王凱軍：環(huán)保產(chǎn)業(yè)是下一個(gè)“無(wú)碳”燃料技術(shù)的主角

“絕大部分人，是因?yàn)榭匆?jiàn)而相信，只有很少的一部分人是因?yàn)橄嘈哦匆?jiàn)”，在“2021（第十九屆）水業(yè)戰(zhàn)略論壇”上，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授、國(guó)家環(huán)境保護(hù)技術(shù)管理與評(píng)估工程技術(shù)中心主任王凱軍引用了馬云的名言。

　　論壇上，王凱軍用“變”與“不變”這對(duì)哲學(xué)命題，指出目前水處理技術(shù)正在快速發(fā)展，即有很多行業(yè)“視而不見(jiàn)”的變化，也有正在帶來(lái)行業(yè)百年未有的變局與機(jī)遇，行業(yè)要掌握“變”與“不變”的規(guī)律性，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的潮流。

　　王凱軍

　　水處理技術(shù)中的“不變”

　　辯證法認(rèn)為，事物本質(zhì)的內(nèi)在規(guī)定性是不變的，具有穩(wěn)定性、長(zhǎng)期性和堅(jiān)韌性，王凱軍表示，在污水處理行業(yè)，不變的是污水處理的基本原理。

　　在污水處理發(fā)展初期，一大批大型污水處理廠普遍采用了傳統(tǒng)的技術(shù)路線，很多人不以為然?；貋?lái)，采用了不用初沉池和不用消化池的簡(jiǎn)單的氧化溝技術(shù)，但是如今看來(lái)，這對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和的“30、60”目標(biāo)，是非常不利的，總結(jié)起來(lái)有四個(gè)突出問(wèn)題：

　　問(wèn)題一：普遍采用延時(shí)曝氣的氧化溝工藝，造成高能耗；

　　問(wèn)題二：缺少初沉池，造成高能耗；

　　問(wèn)題三：缺少初沉池，造成無(wú)機(jī)分和含沙量高運(yùn)行困難；

　　問(wèn)題四：不設(shè)污泥消化池，缺少溫室氣體控制的抓手。

　　水處理技術(shù)中幾個(gè)“視而不見(jiàn)”的變化

　　出水標(biāo)準(zhǔn)的提升，導(dǎo)致工藝流程發(fā)生眾所周知的變化，對(duì)其視而不見(jiàn)

　　王凱軍指出，污水行業(yè)近些年最大的變化，是地方的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，同時(shí)出水標(biāo)準(zhǔn)的提升，導(dǎo)致工藝流程發(fā)生變化。

　　如排放標(biāo)準(zhǔn)從一級(jí)A出水提升為準(zhǔn)IV類出水，在工藝上就從傳統(tǒng)的高密沉淀池+V型濾池等，轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎美w維轉(zhuǎn)盤濾池或活性砂濾池或混凝沉淀等，或者在標(biāo)準(zhǔn)配置中添加更為復(fù)雜的工藝。

　　顯然，二沉池的負(fù)荷沒(méi)有必要那么保守，因?yàn)椤?strong>變化”了的工藝流程中有后續(xù)單元保證出水的懸浮物濃度達(dá)標(biāo)，而以前這是單純靠二沉池保證的。這是非常有意義的，因?yàn)槎脸赝两ê驮O(shè)備占總投資的15-20%。如果提高一倍負(fù)荷，可以節(jié)省投資10%，不用投資就提高投資回報(bào)率2-3點(diǎn)。提高公司的競(jìng)爭(zhēng)能力。

　　二沉池占地面積極大，替代工藝需求迫切

　　王凱軍團(tuán)隊(duì)調(diào)研了我國(guó)上百個(gè)地上污水處理廠，對(duì)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，王凱軍指出，目前，我國(guó)地上污水處理廠中的沉淀池占地面積普遍可觀，最高可占主要構(gòu)筑物比例在50%，最低也在20%以上。

