碳中和趨勢(shì)下污水處理節(jié)能降耗技術(shù)需求解讀
全康環(huán)保:污水處理行業(yè)一切創(chuàng)新的來源是發(fā)現(xiàn)問題，只有能發(fā)現(xiàn)問題才可能創(chuàng)新！在碳中和趨勢(shì)下，現(xiàn)有的污水處理技術(shù)和方法存在哪些問題？未來的污水處理技術(shù)應(yīng)解決哪些痛點(diǎn)？北控水務(wù)集團(tuán)運(yùn)營(yíng)管理中心污水管理部魏彬經(jīng)理在“北控水務(wù)杯“第四屆”互聯(lián)網(wǎng)+“生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽“產(chǎn)業(yè)前沿”系列講座（第二講）中做了題為“碳中和趨勢(shì)下污水處理節(jié)能降耗技術(shù)需求解讀”的分享，對(duì)污水運(yùn)營(yíng)管理方向的發(fā)展歷史、趨勢(shì)和前景，碳中和背景下的技術(shù)需求，典型節(jié)能降耗與資源回收技術(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)闡述。
污水的來源
對(duì)污水處理廠來說，處理的污水來源于三個(gè)方面，包括生活污水、工業(yè)廢水以及被污染的雨水。簡(jiǎn)單的講，生活污水是人們?cè)谌粘Ｉ钪挟a(chǎn)生的廢水；工業(yè)廢水是在工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的水，對(duì)于工業(yè)廢水需要關(guān)注的指標(biāo)除常規(guī)污水指標(biāo)外，還涵蓋熱污染及其他有毒有害物質(zhì)指標(biāo)；被污染的雨水主要指初期雨水，是在雨污分流制排水體制下產(chǎn)生，對(duì)污水廠水量均影響較大。
低碳節(jié)能與資源利用是碳中和背景下的新需求
魏彬老師以某一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)污水處理廠為例對(duì)污水處理技術(shù)進(jìn)行了總體介紹，概括了物理、化學(xué)、生物處理技術(shù)①在多級(jí)水處理中的功能，落實(shí)到具體處理工藝②和工程，各級(jí)各類技術(shù)需針對(duì)不同污染物和不同污染情況，依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行應(yīng)用和改進(jìn)。在碳中和背景下，不但要追求低碳，更要建立碳生態(tài)，實(shí)現(xiàn)富余碳源的利用，同時(shí)，也要關(guān)注N2O等溫室氣體產(chǎn)生情況，為碳中和的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和革新。
機(jī)理研究和管理邏輯優(yōu)化是滿足碳中和背景下技術(shù)需求的關(guān)鍵
問題的解決離不開正確精準(zhǔn)的認(rèn)知。通過不同過程中關(guān)鍵因素的識(shí)別，探究和深化不同反應(yīng)過程中的控制機(jī)理，從而實(shí)現(xiàn)碳源利用的目標(biāo)。魏老師介紹了脫氮除磷過程中實(shí)現(xiàn)的共用碳源的例子：生物除磷的本質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)化，碳源只是產(chǎn)生能量的燃料，氧化劑可以多樣化，因此可以與脫氮過程共用碳源，實(shí)現(xiàn)低碳節(jié)能。此項(xiàng)工藝提出離不開對(duì)反應(yīng)機(jī)理過程的準(zhǔn)確把握，這也是技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵。同時(shí)，技術(shù)發(fā)展需要不斷深化對(duì)處理過程的理解，例如傳統(tǒng)教科書對(duì)一些水處理過程中厭氧條件的定義，已不符合實(shí)際工藝和內(nèi)在機(jī)理。實(shí)現(xiàn)碳中和的技術(shù)升級(jí)，需要準(zhǔn)確把握反應(yīng)過程，不斷深化機(jī)理認(rèn)知?？v觀污水處理技術(shù)的發(fā)展，其實(shí)也是對(duì)內(nèi)在反應(yīng)機(jī)理的一步步探究，往往對(duì)一個(gè)關(guān)鍵因素的改變就可以推動(dòng)一種工藝的快速發(fā)展。
