碳中和趨勢下污水處理節(jié)能降耗技術需求解讀
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！在碳中和趨勢下，現(xiàn)有的污水處理技術和方法存在哪些問題？未來的污水處理技術應解決哪些痛點？北控水務集團運營管理中心污水管理部魏彬經(jīng)理在“北控水務杯“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“碳中和趨勢下污水處理節(jié)能降耗技術需求解讀”的分享，對污水運營管理方向的發(fā)展歷史、趨勢和前景，碳中和背景下的技術需求，典型節(jié)能降耗與資源回收技術等進行了詳細闡述。
污水的來源
對污水處理廠來說，處理的污水來源于三個方面，包括生活污水、工業(yè)廢水以及被污染的雨水。簡單的講，生活污水是人們在日常生活中產(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，對于工業(yè)廢水需要關注的指標除常規(guī)污水指標外，還涵蓋熱污染及其他有毒有害物質指標；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A標準污水處理廠為例對污水處理技術進行了總體介紹，概括了物理、化學、生物處理技術①在多級水處理中的功能，落實到具體處理工藝②和工程，各級各類技術需針對不同污染物和不同污染情況，依據(jù)實際情況進行應用和改進。在碳中和背景下，不但要追求低碳，更要建立碳生態(tài)，實現(xiàn)富余碳源的利用，同時，也要關注N2O等溫室氣體產(chǎn)生情況，為碳中和的目標實現(xiàn)進行技術改進和革新。
機理研究和管理邏輯優(yōu)化是滿足碳中和背景下技術需求的關鍵
問題的解決離不開正確精準的認知。通過不同過程中關鍵因素的識別，探究和深化不同反應過程中的控制機理，從而實現(xiàn)碳源利用的目標。魏老師介紹了脫氮除磷過程中實現(xiàn)的共用碳源的例子：生物除磷的本質是能量的轉化，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，實現(xiàn)低碳節(jié)能。此項工藝提出離不開對反應機理過程的準確把握，這也是技術創(chuàng)新的關鍵。同時，技術發(fā)展需要不斷深化對處理過程的理解，例如傳統(tǒng)教科書對一些水處理過程中厭氧條件的定義，已不符合實際工藝和內在機理。實現(xiàn)碳中和的技術升級，需要準確把握反應過程，不斷深化機理認知?？v觀污水處理技術的發(fā)展，其實也是對內在反應機理的一步步探究，往往對一個關鍵因素的改變就可以推動一種工藝的快速發(fā)展。
除了技術創(chuàng)新，管理創(chuàng)新也是極為重要的部分，污水運營管理不再是隨意性的“讀讀書、看看報、曝曝氣、排排泥”，已經(jīng)到了智能控制和精準管理的階段, 管理目標從低成本低標準轉變?yōu)榈统杀靖邩藴?，通過管理實現(xiàn)技術效益的最大化，向著碳中和、資源化、智慧化的方向前進。
污水處理廠實現(xiàn)碳中和面臨的痛點
1、總氮總磷的高標準排放與碳源的嚴重不足
中國的污水水質特點與排放標準存在一定程度的不協(xié)調?？偟偭椎臉藴屎芨撸翘荚春苋狈?。污水中碳源總量，連實現(xiàn)脫氮除磷都尚顯不足，再分出碳源進行厭氧消化或產(chǎn)生能量是不現(xiàn)實的。
2、排水系統(tǒng)中化糞池產(chǎn)生大量溫室氣體同時消耗碳源
生活污水進廠前在化糞池中停留了過長時間（10余天至1個月），導致厭氧產(chǎn)甲烷等反應充分進行，大量碳源消耗，并產(chǎn)生大量溫室氣體，進一步導致進場水碳源不足，致使后端處理需補加碳源，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)水進末端污水處理設施前，由于工業(yè)水排放標準對COD要求較高，對TN要求較低甚至不要求，導致上游大量采用好氧曝氣工藝，浪費大量能源同時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施，到了末端污水廠還要再外加碳源解決TN，采用高級氧化解決難降解COD。這也是上下游不協(xié)同帶來的雙重浪費，也非常不利于實現(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物進入食物鏈循環(huán)，通過人類消耗，最終回到污水廠，進入污泥中。一個完整的循環(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)田中施加化肥以補充循環(huán)中損失的氮磷，也造成了雙重浪費。
而導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，進而導致污泥重金屬含量過高而無法進行農(nóng)業(yè)利用。若可通過政策實現(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、反硝化除磷等先進理論的新型污水處理工藝或運行控制方法、裝備；
基于傳統(tǒng)硝化反硝化的運行優(yōu)化控制方法（傳統(tǒng)的A2/O工藝在實際應用中占比較高，而新工藝推廣較難，針對常規(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③，深度探究挖掘現(xiàn)有處理工藝流程細節(jié)，在細微之處如進水過程中跌水帶來的溶氧碳消耗等角度，實現(xiàn)方法創(chuàng)新）；
新型三級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)濟更高效的解決深度處理問題）；
碳捕獲、磷回收；新型快速水質監(jiān)測技術（包括在線監(jiān)測手段）；
氧化亞氮（N2O）產(chǎn)生的抑制技術和捕捉、分解技術等（技術儲備，未來需求）。
2. 節(jié)能降耗新裝備集成應用
水泵：提升泵運行能效，降低管道損失和局部損失；
風機：提升風機運行能效，降低風管道損失和曝氣頭局部損失（風機控制技術，曝氣頭清洗技術，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：獲得更低的單方脫泥能耗，藥耗和更低的出泥含水率（脫水機的運行控制，新型的脫水機設備等）；
空調系統(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：有機污染物化學能、污水內能等能源的回收利用工藝或裝備（有機物的回收利用，高能效比的水源熱泵設備技術）；