　　目前，地下式污水處理廠生化和二沉池占地70%以上，這也在一定程度上造成了地下污水處理廠基建造價(jià)較高，投資為地上污水廠的1.5-2倍以上。

　　對(duì)沉淀技術(shù)迅速發(fā)展視而不見(jiàn)

　　王凱軍十年前在水業(yè)戰(zhàn)略論壇就分析過(guò)所謂的高效好氧生物反應(yīng)器技術(shù)，顧名思義的三個(gè)要素是“好氧”、“生物”和“反應(yīng)器”。目前，大部分環(huán)保企業(yè)關(guān)注好氧部分的精確曝氣，精確控制，自動(dòng)控制，曝氣頭等等，實(shí)際上，這三個(gè)要素是同等重要的。

　　以“生物”為例?！吧铩辈糠旨刃枰獢?shù)量即“濃度”，也需要質(zhì)量即“活性”，數(shù)量的保持需要“沉淀和分離”。

　　王凱軍指出，目前，一系列沉淀技術(shù)正在迅速發(fā)展，如果這些技術(shù)能夠受到行業(yè)的普遍關(guān)注，就能推動(dòng)污水處理工藝得到大幅提升。

　　二沉池升級(jí)工藝一：加載沉淀Biomag技術(shù)

　　加載沉淀Biomag技術(shù)是近幾年比較主流的磁分離技術(shù)，具有沉降速度快、表面負(fù)荷高的優(yōu)勢(shì)，能有效減少占地面積，同時(shí)有效增加污泥濃度，可達(dá)到8～12 mg/L，表面負(fù)荷可由傳統(tǒng)0.5～1提升至2-4 m/h。

　　從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在不需要過(guò)濾與濾池的條件下，可以實(shí)現(xiàn)BOD<5,總磷<0.2mg/L。近些年，比較有代表性的是，清華大學(xué)和中持股份技術(shù)團(tuán)隊(duì)在此技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，目標(biāo)是將水處理量提高三倍。

　　二沉池升級(jí)工藝二：接觸沉淀技術(shù)

　　“接觸沉淀一體化沉淀”技術(shù)取代了常規(guī)的“沉淀”+“過(guò)濾”兩段工藝。

　　接觸沉淀一體化沉淀技術(shù)源于古老的技術(shù)思路，在二沉池上加特殊的濾層， 使沉淀跟過(guò)濾相結(jié)合，節(jié)省了高效沉淀池。實(shí)現(xiàn)過(guò)濾流速達(dá)4-10m3/㎡·h，濾后出水的SS（懸浮物）<5mg/L，遠(yuǎn)優(yōu)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的10mg/L，設(shè)備運(yùn)行能耗成本實(shí)現(xiàn)小于0.01元/噸水。

　　二沉池升級(jí)工藝三：納米絮凝劑復(fù)合沉淀

　　納米絮凝劑是一種含有納米粒子結(jié)構(gòu)的高分子無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合絮凝劑，能有效提高絮凝效果。納米絮凝劑操作簡(jiǎn)便，可以實(shí)現(xiàn)一步稀釋，并且無(wú)需新建構(gòu)筑物，節(jié)省基建投資，具有反應(yīng)時(shí)間短，沉降效果好的特點(diǎn)，同時(shí)還可以輔助除磷。

　　王凱軍指出，如今標(biāo)準(zhǔn)在不斷變化，新的工藝層出不窮，然而，行業(yè)的設(shè)計(jì)思路還停留在幾十年前。實(shí)際上，由于二沉池的出水面對(duì)的不是水環(huán)境，因此完全可以考慮采用更好的技術(shù)縮短二沉池的停留時(shí)間。提升后的新型二沉池具有諸多突出優(yōu)勢(shì)：

