污水處理碳中和運(yùn)行已成為未來(lái)污水處理的核心內(nèi)容，這就使得剩余污泥將成為潛在的能源載體物質(zhì)，需要以增量方式去獲得，從而徹底改變污泥是污水處理過(guò)程中的一種“負(fù)擔(dān)”、需以減量方式消滅之的現(xiàn)行觀念。為此，歐美等國(guó)家通過(guò)COD內(nèi)源截留與外源挖潛方式最大限度地去實(shí)現(xiàn)“污泥增量”。對(duì)我國(guó)市政污水COD普遍偏低的情況，應(yīng)尋求與廚余垃圾等市政有機(jī)固體廢棄物共消化之機(jī)會(huì)方能實(shí)現(xiàn)“污泥”增量的目的。
郝曉地(1960-)，山西柳林人，教授，從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)與科研工作，主要研究方向?yàn)槲鬯锩摰准夹g(shù);污水處理數(shù)學(xué)模擬技術(shù);可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)，現(xiàn)為國(guó)際水協(xié)期刊《Water Research》區(qū)域主編。
污水處理朝著碳中和運(yùn)行方向邁進(jìn)早已成為歐美國(guó)家污水處理今后的發(fā)展方向。如果以碳中和運(yùn)行為目標(biāo)，剩余污泥顯然將不再成為污水處理的“負(fù)擔(dān)”，轉(zhuǎn)而變成碳中和運(yùn)行的緊俏原料。為此，污水處理行業(yè)不再需要去一味追求污泥減量化，轉(zhuǎn)而期盼污泥增量化，以增加污水處理能源自給自足的原料份額。
然而，剩余污泥的多寡完全取決于進(jìn)水COD負(fù)荷的高低，低的COD負(fù)荷必然導(dǎo)致較少的剩余污泥產(chǎn)量，也就意味碳中和運(yùn)行能量需求可能會(huì)出現(xiàn)赤字。因此，以碳中和運(yùn)行為目標(biāo)的污泥增量近年來(lái)已在國(guó)際上悄然興起，在常規(guī)剩余污泥之外還會(huì)尋求內(nèi)源和外源其它途徑的污泥增量，如，前端篩分COD技術(shù)、后端厭氧共消化技術(shù)等。
國(guó)外剩余污泥能源轉(zhuǎn)化現(xiàn)狀
污水處理碳中和運(yùn)行的實(shí)質(zhì)就實(shí)現(xiàn)整個(gè)污水處理過(guò)程能源自給自足，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，歐美、甚至周邊一些亞洲國(guó)家相繼頒布了面向21世紀(jì)污水處理碳中和運(yùn)行的路線圖，并付諸實(shí)踐。例如:
荷蘭早在2008年便提出了污水處理的NEWs概念，將未來(lái)污水處理廠描述為“營(yíng)養(yǎng)物(Nutrient)”、“能源(Energy)”、“再生水(Water)”三廠(Factories)合一的運(yùn)行模式。
美國(guó)推行的“Carbon-free Water”，期望實(shí)現(xiàn)在人們對(duì)水的取用、分配、處理、排放全過(guò)程達(dá)到碳中和。
日本有關(guān)部門發(fā)布“Sewerage Vision 2100”，指出到本世紀(jì)末將完全實(shí)現(xiàn)污水處理能源自給自足。
Sewage Sludge to Provide Electricity for Households and Hydrogen to Power Vehicles
目前，歐美國(guó)家一些污水處理廠以剩余污泥為主要能源載體，同時(shí)結(jié)合前端篩分COD(進(jìn)水COD負(fù)荷高時(shí))技術(shù)，或后端厭氧共消化(廚余垃圾、食品加工廢料、糞便等)技術(shù)，以最大化“污泥增量”方式從污水或外源有機(jī)物中通過(guò)厭氧消化獲取能源(CH4)，并已完全或部分實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行目標(biāo)。
污泥能源轉(zhuǎn)化碳中和運(yùn)行潛力