除了技術(shù)創(chuàng)新，管理創(chuàng)新也是極為重要的部分，污水運(yùn)營(yíng)管理不再是隨意性的“讀讀書、看看報(bào)、曝曝氣、排排泥”，已經(jīng)到了智能控制和精準(zhǔn)管理的階段, 管理目標(biāo)從低成本低標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變?yōu)榈统杀靖邩?biāo)準(zhǔn)，通過管理實(shí)現(xiàn)技術(shù)效益的最大化，向著碳中和、資源化、智慧化的方向前進(jìn)。
污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和面臨的痛點(diǎn)
1、總氮總磷的高標(biāo)準(zhǔn)排放與碳源的嚴(yán)重不足
中國(guó)的污水水質(zhì)特點(diǎn)與排放標(biāo)準(zhǔn)存在一定程度的不協(xié)調(diào)?？偟偭椎臉?biāo)準(zhǔn)很高，但是碳源很缺乏。污水中碳源總量，連實(shí)現(xiàn)脫氮除磷都尚顯不足，再分出碳源進(jìn)行厭氧消化或產(chǎn)生能量是不現(xiàn)實(shí)的。
2、排水系統(tǒng)中化糞池產(chǎn)生大量溫室氣體同時(shí)消耗碳源
生活污水進(jìn)廠前在化糞池中停留了過長(zhǎng)時(shí)間（10余天至1個(gè)月），導(dǎo)致厭氧產(chǎn)甲烷等反應(yīng)充分進(jìn)行，大量碳源消耗，并產(chǎn)生大量溫室氣體，進(jìn)一步導(dǎo)致進(jìn)場(chǎng)水碳源不足，致使后端處理需補(bǔ)加碳源，與碳中和理念矛盾。但由于政策原因及配套排水管網(wǎng)問題，這一矛盾并不容易解決。
工業(yè)水進(jìn)末端污水處理設(shè)施前，由于工業(yè)水排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)COD要求較高，對(duì)TN要求較低甚至不要求，導(dǎo)致上游大量采用好氧曝氣工藝，浪費(fèi)大量能源同時(shí)把最好的碳源消除掉了，把難降解COD和TN留給了末端污水處理設(shè)施，到了末端污水廠還要再外加碳源解決TN，采用高級(jí)氧化解決難降解COD。這也是上下游不協(xié)同帶來的雙重浪費(fèi)，也非常不利于實(shí)現(xiàn)污水處理行業(yè)的碳中和。
3、重金屬問題帶來的污泥資源化利用困惑
從生態(tài)循環(huán)角度出發(fā)，植物通過吸收土壤中的氮磷元素合成有機(jī)物進(jìn)入食物鏈循環(huán)，通過人類消耗，最終回到污水廠，進(jìn)入污泥中。一個(gè)完整的循環(huán)需要污泥中的氮磷重新回歸農(nóng)田、土壤，成為肥料。而實(shí)際處理過程中，大量污泥中的氮磷無法得到有效利用，只能填埋或焚燒，而不得不通過向農(nóng)田中施加化肥以補(bǔ)充循環(huán)中損失的氮磷，也造成了雙重浪費(fèi)。
而導(dǎo)致污泥無法再利用的主因，是大量工業(yè)廢水排放使污水中重金屬含量增高，進(jìn)而導(dǎo)致污泥重金屬含量過高而無法進(jìn)行農(nóng)業(yè)利用。若可通過政策實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢水與生活污水的有效分離，則有望解決上述問題。
碳中和背景下的技術(shù)創(chuàng)新需求1. 高效脫氮除磷新工藝或新裝備
