技术导向|未来污水处理能源自给新途径——碳源捕获及碳源改向

研究表明，生物絮凝(Bioflocculation)过程是影响活性污泥对颗粒性、胶体性及溶解性COD快速捕获/吸附/储存的关键影响因子，因此HRAS实现“碳源捕获”及“碳源改向”功效的本质是要强化对进水有机碳源的“絮凝管理”，为了强化活性污泥的生物吸附效率，高负荷接触-稳定工艺相对CSTR及PF构型具有更高的效率，尤其是对颗粒性与胶体状COD的捕捉，这主要是因为CS工艺通过回流活性污泥(RAS)曝气提供了使其处于“饥饿”(famine)状态的“稳定段”，这种对RAS再曝气过程可以强化其生物絮凝活性，到后续低DO浓度下“泥-水”混合反应器可实现对进水COD的快速捕捉、吸附进食(feast)，强化了对进水COD的捕获率。SRT是A段最重要的工艺参数，研究表明，当总SRT≤1.1d时，CS工艺对COD的总捕获率可达59%，对应进水中COD约0.46~0.55 g COD/g COD 通过A段实现“碳改向”转向厌氧产CH4能源化途径。A段SRT对进水COD中不同组份的去除效率影响较为显著;而de Graaff等人的研究结果表明，A段SRT只需要0.3d即可获得最高的污泥产率，SRT延长将会导致COD的进一步矿化;A段HRT只需15min溶解性COD(SCOD)即可获得理想的去除率。

2.2.2 CEPT工艺

对于COD捕获3.0技术路线，A段除了要将颗粒性及胶体状COD最大限度捕获外，还要考虑采取物化手段辅助生化工艺增强SCOD向pCOD或者cCOD的转化，进一步捕获、浓缩、与富集。化学强化一级处理工艺作为二级处理的预处理工序，旨在通过混合絮凝过程强化对进水中COD、SS及营养盐的去除。CEPT工艺对SS、COD、TP、TN去除率可达80%~90%、30%~70%、80%~95%、20%~25%，这要显著高于初沉池效率，CEPT尤其是可以强化对颗粒性有机物(pCOD)的捕获和去除，去除率可达85%，CEPT的主要缺点是对溶解性COD去除能力有限。因此，CEPT工艺与A/B工艺的A段的HARS结合，会进一步提升A段的COD捕获率。根据荷兰四个A/B工艺污水厂A段的COD捕获效率分析，发现A段可以捕获进水COD可达53%~74%，其中有24%~48%形式以A段WAS形式排出，而另外一部分19%~50%的COD以污泥形式进入B段，可见，A段除了提高进水COD向活性污泥的转化率，更要重视裹挟COD的“饱食”后这部分污泥的分离效率，这是影响后续COD甲烷化能源化的重要影响因素。A段泥水分离不佳，这主要是A段形成的絮体结构松散稀疏、沉淀性能欠佳导致沉淀池泥水分离特性较弱所致，因此，投加混凝剂不但可以提高对COD的捕获效率，而且可以提高絮凝体在沉淀池内的沉速，有助于提高A段对COD最大程度上的浓缩与富集;A段沉淀池的水力学性能保证设计也是重要因素。

2.2.3精密筛分过滤工艺

为最大程度截留进水中COD，德国KWB组织联合Hydrotech、威立雅等水务公司启动旨在回收污水中能源的应用研究项目，提出了面向2030年“碳中和技术路线”，即“CARISMO”概念工艺，也就是“Carbon is money(碳就是钱)”理念，主要技术路线是“絮凝+微筛+后续生物膜过滤”，所采用的精细过滤装置为转鼓式筛网过滤机(micro-screen)，孔隙100微米;前段通过“化学絮凝+微筛”方式，Al盐投加量为15~20mg/L，微筛过程可大幅截留原污水中颗粒性、胶体性与溶解态COD，“CARISMO”技术可以从污水中总共“榨取”82%的COD进行能源化过程，远远高于常规模式。

3、 以“碳源捕获”为基础的能耗自给工艺评析

以“碳浓缩”为基础的能耗自给污水处理工艺以其可持续的“碳中和”运行特性，近几年引发了国内外众多研究机构、学者及水务公司的关注并为此进行了大量研究。继1997年Mark Van Loosdrecht教授团队系统提出了基于A/B工艺构型的“A段污泥增量+自养脱氮+污泥能源化”理念及技术路线后，国内学者北京建筑大学郝晓地教授于2003年提出了基于A/B工艺的旨在实现COD及磷回收的可持续技术路线，明确提出了在A段实现污泥产率最大化(maximal sludge production)也就是“污泥增量”理念，B段采用BCFS工艺或者CANON工艺，这是目前所看到的国内学者最早在国际上提出的基于未来可持续污水处理技术路线图。

位于荷兰的欧盟卓越可持续水技术中心、荷兰瓦根宁根大学(Wageningen University)Khiewwijit R.博士、比利时根特大学(Ghent University)SchaubroeckT.博士、奥地利ARAconsult的WettB. 博士等学者，近几年纷纷了提出基于能量最大化、P回收及处理过程最低碳排放为基准的“未来新型污水处理厂”、“能量自给污水处理厂”概念构型，概念路线也是采用A/B工艺构型(见图5)，A段采用碳捕获工艺通过生物絮凝或者CEPT等工艺浓缩进水碳源，提取的碳源通过厌氧消化生产甲烷转入能源化CHP途径，或者进一步厌氧发酵工艺生产生物塑料、生物柴油或者制取其它中等链脂肪酸;B段工艺采用主流PN/A(短程亚硝化-厌氧氨氧化)工艺、或者“藻菌共生系统”通过微藻(Microalgae)的快速生长来吸收N、P，并将微藻用于能源化或者生物肥料的制取，实现了碳源的能源化、N、P资源的回收及闭环利用。