什么是上游碳源濃縮？
圍繞“碳中和”目標(biāo)，早在多年前，歐洲就有學(xué)者提出了碳源濃縮理念：在污水處理前端“捕捉”進(jìn)水COD，將其直接用于后端厭氧產(chǎn)CH4。但長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)污水處理行業(yè)缺乏“碳中和”帶來(lái)的對(duì)于污水處理工藝創(chuàng)新的壓力，普遍技術(shù)方向是解決污水處理廠實(shí)際運(yùn)行中的一些迫切技術(shù)問(wèn)題，比如“達(dá)到準(zhǔn)IV排放標(biāo)準(zhǔn)的高水平的脫氮除磷技術(shù)”。
而近年來(lái)，一些研究團(tuán)隊(duì)將碳源濃縮理念與物化法相結(jié)合，打開(kāi)了該技術(shù)在我國(guó)落地實(shí)踐的可能性。
未來(lái)新水務(wù)專(zhuān)家組專(zhuān)家、清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授王凱軍解釋?zhuān)?ldquo;國(guó)內(nèi)探索的碳源濃縮以膜技術(shù)為代表，但不同于將膜過(guò)程置于工藝流程末端的常規(guī)工藝設(shè)計(jì)，膜濃縮過(guò)程置于污水處理全流程工藝的前端。濃縮過(guò)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(chǔ)上，后續(xù)可以探索嫁接新的技術(shù)，如離子交換、RO、厭氧氨氧化等，形成系列的顛覆性工藝技術(shù)。”
他介紹，近年，荷蘭某地水委會(huì)通過(guò)了興建新污水廠的提案，希望通過(guò)應(yīng)用一系列的新技術(shù)新理念，建設(shè)一座在未來(lái)20-30年內(nèi)保持領(lǐng)先的污水廠，指標(biāo)目標(biāo)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(xué)品用量減少90%”。這份提案展示的主要的術(shù)理念創(chuàng)新，一是采用集成的技術(shù)和設(shè)備，二是踐行上游碳源濃縮的理念。其主要工藝是，經(jīng)過(guò)電絮凝和氣浮，經(jīng)一級(jí)納濾后，進(jìn)行離子交換，以實(shí)現(xiàn)水和資源的全回收。
濃縮過(guò)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(biāo)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)便利。香港大學(xué)教授，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院教授李曉巖表示：“如果沒(méi)有一級(jí)強(qiáng)化，所有的有機(jī)物都進(jìn)入二級(jí)處理，經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)戰(zhàn)線(xiàn)，多出很多工作。如果一級(jí)處理，如CEPS（化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)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(guò)后
針對(duì)經(jīng)碳源濃縮后的污水，近年，王凱軍團(tuán)隊(duì)圍繞后續(xù)技術(shù)銜接開(kāi)展了持續(xù)研究，包括離子交換、RO、藻類(lèi)處理、厭氧氨氧化、樹(shù)脂吸附等，以期形成重構(gòu)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?yán)铮捎蒙锩摰匀挥衅鋬?yōu)勢(shì)，但沒(méi)有完全展示新工藝的優(yōu)勢(shì)。
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(shù)障礙。
③ 雙膜法，即膜濃縮銜接RO，不存在任何技術(shù)障礙，可實(shí)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(shù)，可實(shí)現(xiàn)零排放及資源全回收。
針對(duì)碳源濃縮后的“碳源”，國(guó)內(nèi)也有研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展工作。
基于未來(lái)磷回收的必要性及對(duì)可降解塑料（PHA）的需求趨勢(shì)，李曉巖團(tuán)隊(duì)利用CEPT后的污泥，開(kāi)展了磷回收及生產(chǎn)PHA的系列研究。“一個(gè)城市中，15-20%的有機(jī)物消耗都體現(xiàn)在了污水里面，超過(guò)50%的磷都在污水里面，這個(gè)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(jī)物沒(méi)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(lái)，再沉淀回收。將pH降到4.5，兩天時(shí)間磷就能夠溶出來(lái)；由于里面含鐵離子，曝氣后，磷就能以藍(lán)鐵礦的形式沉淀下來(lái)。”
哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）教授王愛(ài)杰團(tuán)隊(duì)從2010年開(kāi)始，也開(kāi)展了系列研究，探討將水中的碳通過(guò)分離、轉(zhuǎn)化、原位利用，實(shí)現(xiàn)反哺處理系統(tǒng)。
“如平膜微濾技術(shù)，試圖把水中懸浮態(tài)的有機(jī)物快速分出。對(duì)于分離出來(lái)的污泥，我們關(guān)注到污泥里EPS（多糖類(lèi)物質(zhì)）中有機(jī)碳的利用，通過(guò)投入少量種子引導(dǎo)體系產(chǎn)生鼠李糖脂（表面活性劑），結(jié)合分離過(guò)程，可將EPS中的有機(jī)碳剝離下來(lái)，進(jìn)一步利用。此過(guò)程通過(guò)表面活性劑逐層破解污泥顆粒黏合性結(jié)構(gòu)，并通過(guò)旋流分離過(guò)程快速分散和剝離EPS有機(jī)質(zhì)。”
王愛(ài)杰團(tuán)隊(duì)在山東某污水廠開(kāi)展的中試應(yīng)用效果表明，碳分離+污泥短程發(fā)酵制取SCFAs+回補(bǔ)生化系統(tǒng), 可實(shí)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(jìn)一步探討。
