以下為Mark教授發(fā)言正文。

1.1能源自給

為什么污水處理廠要尋求能耗最小化措施？

第一個(gè)原因可能是對污水廠能源完全自給的嘗試。

從運(yùn)營角度而言，如果污水廠能真正從電網(wǎng)獨(dú)立出來，不再為電力付費(fèi)，將會(huì)節(jié)省很多的錢；但若只是節(jié)省部分電力，能省的錢其實(shí)并不算多。

如果真有污水廠敢于并實(shí)現(xiàn)獨(dú)立供電，其經(jīng)濟(jì)效益會(huì)大大增加，但直到目前我好像還沒聽說哪個(gè)處理廠真的這樣做了，盡管有不少實(shí)現(xiàn)能源自己的嘗試。

1.2 改善氣候影響

追求能耗最小化的另一個(gè)原因則或多或少與氣候變化有關(guān)。

我們想減少二氧化碳排放，但我們其實(shí)需要在氣候變化和二氧化碳減排背景下討論污水處理能耗，而不應(yīng)只關(guān)注能源生產(chǎn)或能源最小化，還應(yīng)關(guān)注除二氧化碳以外的溫室氣體排放，尤其是甲烷和一氧化二氮等氣體。

以上圖荷蘭的污水廠為例，上圖左側(cè)Papendrecht和Kortenoord污水廠均采用了氧化溝工藝(卡魯塞爾型)，且沒有污泥厭氧厭氧消化，它們的氣候足跡幾乎全部來自電力消耗。所以，如果你的污水廠沒有厭氧消化，那么該廠曝氣鼓風(fēng)機(jī)電耗決定了污水廠的氣候足跡。

但像Kralingseveer(位于鹿特丹)這種配備了厭氧消化的污水廠，通�？赡苡谐�過一半的氣候足跡是來自于厭氧消化過程產(chǎn)生的甲烷排放。除此以外，還有一氧化二氮(N₂O)排放，也就是俗稱的笑氣排放。N₂O是一種比CO₂強(qiáng)近300倍的溫室氣體，而且它在污水廠排放情況非常多變。

目前來說，只要你想的話，甲烷排放是可以控制的。至于笑氣控制，我們還在討論可以做什么、怎么做的階段。

以Kralingseveer污水廠為例，圖中是它10月份N₂O排放情況，還算不錯(cuò)，但2月情況卻非常糟糕。如果不關(guān)注N₂O排放問題，任何能耗最小化措施，都不能有效降低該廠對氣候的影響。

如果你從氣候變化角度來規(guī)劃污水廠能源最小化，那要考慮到CH₄和N₂O問題。在荷蘭，一個(gè)污水廠如果有厭氧消化工藝而且運(yùn)行良好，產(chǎn)生的CH₄通常有 5-10% 會(huì)進(jìn)入大氣。

而實(shí)際上很多污水廠厭氧消化CH₄釋出情況非常嚴(yán)重，主要因?yàn)?span lang="EN-US" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; font-size: 13pt; font-family: Calibri, sans-serif;">CH₄在污泥濃縮、脫水系統(tǒng)和污泥緩沖池等位置也會(huì)逸出。

例如，脫水后的污泥可能會(huì)在污泥緩沖池停留 2-3 天。但池里的細(xì)菌仍在產(chǎn)生CH₄，它自然就會(huì)逸散到空氣中。智能通風(fēng)系統(tǒng)可以解決這個(gè)問題，

所以，這可以通過智能通風(fēng)來解決。污水廠可以通過配備熱力發(fā)電機(jī)，捕獲含有CH₄的尾氣來去除CH₄。盡管看似很容易做到，但荷蘭污水廠也很少去實(shí)施。

N₂O情況則更加復(fù)雜。我至少需要一個(gè)小時(shí)來討論這個(gè)問題，所以，我就不展開細(xì)說了。但總體而言，N₂O問題還沒有完全搞清楚。雖然已經(jīng)總結(jié)出一些趨勢，但也不是非常的確定，所，以還不能作為實(shí)際操作建議。各污水廠還是要進(jìn)行實(shí)際測量。但有一點(diǎn)可以確定的是，利用好氧硝化反應(yīng)可以有助減少N₂O排放。

