低碳背景下“蓝色水工厂”引领污水治理行业未来趋势.docx

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1、传统污水处理固然可以清洁污水，但高能耗、高物耗摧毁其中资源/能源的作法难以持续维系。“蓝色水工厂”是“双碳”背景下应运而生。它以生态循环为依据，将资源与能源回收视为主要目标，目标资源/能源被回收后，污水也自然被净化，处理水可以“副产品”形式被加以利用。那么“蓝色水工厂”是什么？它涉及哪些技术，给污水治理带来哪些变革？本文带你一“碳”究竟。O1传统污水处理忽略了污水本身含有丰富的碳资源这一问题活性污泥技术是最传统的水处理工艺，其应用范围最广。在我国目前的城市污水处理厂中，有80%以上都是采用活性污泥法。以“预处理+活性污泥+厌氧消化”的传统污水处理工艺中仅有40%左右的进水COD进入初沉污泥及剩

2、余污泥，经污泥浓缩后进行厌氧消化，可产生16%-20%左右的沼气,为污水处理厂提供热能及电能.这种传统污水处理模式对于已建污水处理厂可实现少部分能量自给，且污泥经消化后得到减量，可减少污泥处置费用。但此方式最大特点即：未能对原水中COD进行高效捕获，导致原水中有约45%的COD经异养菌作用以C02的形式排入大气,加之厌氧消化效率较低,造成污水处理厂能源自给率较低。随着对水资源质量要求的提高，使得城市污水处理厂不得不开发许多改进型的工艺技术，如A/0法、氧化沟法、SBR法等，这些改进的工艺技法在我国被广泛运用：()CCAS工艺即连续循环曝气系统工艺，生物处理的核心是CCAS反应池,在主反应区内依

3、照“曝气、闲置、沉淀、排水”程序周期运行，使污水在“好氧-缺氧”的反复中完成去碳、脱氮，和在“好氧-厌氧”的反复中完成除磷。各过程的历时和相应设备的运行均由计算机集中自控。(二)传统活性污泥工艺活性污泥工艺是污水处理的主要工艺，传统活性污泥工艺采用中等污泥负荷，曝气池为连续推流式。若只要求去除有机污染物时，传统活性污泥工艺仍是一种可行的选择。(三)SBR工艺SBR是序批式活性污泥法的简称，又名间歇曝气法,其主体构筑物是SBR反应池。污水在反应池中完成反应、沉淀、排水及排除剩余污泥等工序，使处理过程大为简化。(E3)A0工艺A/0工艺也叫厌氧好氧工艺，A(AnaCrobiC)是厌氧段,用于脱氮除

4、磷；O(OXie)是好氧段，用于除水中的有机物。(E)A20工艺即厌氧-缺氧-好氧生物脱氮除磷工艺，A2/0工艺将生物脱氮生物除磷综合到了同一活性污泥系统中。(六)氧化泡氧化沟是活性污泥法的一种变型，其曝气池是一种首尾相连的循环流曝气沟渠，污水处理的整个过程全部集中在氧化沟内完成。连续进出水所产生的微生物污泥在污水曝气净化的同时得到稳定，不需设置初沉池和污泥消化池，处理设施大大简化。即使对现有工艺进行了改良，传统污水处理行业依然是我国的耗能大户，2023年全行业耗电约184亿kWh,且在社会总能耗中的比例逐年提高。目前我国城市污水处理主流工艺主要采用生化处理方式，在处理过程中会消耗大量能源和化

5、学药剂来实现水质净化，且会产生大量的CO2、氧化亚氮(N20)、甲烷(CH4)等温室气体，是公认的温室气体释放源之一，从某种程度讲这是一种“以能消能”“污染转移”“以能耗换水质”的非绿色手段。此外，传统的污水资源化处理也主要是针对水本身的回用，例如回用于绿化灌溉、洗涤或工业冷却水等方面，却忽略了污水本身含有丰富的碳资源这一问题。污水实际上是一种资源与能源的载体，据估计，污水中蕴藏的潜在能源(COD)为400-500mg/1的城市污水潜在化学能为1.5-1.9kWh/m3,每千克COD约能产生0.14X108J的代谢热，污水每升高或降低5所产生的热量几乎等于332座大型发电厂的年发电量，约为有机

