創新理念 | 藍色水工廠：框架與技術

2023-05-26 09:59:38

摘要：

人類目前面臨的環境壓力迫使我們不得不發展循環經濟，而強調納入生態循環的藍色發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維系。鑒于此，經過多年務實國內外合作，我們特意打造了旨在物質/能量循環、碳中和運行、智慧控制多重目標的“藍色水工廠（Blue Water Factories, BWFs）”。藍色水工廠核心技術是好氧顆粒污泥（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污泥焚燒電/熱、磷、金屬回收工藝，出水作為副產品被提取熱/冷量后回用。總之，藍色水工廠在最大程度獲取資源、能源的同時可實現對環境的“凈零（Net-zero）”影響。本期詳述藍色水工廠之框架與涉及相關技術。

01 藍色水工廠框架

藍色水工廠基于生態循環理念，強調低能耗、少藥耗、小空間處理技術，以回收污水中重要資源與能源為追求目標，把工藝過程碳中和運行與智慧控制同時作為目標方向。為此，藍色水工廠核心技術是好氧顆粒污泥（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污泥焚燒電/熱回收工藝，出水作為副產品被提取熱/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被集成于圖1，形成以營養物、生物材料、熱/電和水回用4個循環。所涉及關鍵技術為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。藍色水工廠全系統可在智慧控制下可實現碳中和運行。

02 涉及技術/工藝

2.1 資源化預處理：纖維素回收

污水生物處理過程中纖維素物質非但難以降解，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其資源化利用。其實，纖維素篩分非常簡單，容易實現，可在沉砂池后安裝篩網分離。例如，0.35 mm篩網孔徑旋轉帶式過濾機（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（AGS）

AGS技術自它2005年底首先于荷蘭奶酪加工廢水處理廠落地后，全球范圍內趨之若鶩的研究及研發遍地開花。到目前為止，AGS在全球工程應用案例已多達70余例，在我國的工程應用業已開始，且我們自主研發工程示范項目已落地河南淅川（南水北調源頭）。AGS技術對缺地新建或既有設施擴容的工業廢水、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），連續式可通過多個SBR反應器協同運行得以實現，亦可開發新型連續流工藝。

高值類藻酸鹽（ALE）物質回收

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構，回收后可用作各類防水/防火材料、增稠劑、乳化劑、穩定劑、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，產品被命名為“Kaumera”（來自新西蘭毛利語，“變色龍”之意）。目前ALE年產量已達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，以最大化有機質能源轉化。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。利用出水余溫熱能熱交換產生的原位熱源（50~60 ℃）進行污泥低溫干化不失為一種熱能有效利用方式。建議廠內分散干化、鄰避效應集中焚燒方式實施，從而將不能發電的低品位熱能可間接轉化為可以發電的高品位熱能（800~1 000 ℃）。污泥高溫焚燒后完全變為無機灰分，污泥體積可減少至5%~10%，不含任何有機質與致病菌，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%。可見，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污水處理發展的必然趨勢。

2.4 出水余溫熱能交換與出水利用

出水余溫熱能潛能巨大，是化學能的9倍。因水源熱泵經濟出水溫度一般為50~60 ℃，是低品位能源，不能發電，只能直接利用。因此，熱/冷就近（3~5 km）直接納入市政熱網是最佳利用方式。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冬季加熱進水等等。

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

2.5 碳足跡與碳中和

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

2.6 基于工藝模擬的智慧控制

區別于儀表自控，藍色水工廠以生物處理工藝過程數學模擬心構建智慧控制，且智慧控制系統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產實現能量平衡，只有出水余溫熱能利用方能彌補能量赤字。基于北方一大型污水處理廠水質、水量（COD=400 mg/L；Q=60萬m³/d）數據，獲得如圖6所示的有機能與熱能平衡。該圖揭示出，污泥焚燒有機化學能回收與水源熱泵余溫熱能回收結合完全可以實現污水處理廠能量平衡，且有盈余能量可以外輸使用。