對于想增設(shè)生物沼氣設(shè)備的污水廠，無論你計(jì)劃通過什么方式來優(yōu)化曝氣管理降低能耗，只要你的最終目的是降低氣候變化的影響，你必須清楚污水廠的CH₄和N₂O兩種因素的情況。

1.3 低能耗新工藝

除了更好的工藝控制和污水廠管理，另一個(gè)實(shí)現(xiàn)能耗最小化的方式是引進(jìn)新工藝。當(dāng)下有兩個(gè)新工藝正被廣泛討論。其中一個(gè)是厭氧氨氧化工藝(Anammox)。 

如果只需脫氮，如果進(jìn)水沒有有機(jī)碳，厭氧氨氧化是一個(gè)非常高效的工藝，所以，處理污泥厭氧消化后的出水或厭氧廢水處理效果非常好。這一工藝在工業(yè)廢水處理中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，至今最大的厭氧氨氧化反應(yīng)器就在中國，每天處理大約 11 噸氮，我沒記錯(cuò)已經(jīng)有超過 15 年時(shí)間了。

側(cè)流厭氧氨氧化效果非常好，但主流厭氧氨氧化還有很多討論。理論上主流厭氧氨氧化是可行的，但目前還存在一些障礙。而最大的阻礙并不是厭氧氨氧化工藝本身。因?yàn)槿绻麥囟葔蚋�，或者使用生物膜和限制曝氣量，是可以�?shí)現(xiàn)主流厭氧氨氧化的。例如，最近關(guān)于西安污水廠的論文，就是這種情況，你可以自然地在主流中獲到厭氧氨氧化菌。但問題是，僅僅通過厭氧氨氧化并不能獲得能量。您要捕獲BOD 或 COD 并將其轉(zhuǎn)移到厭氧消化池才會(huì)獲得能量。但現(xiàn)在太多的注意力放在主流厭氧氨氧化，并沒有太多關(guān)注 BOD ，但后者才是能夠節(jié)能的部分。

在我看來，主流厭氧氨氧化未必有真正需求。采用A-B工藝的鹿特丹Dokhaven污水廠就做過主流厭氧氨氧化中試，結(jié)論是A段BOD/COD去除是應(yīng)用主流厭氧氨氧化的瓶頸所在。這個(gè)問題得不到解決的話，Anammox會(huì)一直受到 B段的干擾。

第二項(xiàng)技術(shù)是好氧顆粒污泥。該工藝在十多年前由RoyalHaskoningDHV公司率先引入市場，并取名為Nereda工藝，目前已經(jīng)有100個(gè)污水廠案例。幾周前，美國佛羅里達(dá)州一個(gè)污水廠成為Nereda第100個(gè)應(yīng)用案例。這個(gè)節(jié)能新工藝是通過序批式反應(yīng)器(SBR)實(shí)現(xiàn)的。

SBR本身不是什么新生事物，但加入顆粒污泥的SBR則變得非常高效。因?yàn)槟嗨�分離總是SBR工藝主要瓶頸之一。因?yàn)樾蚺�式的瓶頸總是泥水分離問題。這個(gè)問題得到解決的話，SBR應(yīng)用會(huì)變得非常輕松。

與傳統(tǒng)SBR不同的是，我們的SBR是定容的，也就是說沒有潷水器(decanter)。

如果采用好氧顆粒污泥工藝進(jìn)行脫氮除磷，能耗可減少約30%。如果不需要去除營養(yǎng)物，節(jié)能比例則會(huì)減少，因?yàn)镹ereda節(jié)省都是攪拌機(jī)、泵等產(chǎn)生的能源。

Nereda 工藝只有一個(gè)進(jìn)水泵和鼓風(fēng)機(jī)，而其它工藝還要在污泥回流、沉淀池、循環(huán)泵、缺氧和厭氧攪拌器等地消耗能量。這就是節(jié)能的主要環(huán)節(jié)，不是污泥減量或耗氧量。這也是為什么使用SBR工藝有優(yōu)勢的原因，因?yàn)楫?dāng)所有工序都在一個(gè)池里完成時(shí)，你不需要那么多泵了。