　　優(yōu)勢(shì)一、在污水處理廠占地實(shí)現(xiàn)提標(biāo)改造，提升處理水平和增加處理水量；

　　優(yōu)勢(shì)二、節(jié)省新建二沉池占地（達(dá)30%以上），省卻砂濾池/高密池；

　　優(yōu)勢(shì)三、有效降低地下式污水處理廠二沉池建設(shè)投資；

　　優(yōu)勢(shì)四、簡(jiǎn)化流程、集約建設(shè)、創(chuàng)新工藝。

　　污水處理要順應(yīng)時(shí)代發(fā)展和國(guó)情的變化

　　在國(guó)際上，歐美等國(guó)家基本上在60年代末期，實(shí)現(xiàn)了60%左右的城鎮(zhèn)化率，如美國(guó)，城鎮(zhèn)化率從30%增長(zhǎng)到60%，用了近70年，到上世紀(jì)60年代城市化完成后，才開(kāi)始大規(guī)模建設(shè)污水處理廠。而我國(guó)從2000年開(kāi)始城市化的高速發(fā)展，用近20年時(shí)間，城鎮(zhèn)化率從30%提高到2020年末的60%，城市與污水設(shè)施共同建設(shè)，帶來(lái)了污水設(shè)施“鄰避”問(wèn)題。

　　以德國(guó)柏林以及我國(guó)蘇州污水處理廠分布情況進(jìn)行對(duì)比可以看出，柏林的污水廠廣泛分布于城市外圍地區(qū)，而蘇州的污水廠全部位于城市中央，與城市公園毗鄰。“鄰避”效應(yīng)帶來(lái)的最大問(wèn)題是造成了城市土地價(jià)格的降低。

　　污水處理廠嚴(yán)重影響了周邊地區(qū)的土地價(jià)值。以北京方莊地區(qū)和陶然亭地區(qū)為例，從鏈家網(wǎng)站（bj.lianjia.com/）抓取了北京市2017年某日和2016年某日的所有房?jī)r(jià)信息，構(gòu)建雙重差分模型，分析其對(duì)周邊經(jīng)濟(jì)社會(huì)影響。結(jié)果表明，處理規(guī)模為8萬(wàn)m3/d的某污水廠，直接投資2億元（5%），直接占地73畝，價(jià)值7.5億（15%），對(duì)周邊3.2 km2房?jī)r(jià)抑制金額為45.8億元（80%）。可見(jiàn)，傳統(tǒng)地上式污水處理廠會(huì)嚴(yán)重影響周邊地區(qū)的土地價(jià)值。與此形成鮮明對(duì)比的則是城市公園的存在，例如陶然亭公園對(duì)周邊房?jī)r(jià)有大幅度的正面提升功能，這一問(wèn)題發(fā)人深思。

　　王凱軍引用了美國(guó)國(guó)家人文科學(xué)院院士，小約翰·柯布曾公開(kāi)表示：“生態(tài)文明建設(shè)是中國(guó)在社會(huì)發(fā)展方面的創(chuàng)舉，直接進(jìn)入生態(tài)文明的發(fā)展抉擇，帶給中國(guó)一個(gè)千載難逢的偉大機(jī)會(huì)，這個(gè)機(jī)會(huì)是中國(guó)獨(dú)有的領(lǐng)導(dǎo)世界的機(jī)會(huì)”。

　　清華大學(xué)于2015年適時(shí)組織了“聚焦地下污水處理廠”的高峰論壇，聽(tīng)取多方意見(jiàn)。經(jīng)過(guò)會(huì)議的討論提出，應(yīng)當(dāng)站在時(shí)代的角度、宏觀審視地下污水廠的現(xiàn)象，發(fā)揮和利用其優(yōu)勢(shì)，順勢(shì)而為。也正是在此次論壇中，王凱軍首次提出將污水處理廠的“負(fù)資產(chǎn)”變?yōu)樯鷳B(tài)的“正資產(chǎn)”的理念，將被動(dòng)建設(shè)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)追求，從生態(tài)友好、環(huán)境友好、社區(qū)友好幾個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變。（相關(guān)閱讀：王凱軍：地下污水處理廠的價(jià)值分析）

