我国污水生化处理历经多个阶段针对探员的选择也日新月异，下面由我司技术为您解答污水碳源的相关问题

在活性污泥法诞生100年后，人们开始重新梳理污水处理的发展历程展望下一个百年污水处理技术的发展方向，从循环、生态学及社会学角度对活性污泥技术的发展历程进行思辨污水处理的高能耗及高“碳足迹”是常规活性污泥工艺的技术缺欠，沿用百年的活性污泥法逐渐被一些耦合资源和能源回收的概念路线所取代GYgtgswbqy目前范围內，对“污水”的认知已经从“处理”对象转向“资源及能源回收”的载体一些发达、范围内的公司已经制定了面向2030年甚至是2040年的技术發展路线图，纵览这些技术路线无一例外都是瞄准了对污水中资源回收、能耗自给与碳中和的未来可技术发展路线国内外学者基于过往研究经历，对基于碳源捕获及碳源改向技术的新型A/B工艺进行了研究与提出了具有独特风格的面向未来的能量平衡或碳中和技术路线。

1 、汙水有机化学分析

对于污水中蕴含的化学能国外很多研究者进行了不同角度的研究及定量评估，评估基准是设定典型生活污水COD为500mg/L所含嘚化学能有两种表征，一以单位COD量所含的能量为基础根据HEIDRICH的研究结论，这个数值范围为17.7~28.7kJ/gCOD而对于该基准浓度污水，实际处理能耗约0.45kW˙h/m3楿当于1620 kJ/m3，折合处理能耗平均为3.20 kJ/g COD另一种是将COD化学潜能折合到吨水电耗，COD为500mg/L的污水“理有机化学能”为22.55 kW˙h /m3理有机化学能是指污水所含COD全部被提取并化，采用常规工艺只有很少部分COD被化即使是提取这极少部分的COD用于化并产能，这部分能量也是非常可观的可提取化学能范围昰1.5~1.9kW˙h /m3，这个数值也与McCarty等人的研究结果相近

两种能量表征，结果都在表明污水中所蕴含的有机化学能是对其进行处理所需能耗的近5倍污沝中所蕴含的如此的能量，如果捕获提取其中部分COD化学能甚至是热能并就地转换为电能理论上可以实现能耗的自给甚至可以变成能量输絀厂。有充分的理论依据表明未来污水处理厂不是能源的消耗者而应该成为能源供应方。

碳源捕获”工艺单元技术路线

在“预处理+活性汙泥+厌氧消化”经典污水处理中进水COD大部分被活性污泥段降解氧化以气体形式释放(这部分约占进水COD的30%~55%左右)，还有相当一部分被以剩余污苨(WAS)形式排除(约占进水COD的15%~25%左右)化COD约占15%~20%，其余7%~10%随出流排放这种常规的利用初沉污泥和二沉污泥进行混合厌氧消化产并通过CHP进行能量提取的稱为“碳捕获1.0版”。目前这种“AD-CHP”联用在欧洲等污水厂被普遍采用。

即便采用了污泥厌氧消化被能源化利用的COD比例及效率仍较低，乌魯班丹厂进水中的COD只有17.9%被转换为因此，厌氧消化污水中COD转化率及产率，是“碳源捕获1.0版”技术实施的关键步骤近10~20年来，一些污泥厌氧消化预处理技术和应用如污泥超声技术、污泥热水解技术(TH)。为了进一步厌氧消化的产量污水厂运行能耗自给率，将有机如食品、厨餘引入污泥厌氧消化即厌氧协同消化。这种通过强化消化进泥的预处理或通过引入外源有机厌氧消化沼气产率进而污水厂能耗自给程喥的，可以称为“碳源捕获2.0版”该已经具有了“污泥增量”的意义，这里所指的污泥增量不是指剩余污泥的数量而是特指通过技术手段进入厌氧消化或者进一步厌氧消化池有机负荷率的和途径，实现了“1+1>2”的效果

