水处理中的降耗与回收分析
今年5月召开的第五届中国城市水环境与水生态发展大会暨三峡环境科技大会，分别举行两场国际工程科技战略高端论坛，聚焦“水能耦合的环境前沿科技问题”，邀请数十位国内外水环境科技领域一流科学家分享研究、思考和探索。其中，荷兰皇家科学院及工程院双院士、美国国家工程院外籍院士、中国工程院外籍院士、荷兰代尔夫特理工大学环境生物技术教授MarkvanLoosdrecht(下文简称Mark)以“WastewaterTreatmentandEnergy-MinimizationandRecovery”为题做了主题发言。报告主要分为能耗最小化、能源生产和资源回收三大部分。
未来新水务专家工作组专家、北京建筑大学环境与能源工程学院教授郝晓地对此次报告内容大力推荐，并亲自撰写推荐按语如下：
他的演讲为未来污水处理技术指明了发展方向。为此，我们特意将其发言内容整理成中文并附上其演讲PPT，以供国内同行参考学习。同时，我们也将其发言内涵根据我们的系统理解作了进一步解读，以方便大家深刻理解与领会。
演讲中他特别强调传统处理技术以单纯追求水质达标的时代已经过去，随之而来的则是同步水质达标与碳中和及其资源回收为核心的技术潮流。在此前提下，节能型厌氧氨氧化(ANAMMOX)技术与好氧颗粒污泥技术（AGS）应该非常贴切这一主题。
然而，ANAMMOX自养脱氮技术的主要应用场景为污泥厌氧消化化液，或针对无/少有机物的高氨氮工业废水。这就决定了ANAMMOX乃小众技术而非大众技术。也意味着市政污水前端通过捕捉碳（COD）用于后端厌氧消化产甲烷、剩余污水中的氨氮以ANAMMOX去除的设想很难实现，特别是剩余污水中的磷还不得不靠高能耗（药剂生产与运输）的化学除磷来实现。另外，对主流ANAMMOX厌氧氨氧化的尝试也会因类似问题而会受阻。
AGS技术节地、节能效果非常显著。节地靠得是聚集高浓度颗粒污泥浓度（可达10g/L以上），这一点可以完胜MBR；且SBR形式曝气池一池多用，完全省去了污泥回流、搅拌等能量消耗，在完成同步COD、N及P去除的同时可以节省大量能源。如此看来，开发连续流AGS只具有学术上的意义，并没有任何实际节能效果，不应具有实际工程意义。
有关从污水中回收能源，似乎唯有发扬光大污泥厌氧消化产甲烷技术。但殊不知，厌氧消化对有机化学能的转化率很低（＜15%，包括热电联产）；况且，若对甲烷控制不当，很容易成为温室气体而泄露。相形之下，污泥干化焚烧对有机化学能的转化率则很高（＞30%）；况且，填埋因“无地自容”和农用因“无人愿用”之窘境必然会导致污泥处理、处置会走向干化焚烧。因此，污泥干化焚烧应该是未来污泥处理、处置的终极手段。相形之下，污水中蕴含着大量余温热能，对出水余温热能直接利用于供暖/制冷目的远比污泥厌氧消化产甲烷高的多（荷兰已有应用案例）。
在污水有机物（COD）能源化还是资源化问题上存在着矛盾、甚至是争议。但COD只能被利用一次，若用于厌氧消化产甲烷则不能再对其资源化。从熵的角度看，CH4是高熵物质，燃烧后会变为熵值更高的CO2，长此以往会导致生态系统逐渐崩溃。从这个意义上讲，COD应该在低熵的有机物之间不断循环才是。这就导致对污水中纤维素、PHA和EPS等的回收技术研发与应用。当有机物难以再循环之时再对其厌氧消化或直接干化焚烧。
污水处理直接碳排放除甲烷外，氧化亚氮（N2O）是另外一种更强温室效应气体，其产生量虽小，但温室效应是CO2的近300倍。所以，污水处理碳减排必须予以重视。虽然N2O产生机理还不够充分清楚，但可以肯定的是完全的硝化反应可以有效抑制N2O产生，即，应尽量避免亚硝酸氮产生。从这个意义上看，为ANAMMOX产生电子接收体的短程硝化似乎存在很大产生N2O隐患，虽然ANAMMOX过程本身并不产生N2O。
以下为Mark教授发言正文。
1、能耗最小化项
1.1能源自给
为什么污水处理厂要寻求能耗最小化措施？