歐美等國(guó)家一些實(shí)施碳中和運(yùn)行目標(biāo)的污水處理廠也大都以剩余污泥厭氧消化轉(zhuǎn)化能源為主要手段。歐洲等國(guó)家因生活習(xí)慣、無(wú)化糞池、雨污分流、食物破碎等原因往往會(huì)形成較高進(jìn)水COD濃度(600~1 000 mg/L)。一些歐美以碳中和為運(yùn)行目標(biāo)的污水處理實(shí)例表明，如果進(jìn)水中COD￡600 mg/L，采用傳統(tǒng)處理工藝(如A2/O等脫氮除磷工藝)所產(chǎn)生的剩余污泥量通過(guò)厭氧消化轉(zhuǎn)化能源很難完全滿足(100%)碳中和運(yùn)行目標(biāo)，一般能達(dá)到70%碳中和運(yùn)行率就已足矣。
我國(guó)污水中有機(jī)物含量較歐美等國(guó)家要低得多，因而僅靠產(chǎn)生的剩余污泥難以實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行目標(biāo)。圖1繪出了能量平衡計(jì)算中剩余污泥(初沉+二沉)COD截留率(污泥中總COD與進(jìn)水COD之比)與碳中和率的關(guān)系曲線。圖1趨勢(shì)表明，要想獲得更大的碳中和運(yùn)行率便需要有更多的污泥相對(duì)應(yīng)，即，所謂的“污泥增量”概念。污泥增量從內(nèi)源COD來(lái)源角度看，意味著進(jìn)水中的COD除滿足脫氮除磷對(duì)碳源的需求外，應(yīng)避免COD無(wú)目的的直接氧化。
圖1 污泥COD截留率與碳中和運(yùn)行率關(guān)系
污泥增量方法與措施
A/B法A段濃縮COD
早在15年前，針對(duì)定位于能源與磷回收的可持續(xù)市政污水處理，與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(TU Delft)Mark van Loosdrecht教授合作，我們便提出了如圖2所示的概念工藝。為有效截留污水多余(脫氮除磷所需碳源之外)COD并厭氧消化轉(zhuǎn)化為甲烷，利用早年德國(guó)A/B法中的A段用于濃縮懸浮狀與溶解狀COD。與二沉污泥相比，A段截留污泥可消化性較好，可產(chǎn)生甲烷含量較高的生物氣。
圖2 定位于能源與磷回收的市政污水處理概念工藝
前端篩分COD技術(shù)
為最大程度截留進(jìn)水中COD，歐洲學(xué)者還提出通過(guò)絮凝后微濾方式截留膠體狀與溶解狀COD，使之用于厭氧消化轉(zhuǎn)化甲烷的設(shè)想并付諸行動(dòng)。例如，德國(guó)柏林某水務(wù)集團(tuán)融資并聯(lián)合德國(guó)KWB組織已經(jīng)啟動(dòng)旨在回收污水中能源的應(yīng)用研究項(xiàng)目—CARISMO(Carbon is money，即，碳即是錢)，工藝流程如圖3所示。
圖3 德國(guó)CARISMO前端COD篩分及后續(xù)污水、污泥處理工藝
污泥共消化技術(shù)
污泥共消化發(fā)揮了基質(zhì)間的協(xié)同作用，提高了底物的降解速率和降解程度，使能源轉(zhuǎn)化效率顯著提高。表1列出了幾種不同外源有機(jī)廢棄物與剩余污泥共消化后呈現(xiàn)出的能量轉(zhuǎn)化效果，剩余污泥與其它有機(jī)廢棄物共消化潛力可見(jiàn)一斑。
表1 不同種類/比例外源基質(zhì)與污泥共消化能源轉(zhuǎn)化效果
如果今后能將廚余垃圾、綠化草木、旱廁糞便與剩余污泥一并共消化，將會(huì)形成出現(xiàn)2種以上底物共消化情形。在研究與應(yīng)用實(shí)踐中，33種有機(jī)底物共消化案例目前還十分罕見(jiàn)。這一課題應(yīng)該成為今后厭氧共消化的研發(fā)方向，不僅可探明多基質(zhì)協(xié)同消化的機(jī)理與作用，而且也為綜合處置市政有機(jī)固體廢棄物開(kāi)辟一條可持續(xù)發(fā)展之路。
從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，污水處理碳中和運(yùn)行并不存在障礙，主要受限于政府的宏觀環(huán)境政策。只要政府高瞻遠(yuǎn)矚，予以政策支持、甚至是財(cái)政補(bǔ)貼，觸動(dòng)污水處理行業(yè)朝著碳中和方向邁進(jìn)，從而獲得被普遍看好的綜合環(huán)境效益。
編輯：李丹