　　秉承生態(tài)文明理念，提出“地下廠V2.0”

　　2016年10月，清華大學(xué)再一次召開(kāi)關(guān)于污水處理廠建設(shè)高峰論壇，提出了將城鄉(xiāng)生態(tài)綜合體建設(shè)與地下污水廠相結(jié)合，進(jìn)一步推動(dòng)“負(fù)資產(chǎn)”向“正資產(chǎn)”的轉(zhuǎn)變，并且明確提出，把地下污水廠作為抓手，推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)的“地下廠V2.0”的理念。

　　“地下廠V2.0”將污水處理建設(shè)與提供生態(tài)景觀、休閑娛樂(lè)、科普教育、科技研發(fā)、濕地綠化等公共服務(wù)功能有機(jī)融合，地上地下統(tǒng)籌，形成了一個(gè)生態(tài)綜合體的建設(shè)。秉承生態(tài)文明理念，實(shí)現(xiàn)人與自然、人與人、人與社會(huì)和諧共生、良性循環(huán)、全面發(fā)展、持續(xù)繁榮為基本宗旨的社會(huì)形態(tài)。

　　地下廠V2.0

　　順應(yīng)時(shí)代變化，“地下廠V3.0”是未來(lái)趨勢(shì)

　　“十九大”提出，在新時(shí)代，大國(guó)治理需要轉(zhuǎn)向公共服務(wù)，王凱軍指出，在城市雙修和城市有機(jī)更新進(jìn)程中，在補(bǔ)齊城市基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施的短板方面，地下污水處理廠應(yīng)該起到主導(dǎo)作用。

　　目前，我國(guó)的城市基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施與世界水平仍有差距，日本人均體育場(chǎng)面積是中國(guó)的13倍，美國(guó)博物館數(shù)量是中國(guó)的7倍，人均為中國(guó)30倍，而V3.0地下污水廠，可以實(shí)現(xiàn)以污水廠為載體，綜合社會(huì)服務(wù)功能，如為城市提供公園綠地、體育場(chǎng)、博物館等區(qū)域，有力的補(bǔ)齊這些短板。

　　目前，中國(guó)水環(huán)境集團(tuán)已經(jīng)在成都打造了地下廠生態(tài)綜合體的升級(jí)版。成都科學(xué)城生態(tài)水環(huán)境項(xiàng)目采用 “環(huán)境友好、土地集約、資源利用”的下沉式再生水廠技術(shù)理念，集環(huán)境污染治理與公園城市建設(shè)于一體，實(shí)現(xiàn)“一地三層多用途”。污水處理在地下完成，地面建設(shè)景觀活水公園、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、兒童娛樂(lè)設(shè)施等，占地僅為傳統(tǒng)地面式污水廠的1/3，顯著降低土地、管網(wǎng)投資，有效解決“鄰避”難題。

　　王凱軍表示，中國(guó)的城市發(fā)展與國(guó)際走上了不同的路，我國(guó)污水處理的發(fā)展，也順應(yīng)時(shí)代，走出獨(dú)具中國(guó)特色的道路。而地下污水廠，正是順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的潮流。

　　行業(yè)百年之大變局的機(jī)遇

　　王凱軍表示，大約在15年前，基于膜濃縮技術(shù)面向未來(lái)的工藝開(kāi)發(fā)，瓦赫寧根大學(xué)環(huán)境技術(shù)系的Rulkens教授提出膜濃縮的概念，認(rèn)為污水處理完全用膜技術(shù)就可以處理。

　　王凱軍團(tuán)隊(duì)在過(guò)去的十年中，對(duì)膜濃縮進(jìn)行了深入研究，在膜濃縮領(lǐng)域發(fā)表中英文期刊論文30余篇，目前是全世界范圍在這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。