基于同步/短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷等先進(jìn)理論的新型污水處理工藝或運(yùn)行控制方法、裝備；
基于傳統(tǒng)硝化反硝化的運(yùn)行優(yōu)化控制方法（傳統(tǒng)的A2/O工藝在實(shí)際應(yīng)用中占比較高，而新工藝推廣較難，針對(duì)常規(guī)工藝的提升優(yōu)化是較好的方向）；
基于提升原水碳源利用率、降低系統(tǒng)總氮放棄率的新型工藝或裝備（以提升碳源利用率及降低總氮放棄率為目標(biāo)③，深度探究挖掘現(xiàn)有處理工藝流程細(xì)節(jié)，在細(xì)微之處如進(jìn)水過程中跌水帶來的溶氧碳消耗等角度，實(shí)現(xiàn)方法創(chuàng)新）；
新型三級(jí)處理深度脫氮或深度除磷工藝或裝備（研究高密度沉淀池、濾池、磁混凝或其他方法，更經(jīng)濟(jì)更高效的解決深度處理問題）；
碳捕獲、磷回收；新型快速水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)（包括在線監(jiān)測(cè)手段）；
氧化亞氮（N2O）產(chǎn)生的抑制技術(shù)和捕捉、分解技術(shù)等（技術(shù)儲(chǔ)備，未來需求）。
2. 節(jié)能降耗新裝備集成應(yīng)用
水泵：提升泵運(yùn)行能效，降低管道損失和局部損失；
風(fēng)機(jī)：提升風(fēng)機(jī)運(yùn)行能效，降低風(fēng)管道損失和曝氣頭局部損失（風(fēng)機(jī)控制技術(shù)，曝氣頭清洗技術(shù)，降低曝氣頭水頭損失等）；
攪拌器：合理的池型及流態(tài)模擬，獲得更低的容積功率（攪拌器的形態(tài)、布置方式、攪拌器與池型的配合等）；
脫水機(jī)：獲得更低的單方脫泥能耗，藥耗和更低的出泥含水率（脫水機(jī)的運(yùn)行控制，新型的脫水機(jī)設(shè)備等）；
空調(diào)系統(tǒng)：利用水中余熱或太陽能等新能源，獲得較低的供熱能耗。
3. 資源回收利用解決方案
能源：有機(jī)污染物化學(xué)能、污水內(nèi)能等能源的回收利用工藝或裝備（有機(jī)物的回收利用，高能效比的水源熱泵設(shè)備技術(shù)）；
污泥：污泥資源化利用整體解決方案或裝備（污泥干化焚燒，碳化，協(xié)同焚燒，資源化及利用的解決方案）；
磷：磷回收利用整體解決方案或裝備；
太陽能和風(fēng)能：利用場(chǎng)地優(yōu)勢(shì)，低成本、高品質(zhì)、低維護(hù)光伏發(fā)電裝備或技術(shù)；
再生水：新型低成本、高品質(zhì)再生水處理工藝或裝備。
一切創(chuàng)新的來源是發(fā)現(xiàn)問題，發(fā)現(xiàn)痛點(diǎn)，而深入理解原理才能觸及到創(chuàng)新工作的根本，才能實(shí)現(xiàn)有效的創(chuàng)新。
典型建議選題方向
目前針對(duì)不同級(jí)的處理區(qū)，已有一些正在應(yīng)用的節(jié)能降耗與資源回收技術(shù)，包括：針對(duì)一級(jí)處理區(qū)的管網(wǎng)調(diào)度模式（廠網(wǎng)一體化）、雜物無機(jī)砂粒去除碳源保留技術(shù)、跌水控制、碳源的溯源損失控制等；針對(duì)二級(jí)處理工藝的精細(xì)化過程控制，關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)工藝參數(shù)的控制方法，泥水分離裝備等。針對(duì)三級(jí)處理區(qū)的精細(xì)化控制方法，各池的運(yùn)行控制邏輯，藻類控制方法，環(huán)境友好性強(qiáng)的藥劑等。
實(shí)際上，深入到每一個(gè)工藝環(huán)節(jié)，都有其進(jìn)一步精細(xì)化管理的方法。用優(yōu)秀的控制手段、邏輯、算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化控制，將對(duì)處理效果和節(jié)能降耗起到強(qiáng)有力的支撐作用。