第一个原因可能是对污水厂能源完全自给的尝试。
从运营角度而言，如果污水厂能真正从电网独立出来，不再为电力付费，将会节省很多的钱；但若只是节省部分电力，能省的钱其实并不算多。
如果真有污水厂敢于并实现独立供电，其经济效益会大大增加，但直到目前我好像还没听说哪个处理厂真的这样做了，尽管有不少实现能源自己的尝试。
1.2改善气候影响
追求能耗最小化的另一个原因则或多或少与气候变化有关。
我们想减少二氧化碳排放，但我们其实需要在气候变化和二氧化碳减排背景下讨论污水处理能耗，而不应只关注能源生产或能源最小化，还应关注除二氧化碳以外的温室气体排放，尤其是甲烷和一氧化二氮等气体。
以上图荷兰的污水厂为例，上图左侧Papendrecht和Kortenoord污水厂均采用了氧化沟工艺(卡鲁塞尔型)，且没有污泥厌氧厌氧消化，它们的气候足迹几乎全部来自电力消耗。所以，如果你的污水厂没有厌氧消化，那么该厂曝气鼓风机电耗决定了污水厂的气候足迹。
但像Kralingseveer(位于鹿特丹)这种配备了厌氧消化的污水厂，通常可能有超过一半的气候足迹是来自于厌氧消化过程产生的甲烷排放。除此以外，还有一氧化二氮(N2O)排放，也就是俗称的笑气排放。N2O是一种比CO2强近300倍的温室气体，而且它在污水厂排放情况非常多变。
目前来说，只要你想的话，甲烷排放是可以控制的。至于笑气控制，我们还在讨论可以做什么、怎么做的阶段。
以Kralingseveer污水厂为例，图中是它10月份N2O排放情况，还算不错，但2月情况却非常糟糕。如果不关注N2O排放问题，任何能耗最小化措施，都不能有效降低该厂对气候的影响。
如果你从气候变化角度来规划污水厂能源最小化，那要考虑到CH4和N2O问题。在荷兰，一个污水厂如果有厌氧消化工艺而且运行良好，产生的CH4通常有5-10%会进入大气。
而实际上很多污水厂厌氧消化CH4释出情况非常严重，主要因为CH4在污泥浓缩、脱水系统和污泥缓冲池等位置也会逸出。
例如，脱水后的污泥可能会在污泥缓冲池停留2-3天。但池里的细菌仍在产生CH4，它自然就会逸散到空气中。智能通风系统可以解决这个问题，
所以，这可以通过智能通风来解决。污水厂可以通过配备热力发电机，捕获含有CH4的尾气来去除CH4。尽管看似很容易做到，但荷兰污水厂也很少去实施。
N2O情况则更加复杂。我至少需要一个小时来讨论这个问题，所以，我就不展开细说了。但总体而言，N2O问题还没有完全搞清楚。虽然已经总结出一些趋势，但也不是非常的确定，所，以还不能作为实际操作建议。各污水厂还是要进行实际测量。但有一点可以确定的是，利用好氧硝化反应可以有助减少N2O排放。
对于想增设生物沼气设备的污水厂，无论你计划通过什么方式来优化曝气管理降低能耗，只要你的最终目的是降低气候变化的影响，你必须清楚污水厂的CH4和N2O两种因素的情况。
1.3低能耗新工艺
除了更好的工艺控制和污水厂管理，另一个实现能耗最小化的方式是引进新工艺。当下有两个新工艺正被广泛讨论。其中一个是厌氧氨氧化工艺(Anammox)。
如果只需脱氮，如果进水没有有机碳，厌氧氨氧化是一个非常高效的工艺，所以，处理污泥厌氧消化后的出水或厌氧废水处理效果非常好。这一工艺在工业废水处理中已经得到了广泛应用，至今最大的厌氧氨氧化反应器就在中国，每天处理大约11吨氮，我没记错已经有超过15年时间了。
侧流厌氧氨氧化效果非常好，但主流厌氧氨氧化还有很多讨论。理论上主流厌氧氨氧化是可行的，但目前还存在一些障碍。而最大的阻碍并不是厌氧氨氧化工艺本身。因为如果温度够高，或者使用生物膜和限制曝气量，是可以实现主流厌氧氨氧化的。例如，最近关于西安污水厂的论文，就是这种情况，你可以自然地在主流中获到厌氧氨氧化菌。但问题是，仅仅通过厌氧氨氧化并不能获得能量。您要捕获BOD或COD并将其转移到厌氧消化池才会获得能量。但现在太多的注意力放在主流厌氧氨氧化，并没有太多关注BOD，但后者才是能够节能的部分。