另外，SBR也有助于更有效地利用 BOD。如果你有更好的前端BOD回收率，該工藝可以應(yīng)對更低的BOD負(fù)荷，在實(shí)際條件下仍有良好的去除效果。如下圖所示，與UCT工藝相比，Nereda可以省去大量泵等設(shè)備，而由于無需沉淀池，還能節(jié)省占地。

但重點(diǎn)還是在于序批式運(yùn)行。與連續(xù)式運(yùn)行工藝相比，序批式運(yùn)行可以提供良好的動(dòng)態(tài)曲線，大量實(shí)測數(shù)據(jù)也有助工藝優(yōu)化。

重要的是，盡管生化反應(yīng)是序批式操作，但整個(gè)污水廠運(yùn)行，包括所有前處理和后處理都可以保持連續(xù)式進(jìn)行。而生化反應(yīng)部分只要通過多個(gè)反應(yīng)池并聯(lián)方式，就可以實(shí)現(xiàn)整體連續(xù)運(yùn)行。

要補(bǔ)充的一點(diǎn)是：目前連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝很受關(guān)注，這對已有污水廠優(yōu)化很有幫助，因?yàn)槊馊バ陆ǐ@擴(kuò)建的需要。無需花費(fèi)太多錢就能有更好的污泥屬性，更好的沉降性能，容納更高的負(fù)荷。但就能耗而言，并沒有省很多錢，而且對工藝控制的要求提高了。

所以如果是新建項(xiàng)目，我認(rèn)為SBR式好氧顆粒污泥始終是首選。

現(xiàn)在我們來談?wù)勎鬯�的能源生產(chǎn)，當(dāng)然這不是什么新鮮事了。例如，荷蘭1920年建造第一座污水廠的時(shí)候，就已經(jīng)配有厭氧消化來生產(chǎn)能源。當(dāng)然這也因?yàn)楫?dāng)時(shí)能源供應(yīng)比現(xiàn)在復(fù)雜得多，無論如何，當(dāng)時(shí)建好的厭氧消化反應(yīng)器至今還在，成為污水廠很好的補(bǔ)充部分。

當(dāng)下的荷蘭對能量中和污水廠有很多關(guān)注。左側(cè)地圖就是荷蘭，它并不大，總面積也就150公里乘300公里左右，所以，不需要要夸大這些(能源工廠)項(xiàng)目。盡管如此，荷蘭還是有相當(dāng)多的污水廠已經(jīng)通過優(yōu)化厭氧消化工藝和其它途徑實(shí)現(xiàn)了能量中和。

目前的厭氧消化反應(yīng)主要采用完全混合池形式進(jìn)行。但由于消化反應(yīng)的本質(zhì)是化學(xué)工程的一級反應(yīng)(注：指反應(yīng)速度只與反應(yīng)物濃度的一次方成正比的反應(yīng))，因此，其實(shí)采用推流式的反應(yīng)器理應(yīng)有更高的效率。

推流式反應(yīng)器并沒有真正廣泛使用，主要是因?yàn)樗鼈兊慕ㄔ斐杀靖咛�多。但是，如果你的最終目標(biāo)是要得到盡可能多的能源，在相同反應(yīng)體積條件下，建造推流式反應(yīng)器可以為你帶來更高的沼氣產(chǎn)量。

上圖右側(cè)是RoyalHaskoningDHV公司基于此原理，建造了一款產(chǎn)品，名為Ephyra。

目前已在多個(gè)地方施工建造中。這不僅能優(yōu)化污泥沼氣總產(chǎn)量，還能最大限度地減少厭氧消化后甲烷繼續(xù)生成并造成逸散排放的處理手段。

我在世界各地看到好些污水廠，通過引入廚余垃圾來實(shí)現(xiàn)能量中和。我認(rèn)為這做法不對。因?yàn)橐�入廚余垃圾本身而引入外來能源，這不是真正的能量中和。這些廚余本可以在其它地方進(jìn)行厭氧消化。當(dāng)然這種引入外源COD實(shí)現(xiàn)能量中和對污水廠本身而言可能是好事，但對環(huán)境整體來看未必是好事。這個(gè)問題有待商榷。