問答
資源回收技術(shù)，將是碳中和背景下重要的創(chuàng)新方向。單從碳的角度，做到碳中和難度較高，但是通過回收利用資源，可以在一定程度上平衡碳中和的需求。技術(shù)革新和運(yùn)行管理邏輯優(yōu)化哪個(gè)在現(xiàn)在的水處理中更為重要？
魏彬：二者同樣重要，往往大家會(huì)關(guān)注技術(shù)的革新，實(shí)際上管理優(yōu)化對(duì)于整個(gè)污水處理是非常有價(jià)值的，可以避免很多的能源損失，降低成本；具體到大賽而言，還是要看技術(shù)的成熟度，能否落地，這是比較不同方向技術(shù)的重要指標(biāo)。
三級(jí)處理可以用哪些綠色技術(shù)？
魏彬：各個(gè)工藝細(xì)節(jié)的精細(xì)化控制都能夠帶來節(jié)能降耗的效果，都可以說是綠色技術(shù)，比如高密池精確加藥，泥位的精確控制，回流量的控制，攪拌強(qiáng)度的控制等，濾池的反洗周期控制，反洗強(qiáng)度控制等。新型的深度處理工藝，如果比現(xiàn)有的成本更低，效果更好，比如磁混凝就是最近幾年涌現(xiàn)出來的新型綠色工藝。對(duì)于脫色、難降解COD等常規(guī)深度處理較難解決的問題也可以探索低成本、高效率的處理方法，也算是綠色工藝。污水處理小知識(shí)
典型污水處理方法
傳統(tǒng)的污水處理方法主要是物理法、化學(xué)法、生物法及其組合。物理法主要應(yīng)用于預(yù)處理及深度處理過程中，包括沉淀、過濾、氣浮等手段?；瘜W(xué)法包括氧化、還原、中和、絮凝等方法，在污水廠應(yīng)用最多的是絮凝法，用化學(xué)藥劑去除水中的膠體、懸浮物、磷酸鹽等。生物法在國(guó)內(nèi)起步較晚，最初用于去除污水中的COD，隨著國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的提高，生物法核心內(nèi)容逐漸向生物脫氮和生物除磷轉(zhuǎn)變。
生物脫氮
在污水處理中，生物脫氮主要包含氨化、硝化以及反硝化三個(gè)步驟。污水，尤其生活污水，氮元素主要以有機(jī)氮的形式存在。首先通過水解作用，將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮（部分水廠進(jìn)水氨氮很高是由于水解作用已于管網(wǎng)和化糞池中進(jìn)行），此為氨化過程。隨后進(jìn)行亞硝化及亞硝酸鹽的兩步硝化反應(yīng)。厭氧硝化過程中，會(huì)生成一定量的甲烷（溫室氣體）。隨后反硝化反應(yīng)過程中氮元素的化合價(jià)逐步降低，從+5價(jià)的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為0價(jià)的氮?dú)鈫钨|(zhì)，過程中會(huì)產(chǎn)生低價(jià)態(tài)的氮氧化物，例如氧化亞氮N2O（笑氣、溫室氣體）。在碳中和的前提下，未來的污水處理工藝中應(yīng)當(dāng)重視減少溫室氣體的產(chǎn)生、逃逸及排放。
生物脫氮過程中，各個(gè)環(huán)節(jié)的影響因子有很多。例如硝化反應(yīng)中主要是微生物的酶在發(fā)揮作用，而微生物的數(shù)量決定了酶的數(shù)量，因此硝化細(xì)菌數(shù)量就成為了硝化反應(yīng)速率和方向的重要影響因子。與此類似的，還有溶解氧（DO）、水力停留時(shí)間（HRT）、水溫、堿度等等。各影響因子在硝化反應(yīng)中是同時(shí)發(fā)揮作用的，改變?nèi)魏我粋€(gè)條件都會(huì)影響到硝化反應(yīng)的速率。在實(shí)際處理過程中，應(yīng)當(dāng)明確每一個(gè)反應(yīng)的影響因素，對(duì)可控因素進(jìn)行分析，就可以確定促進(jìn)反應(yīng)的操作，也即改進(jìn)的方向。