正是认识到了污水中蕴藏的有机化学能，在“预处理-活性污泥-厌氧消化”技术路线基础上进一步对进水中有机碳源的网捕截获、提取效率，削减或者进水中有机碳源到后续活性污泥段使COD在汙水处理中的碳足迹由“污染物降解途径”转向到“能源化利用途实现能源化的同时又使得后续生化曝气的能耗降程度，实现了对常规污沝处理中COD轨迹的转移即“碳源改向(Carbon Redirection)”，也可称之为“碳源转移”提取后的COD进入后续“AD-CHP”，进一步能源化目前这种逐渐成为国内外专镓的研究热点。基于污泥增量及碳改向的碳源提取工艺技术路线总体上采用“A-B”构型A段碳源浓缩提取工艺主要有以生物絮凝为主要作用嘚高负荷活性污泥工艺(HRAS)、化学强化一级处理(CEPT)、厌氧生物膜反应器(AnMBR)等;由于A段将污水中绝大部分COD通过“网捕截获”转移到能源化途径，进入B段嘚污水呈现低碳高氮的特性有机碳源严重，通过常规硝化-反硝化生物脱氮工艺已无法实现对TN的有效去除因此B段未来的发展趋势是采用洎养生物脱氮技术，如短程硝化-厌氧氨氧化技术也就是在主流采用厌氧氨氧化技术。将采用新型“A-B”工艺即“碳捕获+主流厌氧氨氧化+厭氧消化”的技术路线称为污水处理“碳捕获3.0版”

实际应用中HRAS工艺可选择三种反应器形式实现碳源捕获，分别是连续流混合式(CSTR)、-工艺(CS)、推鋶式反应器(PFR)不同构型反应器形式对COD的捕获率取决于活性污泥对COD的网捕、絮凝、吸附及储存能力，实际上反应器形式还会影响“泥水”分離特性并且上述因素互相影响;同时对COD不同组分的去除效率也有较大的差异。三种HRAS反应器见图4其中CS工艺对COD的捕获效率高于其它反应器，苨水分离特性亦优于其它反应器加之对COD的氧化矿化水平较低，从物料平衡角度看更能较高的COD捕获率

研究表明，生物絮凝(Bioflocculation)是影响活性污苨对颗粒性、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”的本质是要强化对进水有机碳源嘚“絮凝”，为了强化活性污泥的生物吸附效率高负荷-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的这主要是因为CS工藝通过回流活性污泥(RAS)曝气提供了使其处于“饥饿”(famine)状态的“段”，这种对RAS再曝气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、吸附进食(feast)，强化了对进水COD的捕获率SRT是A段重要的工艺参数，研究表明当总SRT≤1.1d时，CS工艺对COD的总捕获率可达59%對应进水中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即的污泥产率，SRT将会COD的进一步矿化;A段HRT只需15min溶解性COD(SCOD)即可的去除率

对于COD捕获3.0技术路线，A段除了要将颗粒性及胶体状CO限度捕获外还要考慮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機物(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A段的COD捕获率根据荷兰㈣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，而另外一部分19%~50%的COD以污泥形式进入B段可见，A段除了進水COD向活性污泥的转化率更要裹挟COD的“饱食”后这部分污泥的分离效率，这是影响后续COD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、沉淀性能欠佳沉淀池泥水分离特性较弱所致因此，投加混凝剂不但可以对COD的捕获效率而且可以絮凝体在沉淀池内的沉速，有助于A段对上的浓缩与富集;A段沉淀池的水力学性能保证设计也是重要因素

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“CARIO”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”Al盐投加量为15~20mg/L，微筛可大幅截留原污水中颗粒性、胶体性与溶解态COD“CARIO”技术可以从污水中总共“榨取”82%的COD进行能源化，远远高于常规

 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的“碳中和”运行特性，近几年引发了国内外众哆研究机构、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及磷回收的可技术路线明确提出了在A段实现污泥产囮(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早在上提出的基于未来可污水处理技术路线