在我看来，主流厌氧氨氧化未必有真正需求。采用A-B工艺的鹿特丹Dokhaven污水厂就做过主流厌氧氨氧化中试，结论是A段BOD/COD去除是应用主流厌氧氨氧化的瓶颈所在。这个问题得不到解决的话，Anammox会一直受到B段的干扰。
第二项技术是好氧颗粒污泥。该工艺在十多年前由RoyalHaskoningDHV公司率先引入市场，并取名为Nereda工艺，目前已经有100个污水厂案例。几周前，美国佛罗里达州一个污水厂成为Nereda第100个应用案例。这个节能新工艺是通过序批式反应器(SBR)实现的。
SBR本身不是什么新生事物，但加入颗粒污泥的SBR则变得非常高效。因为泥水分离总是SBR工艺主要瓶颈之一。因为序批式的瓶颈总是泥水分离问题。这个问题得到解决的话，SBR应用会变得非常轻松。
与传统SBR不同的是，我们的SBR是定容的，也就是说没有滗水器(decanter)。
如果采用好氧颗粒污泥工艺进行脱氮除磷，能耗可减少约30%。如果不需要去除营养物，节能比例则会减少，因为Nereda节省都是搅拌机、泵等产生的能源。
Nereda工艺只有一个进水泵和鼓风机，而其它工艺还要在污泥回流、沉淀池、循环泵、缺氧和厌氧搅拌器等地消耗能量。这就是节能的主要环节，不是污泥减量或耗氧量。这也是为什么使用SBR工艺有优势的原因，因为当所有工序都在一个池里完成时，你不需要那么多泵了。
另外，SBR也有助于更有效地利用BOD。如果你有更好的前端BOD回收率，该工艺可以应对更低的BOD负荷，在实际条件下仍有良好的去除效果。如下图所示，与UCT工艺相比，Nereda可以省去大量泵等设备，而由于无需沉淀池，还能节省占地。
但重点还是在于序批式运行。与连续式运行工艺相比，序批式运行可以提供良好的动态曲线，大量实测数据也有助工艺优化。
重要的是，尽管生化反应是序批式操作，但整个污水厂运行，包括所有前处理和后处理都可以保持连续式进行。而生化反应部分只要通过多个反应池并联方式，就可以实现整体连续运行。
要补充的一点是：目前连续流好氧颗粒污泥工艺很受关注，这对已有污水厂优化很有帮助，因为免去新建获扩建的需要。无需花费太多钱就能有更好的污泥属性，更好的沉降性能，容纳更高的负荷。但就能耗而言，并没有省很多钱，而且对工艺控制的要求提高了。
所以如果是新建项目，我认为SBR式好氧颗粒污泥始终是首选。
2、能源生产
2.1厌氧消化
现在我们来谈谈污水的能源生产，当然这不是什么新鲜事了。例如，荷兰1920年建造第一座污水厂的时候，就已经配有厌氧消化来生产能源。当然这也因为当时能源供应比现在复杂得多，无论如何，当时建好的厌氧消化反应器至今还在，成为污水厂很好的补充部分。
当下的荷兰对能量中和污水厂有很多关注。左侧地图就是荷兰，它并不大，总面积也就150公里乘300公里左右，所以，不需要要夸大这些(能源工厂)项目。尽管如此，荷兰还是有相当多的污水厂已经通过优化厌氧消化工艺和其它途径实现了能量中和。
目前的厌氧消化反应主要采用完全混合池形式进行。但由于消化反应的本质是化学工程的一级反应(注：指反应速度只与反应物浓度的一次方成正比的反应)，因此，其实采用推流式的反应器理应有更高的效率。
推流式反应器并没有真正广泛使用，主要是因为它们的建造成本高太多。但是，如果你的最终目标是要得到尽可能多的能源，在相同反应体积条件下，建造推流式反应器可以为你带来更高的沼气产量。
上图右侧是RoyalHaskoningDHV公司基于此原理，建造了一款产品，名为Ephyra。
目前已在多个地方施工建造中。这不仅能优化污泥沼气总产量，还能最大限度地减少厌氧消化后甲烷继续生成并造成逸散排放的处理手段。
我在世界各地看到好些污水厂，通过引入厨余垃圾来实现能量中和。我认为这做法不对。因为引入厨余垃圾本身而引入外来能源，这不是真正的能量中和。这些厨余本可以在其它地方进行厌氧消化。当然这种引入外源COD实现能量中和对污水厂本身而言可能是好事，但对环境整体来看未必是好事。这个问题有待商榷。
