焦点提醒：泛论将来 | 郝晓地荐文——Mark传授谈水处置中的降耗与收受接管将来新水务 2023-08-10 11:50 颁发在北京图片本年5月召开的第五届中国城市水情况与水生态成长年夜会暨三峡情况科技年夜会，别离进行两场国际项目科技计谋高端论坛，聚焦“水能耦合的情况前沿科技问题”，约请数十位国表里水情况科技范畴一流科学家分享研究、思虑和摸索。此中，荷兰皇家科学院和项目院双院士、美国国度项目院外籍院士、中国项目院外籍院士、荷兰代尔夫特理工年夜学情况生物手艺传授Mark van Loosdrecht(下文简称Mar

泛论将来 | 郝晓地荐文——Mark传授谈水处置中的降耗与收受接管将来新水务2023-08-10 11:50颁发在北京

本年5月召开的第五届中国城市水情况与水生态成长年夜会暨三峡情况科技年夜会，别离进行两场国际项目科技计谋高端论坛，聚焦“水能耦合的情况前沿科技问题”，约请数十位国表里水情况科技范畴一流科学家分享研究、思虑和摸索。此中，荷兰皇家科学院和项目院双院士、美国国度项目院外籍院士、中国项目院外籍院士、荷兰代尔夫特理工年夜学情况生物手艺传授Mark van Loosdrecht(下文简称Mark)以“Wastewater Treatment and Energy-Minimization and Recovery”为题做了主题讲话。陈述首要分为能耗最小化、能源出产和资本收受接管三年夜部门。

将来新水务专家工作组专家、北京建筑年夜学情况与能源项目学院传授郝晓地对此次陈述内容鼎力保举，并亲身撰写保举案语以下：

他的演讲为将来污水处置手艺指了然成长标的目的。为此，我们特地将其讲话内容清算成中文并附上其演讲PPT，以供国内同业参考进修。同时，我们也将其讲话内在按照我们的系统理解作了进一步解读，以便利大师深入理解与体会。

演讲中他特殊强调保守处置手艺以纯真寻求水质达标的时期已曩昔，随之而来的则是同步水质达标与碳中和和其资本收受接管为焦点的手艺潮水。在此条件下，节能型厌氧氨氧化(ANAMMOX)手艺与好氧颗粒污泥手艺（AGS）应当很是贴切这一主题。

但是，ANAMMOX自养脱氮手艺的首要利用场景为污泥厌氧消化化液，或针对无/少无机物的高氨氮工业废水。这就决议了ANAMMOX乃小众手艺而非公共手艺。也意味着市政污水前端经由过程捕获碳（COD）用在后端厌氧消化产甲烷、残剩污水中的氨氮以ANAMMOX去除的假想很难实现，特殊是残剩污水中的磷还不能不靠高能耗（药剂出产与运输）的化学除磷来实现。别的，对支流ANAMMOX厌氧氨氧化的测验考试也会因近似问题而会受阻。

AGS手艺节地、节能结果很是显著。节地靠得是堆积高浓度颗粒污泥浓度（可达10 g/L以上），这一点能够完胜MBR；且SBR情势曝气池一池多用，完全省去了污泥回流、搅拌等能量耗损，在完成同步COD、N和P去除的同时能够节流年夜量能源。如斯看来，开辟持续流AGS只具有学术上的意义，并没有任何现实节能结果，不该具有现实项目意义。

相关从污水中收受接管能源，仿佛惟有发扬光年夜污泥厌氧消化产甲烷手艺。但却不知，厌氧消化对无机化学能的转化率很低（＜15%，包罗热电联产）；何况，若对甲烷节制不妥，很轻易成为温室气体而泄漏。相形之下，污泥干化燃烧对无机化学能的转化率则很高（＞30%）；何况，填埋因“愧汗怍人”和农用因“无人愿用”之逆境必定会致使污泥处置、措置会走向干化燃烧。是以，污泥干化燃烧应当是将来污泥处置、措置的最终手段。相形之下，污水中包含着年夜量余温热能，对出水余温热能间接操纵在供暖/制冷目标远比污泥厌氧消化产甲烷高的多（荷兰已有利用案例）。

