未來(lái)市政污水處理技術(shù)路在何方？以微藻-菌顆粒污泥工藝為例
未來(lái)市政污水處理技術(shù)的發(fā)展方向一直為環(huán)境研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。未來(lái)市政污水處理技術(shù)應(yīng)具備怎樣的特質(zhì)？目前普遍采用的污水處理技術(shù)（如活性污泥法）離這些特質(zhì)有多遠(yuǎn)？近日，來(lái)自新加坡南洋理工大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了探討，并從理論和已有研究結(jié)果出發(fā)，以近年來(lái)發(fā)展迅速的微藻-菌顆粒污泥工藝為例，討論了其作為未來(lái)市政污水處理技術(shù)的可行性。
未來(lái)市政污水處理技術(shù)特質(zhì)的探討
傳統(tǒng)活性污泥（CAS）工藝作為市政污水處理的核心技術(shù)已有100多年的歷史。然而，隨著未來(lái)污水處理技術(shù)對(duì)能源消耗、碳排放和排放水質(zhì)要求的不斷提高，CAS工藝已略顯乏力。例如，CAS工藝通常需要消耗大量電能曝氣用于氧化污水中的有機(jī)物和氨，同時(shí)釋放溫室氣體（GHG）。據(jù)報(bào)道，2017年市政污水處理所消耗的電能已達(dá)到全球電量消耗的0.3-0.5％，而在某些發(fā)達(dá)國(guó)家該占比可達(dá)到3-5％，而污水處理過(guò)程中所釋放的溫室氣體可占全球全年（2010年）排放量的1.6％。
另一方面，隨著環(huán)境與生態(tài)保護(hù)要求的不斷提高，市政污水處理的排放標(biāo)準(zhǔn)亦不斷提高，如部分省份/地區(qū)已出臺(tái)政策將排放標(biāo)準(zhǔn)提高至地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)。顯然，傳統(tǒng)的CAS工藝難以滿足升級(jí)后的水質(zhì)排放要求。因此，近年來(lái)越來(lái)越多的研究致力于探索污水處理的升級(jí)技術(shù)。其中，在已有CAS工藝基礎(chǔ)上疊加深度處理工藝單元是目前主要的研究方向之一。然而，該升級(jí)策略的污水處理工藝雖然可以實(shí)現(xiàn)較高的出水水質(zhì)，但卻使整個(gè)處理系統(tǒng)的復(fù)雜性和處理成本提高，同時(shí)增加了能源消耗和溫室氣體排放。顯然，這種由上而下驅(qū)動(dòng)的升級(jí)策略只能提供短期解決方案，而不能為未來(lái)市政污水處理技術(shù)的革新帶來(lái)曙光。
未來(lái)的市政污水處理技術(shù)應(yīng)該具備哪些基本特質(zhì)？研究作者認(rèn)為，未來(lái)的處理技術(shù)應(yīng)使市政污水處理廠（WWTP）在滿足污水處理的基本屬性外，應(yīng)在更廣闊的方面扮演重要角色。如圖1所示，未來(lái)的市政污水處理廠應(yīng)成為：1）生產(chǎn)高質(zhì)回用水的水廠，2）具備能源自給甚至供給的電廠，3）實(shí)現(xiàn)碳中和甚至碳捕集的綠色工廠，4）能夠回收高附加值產(chǎn)品（例如有機(jī)物和養(yǎng)分）的資源廠。
微藻-菌顆粒污泥工藝特質(zhì)的探討
微藻-菌顆粒污泥工藝是近年來(lái)發(fā)展迅速的新興污水處理技術(shù)。該工藝由于無(wú)需曝氣、碳轉(zhuǎn)化以及固液分離好等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為極具潛力的綠色處理技術(shù)。研究作者根據(jù)已有研究報(bào)道，以及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需求，構(gòu)建了12h（晝，自然光源）-12h（夜，無(wú)需光源）運(yùn)行模式的零曝氣自耦合微藻-菌顆粒污泥工藝，用于探討其在去污、能耗、碳排放和資源回收等方面的性能。
去污能力
已有研究表明，微藻-菌顆粒污泥工藝在光照條件下，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)物（COD）、氨氮和磷酸鹽100％、99.6％和100％的去除；在黑暗條件下，工藝亦表現(xiàn)出較高的去污能力，COD、氨氮和磷酸鹽去除率分別可達(dá)95.1％、96.5％和100％，即在沒(méi)有光照的夜間微藻-菌顆粒污泥工藝也具有較強(qiáng)的去污能力。因此，基于12h（晝）-12h（夜）運(yùn)行模式的微藻-菌顆粒污泥工藝，可在無(wú)需外部曝氣和照明的情況下，為市政廢水處理提供技術(shù)可行的方案。
能量消耗
在微藻-菌顆粒污泥工藝中，由于無(wú)需外源曝氣以及顆粒污泥良好的沉降性能，其能量消耗顯著降低。另一方面，工藝將更多的碳固定于生物質(zhì)內(nèi)，可產(chǎn)生較多的污泥用于厭氧消化產(chǎn)甲烷，提高了能量回收。經(jīng)核算，微藻-菌顆粒污泥工藝污水處理單位能耗為-0.178 kWh/m3（表1），即該工藝可實(shí)現(xiàn)能量的凈增益。從全球范圍內(nèi)來(lái)看，若該工藝應(yīng)用于市政污水處理，每年有望產(chǎn)生641億kWh能量?jī)糨敵觥?/p>
碳排放
隨著全球氣候變化形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻，溫室氣體排放對(duì)全球變暖的作用得到世界各國(guó)的普遍關(guān)注。據(jù)估算，若市政污水處理廠采用以活性污泥法為核心工藝，其每年可貢獻(xiàn)全球碳排放2.672億噸CO2e（表1）。若采用微藻-菌顆粒污泥工藝，市政污水處理過(guò)程的碳排放將會(huì)大大降低，減排效果可達(dá)77％左右。另外，隨著碳交易在世界各國(guó)的普遍實(shí)施，碳排放將會(huì)成為未來(lái)污水處理廠不可忽視的潛在運(yùn)行成本。
資源回收
相對(duì)于傳統(tǒng)活性污泥法，在微藻-菌顆粒污泥工藝中，廢水中的更多的營(yíng)養(yǎng)物（N和P等）會(huì)通過(guò)微生物同化作用得到去除，并在菌藻生物質(zhì)內(nèi)積累。顯然，這更有利于從生物質(zhì)中提取生物油脂、生產(chǎn)生物肥料等，強(qiáng)化污泥的資源化利用過(guò)程。
小結(jié)與展望
市政污水處理技術(shù)的升級(jí)一直為環(huán)境領(lǐng)域研究和探討的熱點(diǎn)，其原本污染物去除的單一功能已不能滿足環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展對(duì)污水處理提出的更高要求。未來(lái)的市政污水處理技術(shù)更傾向于向“水回用-能源回收-碳中和-資源化”的復(fù)合型方向發(fā)展。經(jīng)分析，微藻-菌顆粒污泥工藝基本滿足未來(lái)市政污水處理技術(shù)對(duì)去污、能耗、碳排放和資源回收的要求，可提供一種潛在的技術(shù)方案。未來(lái)市政污水處理技術(shù)路在何方？研究和探索仍在路上。
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