創(chuàng)新理念 | 藍色水工廠：框架與技術(shù)

人類目前面臨的環(huán)境壓力迫使我們不得不發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，而強調(diào)納入生態(tài)循環(huán)的藍色發(fā)展則突顯人類回歸自然的屬性，也是對我們祖先“天人合一”信念的堅守。傳統(tǒng)污水處理固然可以清潔污水，但高能耗、高物耗摧毀其中資源/能源的作法難以持續(xù)維系。鑒于此，經(jīng)過多年務(wù)實國內(nèi)外合作，我們特意打造了旨在物質(zhì)/能量循環(huán)、碳中和運行、智慧控制多重目標(biāo)的“藍色水工廠（Blue Water Factories, BWFs）”。藍色水工廠核心技術(shù)是好氧顆粒污泥（AGS）及其高值類藻酸鹽（ALE）回收工藝，輔以前端纖維素篩分與后續(xù)污泥焚燒電/熱 、磷、金屬回收工藝，出水作為副產(chǎn)品被提取熱/冷量后回用?？傊?，藍色水工廠在最大程度獲取資源、能源的同時可實現(xiàn)對環(huán)境的“凈零（Net-zero）”影響。本期詳述藍色水工廠之框架與涉及相關(guān)技術(shù)。

01 藍色水工廠框架

藍色水工廠基于生態(tài)循環(huán)理念，強調(diào)低能耗、少藥耗、小空間處理技術(shù)，以回收污水中重要資源與能源為追求目標(biāo)，把工藝過程碳中和運行與智慧控制同時作為目標(biāo)方向。為此，藍色水工廠核心技術(shù)是好氧顆粒污泥（AGS）及其高值類藻酸鹽（ALE）回收工藝，輔以前端纖維素篩分與后續(xù)污泥焚燒電/熱回收工藝，出水作為副產(chǎn)品被提取熱/冷量后回用。順便，焚燒灰分磷回收同時獲得的金屬離子可與海水淡化鹵水（陰離子）耦合生產(chǎn)混凝劑，殘余灰分用則用作建材。

藍色水工廠框架與核心技術(shù)被集成于圖1，形成以營養(yǎng)物、生物材料、熱/電和水回用4個循環(huán)。所涉及關(guān)鍵技術(shù)為4個單元：

1）進水纖維素篩分；

2）好氧顆粒污泥脫氮除磷工藝及其高值類藻酸鹽（ALE）回收；

3）污泥干化焚燒電/熱、磷、金屬回收工藝與混凝劑制造；

4）水源熱泵提取出水熱能后回用。藍色水工廠全系統(tǒng)可在智慧控制下可實現(xiàn)碳中和運行。

02 涉及技術(shù)/工藝

2.1 資源化預(yù)處理：纖維素回收

污水生物處理過程中纖維素物質(zhì)非但難以降解，還會增加曝氣量、影響污泥沉淀效果。倒不如在生物處理前端將其篩分出來用作混凝土、瀝青添加劑等，既減負污水處理又實現(xiàn)其資源化利用。其實，纖維素篩分非常簡單，容易實現(xiàn)，可在沉砂池后安裝篩網(wǎng)分離。例如，0.35 mm篩網(wǎng)孔徑旋轉(zhuǎn)帶式過濾機（RBF）即可分離約80%纖維素。

2.2 生物脫氮除磷與污泥高值資源化

好氧顆粒污泥技術(shù)（AGS）

AGS技術(shù)自它2005年底首先于荷蘭奶酪加工廢水處理廠落地后，全球范圍內(nèi)趨之若鶩的研究及研發(fā)遍地開花。到目前為止，AGS在全球工程應(yīng)用案例已多達70余例，在我國的工程應(yīng)用業(yè)已開始，且我們自主研發(fā)工程示范項目已落地河南淅川（南水北調(diào)源頭）。AGS技術(shù)對缺地新建或既有設(shè)施擴容的工業(yè)廢水、甚至市政污水處理都是一種有效解決方案，可同步實現(xiàn)低碳源生物脫氮除磷。

目前運行的AGS污水處理工藝都是序批式（SBR），連續(xù)式可通過多個SBR反應(yīng)器協(xié)同運行得以實現(xiàn)，亦可開發(fā)新型連續(xù)流工藝。

高值類藻酸鹽（ALE）物質(zhì)回收

AGS剩余污泥中ALE含量高達20%~35%VSS（絮狀污泥僅為9%~19%VSS），其性能可與大型天然海藻（海帶）形成的藻酸鹽相媲美。ALE是污泥具有凝膠特性的重要結(jié)構(gòu)，回收后可用作各類防水/防火材料、增稠劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、粘合劑、上漿劑、種子包衣等。如今，荷蘭已興建了兩座提取AGS中ALE的工廠，產(chǎn)品被命名為“Kaumera”（來自新西蘭毛利語，“變色龍”之意）。目前ALE年產(chǎn)量已達400 t/a，且有望在2030年前突破85 000 t/a。

2.3 污泥干化焚燒與磷及金屬回收

污泥干化焚燒

污泥焚燒已被確定為終極處置方式，AGS污泥在提取ALE后亦可直接焚燒，以最大化有機質(zhì)能源轉(zhuǎn)化。然而，焚燒前的干化是必不可少步驟，手段多為脫水后（80%含水率）熱干化，需要耗能。利用出水余溫?zé)崮軣峤粨Q產(chǎn)生的原位熱源（50~60 ℃）進行污泥低溫干化不失為一種熱能有效利用方式。建議廠內(nèi)分散干化、鄰避效應(yīng)集中焚燒方式實施，從而將不能發(fā)電的低品位熱能可間接轉(zhuǎn)化為可以發(fā)電的高品位熱能（800~1 000 ℃）。污泥高溫焚燒后完全變?yōu)闊o機灰分，污泥體積可減少至5%~10%，不含任何有機質(zhì)與致病菌，可以提磷回收金屬后用作建筑材料。