在污水无机物（COD）能源化仍是资本化问题上具有着矛盾、乃至是争议。但COD只能被操纵一次，若用在厌氧消化产甲烷则不克不及再对其资本化。从熵的角度看，CH_{4是高熵物资，燃烧后会变成熵值更高的CO2，久而久之会致使生态系统逐步解体。从这个意义上讲，COD应当在低熵的无机物之间不竭轮回才是。这就致使对污水中纤维素、PHA和EPS等的收受接管手艺研发与利用。当无机物难以再轮回之时再对其厌氧消化或间接干化燃烧。}

污水处置间接碳排放除甲烷外，氧化亚氮（N_{2O）是别的一种更强温室效应气体，其发生量虽小，但温室效应是CO2的近300倍。所以，污水处置碳减排必需予以正视。固然N2O发生机理还不敷充实清晰，但能够必定的是完全的硝化反映能够有用按捺N2O发生，即，应尽可能避免亚硝酸氮发生。从这个意义上看，为ANAMMOX发生电子领受体的短程硝化仿佛具有很年夜发生N2O隐患，固然ANAMMOX进程自己其实不发生N2O。}

以下为Mark传授讲话注释。

1能耗最小化项

1.1能源自给

为何污水处置厂要追求能耗最小化办法？

第一个缘由多是对污水厂能源完全自给的测验考试。

从运营角度而言，假如污水厂能真正从电网自力出来，不再为电力付费，将会节流良多的钱；但如果只是节流部门电力，能省的钱其实其实不算多。

假如真有污水厂勇于并实现自力供电，其经济效益会年夜年夜增添，但直到今朝我似乎还没传闻哪一个处置厂真的如许做了，虽然有很多实现能源本身的测验考试。

1.2 改良天气影响

寻求能耗最小化的另外一个缘由则或多或少与天气转变相关。

我们想削减二氧化碳排放，但我们其实需要在天气转变和二氧化碳减排布景下会商污水处置能耗，而不该只存眷能源出产或能源最小化，还应存眷除二氧化碳之外的温室气体排放，特别是甲烷和一氧化二氮等气体。

以上图荷兰的污水厂为例，上图左边Papendrecht和Kortenoord污水厂均采取了氧化沟工艺(卡鲁塞尔型)，且没有污泥厌氧厌氧消化，它们的天气萍踪几近全数来自电力耗损。所以，假如你的污水厂没有厌氧消化，那末该厂曝气鼓风电机耗决议了污水厂的天气萍踪。

但像Kralingseveer(位在鹿特丹)这类配备了厌氧消化的污水厂，凡是可能有跨越一半的天气萍踪是来自在厌氧消化进程发生的甲烷排放。除此之外，还一氧化二氮(N_{2O)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，并且它在污水厂排放环境很是多变。}

今朝来讲，只需你想的话，甲烷排放是能够节制的。至在笑气节制，我们还在会商能够做甚么、怎样做的阶段。

以Kralingseveer污水厂为例，图中是它10月份N_{2O排放环境，还算不错，但2月环境却很是糟。假如不存眷N2O排放问题，任何能耗最小化办法，都不克不及有用下降该厂对天气的影响。}

假如你从天气转变角度来计划污水厂能源最小化，那要斟酌到CH_{4和N2O问题。在荷兰，一个污水厂假如有厌氧消化工艺并且运转杰出，发生的CH4凡是有 5-10% 会进入年夜气。}

而现实上良多污水厂厌氧消化CH_{4释出环境很是严峻，首要由于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逗留 2-3 天。但池里的细菌仍在发生CH_{4，它天然就会逸散到空气中。智能透风系统能够处理这个问题，}

