COD捕集：通往市政污水处理能源自给的可行途径
来源：环境纵横作者：万俊锋 张萌
编者按：随着城市可持续发展要求的不断提高，以及污水资源化和碳减排等具体政策措施的落实，市政污水的绿色高效处理及回用引起了广泛的关注和讨论。传统以活性污泥法为核心的处理工艺在市政污水处理应用百年之后，其污染物去除的单一功能与污水处理厂日益提高的能源自给、污泥减量、资源回收、碳减排等复合目标渐行渐远。对此，世界各国都在积极寻求行之有效的解决方案。来自新加坡南洋理工大学的刘雨教授团队认为，未来市政污水处理厂的定位不应仅仅被限于污染物去除，而应作为能源厂、资源厂、水厂和碳减排厂等发挥更显著的作用。基于此，团队进一步提出了新A-B工艺的理念，该理念可具象为一系列的工艺形式，如以COD捕集为核心的能源回收和碳减排工艺、以新型膜处理为核心的资源回收和水回用工艺等。工艺之间相互交叉、融合、支撑、发展，最终实现最大化污水能量回收、资源回用、温室气体减排、水循环回用等复合目标。
本研究聚焦以COD捕集为核心的新A-B工艺，并对部分不同的工艺组合形式及其能耗情况进行讨论和分析，以期为市政污水处理能源自给和碳减排提供可行的技术方案。
研究背景
活性污泥法是一种广泛应用于市政污水处理的传统生物技术，其主要通过在曝气情况下将有机物转化为生物污泥和二氧化碳以实现污染物降解。在实际应用过程中，活性污泥法被改进和拓展以进一步实现对污水中氮、磷等污染物的去除。在过去100多年的应用过程中，活性污泥法一直承担着市政污水处理的重任，降污成效显著。
然而，随着环境和经济可持续要求的不断提高，活性污泥法在能源消耗、剩余污泥等方面的问题凸显。具体来说，活性污泥法对污染物的去除以消耗大量能源为代价，如在美国市政用水相关能耗可占到国家年电能消耗的3%。另一方面，活性污泥法产泥量大，污泥产率可达0.3-0.5 g/g COD，如在中国2019年污泥产量已超过6000万吨（以含水率80%计）。为应对上述问题，目前污水处理厂多采用厌氧发酵处理剩余污泥的方法，不仅可产生沼气以产电回收能源，而且可实现污泥减量。但应该看到，该方法通常仅可使污水处理厂的能源效率达到20-50%，远未达到能源自给的最终目标。除此之外，由于污泥组成的复杂性和难降解性，传统厌氧发酵对污泥的减量效率仅为30-50%，即仍有大量的剩余污泥亟待解决。
基于上述活性污泥法的现状和问题，来自新加坡南洋理工大学的研究团队提出了新的研究思路：污水中的有机物在进行好氧处理转化为剩余污泥前应尽可能的被捕集用于厌氧处理。该思路具有一石三鸟的作用，1）强化能源回收；2）减少用于氧化有机物的能源消耗；3）减少剩余污泥产量。在该思路的基础上，研究团队进一步提出未来污水处理的设计理念，即新A-B工艺（图1）。本研究将就目前不同类型的碳捕集技术进行介绍，同时对基于其耦合的新A-B工艺及其能耗情况进行讨论和分析，以期为市政污水处理能源自给提供可行的技术方案。
图1新A-B工艺理念图
污水处理厂的能源现状
目前，以活性污泥法为核心的市政污水处理工艺能耗为0.3-0.6 kWh/m3，平均0.45 kWh/m3，即1620 kJ/m3。以COD浓度为500 mg/L的市政污水为例，污水处理的单位污染物能耗可计算为3.20 kJ/g COD。据报道，典型市政污水中蕴含的能量可达14.7-17.8 kJ自由能/g COD，即5倍于污水处理所需能耗。上述计算表明，市政污水处理实现能源自给具有极大的潜力。
图2显示了传统活性污泥法的工艺流程及有机物物质流情况。分析表明，通过污泥厌氧发酵转化为甲烷进行能量回收的有机物占比为35%（初沉污泥26%+二沉污泥7%），即4.58 kJ/g COD。考虑到热电联产的电能转化效率35%，该部分能量可转化为电能1.60 kJ/g COD，即污水处理厂能源效率仅为1.60/3.20×100%=50%。进一步分析用于能源回收的有机物来源可知，初沉污泥的贡献率达78%，进一步验证了在生物氧化工艺单元前进行碳捕集对提高污水处理厂能源效率的重要性。
图2传统活性污泥法中有机物物质流
基于COD捕集的新A-B工艺类型及其能耗分析