2.2出水余热
有一个很重要但仍被忽视的能量来源是出水蕴含的余温热能。
但在此之前，我先说一下污泥处理。对污泥进行厌氧消化的好处在于，可在不去除营养物的情况下最大限度地减少污泥，尤其对于污泥农用的情况，厌氧消化很有好处。
但如果污泥最终的处理方案是焚烧，原因可能是不允许或者不想农用，那是否还要应用沼气系统就有疑问了。
如果是进行焚烧，无论是污泥脱水还是干燥，原则上都可以利用出水余热或者热电联产余热来实现。
但这里有一个问题，你对污泥脱水了，然后送去焚烧厂，这时候是算焚烧厂产生了能源，而不是污水厂。有些污水厂为了确保产能归属，会因此保留厌氧消化系统，并表明他们能够做到能量中和，但从社会学角度来看，最理想的产能方案应该是一个高效的污泥干燥系统后直接焚烧。
在荷兰，一个焚烧厂(热转电)的效率大概在33%左右，与普通的煤电厂相当。另一方面，当你有厌氧消化系统的时候，如果控制不好，造成甲烷排放，则会增加污水厂的碳足迹。
污泥干燥的一个有效方法是热堆肥。荷兰有1/3的污泥都是这样处理的。技术上来说它就是个堆肥过程，只是使用的是干燥的空气。这意味着能带走所有水分。而且在70℃左右温度进行，污泥变得非常干燥，里边也没有生物活性了，但又不是常规堆肥那样直到矿化。这种干燥非常有效，干燥后的污泥运到发电厂进行焚烧，可以从中产生尽可能多的能量。
现在我们再回到出水余热。下图右上方是荷兰的乌特勒支污水厂，它在改建后采用了好氧颗粒污泥工艺(右侧的六个圆池)，左侧绿地是旧厂留下的空地。他们算过，该厂每年可以从沼气中得到1.5-2MW能量。但实际上，他们选择在厂区中间位置建造一个出水余热回收站，每年可生产50MW的能量。
所以，如果谈论污水厂能量回收，50MW余热回收远比沼气系统更为有效。
该厂选择余热而不是沼气，还有另外一个原因，就是居民区离污水厂不远，这些余热可能有效地输送到供暖系统。
但要说明的是，这些余热实际上是由供暖公司进行回收的，所以，碳信用归供暖公司，而不是污水厂。不过因为两者都是政府单位，而且经过协商，他们认为这样操作在总体上对社会效益更优，就不用纠结碳信用归属权问题了。
目前荷兰有两个这样的设施系统，一个建在海牙的一个100万人口当量的污水厂，另一个就是乌得勒支这个60万人口当量的处理厂，进行全面的污水余热回收。
这要以能够连接供暖系统为前提。当然除了用余热冷暖，其实还能用于制冷，只是效率只有约60%，所以，乌特勒支污水厂出水余热只能得到约30MW制冷能力。但这数值还是远高于沼气系统可以带来的能量。所以，我认为污水的余热回收应该受到更多的关注。
3、资源回收
有人说，能源和资源回收只能取其一，如果选择回收资源，就不能做能源回收，或者会有所损失。
这个观点在一定程度上是正确的。因为COD只能用一次，要么取其电子产生能量，要么利用其中的碳源。
在荷兰，我们一直在寻找各种污水资源回收的尝试，尤其是纤维素回收、生物塑料和EPS细胞外聚合物(Kaumera)等用于建材等用途。从可持续发展角度来看，将碳作为化学品来回收要比把它当做能量烧掉好得多。
或者换一个角度来看，先把碳作为化学品回收，什么时候你不要它们了，这时候再把它们烧掉也能获得能量。从整个社会角度来看，资源回收是更好的选择。
可能你的污水厂能效会因此受到影响，但这也取决于如何统计数据。
我们看看下图，左边是荷兰一般污水厂情况，灰色是进水被氧化掉的COD，绿色部分是去到污泥中的COD，蓝色则是出水中残留COD。
右侧是如果应用了纤维素和EPS回收的污水厂情况。可以看出，污泥中的COD转移到纤维素和EPS中了。
3.1纤维素
污水资源回收也在切切实实地取得进展，虽然规模还不是很大，但算是进入商用阶段了，不再是停留在学术研究或者靠政府补贴维持研发的阶段。如下图所示，荷兰已经有好几个纤维素回收的污水厂案例。