6、物代谢热的4倍。污水中蕴含着如此巨大的能量，如果合理利用其中部分COD的化学能甚至是热能,并将其转换为电能,理论上可以实现能耗的“自给自足”，甚至可以向厂外输出能量（电能、热能）。然而传统的污水处理工艺以耗能供氧来去除COD,使得污水中所蕴藏的大量化学能和热能远未被提取和利用，有悖于碳中和的发展理念，这就需要不断开发和利用污水/污泥中蕴藏的潜在能源，亦要研发与应用具有“低碳”潜能的污水处理工艺和技术。因此，对污水处理中潜在能源进行回收与利用有着重要的实际意义。在此背景下，为探寻符合低碳发展理念、推进污水处理碳中和运行可持续发展，“蓝色水工厂”理念应运而生。02蓝色经济背景下的“蓝色水工厂”20

7、16年，首创环保集团和Mark院士、北京建筑大学联合成立了“中-荷未来污水处理技术研发中心”，共同研究新一代污水处理技术。Mark院士是污水处理及水资源再生领域世界顶级专家之一，中国工程院外籍院士、荷兰皇家科学院及工程院双院土、美国国家工程院外籍院士,被国际同行公认为21世纪污水处理技术的领跑者与风向标。2023年9月“中-荷未来污水处理技术研发中心”主任Markvan1oosdrecht受邀出席服贸会工程咨询与建筑服务绿色创新发展高峰论坛时提出了蓝色水工厂理念，同时，首创环保集团也发布了蓝色水工厂的实践案例。与绿色发展相比，蓝色水工厂属于蓝色经济。蓝色经济多了一重从废物资源中挖掘价值的过程，

8、更尊重每一种资源价值，通过对资源的循环利用从而产生更多的价值。Mark院士指出，蓝色水工厂对人类而言应该是资源、能源回收工厂。它是基于生态循环理念，强调低能耗、少药耗、小空间处理技术，以回收污水中重要资源为追求目标，把工艺过程智慧控制与碳中和甚至负碳运行作为发展方向，短期内着力解决当前污水处理提标改造、节能降耗、低碳运行问题，长远目标是开发未来可持续污水处理技术，助力新理念下污水处理厂能够实现“蛙跳”式转变，将其打造为资源、能源工厂。为此，“蓝色水工厂”以好氧颗粒污泥（AGS）及其高值类藻酸盐（A1E）回收工艺为其核心技术,辅以前端纤维素筛分与后续污泥焚烧电/热回收工艺，出水作为副产品被提取热

9、/冷量后回用。顺便，焚烧灰分磷回收同时获得的金属离子可与海水淡化卤水（阴离子）耦合生产混凝剂，残余灰分用则用作建材。形成营养物、生物材料、热/电和水回用4个循环。何能外输:Powrroctptt!水回用VVaCtf1eCVChaItf纤j,.,CeKidreEPS，於藻酸盐/P出%离I灰分PosiHrt旗制全供暧痢泠目1一一1一/水源热泵WSHP营养物Nutnent蓝色水厂B1UeWaterFaCtOrieS03蓝色水工厂的核心技术（一）资源化预处理：纤维素回收污水中纤维素生物降解十分困难，但若在生物处理前进行分离回收，纤维素不但可以作为一种可以利用的资源，亦可节省后续生物处理曝气能量，提升处

10、理负荷。纤维素主要来源于厕纸，约占进水SS的35%,COD的20%30%被回收的纤维素可用作沥青、混凝土添加材料，亦可用于制造玻璃纤维、包装箱等，可产生一定的经济价值。污水纤维素回收非常简单，容易实现，可在沉砂池后安装筛网分离。例如，荷兰应用的旋转带式过滤机（RBF,筛网孔径约O.35mm）,被分离物中纤维素含量高达79%,已成功用作沥青添加剂进行弹性步道铺设。（二）生物处理及其高值资源化1 .好氧颗粒污泥技术好氧颗粒污泥技术（AGS）因密实的生物量可以大大节省生物处理单元占地（为传统活性污泥法的1/4）,即使加上预处理以及后处理流程，AGS也可节省50%的全流程占地。此外，AGS在单一反应器

11、内可以通过进水、曝气、排水等时间环节上形成的厌氧、缺氧、好氧环境同时实现碳、氮、磷等的去除，可节省运行能耗30%、运行成本降低最高可达75%。因此，AGS被誉为下一代污水生物处理技术。2 .类藻酸盐（A1E）物质的回收AGS剩余污泥中A1E含量高达20%35%VSS（絮状污泥仅为9%19%VSS）,在污水处理过程可回收物中是一种非常值得回收的高值生物材料，它的性能可与大型海藻天然形成的藻酸盐媲美。A1E是污泥具有凝胶特性的重要结构，回收后可用作各类防水/防火材料、增稠剂、乳化剂、稳定剂、黏合剂、上浆剂、种子包衣等。（三）污泥干化焚烧及磷回收等1污泥干化焚烧污泥焚烧已被确定为终极处置方式，AGS