灰分磷回收

在各種污水磷回收方法中，污泥焚燒灰分磷回收最為直接和有效，因為進水中90%的磷負荷最終都進入了污泥。進言之，焚燒灰分磷回收成本僅相當(dāng)于從污水和污泥中回收磷成本的80%和24%，而磷回收效率卻高達90%?？梢?，與污泥終極處置路線相一致的灰分磷回收則是未來可持續(xù)污水處理發(fā)展的必然趨勢。

2.4 出水余溫?zé)崮芙粨Q與出水利用

出水余溫?zé)崮軡撃芫薮螅腔瘜W(xué)能的9倍。因水源熱泵經(jīng)濟出水溫度一般為50~60 ℃，是低品位能源，不能發(fā)電，只能直接利用。因此，熱/冷就近（3~5 km）直接納入市政熱網(wǎng)是最佳利用方式。在外輸供熱受阻情況下，可以將熱原位低溫干化脫水污泥，亦可在北方寒冷地區(qū)冬季加熱進水等等。

熱量交換后的出水或作為“副產(chǎn)品”形式的中水回用，或排放水環(huán)境，特別在冬季接近水體環(huán)境溫度的排放屬于生態(tài)排水的范疇。

2.5 碳足跡與碳中和

降低碳足跡并實現(xiàn)碳中和運行是藍色水工廠的內(nèi)涵之一。所以，建立準(zhǔn)確的碳核算方法，摸清污水處理“碳家底”非常重要。以此為基礎(chǔ)，通過挖掘污水中潛在有機能和熱能完全可以實現(xiàn)碳中和、甚至負碳運行。

2.6 基于工藝模擬的智慧控制

區(qū)別于儀表自控，藍色水工廠以生物處理工藝過程數(shù)學(xué)模擬心構(gòu)建智慧控制，且智慧控制系統(tǒng)還可以進一步融入碳中和評價模型，識別碳概念下最佳運行參數(shù)與工況。

03 "3E"評價

3.1 能量平衡（Energy）

我國進水有機物濃度較低，很難通過污泥厭氧消化并熱電聯(lián)產(chǎn)實現(xiàn)能量平衡，只有出水余溫?zé)崮芾梅侥軓浹a能量赤字?；诒狈揭淮笮臀鬯幚韽S水質(zhì)、水量（COD=400 mg/L；Q=60萬m³/d）數(shù)據(jù)，獲得如圖6所示的有機能與熱能平衡。該圖揭示出，污泥焚燒有機化學(xué)能回收與水源熱泵余溫?zé)崮芑厥战Y(jié)合完全可以實現(xiàn)污水處理廠能量平衡，且有盈余能量可以外輸使用。

3.2 環(huán)境效益（Environment）

藍色水工廠以實現(xiàn)污染物零排放，實現(xiàn)環(huán)境凈零（Net zero）影響作為最高目標(biāo)，涵蓋零能耗、凈零碳、零固廢與零水耗等4個方面。

零能耗在圖6中已展示無遺，同時凈零碳亦可以實現(xiàn)（圖7）。副產(chǎn)品中水回用還可以形成零水耗，污泥焚燒及其灰分資源回收利用可以實現(xiàn)零固廢。結(jié)果，藍色水工廠可全面實現(xiàn)環(huán)境凈零影響。藍色水工廠對環(huán)境產(chǎn)生的綜合影響總結(jié)于圖8。

3.3 經(jīng)濟效益（Economy）

藍色水工廠應(yīng)用低碳高效的好氧顆粒污泥技術(shù)節(jié)能、降耗、節(jié)地；高值等資源回收可直接創(chuàng)造經(jīng)濟價值；智慧控制可以顯著降低運營成本。藍色水工廠好氧顆粒污泥技術(shù)可降低運行成本（按最低30%計），前端纖維素回收與智慧控制措施能降低運行成本約10%。藍色水工廠資源與能源回收可獲得的經(jīng)濟效益有多個方面，包括：

• 化學(xué)能與熱能經(jīng)濟效益，分別為0.25元/m³和1.06元/m³。

• ALE回收經(jīng)濟效益，折合0.30元/m³。

• 磷回收經(jīng)濟效益，折合噸水磷回收效益為0.05元/m³。

• 水回用經(jīng)濟效益，仍取目前的1.10元/m³。

• 碳交易經(jīng)濟效益，約為0.02元/m³。

計算可知藍色水工廠可實現(xiàn)的凈利潤為2.33元/m³，遠遠高于CAS污水處理廠的0.15元/m3。

04 結(jié)語

藍色水工廠以生態(tài)循環(huán)為依據(jù)，強調(diào)營養(yǎng)物、生物材料、熱/電和水回用4個循環(huán)，對潛在環(huán)境危機涉及的兩大要素——溫室氣體和磷短缺現(xiàn)象可以起到有效緩解作用。

藍色水工廠所涉及的關(guān)鍵技術(shù)分別已分別研發(fā)成熟，系統(tǒng)集成為藍色水工廠已無懸念。藍色水工廠絕不是夢想，而是可以預(yù)見的未來。