所以，这能够经由过程智能透风来处理。污水厂能够经由过程配备热力发机电，捕捉含有CH_{4的尾气往来来往除CH4。虽然看似很轻易做到，但荷兰污水厂也很少去实行。}

N_{2O环境则加倍复杂。我最少需要一个小时来会商这个问题，所以，我就不睁开细说了。但整体而言，N2O问题还没有完全弄清晰。固然已总结出一些趋向，但也不长短常简直定，所，以还不克不及作为现实操作建议。各污水厂仍是要进行现实丈量。但有一点能够肯定的是，操纵好氧硝化反映能够有助削减N2O排放。}

对想增设生物沼气装备的污水厂，不管你打算经由过程甚么体例来优化曝气治理下降能耗，只需你的终究目标是下降天气转变的影响，你必需清晰污水厂的CH_{4和N2O两种身分的环境。}

1.3 低能耗新工艺

除更好的工艺节制和污水厂治理，另外一个实现能耗最小化的体例是引进新工艺。当下有两个新工艺正被普遍会商。此中一个是厌氧氨氧化工艺(Anammox)。

假如只需脱氮，假如进水没有无机碳，厌氧氨氧化是一个很是高效的工艺，所以，处置污泥厌氧消化后的出水或厌氧废水处置结果很是好。这一工艺在工业废水处置中已获得了普遍利用，至今最年夜的厌氧氨氧化反映器就在中国，天天处置年夜约 11 吨氮，我没记错已有跨越 15 年时候了。

侧流厌氧氨氧化结果很是好，但支流厌氧氨氧化还良多会商。理论上支流厌氧氨氧化是可行的，但今朝还具有一些妨碍。而最年夜的障碍其实不是厌氧氨氧化工艺自己。由于假如温度够高，或利用生物膜和限制曝气量，是能够实现支流厌氧氨氧化的。例如，比来关在西安污水厂的论文，就是这类环境，你能够天然地在支流中获到厌氧氨氧化菌。但问题是，仅仅经由过程厌氧氨氧化其实不能取得能量。您要捕捉BOD 或 COD 并将其转移到厌氧消化池才会取得能量。但此刻太多的留意力放在支流厌氧氨氧化，并没有太多存眷 BOD ，但后者才是可以或许节能的部门。

在我看来，支流厌氧氨氧化未必有真正需求。采取A-B工艺的鹿特丹Dokhaven污水厂就做过支流厌氧氨氧化中试，结论是A段BOD/COD去除是利用支流厌氧氨氧化的瓶颈地点。这个问题得不到处理的话，Anammox会一向遭到 B段的干扰。

第二项手艺是好氧颗粒污泥。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，今朝已有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个利用案例。这个节能新工艺是经由过程序批式反映器(SBR)实现的。

SBR自己不是甚么重生事物，但插手颗粒污泥的SBR则变得很是高效。由于泥水份离老是SBR工艺首要瓶颈之一。由于序批式的瓶颈老是泥水份离问题。这个问题获得处理的话，SBR利用会变得很是轻松。

与保守SBR分歧的是，我们的SBR是定容的，也就是说没有滗水器(decanter)。

假如采取好氧颗粒污泥工艺进行脱氮除磷，能耗可削减约30%。假如不需要去除养分物，节能比例则会削减，由于Nereda节流都是搅拌机、泵等发生的能源。

Nereda 工艺只要一个进水泵和鼓风机，而其它工艺还要在污泥回流、沉淀池、轮回泵、缺氧和厌氧搅拌器等地耗损能量。这就是节能的首要环节，不是污泥减量或耗氧量。这也是为何利用SBR工艺有劣势的缘由，由于当所有工序都在一个池里完成时，你不需要那末多泵了。

别的，SBR也有助在更有用地操纵 BOD。假如你有更好的前端BOD收受接管率，该工艺能够应对更低的BOD负荷，在现实前提下仍有杰出的去除结果。以下图所示，与UCT工艺比拟，Nereda能够省去年夜量泵等装备，而因为无需沉淀池，还能节流占地。

但重点仍是在在序批式运转。与持续式运转工艺比拟，序批式运转能够供给杰出的动态曲线，年夜量实测数据也有助工艺优化。

主要的是，虽然生化反映是序批式操作，但全部污水厂运转，包罗所有前处置和后处置都能够连结持续式进行。而生化反映部门只需经由过程多个反映池并联体例，便可以实现全体持续运转。