2.2 出水余熱

有一個(gè)很重要但仍被忽視的能量來源是出水蘊(yùn)含的余溫?zé)崮堋?/span>

但在此之前，我先說一下污泥處理。對污泥進(jìn)行厭氧消化的好處在于，可在不去除營養(yǎng)物的情況下最大限度地減少污泥，尤其對于污泥農(nóng)用的情況，厭氧消化很有好處。

但如果污泥最終的處理方案是焚燒，原因可能是不允許或者不想農(nóng)用，那是否還要應(yīng)用沼氣系統(tǒng)就有疑問了。

如果是進(jìn)行焚燒，無論是污泥脫水還是干燥，原則上都可以利用出水余熱或者熱電聯(lián)產(chǎn)余熱來實(shí)現(xiàn)。 

但這里有一個(gè)問題，你對污泥脫水了，然后送去焚燒廠，這時(shí)候是算焚燒廠產(chǎn)生了能源，而不是污水廠。有些污水廠為了確保產(chǎn)能歸屬，會(huì)因此保留厭氧消化系統(tǒng)，并表明他們能夠做到能量中和，但從社會(huì)學(xué)角度來看，最理想的產(chǎn)能方案應(yīng)該是一個(gè)高效的污泥干燥系統(tǒng)后直接焚燒。

在荷蘭，一個(gè)焚燒廠(熱轉(zhuǎn)電)的效率大概在33%左右，與普通的煤電廠相當(dāng)。另一方面，當(dāng)你有厭氧消化系統(tǒng)的時(shí)候，如果控制不好，造成甲烷排放，則會(huì)增加污水廠的碳足跡。

污泥干燥的一個(gè)有效方法是熱堆肥。荷蘭有1/3的污泥都是這樣處理的。技術(shù)上來說它就是個(gè)堆肥過程，只是使用的是干燥的空氣。這意味著能帶走所有水分。而且在70 ℃左右溫度進(jìn)行，污泥變得非常干燥，里邊也沒有生物活性了，但又不是常規(guī)堆肥那樣直到礦化。這種干燥非常有效，干燥后的污泥運(yùn)到發(fā)電廠進(jìn)行焚燒，可以從中產(chǎn)生盡可能多的能量。

現(xiàn)在我們再回到出水余熱。下圖右上方是荷蘭的烏特勒支污水廠，它在改建后采用了好氧顆粒污泥工藝(右側(cè)的六個(gè)圓池)，左側(cè)綠地是舊廠留下的空地。他們算過，該廠每年可以從沼氣中得到1.5-2 MW能量。但實(shí)際上，他們選擇在廠區(qū)中間位置建造一個(gè)出水余熱回收站，每年可生產(chǎn)50 MW的能量。

所以，如果談?wù)撐鬯畯S能量回收，50 MW余熱回收遠(yuǎn)比沼氣系統(tǒng)更為有效。

該廠選擇余熱而不是沼氣，還有另外一個(gè)原因，就是居民區(qū)離污水廠不遠(yuǎn)，這些余熱可能有效地輸送到供暖系統(tǒng)。

但要說明的是，這些余熱實(shí)際上是由供暖公司進(jìn)行回收的，所以，碳信用歸供暖公司，而不是污水廠。不過因?yàn)閮烧叨际钦�府單位，而且�?jīng)過協(xié)商，他們認(rèn)為這樣操作在總體上對社會(huì)效益更優(yōu)，就不用糾結(jié)碳信用歸屬權(quán)問題了。

目前荷蘭有兩個(gè)這樣的設(shè)施系統(tǒng)，一個(gè)建在海牙的一個(gè)100萬人口當(dāng)量的污水廠，另一個(gè)就是烏得勒支這個(gè)60萬人口當(dāng)量的處理廠，進(jìn)行全面的污水余熱回收。