如图1所示，新A-B工艺的核心在于尽可能的实现能源回收（A段）同时减少营养物去除/回收（B段）的能源消耗。目前，用于碳捕集的A段技术有化学强化一级处理（chemically enhanced primary treatment，CEPT）、高速率活性污泥法（high rate activated sludge，HRAS）、厌氧处理（anaerobic treatment）。由于污水中大部分有机物被捕集，B段应选取可在低C/N比下进行营养物去除的工艺，如短程硝化-反硝化、短程硝化-厌氧氨氧化等（图3）。
图3部分潜在的新A-B工艺类型
CEPT+短程硝化-反硝化工艺
一般来说，CEPT工艺通过化学药剂的投加可实现显著的颗粒性有机物去除，但溶解性有机物去除效果差强人意。因此，污水中部分有机物会进入B段。考虑到厌氧氨氧化工艺对有机物的敏感性，选取短程硝化-反硝化与CEPT进行工艺耦合。对工艺的有机物物质流进行分析（图4），该工艺组合可捕集污水中43%的有机物用于能量回收，产生电能2.09 kJ/g COD，污水处理厂能源效率为2.09/3.20×100%=65.31%。
图4 CEPT+短程硝化-反硝化工艺中有机物物质流
HRAS+短程硝化-反硝化工艺
HRAS工艺是活性污泥法的升级工艺，通过控制较短的水力停留时间和污泥停留时间实现对有机物的快速捕集。HRAS工艺对有机物的去除效率为55-65%，即仍有可观的有机物进入B段。因此，研究选取短程硝化-反硝化工艺与HRAS工艺进行耦合。对工艺的有机物物质流进行分析（图5），该工艺组合可捕集污水中47%的有机物用于能量回收，产生电能2.29 kJ/g COD，污水处理厂能源效率为2.29/3.20×100%=71.56%。
图5 HRAS+短程硝化-反硝化工艺中有机物物质流
厌氧+短程硝化-厌氧氨氧化工艺
主流厌氧处理是目前市政污水处理的研究热点，其主要通过厌氧微生物实现对污水中有机物的直接转化产生甲烷。已有研究表明，厌氧处理对有机物的捕集效率可达80%以上。基于此，进入B段的污水具有较低的C/N比，因此可选用更为节能的短程硝化-厌氧氨氧化与其耦合。对工艺的有机物物质流进行分析（图6），该工艺组合中65%的有机物可通过厌氧处理直接从污水中回收甲烷，8%的有机物通过厌氧发酵进行产甲烷，即最终可捕集污水中73%的有机物用于能量回收，产生电能3.55 kJ/g COD，污水处理厂能源效率为3.55/3.20×100%=110.94%。
图6厌氧+短程硝化-厌氧氨氧化工艺中有机物物质流
小结及展望
综上分析，以厌氧处理为A段的新A-B工艺可实现污水处理厂的能源自给。除此之外，由于厌氧生物过程具有较低细胞产率，使得厌氧处理可显著降低污水处理过程的污泥产量，据报道该减量幅度可达60%以上。因此，该耦合工艺具有较大的发展潜力。但在实际应用过程中，仍有诸多问题亟待攻克，如溶解性甲烷、反应温度等。
在主流厌氧处理方面，厌氧膜生物反应器（anaerobic membrane reactor，AnMBR）日益受到关注。一方面，AnMBR可在低能耗情况下实现较高的有机物捕集/去除效率（可达90%以上），强化能源回收；另一方面，AnMBR出水富含氮、磷等，为营养物的分离和回收创造了先决条件；再者，膜处理对污水中的病原体等具有较好的去除效果，因此富含氮、磷等营养物的AnMBR出水亦可用于农业灌溉等实现水回用。因此，以AnMBR为碳捕集技术的新A-B工艺在未来污水处理过程中具有较高的发展潜力，亟待探索和应用。
图7 AnMBR（A段）-营养物回收（B段）耦合工艺示意
作者简介
万俊锋，博士，郑州大学生态与环境学院副教授。
2009年博士毕业于法国国立应用科学学院图卢兹分院(INSA-Toulouse)。2015-2016年新加坡南洋理工大学国家公派访问学者。主要研究领域为好氧颗粒污泥技术应用以及污水营养物的去除与资源化回收，以第一或者通讯作者在Water Res. Sci. Total Environ. Bioresour. Technol.等国内外期刊发表论文30余篇，担任十余种国际知名学术期刊的审稿人。
张萌，博士，现为新加坡南洋理工大学研究员。
2010年和2015年分别获浙江大学环境工程专业学士学位和博士学位。主要研究领域为水污染控制与废物资源化。在Water Res. Bioresour. Technol.等国内外期刊上发表学术论文20余篇。担任《中国给水排水》青年编委、国际水协（IWA）会员、中国生物工程协会会员、十余种国际主流SCI期刊特邀审稿人等。