要弥补的一点是：今朝持续流好氧颗粒污泥工艺很受存眷，这对已有污水厂优化很有帮忙，由于免除新建获扩建的需要。无需破费太多钱就可以有更好的污泥属性，更好的沉降机能，容纳更高的负荷。但就可以耗而言，并没有省良多钱，并且对工艺节制的要求提高了。

所以假如是新建项目，我认为SBR式好氧颗粒污泥一直是首选。

2能源出产2.1 厌氧消化

此刻我们来谈谈污水的能源出产，固然这不是甚么新颖事了。例如，荷兰1920年建筑第一座污水厂的时辰，就已配有厌氧消化来出产能源。固然这也由于那时能源供给比此刻复杂很多，不管若何，那时建好的厌氧消化反映器至今还在，成为污水厂很好的弥补部门。

当下的荷兰对能量中和污水厂有良多存眷。左边地图就是荷兰，它其实不年夜，总面积也就150千米乘300千米摆布，所以，不需要要强调这些(能源工场)项目。虽然如斯，荷兰仍是有相当多的污水厂已经由过程优化厌氧消化工艺和其它路子实现了能量中和。

今朝的厌氧消化反����Ϸapp应首要采取完全夹杂池情势进行。但因为消化反映的素质是化学项目的一级反映(注：指反映速度只与反映物浓度的一次方成反比的反映)，是以，其实采取推流式的反映器理应有更高的效力。

推流式反映器并没有真正普遍利用，首要是由于它们的建筑本钱高太多。可是，假如你的终究方针是要获得尽量多的能源，在不异反映体积前提下，建筑推流式反映器能够为你带来更高的沼气产量。

上图右边是RoyalHaskoningDHV公司基在此道理，建筑了一款产物，名为Ephyra。

今朝已在多个处所施工建筑中。这不但能优化污泥沼气总产量，还能最年夜限度地削减厌氧消化后甲烷继续生成并形成逸散排放的处置手段。

我活着界各地看到好些污水厂，经由过程引入厨余垃圾来实现能量中和。我认为这做法不合错误。由于引入厨余垃圾自己而引入外来能源，这不是真实的能量中和。这些厨余本能够在其它处所进行厌氧消化。固然这类引入外源COD实现能量中和对污水厂自己而言多是功德，但对情况全体来看未必是功德。这个问题有待商议。

2.2 出水余热

有一个很主要但仍被轻忽的能量来历是出水包含的余温热能。

但在此之前，我先说一下污泥处置。对污泥进行厌氧消化的益处在在，可在不去除养分物的环境下最年夜限度地削减污泥，特别对污泥农用的环境，厌氧消化很有益处。

但假如污泥终究的处置方案是燃烧，缘由多是不答应或不想农用，那是不是还要利用沼气系统就有疑问了。

假如是进行燃烧，不管是污泥脱水仍是干燥，准绳上都能够操纵出水余热或热电联产余热来实现。

但这里有一个问题，你对污泥脱水了，然后送去燃烧厂，这时候候是算燃烧厂发生了能源，而不是污水厂。有些污水厂为了确保产能归属，会是以保存厌氧消化系统，并注解他们可以或许做到能量中和，但从社会学角度来看，最抱负的产能方案应当是一个高效的污泥干燥系统后间接燃烧。

在荷兰，一个燃烧厂(热转电)的效力大要在33%摆布，与通俗的煤电厂相当。另外一方面，当你有厌氧消化系统的时辰，假如节制欠好，形成甲烷排放，则会增添污水厂的碳萍踪。

污泥干燥的一个有用方式是热堆肥。荷兰有1/3的污泥都是如许处置的。手艺上来讲它就是个堆肥进程，只是利用的是干燥的空气。这意味着能带走所有水份。并且在70 ℃摆布温度进行，污泥变得很是干燥，里边也没有生物活性了，但又不是常规堆肥那样直到矿化。这类干燥很是有用，干燥后的污泥运到发电厂进行燃烧，能够从中发生尽量多的能量。