這要以能夠連接供暖系統(tǒng)為前提。當(dāng)然除了用余熱冷暖，其實(shí)還能用于制冷，只是效率只有約60%，所以，烏特勒支污水廠出水余熱只能得到約30 MW制冷能力。但這數(shù)值還是遠(yuǎn)高于沼氣系統(tǒng)可以帶來的能量。所以，我認(rèn)為污水的余熱回收應(yīng)該受到更多的關(guān)注。

有人說，能源和資源回收只能取其一，如果選擇回收資源，就不能做能源回收，或者會(huì)有所損失。

這個(gè)觀點(diǎn)在一定程度上是正確的。因?yàn)镃OD只能用一次，要么取其電子產(chǎn)生能量，要么利用其中的碳源。

在荷蘭，我們一直在尋找各種污水資源回收的嘗試，尤其是纖維素回收、生物塑料和EPS細(xì)胞外聚合物(Kaumera)等用于建材等用途。從可持續(xù)發(fā)展角度來看，將碳作為化學(xué)品來回收要比把它當(dāng)做能量燒掉好得多。

或者換一個(gè)角度來看，先把碳作為化學(xué)品回收，什么時(shí)候你不要它們了，這時(shí)候再把它們燒掉也能獲得能量。從整個(gè)社會(huì)角度來看，資源回收是更好的選擇。

可能你的污水廠能效會(huì)因此受到影響，但這也取決于如何統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

我們看看下圖，左邊是荷蘭一般污水廠情況，灰色是進(jìn)水被氧化掉的COD，綠色部分是去到污泥中的COD，藍(lán)色則是出水中殘留COD。

右側(cè)是如果應(yīng)用了纖維素和EPS回收的污水廠情況。可以看出，污泥中的COD轉(zhuǎn)移到纖維素和EPS中了。

3.1 纖維素

污水資源回收也在切切實(shí)實(shí)地取得進(jìn)展，雖然規(guī)模還不是很大，但算是進(jìn)入商用階段了，不再是停留在學(xué)術(shù)研究或者靠政府補(bǔ)貼維持研發(fā)的階段。如下圖所示，荷蘭已經(jīng)有好幾個(gè)纖維素回收的污水廠案例。

水務(wù)局愿意采用纖維素回收是因?yàn)闇p少了污泥總量，且增加了污泥活性。尤其在荷蘭這些低溫地區(qū)，纖維素很難降解。通過回收纖維素，能夠提高污泥的活性，所以，從運(yùn)營角度來考量，這是實(shí)施纖維素回收的好處所在。目前有家叫Recell公司專門進(jìn)行纖維素的收集并特定產(chǎn)品的市場投放工作，這屬于荷蘭水委會(huì)的商業(yè)操作。

我們一直在研究普通纖維素和納米纖維素或者EPS制造復(fù)合材料的產(chǎn)品，或者做成珍珠那樣的材料。圖中的Re-Plex則是用纖維素做成可用于3D打印的復(fù)合材料，這些應(yīng)用還處于規(guī)�；�升級的研發(fā)階段。

3.2 PHA

如果你有活性污泥，加上VFA，(例如，乙酸鹽)，可以生產(chǎn)生物塑料PHA。

在Dordrecht污泥焚燒廠有個(gè)示范項(xiàng)目，以污泥為基礎(chǔ)，產(chǎn)能為50 kg PHA/d。

每3 kg COD可以產(chǎn)出1 m³甲烷; 在美國和歐洲，1 m³甲烷的價(jià)格約€0.1-0.2，政府補(bǔ)貼項(xiàng)目的價(jià)格約€0.60。而PHA 市場價(jià)格目前約為€ 5 /kg。所以，你利用COD產(chǎn)生不同的產(chǎn)品 ，就經(jīng)濟(jì)而言會(huì)有很大差別。當(dāng)然生產(chǎn)PHA比生產(chǎn)沼氣費(fèi)勁，所以，我這么說也不是100%正確，但從長遠(yuǎn)來看，生產(chǎn)PHA依然更具效益。

