未來市政污水處理技術特質的探討

傳統(tǒng)活性污泥（CAS）工藝作為市政污水處理的核心技術已有100多年的歷史。然而，隨著未來污水處理技術對能源消耗、碳排放和排放水質要求的不斷提高，CAS工藝已略顯乏力。例如，CAS工藝通常需要消耗大量電能曝氣用于氧化污水中的有機物和氨，同時釋放溫室氣體（GHG）。據(jù)報道，2017年市政污水處理所消耗的電能已達到全球電量消耗的0.3-0.5％，而在某些發(fā)達國家該占比可達到3-5％，而污水處理過程中所釋放的溫室氣體可占全球全年（2010年）排放量的1.6％。

另一方面，隨著環(huán)境與生態(tài)保護要求的不斷提高，市政污水處理的排放標準亦不斷提高，如部分省份/地區(qū)已出臺政策將排放標準提高至地表水IV類標準。顯然，傳統(tǒng)的CAS工藝難以滿足升級后的水質排放要求。因此，近年來越來越多的研究致力于探索污水處理的升級技術。其中，在已有CAS工藝基礎上疊加深度處理工藝單元是目前主要的研究方向之一。然而，該升級策略的污水處理工藝雖然可以實現(xiàn)較高的出水水質，但卻使整個處理系統(tǒng)的復雜性和處理成本提高，同時增加了能源消耗和溫室氣體排放。顯然，這種由上而下驅動的升級策略只能提供短期解決方案，而不能為未來市政污水處理技術的革新帶來曙光。

未來的市政污水處理技術應該具備哪些基本特質？研究作者認為，未來的處理技術應使市政污水處理廠（WWTP）在滿足污水處理的基本屬性外，應在更廣闊的方面扮演重要角色。如圖1所示，未來的市政污水處理廠應成為：1）生產(chǎn)高質回用水的水廠，2）具備能源自給甚至供給的電廠，3）實現(xiàn)碳中和甚至碳捕集的綠色工廠，4）能夠回收高附加值產(chǎn)品（例如有機物和養(yǎng)分）的資源廠。

微藻-菌顆粒污泥工藝特質的探討

微藻-菌顆粒污泥工藝是近年來發(fā)展迅速的新興污水處理技術。該工藝由于無需曝氣、碳轉化以及固液分離好等優(yōu)勢，被認為極具潛力的綠色處理技術。研究作者根據(jù)已有研究報道，以及現(xiàn)實應用需求，構建了12h（晝，自然光源）-12h（夜，無需光源）運行模式的零曝氣自耦合微藻-菌顆粒污泥工藝，用于探討其在去污、能耗、碳排放和資源回收等方面的性能。

去污能力

已有研究表明，微藻-菌顆粒污泥工藝在光照條件下，可實現(xiàn)有機物（COD）、氨氮和磷酸鹽100％、99.6％和100％的去除；在黑暗條件下，工藝亦表現(xiàn)出較高的去污能力，COD、氨氮和磷酸鹽去除率分別可達95.1％、96.5％和100％，即在沒有光照的夜間微藻-菌顆粒污泥工藝也具有較強的去污能力。因此，基于12h（晝）-12h（夜）運行模式的微藻-菌顆粒污泥工藝，可在無需外部曝氣和照明的情況下，為市政廢水處理提供技術可行的方案。

能量消耗

在微藻-菌顆粒污泥工藝中，由于無需外源曝氣以及顆粒污泥良好的沉降性能，其能量消耗顯著降低。另一方面，工藝將更多的碳固定于生物質內(nèi)，可產(chǎn)生較多的污泥用于厭氧消化產(chǎn)甲烷，提高了能量回收。經(jīng)核算，微藻-菌顆粒污泥工藝污水處理單位能耗為-0.178 kWh/m3（表1），即該工藝可實現(xiàn)能量的凈增益。從全球范圍內(nèi)來看，若該工藝應用于市政污水處理，每年有望產(chǎn)生641億kWh能量凈輸出。

碳排放

隨著全球氣候變化形勢的日趨嚴峻，溫室氣體排放對全球變暖的作用得到世界各國的普遍關注。據(jù)估算，若市政污水處理廠采用以活性污泥法為核心工藝，其每年可貢獻全球碳排放2.672億噸CO2e（表1）。若采用微藻-菌顆粒污泥工藝，市政污水處理過程的碳排放將會大大降低，減排效果可達77％左右。另外，隨著碳交易在世界各國的普遍實施，碳排放將會成為未來污水處理廠不可忽視的潛在運行成本。

資源回收

相對于傳統(tǒng)活性污泥法，在微藻-菌顆粒污泥工藝中，廢水中的更多的營養(yǎng)物（N和P等）會通過微生物同化作用得到去除，并在菌藻生物質內(nèi)積累。顯然，這更有利于從生物質中提取生物油脂、生產(chǎn)生物肥料等，強化污泥的資源化利用過程。

小結與展望

市政污水處理技術的升級一直為環(huán)境領域研究和探討的熱點，其原本污染物去除的單一功能已不能滿足環(huán)境和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展對污水處理提出的更高要求。未來的市政污水處理技術更傾向于向“水回用-能源回收-碳中和-資源化”的復合型方向發(fā)展。經(jīng)分析，微藻-菌顆粒污泥工藝基本滿足未來市政污水處理技術對去污、能耗、碳排放和資源回收的要求，可提供一種潛在的技術方案。未來市政污水處理技術路在何方？研究和探索仍在路上。