生物除磷
生物脫氮和生物除磷都需要碳源，普遍認(rèn)為脫氮和除磷是爭(zhēng)奪碳源的關(guān)系。但是在生物脫氮除磷工藝中，存在一個(gè)窗口可以實(shí)現(xiàn)利用一份碳源，同時(shí)脫氮和除磷，也即反硝化除磷。
磷常以磷酸鹽（H2PO4-、HPO42-和PO43-）、聚磷酸鹽和有機(jī)磷的形式存在于廢水中，生物除磷就是利用聚磷菌一類的細(xì)菌，在厭氧狀態(tài)釋放磷，在好氧狀態(tài)（具有氧化劑的環(huán)境，不一定是氧氣，也可以是硝氮或者亞硝氮）從外部攝取磷，并將其以聚合形態(tài)貯藏在體內(nèi)，形成高磷污泥，排出系統(tǒng)，達(dá)到從廢水中除磷的效果。除磷的本質(zhì)是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化過程，聚磷菌的初心是獲取更多的能量，而不是獲取更多的磷，磷僅僅是能量的載體。通過在好氧段只提供充足的硝氮、亞硝氮，以及一段時(shí)間的馴化，就可以實(shí)現(xiàn)一份碳源既還原了氮，又供給了聚磷菌能量，實(shí)現(xiàn)了反硝化除磷。
工藝優(yōu)劣的判斷
在生物脫氮環(huán)節(jié)，工藝的優(yōu)劣主要通過碳源利用率和總氮放棄率來判斷。
碳源利用率，即原水中的碳源及外加碳源總量中，和硝態(tài)氮反應(yīng)的碳源所占比率。一個(gè)好的工藝中，應(yīng)盡量滿足碳源都和硝態(tài)氮反應(yīng)。在碳中和的思路引導(dǎo)下，應(yīng)當(dāng)控制同化反應(yīng)中碳源的消耗比率（或?qū)崿F(xiàn)同化后碳源的再利用），抑制碳源與氧氣的直接反應(yīng)（減少碳源消耗，以及CO2的生成），富裕碳源用于厭氧硝化及能量產(chǎn)生。將COD不再看成污染物，而看成一種資源。
總氮放棄率，即傳統(tǒng)工藝中，假設(shè)碳源充足，僅通過工藝仍無法去除的總氮?？偟コ?，是通過內(nèi)外回流比決定的氮的去除率的上限。
在設(shè)計(jì)處理工藝、工藝選型及創(chuàng)新時(shí)，需要想辦法降低總氮放棄率，提升碳源利用率。典型污水處理工藝
典型的污水廠處理工藝流程是上述方法的組合。以某一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)污水處理廠為例，從進(jìn)水到出水主要分三級(jí)處理區(qū)，一級(jí)處理區(qū)主要應(yīng)用物理法（包括攔截、沉淀、除砂等）及一定的化學(xué)法（初沉池前絮凝）；二級(jí)處理區(qū)是污水處理工藝核心，主要是以活性污泥為主的生化反應(yīng)（酶促反應(yīng)）；三級(jí)處理區(qū)主要應(yīng)用物理化學(xué)法，通過混凝、過濾、消毒等工藝手段對(duì)污水進(jìn)行深度處理。落實(shí)到具體處理工程中，各級(jí)各類技術(shù)需針對(duì)不同污染物和污染情況進(jìn)行應(yīng)用和改進(jìn)。
典型的二級(jí)處理工藝主要包括懸浮性活性污泥法污水處理工藝，及固著性生物膜法工藝如BAF、膜生物反應(yīng)器MBR等。懸浮性活性污泥法污水處理工藝主要有三個(gè)系列：（1）氧化溝系列；（2）A/O及A2/O系列；（3）序批式反應(yīng)器（SBR）系列。各個(gè)系列不斷的發(fā)展、改進(jìn)，形成了目前比較典型的工藝有：A2/O工藝、改良A2/O工藝、SF-AO工藝、UCT工藝、卡魯塞爾-2000 氧化溝工藝、奧貝爾氧化溝工藝、SBR工藝、CASS工藝等。
三級(jí)處理工藝中最常用的就是高密度沉淀池。其對(duì)總磷和懸浮物的去除效果較好，運(yùn)行穩(wěn)定。此外還有濾池（砂濾池、纖維轉(zhuǎn)盤濾池、反硝化濾池等），磁混凝、高級(jí)氧化工藝等。
各種處理工藝各具特色，各有優(yōu)劣勢(shì)，需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行選擇。