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；
太陽能和風能：利用場地優(yōu)勢，低成本、高品質、低維護光伏發(fā)電裝備或技術；
再生水：新型低成本、高品質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，而深入理解原理才能觸及到創(chuàng)新工作的根本，才能實現(xiàn)有效的創(chuàng)新。
典型建議選題方向
目前針對不同級的處理區(qū)，已有一些正在應用的節(jié)能降耗與資源回收技術，包括：針對一級處理區(qū)的管網(wǎng)調度模式（廠網(wǎng)一體化）、雜物無機砂粒去除碳源保留技術、跌水控制、碳源的溯源損失控制等；針對二級處理工藝的精細化過程控制，關鍵工藝環(huán)節(jié)工藝參數(shù)的控制方法，泥水分離裝備等。針對三級處理區(qū)的精細化控制方法，各池的運行控制邏輯，藻類控制方法，環(huán)境友好性強的藥劑等。
實際上，深入到每一個工藝環(huán)節(jié)，都有其進一步精細化管理的方法。用優(yōu)秀的控制手段、邏輯、算法實現(xiàn)自動化和智能化控制，將對處理效果和節(jié)能降耗起到強有力的支撐作用。
問答
資源回收技術，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。技術革新和運行管理邏輯優(yōu)化哪個在現(xiàn)在的水處理中更為重要？
魏彬：二者同樣重要，往往大家會關注技術的革新，實際上管理優(yōu)化對于整個污水處理是非常有價值的，可以避免很多的能源損失，降低成本；具體到大賽而言，還是要看技術的成熟度，能否落地，這是比較不同方向技術的重要指標。
三級處理可以用哪些綠色技術？
魏彬：各個工藝細節(jié)的精細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，比如高密池精確加藥，泥位的精確控制，回流量的控制，攪拌強度的控制等，濾池的反洗周期控制，反洗強度控制等。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
典型污水處理方法
傳統(tǒng)的污水處理方法主要是物理法、化學法、生物法及其組合。物理法主要應用于預處理及深度處理過程中，包括沉淀、過濾、氣浮等手段。化學法包括氧化、還原、中和、絮凝等方法，在污水廠應用最多的是絮凝法，用化學藥劑去除水中的膠體、懸浮物、磷酸鹽等。生物法在國內起步較晚，最初用于去除污水中的COD，隨著國家標準的提高，生物法核心內容逐漸向生物脫氮和生物除磷轉變。
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步驟。污水，尤其生活污水，氮元素主要以有機氮的形式存在。首先通過水解作用，將有機氮轉化為氨氮（部分水廠進水氨氮很高是由于水解作用已于管網(wǎng)和化糞池中進行），此為氨化過程。隨后進行亞硝化及亞硝酸鹽的兩步硝化反應。厭氧硝化過程中，會生成一定量的甲烷（溫室氣體）。隨后反硝化反應過程中氮元素的化合價逐步降低，從+5價的硝態(tài)氮轉化為0價的氮氣單質，過程中會產(chǎn)生低價態(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當重視減少溫室氣體的產(chǎn)生、逃逸及排放。
生物脫氮過程中，各個環(huán)節(jié)的影響因子有很多。例如硝化反應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，因此硝化細菌數(shù)量就成為了硝化反應速率和方向的重要影響因子。與此類似的，還有溶解氧（DO）、水力停留時間（HRT）、水溫、堿度等等。各影響因子在硝化反應中是同時發(fā)揮作用的，改變任何一個條件都會影響到硝化反應的速率。在實際處理過程中，應當明確每一個反應的影響因素，對可控因素進行分析，就可以確定促進反應的操作，也即改進的方向。
生物除磷
生物脫氮和生物除磷都需要碳源，普遍認為脫氮和除磷是爭奪碳源的關系。但是在生物脫氮除磷工藝中，存在一個窗口可以實現(xiàn)利用一份碳源，同時脫氮和除磷，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，形成高磷污泥，排出系統(tǒng)，達到從廢水中除磷的效果。除磷的本質是一個能量轉化過程，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，以及一段時間的馴化，就可以實現(xiàn)一份碳源既還原了氮，又供給了聚磷菌能量，實現(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)氮反應的碳源所占比率。一個好的工藝中，應盡量滿足碳源都和硝態(tài)氮反應。在碳中和的思路引導下，應當控制同化反應中碳源的消耗比率（或實現(xiàn)同化后碳源的再利用），抑制碳源與氧氣的直接反應（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，假設碳源充足，僅通過工藝仍無法去除的總氮。總氮去除率，是通過內外回流比決定的氮的去除率的上限。
在設計處理工藝、工藝選型及創(chuàng)新時，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A標準污水處理廠為例，從進水到出水主要分三級處理區(qū)，一級處理區(qū)主要應用物理法（包括攔截、沉淀、除砂等）及一定的化學法（初沉池前絮凝）；二級處理區(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（酶促反應）；三級處理區(qū)主要應用物理化學法，通過混凝、過濾、消毒等工藝手段對污水進行深度處理。落實到具體處理工程中，各級各類技術需針對不同污染物和污染情況進行應用和改進。
典型的二級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、膜生物反應器MBR等。懸浮性活性污泥法污水處理工藝主要有三個系列：（1）氧化溝系列；（2）A/O及A2/O系列；（3）序批式反應器（SBR）系列。各個系列不斷的發(fā)展、改進，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。
三級處理工藝中最常用的就是高密度沉淀池。其對總磷和懸浮物的去除效果較好，運行穩(wěn)定。此外還有濾池（砂濾池、纖維轉盤濾池、反硝化濾池等），磁混凝、高級氧化工藝等。
各種處理工藝各具特色，各有優(yōu)劣勢，需結合實際情況進行選擇。