12、污泥在提取A1E后亦可直接焚烧，以最大化有机质能源转化。然而，焚烧前的干化是必不可少步骤，手段多为脱水后(80%含水率)热干化，需要耗能。利用出水余温热能交换产生的原位热源(5(60C)进行污泥低温干化不失为一种热能有效利用方式。建议厂内分散干化、邻避效应集中焚烧方式实施，从而将不能发电的低品位热能可间接转化为可以发电的高品位热能(8001000)。污泥高温焚烧后完全变为无机灰分，污泥体积可减少至5%10%,不含任何有机质与致病菌，可以提磷回收金属后用作建筑材料。2 .焚烧灰分磷资源回收在各种污水磷回收方法中，污泥焚烧灰分磷回收最为直接和有效，因为进水中90%的磷负荷最终都进入了污泥。进言之,

13、焚烧灰分磷回收成本仅相当于从污水和污泥中回收磷成本的80%和24%,而磷回收效率却高达90%。可见，与污泥终极处置路线相一致的灰分磷回收则是未来可持续污水处理发展的必然趋势。图：污水磷回收方式演变3 .焚烧灰分撇除金属利用为获得相对纯净的磷产品，焚烧灰分化学提磷过程一般需要先分离其中所含金属离子(Cu、Zn、Pb、CrCd、Hg、AKFe等)。与此同时，海水淡化副产物卤水因生态问题需要考虑资源化处置。卤水中被浓缩的阴离子(C1-、S02-4等)可与灰分提磷时被分离的金属离子(A13+、Fe3+等)配对结合，可制作污水处理使用的絮凝剂/混凝剂。瑞典赫尔辛堡EasyMining工厂采用AshPho

14、S技术处理30000ta污泥焚烧灰分，实现了较高的P(90%95%)A1(60%80%)和Fe(IoQ20%)回收率并获得相应的经济效益，运营收入/成本比例高达1.55o如果将回收的A1和Fe与海水淡化卤水结合生产絮凝剂/混凝剂，其附加值显然还会翻番。（四）出水余温热能交换利用与剩余污泥中有机能源相比，污水处理出水余温热能潜能巨大，是化学能的9倍之多。详细测算表明，只需交换4。C温差便可获得1.77kWhm3的电当量，而进水COD为400mg1完成脱氮除磷后产生的剩余污泥经厌氧消化并热电联产（CHP）最多仅能产生0.20kWhm3电当量（能源转化率为13%）o（五）碳足迹与碳中和蓝色水工厂最高

15、目标是尽可能降低处理过程碳足迹并通过能量回收实现碳中和甚至是“负碳”运行。因此，首先需要建立适当的碳核算方法，以摸清污水处理“碳家底”，即，碳足迹。在此基础上，主要通过挖掘污水中的潜在有机能、热能来实现碳中和或“负碳”运行。碳足迹模型构建需要考虑污水处理厂全流程所释放的Co2、CH4和N20温室气体（如图所示），包括直接碳排和间接碳排两部分，前者指非生源碳（化石碳）产生的C02以及生物处理过程形成的CH4和N20（温室效应分别是C02的28和265倍），后者是处理过程化石能源消耗与药剂生产与运输产生的C02o图：碳足迹与碳中和模型构建（六）以模拟生物过程为核心的智慧控制区别于设备自动控制、精确加药、精确曝气或者以信息化为特征的运营平台等数字智慧水务现状，蓝色水工厂智慧控制以生物处理工艺过程数学模拟来构建系统化方案为核心，形成自动化一信息化一智慧化于一体的智慧控制系统。基于生物建模技术，以达标排放基础上的最大化节能降耗为目标，设计曝气决策控制、内外回流决策控制、药剂投加决策控制、排泥量决策控制等，并自动反馈操作系统及时调整运行工况。同时，实时进行工艺运行评估，并诊断各个处理单元效率以及限制因素，挖掘各单元潜力。蓝色水工厂智慧控制系统深度融合信息化技术、自动化技术以及污水处理厂生物处理技术，可实现污水处理数据资源化、管理精确化、控制智能