第一期：改善現(xiàn)有污水處理廠的能耗效率：
2015年，美國(guó)水環(huán)境研究基金會(huì)WERF、國(guó)際水協(xié)會(huì)IWA以及紐約州能源研究與發(fā)展局NYSERDA聯(lián)合發(fā)布了一份名叫AssessmentofTechnologyAdvancementforFutureEnergyReduction的報(bào)告。這份報(bào)告對(duì)18個(gè)專項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估內(nèi)容包括其技術(shù)成熟度、對(duì)行業(yè)產(chǎn)生的影響以及推廣應(yīng)用潛力等方面。這份報(bào)告將18個(gè)專項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域劃分為了三大主題進(jìn)行評(píng)估分析，IWA微信公眾號(hào)將向讀者分四期分別進(jìn)行介紹。第一期的主題是改進(jìn)現(xiàn)有污水廠的能耗效率(ImprovingEnergyEfficiencyinExistingTreatmentFacilities/Processes).
該報(bào)告分析了包括厭氧氨氧化（主流短程脫氮）、厭氧微生物群落的基礎(chǔ)理論的深化、生物沼氣的加工、厭氧消化的預(yù)處理工藝以及好氧顆粒污泥系統(tǒng)。報(bào)告結(jié)果顯示，主流短程脫氮和熱解/氣化最有可能在近期得到工程化實(shí)踐。這幾項(xiàng)技術(shù)是報(bào)告所評(píng)估技術(shù)中最成熟的，而且它們的實(shí)施投放也相對(duì)較短；同時(shí)，主流短程脫氮和主流厭氧處理則被認(rèn)為能在近期對(duì)污水行業(yè)的能源利用產(chǎn)生重大影響。另外報(bào)告也強(qiáng)調(diào)，厭氧微生物種群的基礎(chǔ)研究是對(duì)上述兩項(xiàng)技術(shù)日后發(fā)展，以及對(duì)既有厭氧消化技術(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵助力因素。專家認(rèn)為研發(fā)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)厭氧微生物種群系統(tǒng)功能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是這方面研究的關(guān)鍵所在。
厭氧氨氧化（主流短程脫氮）
主流厭氧氨氧化脫氮工藝?yán)昧税毖趸鶤OB和Anammox菌的協(xié)同作用，無(wú)需外界碳源，即可將氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)�，整個(gè)過(guò)程需要更少的氧氣，因此能減少因曝氣產(chǎn)生的能耗；另一方面由于抑制亞硝態(tài)氮氧化菌（NOB菌）而減少的SRT也將有助提高系統(tǒng)單位體積的處理能力。這個(gè)工藝已經(jīng)廣泛用于處理污泥經(jīng)脫水后產(chǎn)生的高濃度側(cè)流液。如今大家正在研究它應(yīng)用在主流處理的可行性。
主流厭氧氨氧化脫氮工藝需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整，對(duì)自控系統(tǒng)有很高的要求。另外一個(gè)重要難度在于出水水質(zhì)的限制：這個(gè)工藝需要保證反應(yīng)系統(tǒng)的出水氨氮保持在2-3mg/L的水平，但是該濃度可能并不符合出水氨氮有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的污水廠的要求，所以還需要進(jìn)一步深度處理。
能耗方面，專家們認(rèn)為該工藝的一個(gè)主要亮點(diǎn)在于它不需要外加碳源，所以能盡可能地回收前置工藝的碳源用于厭氧消化，這也進(jìn)而減少了生物反應(yīng)池的曝氣需求�？捎玫那爸霉に嚢薬）主流厭氧處理，b）A段吸附反應(yīng)器(可按需選擇是否投加化學(xué)品)，c）強(qiáng)化初沉處理。選擇不同的前置工藝對(duì)能耗的影響也是不同的，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響不可溶、可溶和膠體狀碳源的分布比例。該工藝技術(shù)的另一個(gè)能耗優(yōu)勢(shì)在于它對(duì)DO的要求更低。
加深對(duì)厭氧微生物群落的理解
要實(shí)現(xiàn)能量自給甚至能量盈余的污水廠，很大程度依賴于厭氧系統(tǒng)的應(yīng)用。這需要對(duì)異養(yǎng)厭氧微生物群落有更深入的認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上把厭氧技術(shù)應(yīng)用于二級(jí)/主流處理和現(xiàn)有厭氧消化的優(yōu)化。這方面的研究例子包括：
微生物生態(tài)學(xué)的研究，優(yōu)化微生物群落
研究生物反應(yīng)中的中間產(chǎn)物
理解電子轉(zhuǎn)移、生物膜和顆粒
從根本上搞懂群落結(jié)構(gòu)的變化，包括其負(fù)荷以及物質(zhì)組成