水务局愿意采用纤维素回收是因为减少了污泥总量，且增加了污泥活性。尤其在荷兰这些低温地区，纤维素很难降解。通过回收纤维素，能够提高污泥的活性，所以，从运营角度来考量，这是实施纤维素回收的好处所在。目前有家叫Recell公司专门进行纤维素的收集并特定产品的市场投放工作，这属于荷兰水委会的商业操作。
我们一直在研究普通纤维素和纳米纤维素或者EPS制造复合材料的产品，或者做成珍珠那样的材料。图中的Re-Plex则是用纤维素做成可用于3D打印的复合材料，这些应用还处于规模化升级的研发阶段。
3.2 PHA
如果你有活性污泥，加上VFA，(例如，乙酸盐)，可以生产生物塑料PHA。
在Dordrecht污泥焚烧厂有个示范项目，以污泥为基础，产能为50kgPHA/d。
每3kgCOD可以产出1m3甲烷；在美国和欧洲，1m3甲烷的价格约€0.1-0.2，政府补贴项目的价格约€0.60。而PHA市场价格目前约为€ 5/kg。所以，你利用COD产生不同的产品，就经济而言会有很大差别。当然生产PHA比生产沼气费劲，所以，我这么说也不是100%正确，但从长远来看，生产PHA依然更具效益。
这个示范项目正在大量生产中，产品可供应给化工行业和加工业。其中，有家叫PAQUESbiomaterials的公司，是PAQUES衍生子公司，专门从事污水的生物塑料生产。他们也在快马加鞭地做市场布局，明年将会建成一个大型PHA回收工厂。两年前公司刚成立时只有10名员工，如今已经扩张到30人，业务是在快速增长的。
3.3EPS
最后谈一下污泥提取胞外聚合物（EPS）。目前的示范工程规模为年产500吨。
目前一年所签下的商业合同的销售额约300吨，可以说正在从示范试点向商业市场发展中。目前在农业领域有一些应用，例如，用作种子保护层、颗粒肥料，以替代例如聚氨酯等其他在环境中不可降解的化学品。因为它有促进根部生长的活性，所以，有家叫Koppert的公司为此每年购进300吨原料，用于其农业生产。
我们研究用它制造复合材料，例如，和粘土结合生成耐火阻燃材料，和纳米纤维素做成耳环装饰，它还可以用作混凝土养护涂层，减少混凝土5%-10%的用量。
这也意味着可以减少碳足迹。
如果你想进行沼气回收的话，回收EPS并不会减少沼气产量。因为EPS提取是在污泥浓缩后进行的。下图是EPS的提取工艺流程图。
第一步是在碱性环境做提取，条件为80℃，pH9-11，然后离心，溶解性部分也就那些聚合物转移到酸性条件下沉淀。而离心底部剩下的是碱性残留物，这部分在碱性条件下占污泥量的2/3到70或80%不等。
大家都知道碱性预处理可以提高厌氧消化的甲烷产量，所以，经过碱性处理后，这些离心残留物可以进一步产生甲烷，所以总的来说，与没有EPS提取的系统的甲烷总产量相当。
我们现在在研究直接在碱性条件下(pH=8.5/9/9.5)进行厌氧消化的效果，这样的好处是由于所有CO2都保留在液相，所以，可以得到纯的甲烷气体，可以将其接入常规的天然气系统中。
当pH=9的时候，由于硫化氢(H2S)也很好地保留在液相中，此时你多了一个很好的机会通过汽提从溶液中回收氨。这样，我们就能将EPS回收和沼气生产以及氨回收结合起来。
4、总结
最后做个小结。
首先，是要关注节能减排。仔细考虑各种节能可能性的同时，不要忽略N2O问题，因为它是一个影响污水厂气候足迹的重要因素。如果不是为了减少气候影响而改造污水厂，尽量减少能耗就可以了。
第二，沼气作为能源的价值被高估了。我并不是说不应该做厌氧消化，而是说除了厌氧消化，其实还有其它选择，污水厂应该要对各选项进行评估，而不是简单地信手拈来。
最后，从长远来看，相比仅以能量中和为目标，污水厂资源回收更具社会效益，尽管对水务公司来说未必。
借此我感谢代尔夫特理工大学环境生物技术组的所有成员，以及与中-荷未来污水处理技术研发中心郝晓地教授的合作。谢谢你们的聆听！