此刻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，它在改建后采取了好氧颗粒污泥工艺(右边的六个圆池)，左边绿地是旧厂留下的空位。他们算过，该厂每一年能够从沼气中获得1.5-2 MW能量。但现实上，他们选择在厂区中心位置建筑一个出水余热收受接管站，每一年可出产50 MW的能量。

所以，假如谈论污水厂能量收受接管，50 MW余热收受接管远比沼气系统更加有用。

该厂选择余热而不是沼气，还别的一个缘由，就是居平易近区离污水厂不远，这些余热可能有用地输送到供暖系统。

但要申明的是，这些余热现实上是由供暖公司进行收受接管的，所以，碳信誉归供暖公司，而不是污水厂。不外由于二者都是当局单元，并且颠末协商，他们认为如许操作在整体上对社会效益更优，就不消纠结碳信誉归属权问题了。

今朝荷兰有两个如许的举措措施系统，一个建在海牙的一个100万生齿当量的污水厂，另外一个就是乌得勒支这个60万生齿当量的处置厂，进行周全的污水余热收受接管。

这要以可以或许毗连供暖系统为条件。固然除用余热冷暖，其实还能用在制冷，只是效力只要约60%，所以，乌特勒支污水厂出水余热只能获得约30 MW制冷能力。但这数值仍是远高在沼气系统能够带来的能量。所以，我认为污水的余热收受接管应当遭到更多的存眷。

2资本收受接管

有人说，能源和资本收受接管只能取其一，假如选择收受接管资本，就不克不及做能源收受接管，或会有所丧失。

这个不雅点在必然水平上是准确的。由于COD只能用一次，要末取其电子发生能量，要末操纵此中的碳源。

在荷兰，我们一向在寻觅各类污水资本收受接管的测验考试，特别是纤维素收受接管、生物塑料和EPS细胞外聚合物(Kaumera)等用在建材等用处。从可延续成长角度来看，将碳作为化学品往返收要比把它当作能量烧失落好很多。

或换一个角度来看，先把碳作为化学品收受接管，甚么时辰你不要它们了，这时候候再把它们烧失落也能取得能量。从全部社会角度来看，资本收受接管是更好的选择。

可能你的污水厂能效会是以遭到影响，但这也取决在若何统计数据。

我们看看下图，左侧是荷兰一般污水厂环境，灰色是进水被氧化失落的COD，绿色部门是去到污泥中的COD，蓝色则是出水中残留COD。

右边是假如利用了纤维素和EPS收受接管的污水厂环境。能够看出，污泥中的COD转移到纤维素和EPS中了。

3.1 纤维素

污水资本收受接管也在切切实实地获得进展，固然范围还不是很年夜，但算是进入商用阶段了，不再是逗留在学术研究或靠当局补助保持研发的阶段。以下图所示，荷兰已有好几个纤维素收受接管的污水厂案例。

水务局情愿采取纤维素收受接管是由于削减了污泥总量，且增添了污泥活性。特别在荷兰这些低温地域，纤维素很难降解。经由过程收受接管纤维素，可以或许提高污泥的活性，所以，从运营角度来考量，这是实行纤维素收受接管的益处地点。今朝有家叫Recell公司特地进行纤维素的搜集并特定产物的市场投下班作，这属在荷兰水委会的贸易操作。

我们一向在研究通俗纤维素和纳米纤维素或EPS制造复合材料的产物，或做成珍珠那样的材料。图中的Re-Plex则是用纤维素做成可用在3D打印的复合材料，这些利用还处在范围化进级的研发阶段。

3.2 PHA

假如你有活性污泥，加上VFA，(例如，乙酸盐)，能够出产生物塑料PHA。

在Dordrecht污泥燃烧厂有个示范项目，以污泥为根本，产能为50 kg PHA/d。

每3 kg COD能够产出1 m³甲烷; 在美国和欧洲，1 m³甲烷的价钱约€0.1-0.2，当局补助项目标价钱约€0.60。而PHA 市场价钱今朝约为€ 5 /kg。所以，你操纵COD发生分歧的产物 ，就经济而言会有很年夜不同。固然出产PHA比出产沼气费力，所以，我这么说也不是100%准确，但从久远来看，出产PHA仍然更具效益。