　　王凱軍團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的碳源膜濃縮反應(yīng)器，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)性驗(yàn)證的結(jié)果與前期小試結(jié)果基本吻合，膜濃縮反應(yīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)較穩(wěn)定的污水濃縮效果（85%以上），并且出水水質(zhì)非常好，僅從COD指標(biāo)來(lái)看已經(jīng)達(dá)到了一級(jí)A的要求。

　　王凱軍指出，碳源膜濃縮反應(yīng)器工藝的突破性進(jìn)展，給行業(yè)帶來(lái)了三點(diǎn)重大變化：

　　變化一：改變了能量流和物質(zhì)流方向。超過(guò)90%的碳源被濃縮，轉(zhuǎn)化成污泥。

　　由于能量流的變化，活性污泥工藝中有40%的COD轉(zhuǎn)化成污泥，40%被厭氧消化，只有16%的COD變成了沼氣等能源。

　　而濃縮膜工藝中，90%的COD轉(zhuǎn)化成污泥，其中可降解率達(dá)到60%，因此54%的COD能轉(zhuǎn)變成甲烷，與活性污泥工藝相比，可回收的能量大于三倍以上。

　　變化二： 帶來(lái)了低濃度氨氮處理的技術(shù)需求。

　　變化三：存在能源自給率和發(fā)酵新途徑, 在能源自給方向上，需要探索一些新的內(nèi)容。

　　未來(lái)V1.0版：厭氧氨氧化(ANAMMOX)

　　厭氧氨氧化(ANAMMOX)是傳統(tǒng)污水處理顛覆性理論,可以實(shí)現(xiàn)碳平衡和能量自給，厭氧氨氧化(ANAMMOX)顛覆了傳統(tǒng)脫氮過(guò)程理論，分別減少能耗和碳源消耗(-40%)，給污水處理行業(yè)提供了無(wú)限的可能。目前，全世界范圍內(nèi)都在對(duì)厭氧氨氧化(ANAMMOX)進(jìn)行中試，準(zhǔn)備生產(chǎn)性的研究。

　　未來(lái)V2.0版：新型短流程雙膜工藝

　　目前王凱軍團(tuán)隊(duì)基于MBR改進(jìn)的雙膜工藝，正在研究一種新型短流程雙膜工藝，連接反滲透膜之后，使出水COD降低至5mg/L以下，氨氮處理率達(dá)到70%-80%，出水達(dá)到了新生水水質(zhì)。

　　未來(lái)V3.0版：MCDI電吸附&離子交換

　　同時(shí)，正在自主研發(fā)的MCDI電吸附&離子交換技術(shù)也已經(jīng)進(jìn)入到中試階段，這些技術(shù)的革新，確實(shí)給處在百年未有之大變局的水行業(yè)帶來(lái)了更多可能性。

　　基于膜濃縮技術(shù)面向未來(lái)的工藝開(kāi)發(fā)

　　在氨氮實(shí)現(xiàn)濃縮以后，固體氧化物燃料電池（SOFC）成為了成熟的技術(shù)。氨氮提供了新的能源，這是減排另外一個(gè)重要途徑。

　　在發(fā)言最后，王凱軍引用了馬云的名言：“絕大部分人，是因?yàn)榭匆?jiàn)而相信，只有很少的一部分人是因?yàn)橄嘈哦匆?jiàn)”，他表示，“目前，澳大利亞計(jì)劃每年生產(chǎn)1000萬(wàn)噸氨，向日本出口，日本已經(jīng)制定計(jì)劃，到2050年使用3000萬(wàn)噸可再生氨，減少傳統(tǒng)發(fā)電廠和日本航運(yùn)的排放,這些趨勢(shì)確實(shí)給我們提供了一個(gè)百年未有的大變局，節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)應(yīng)該是下一個(gè)‘無(wú)碳’燃料的氨經(jīng)濟(jì)技術(shù)的主角。”

編輯：王媛媛