這個(gè)示范項(xiàng)目正在大量生產(chǎn)中，產(chǎn)品可供應(yīng)給化工行業(yè)和加工業(yè)。其中，有家叫PAQUES biomaterials的公司，是PAQUES衍生子公司，專門從事污水的生物塑料生產(chǎn)。他們也在快馬加鞭地做市場布局，明年將會(huì)建成一個(gè)大型PHA回收工廠。兩年前公司剛成立時(shí)只有10名員工，如今已經(jīng)擴(kuò)張到30人，業(yè)務(wù)是在快速增長的。

3.3 EPS

最后談一下污泥提取胞外聚合物（EPS）。目前的示范工程規(guī)模為年產(chǎn)500噸。

目前一年所簽下的商業(yè)合同的銷售額約300噸，可以說正在從示范試點(diǎn)向商業(yè)市場發(fā)展中。目前在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有一些應(yīng)用，例如，用作種子保護(hù)層、顆粒肥料，以替代例如聚氨酯等其他在環(huán)境中不可降解的化學(xué)品。因?yàn)樗�有促進(jìn)根部生長的活性，所以，有家叫Koppert的公司為此每年購進(jìn)300噸原料，用于其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

我們研究用它制造復(fù)合材料，例如，和粘土結(jié)合生成耐火阻燃材料，和納米纖維素做成耳環(huán)裝飾，它還可以用作混凝土養(yǎng)護(hù)涂層，減少混凝土5-10%的用量。

這也意味著可以減少碳足跡。

如果你想進(jìn)行沼氣回收的話，回收EPS并不會(huì)減少沼氣產(chǎn)量。因?yàn)镋PS提取是在污泥濃縮后進(jìn)行的。下圖是EPS的提取工藝流程圖。

第一步是在堿性環(huán)境做提取，條件為80 ℃，pH 9-11，然后離心，溶解性部分也就那些聚合物轉(zhuǎn)移到酸性條件下沉淀。而離心底部剩下的是堿性殘留物，這部分在堿性條件下占污泥量的 2/3到70或80%不等。

大家都知道堿性預(yù)處理可以提高厭氧消化的甲烷產(chǎn)量，所以，經(jīng)過堿性處理后，這些離心殘留物可以進(jìn)一步產(chǎn)生甲烷，所以總的來說，與沒有EPS提取的系統(tǒng)的甲烷總產(chǎn)量相當(dāng)。

我們現(xiàn)在在研究直接在堿性條件下(pH = 8.5/9/9.5)進(jìn)行厭氧消化的效果，這樣的好處是由于所有CO₂都保留在液相，所以，可以得到純的甲烷氣體，可以將其接入常規(guī)的天然氣系統(tǒng)中。

當(dāng)pH=9的時(shí)候，由于硫化氫(H₂S)也很好地保留在液相中，此時(shí)你多了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)通過汽提從溶液中回收氨。這樣，我們就能將EPS回收和沼氣生產(chǎn)以及氨回收結(jié)合起來。

最后做個(gè)小結(jié)。

首先，是要關(guān)注節(jié)能減排。仔細(xì)考慮各種節(jié)能可能性的同時(shí)，不要忽略 N₂O問題，因?yàn)樗�是一個(gè)影響污水廠氣候足跡的重要因素。如果不是為了減少氣候影響而改造污水廠，盡量減少能耗就可以了。

第二，沼氣作為能源的價(jià)值被高估了。我并不是說不應(yīng)該做厭氧消化，而是說除了厭氧消化，其實(shí)還有其它選擇，污水廠應(yīng)該要對各選項(xiàng)進(jìn)行評估，而不是簡單地信手拈來。

最后，從長遠(yuǎn)來看，相比僅以能量中和為目標(biāo)，污水廠資源回收更具社會(huì)效益，盡管對水務(wù)公司來說未必。

借此我感謝代爾夫特理工大學(xué)環(huán)境生物技術(shù)組的所有成員，以及與中-荷未來污水處理技術(shù)研發(fā)中心郝曉地教授的合作。謝謝你們的聆聽！

編輯 | 宜環(huán)

審核 | 王凱軍

統(tǒng)籌 | 未來新水務(wù)工作組