这个示范项目正在年夜量出产中，产物可供给给化工行业和加工业。此中，有家叫PAQUES biomaterials的公司，是PAQUES衍生子公司，特地处置污水的生物塑料出产。他们也在马不停蹄地做市场结构，来岁将会建成一个年夜型PHA收受接管工场。两年前公司刚成立时只要10名员工，现在已扩大到30人，营业是在快速增加的。

3.3 EPS

最初谈一下污泥提取胞外聚合物（EPS）。今朝的示范项目范围为年产500吨。

今朝一年所签下的贸易合同的发卖额约300吨，能够说正在从示范试点向贸易市场成长中。今朝在农业范畴有一些利用，例如，用作种子庇护层、颗粒肥料，以替换例如聚氨酯等其他在情况中不成降解的化学品。由于它有增进根部发展的活性，所以，有家叫Koppert的公司为此每一年购进300吨原料，用在其农业出产。

我们研究用它制造复合材料，例如，和黏土连系生成耐火阻燃材料，和纳米纤维素做成耳饰装潢，它还能够用作混凝土养护涂层，削减混凝土5-10%的用量。

这也意味着能够削减碳萍踪。

假如你想进行沼气收受接管的话，收受接管EPS其实不会削减沼气产量。由于EPS提取是在污泥浓缩落后行的。下图是EPS的提取工艺流程图。

第一步是在碱性情况做提取，前提为80 ℃，pH 9-11，然后离心，消融性部门也就那些聚合物转移到酸性前提下沉淀。而离心底部剩下的是碱性残留物，这部门在碱性前提下占污泥量的 2/3到70或80%不等。

大师都晓得碱性预处置能够提高厌氧消化的甲烷产量，所以，颠末碱性处置后，这些离心残留物能够进一步发生甲烷，所以总的来讲，与没有EPS提取的系统的甲烷总产量相当。

我们此刻在研究间接在碱性前提下(pH = 8.5/9/9.5)进行厌氧消化的结果，如许的益处是因为所有CO_{2都保存在液相，所以，能够获得纯的甲烷气体，能够将其接入常规的自然气系统中。}

当pH=9的时辰，因为硫化氢(H_{2S)也很好地保存在液相中，此时你多了一个很好的机遇经由过程汽提从溶液中收受接管氨。如许，我们就可以将EPS收受接管和沼气出产和氨收受接管连系起来。}

2总 结

最初做个小结。

起首，是要存眷节能减排。细心斟酌各类节能可能性的同时，不要疏忽N_{2O问题，由于它是一个影响污水厂天气萍踪的主要身分。假如不是为了削减天气影响而革新污水厂，尽可能削减能耗便可以了。}

第二，沼气作为能源的价值被高估了。我其实不是说不该该做厌氧消化，而是说除厌氧消化，其实还其它选择，污水厂应当要对各选项进行评估，而不是简单地信手拈来。

最初，从久远来看，比拟仅以能量中和为方针，污水厂资本收受接管更具社会效益，虽然对水务公司来讲未必。

借此我感激代尔夫特理工年夜学情况生物手艺组的所有成员，和与中-荷将来污水处置手艺研发中间郝晓地传授的合作。感谢你们的凝听！

编纂 | 宜环

审核 | 王凯军

兼顾 | 将来新水务工作组

上一篇:爱游戏,宁波明州热电有限公司200吨污泥干化系统扩建干燥机设备采购总包项目，由2017年1月19日中标，2月28日签订合同，项目从6月26日投运以来，污泥处理产量高、蒸汽能耗低，高于设计预期目标。（注：单台干

下一篇:爱游戏,2012-2020年在职优秀青年科学基金获得者名单 序号 批准年度 项目名称 负责人 1 2012 环境分析化学与环境污染化学 王亚韡 2 2012 环境工程 赵旭