)業(yè)灌溉等實(shí)現(xiàn)水回用。因此，以AnMBR為碳捕集技術(shù)的新A-B工藝在未來污水處理過程中具有較高的發(fā)展?jié)摿�，亟待探索和�?yīng)用。
圖7 AnMBR（A段）-營養(yǎng)物回收（B段）耦合工藝示意
作者簡介
萬俊鋒，博士，鄭州大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院副教授。
2009年博士畢業(yè)于法國國立應(yīng)用科學(xué)學(xué)院圖盧茲分院(INSA-Toulouse)。2015-2016年新加坡南洋理工大學(xué)國家公派訪問學(xué)者。主要研究領(lǐng)域?yàn)楹醚躅w粒污泥技術(shù)應(yīng)用以及污水營養(yǎng)物的去除與資源化回收，以第一或者通訊作者在Water Res. Sci. Total Environ. Bioresour. Technol.等國內(nèi)外期刊發(fā)表論文30余篇，擔(dān)任十余種國際知名學(xué)術(shù)期刊的審稿人。
張萌，博士，現(xiàn)為新加坡南洋理工大學(xué)研究員。
2010年和2015年分別獲浙江大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位和博士學(xué)位。主要研究領(lǐng)域?yàn)樗廴究刂婆c廢物資源化。在Water Res. Bioresour. Technol.等國內(nèi)外期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇。擔(dān)任《中國給水排水》青年編委、國際水協(xié)（IWA）會員、中國生物工程協(xié)會會員、十余種國際主流SCI期刊特邀審稿人等。