識(shí)別各種代謝路徑，提高消化效率
研究短期厭氧接觸絮凝機(jī)理
回收碳源并用于脫氮
利用微生物產(chǎn)氫而不是用產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷
搭建可以優(yōu)化系統(tǒng)的模型供設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)所用
研究厭氧消化不同階段的產(chǎn)出和動(dòng)力學(xué)
為運(yùn)行人員優(yōu)化控制系統(tǒng)
改進(jìn)低溫下的厭氧工藝表現(xiàn)(<12°C)
專家們認(rèn)為分子生物學(xué)的工具為加深大家對(duì)厭氧微生物的認(rèn)識(shí)提供了很好的平臺(tái)。特別是以RNA為基礎(chǔ)的宏基因組測(cè)序技術(shù)，使人們能更好地理解系統(tǒng)組成和各部分的功能。另外一些對(duì)蛋白活性的研究也是很有幫助的。但要讓這些技術(shù)發(fā)揮更大的效能，需要找到和現(xiàn)有的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的途徑，而且還需驗(yàn)證能否成功將其它從實(shí)驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)化到污水廠實(shí)際應(yīng)用。
通過(guò)加深對(duì)厭氧微生物的理解和認(rèn)識(shí)，一個(gè)最終極的問(wèn)題將可能得到回答，即我們是否能夠人工設(shè)計(jì)微生物群落和工藝。不過(guò)在此之前，我們?nèi)孕枰妊邪l(fā)出更好的工藝控制和設(shè)計(jì)模型。
生物沼氣的加工提純
生物沼氣的調(diào)節(jié)系統(tǒng)已有成熟的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以除原始沼氣中的雜質(zhì)，例如水、硫化氫、二氧化碳和硅氧烷等物質(zhì)。這些步驟需要耗費(fèi)能源，如何提高提純技術(shù)的能效是問(wèn)題關(guān)鍵。目前還是遇到很多難題，例如：
使用再生吸附技術(shù)時(shí)會(huì)造成甲烷的損失
去除硫化氫需要頻繁更換媒介載體，而且耗費(fèi)很多人工費(fèi)用
溶劑分離技術(shù)的工藝復(fù)雜，而且表現(xiàn)數(shù)據(jù)有限
厭氧消化的預(yù)處理工藝
近幾年涌現(xiàn)了許多厭氧消化的預(yù)處理工藝，尤其是那些能破壞“頑固”的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和顆粒物的技術(shù)。這些預(yù)處理工藝能提高消化的速率、生物沼氣的產(chǎn)量、殺菌或提高脫水性能，以及減少反應(yīng)器體積。
其中，熱水解已經(jīng)得到了商業(yè)應(yīng)用的驗(yàn)證，并吸引了廣泛的關(guān)注，而其他技術(shù)還在研發(fā)當(dāng)中。專家們對(duì)這些技術(shù)的綜合點(diǎn)評(píng)如下：
另外有些專家還提及了諸如生物預(yù)處理、臭氧、電子束技術(shù)等技術(shù)，但并沒(méi)有作詳細(xì)的描述�？偟膩�(lái)說(shuō)，這些技術(shù)都面臨以下問(wèn)題：
對(duì)具體污水廠的甲烷增量和污泥減量的預(yù)測(cè)能力
對(duì)現(xiàn)有污水廠的設(shè)備進(jìn)行改造的障礙
減少能耗和實(shí)現(xiàn)生命周期的可持續(xù)性
如何獲得業(yè)主的信任，尤其是在一些早期工藝不成功的時(shí)候
如何預(yù)判工藝對(duì)回流污泥、污泥粘性和流變學(xué)（rheology）的影響
能否把處理范圍擴(kuò)大到剩余污泥之外的物質(zhì)
好氧顆粒污泥
好氧顆粒污泥使生物質(zhì)處于顆粒結(jié)構(gòu)而不是絮狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水的二級(jí)處理以及脫氮除磷。在此工藝?yán)�，顆粒污泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有好氧和厭氧/缺氧層之分，所以脫氮除磷和COD的去除是同時(shí)進(jìn)行的。另外，顆粒污泥反應(yīng)器可以在更高的生物質(zhì)濃度下運(yùn)行，提高了負(fù)荷率，又能維持較長(zhǎng)的SRT來(lái)完成穩(wěn)定的硝化。反應(yīng)器一般以SBR的形式設(shè)計(jì)。能耗方面，一些好氧顆粒污泥系統(tǒng)能在低DO值下運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)總氮的去除。WERF也專門(mén)為此開(kāi)設(shè)了一個(gè)研究項(xiàng)目。
從上表的調(diào)研結(jié)果可以看出，美國(guó)污水處理界對(duì)NEREDA顆粒污泥的態(tài)度依然非常謹(jǐn)慎。
未完待續(xù)
原標(biāo)題:18項(xiàng)面向未來(lái)污水處理節(jié)能技術(shù)的評(píng)估報(bào)告（1）：改善現(xiàn)有污水廠的能耗效率
來(lái)源:IWA微信