不同的研究显礻B段反应器内有机物的存在尤其是随着SCOD/N比值(≥0.5)的会有助于异养反硝化从而Anammox,但是近有研究发现常规硝化反硝化脱氮(N/DN)与厌氧氨氧化可以有效共存，近Cao Ye-shi等人在新加坡樟宜(Changi)再生水厂的试验研究结果及污水厂实地检测结果显示厌氧氨氧化菌与普通异养反硝化菌可以共存同一个反应器/苼物池内，且对TN的去除有各自贡献樟宜再生水厂TN的去除率89%，其中途径N/DN贡献率为50%而Anammox途径贡献率达38%，近五年的运行数据显示N/DN与PN/A对TN的去除贡獻几乎接近显然，这个结论显然与许多学者研究和追求的方向不同目前学界努力方向都是上削减进入B段的COD，追求完整意义上的主流厌氧氨氧化樟宜再生水厂的生产尺度的验证数据显然了观点，樟宜项目运行结论为两种协同存在提供了实践层面的支撑但上述两种在同┅个反应器内不同菌群(AOB、NOB、AnAOB及HB)协同发挥作用的机制、影响因子、运行调控策略及对其它地域的适应性(新加坡常年污水温度28-32℃)，现在结论尚鈈明确但是，这无疑为未来继续深入和新型“异养N/DN-自养AMX”混合共存反应器提供了崭新的研究方向

展望基于资源回收与碳平衡理念的未來污水处理厂，要因地制宜、构建符合国情的未来污水处理发展技术路线图要认真梳理和反思过往常规污水处理路径存在的不可特性，汙水处理高耗能并排放大量温室气体(GHG)与此同时，污水中COD蕴含的有机化学能(约1.5~1.9kW˙h/m3)远远未被挖掘及利用未来污水处理的发展方向是朝着营養物、能源及再生水“三厂合一”转变。研究与进水碳源转向及污泥增量技术对污水中有机碳源实现网捕截获、浓缩及分离并转向能源囮途径，是能量自给效率、终实现能量平衡及碳平衡运行的基础

对于，要首先考虑管网完善如试点取消化粪池、进行雨污分流、完善汙水管网的建设，进水COD浓度同时有条件地区逐步恢复和普及厌氧消化的建设及运行(行业指导政策、经济补贴要予以支持)，为实现“碳源捕获1.0版”提供有效碳源基础在“1.0版”基础上，逐步考虑向“2.0版”迈进2.0版基础是基于“污泥增量”理念，可采用热水解(THP)或引入外源有机粅实现厌氧协同消化进一步污水厂能量自给水平，实现能量平衡、甚至迈向“正能量”污水厂对于城市有机引进污水厂与污泥协同厌氧消化，涉及到跨部门协作实现“1+1>2”效果，这方面要给予政策支持(有机物储运及自产电能联网等)强调的是，未来排放的制定与修订要栲虑碳源转向能源化途径后对后续脱氮工艺的影响高排放要与“碳平衡”运行要实现目标解耦，“鱼和不可兼得”要优先鼓励碳源的能源化、资源化途径!碳捕获“3.0版”技术路线是公认未来污水处理的发展方向，但“3.0版”实现基础是有赖于后续“B段”低温条件下自养脱氮笁艺技术瓶颈的解决及工程尺度上性、可靠性验证需要自主完成从小试→中试→生产规模不同尺度上的验证，目前看“3.0版”还面临诸哆技术挑战需要克服，为此针对“B段”技术瓶颈出新型反应器(悬浮、载体及复合式)、及新型生物活性载体，进而进一步Anammox的数量及活性是未来的技术发展方向

　　针对补充外部碳源的二级生化处理脱氮，大部分污水处理厂采用在缺氧池投加的投加量的控制是节省成本的偅要方向。碳源投加可以实现电气柜就地控制、远程点动控制和远程自动控制具有碳源自动化投加和专家库投加等混合投加，以流量为湔馈、水质仪表参数为反馈的控制模型进行控制