魏 彬 | 碳中和趋势下污水处理节能降耗技术需求解读
“产业前沿”系列讲座【第二讲】
魏彬
北控水务集团
运营管理中心污水管理部部门经理
“环境人应当踏踏实实做技术，
做深入本质的钻研。”
污水处理行业一切创新的来源是发现问题，只有能发现问题才可能创新！在碳中和趋势下，现有的污水处理技术和方法存在哪些问题？未来的污水处理技术应解决哪些痛点？5月12日，北控水务集团运营管理中心污水管理部魏彬经理在“北控水务杯“第四届”互联网+“生态环境创新创业大赛“产业前沿”系列讲座（第二讲）中做了题为“碳中和趋势下污水处理节能降耗技术需求解读”的分享，对污水运营管理方向的发展历史、趋势和前景，碳中和背景下的技术需求，典型节能降耗与资源回收技术等进行了详细阐述。
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污水的来源
对污水处理厂来说，处理的污水来源于三个方面，包括生活污水、工业废水以及被污染的雨水。简单的讲，生活污水是人们在日常生活中产生的废水；工业废水是在工业生产过程中产生的水，对于工业废水需要关注的指标除常规污水指标外，还涵盖热污染及其他有毒有害物质指标；被污染的雨水主要指初期雨水，是在雨污分流制排水体制下产生，对污水厂水量均影响较大。
低碳节能与资源利用
是碳中和背景下的新需求
魏彬老师以某一级A标准污水处理厂为例对污水处理技术进行了总体介绍，概括了物理、化学、生物处理技术①在多级水处理中的功能，落实到具体处理工艺②和工程，各级各类技术需针对不同污染物和不同污染情况，依据实际情况进行应用和改进。在碳中和背景下，不但要追求低碳，更要建立碳生态，实现富余碳源的利用，同时，也要关注N2O等温室气体产生情况，为碳中和的目标实现进行技术改进和革新。
机理研究和管理逻辑优化
是满足碳中和背景下技术需求的关键
问题的解决离不开正确精准的认知。通过不同过程中关键因素的识别，探究和深化不同反应过程中的控制机理，从而实现碳源利用的目标。魏老师介绍了脱氮除磷过程中实现的共用碳源的例子：生物除磷的本质是能量的转化，碳源只是产生能量的燃料，氧化剂可以多样化，因此可以与脱氮过程共用碳源，实现低碳节能。此项工艺提出离不开对反应机理过程的准确把握，这也是技术创新的关键。同时，技术发展需要不断深化对处理过程的理解，例如传统教科书对一些水处理过程中厌氧条件的定义，已不符合实际工艺和内在机理。实现碳中和的技术升级，需要准确把握反应过程，不断深化机理认知。纵观污水处理技术的发展，其实也是对内在反应机理的一步步探究，往往对一个关键因素的改变就可以推动一种工艺的快速发展。
除了技术创新，管理创新也是极为重要的部分，污水运营管理不再是随意性的“读读书、看看报、曝曝气、排排泥”，已经到了智能控制和精准管理的阶段, 管理目标从低成本低标准转变为低成本高标准，通过管理实现技术效益的最大化，向着碳中和、资源化、智慧化的方向前进。
污水处理厂实现碳中和面临的痛点
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1、总氮总磷的高标准排放与碳源的严重不足
中国的污水水质特点与排放标准存在一定程度的不协调。总氮总磷的标准很高，但是碳源很缺乏。污水中碳源总量，连实现脱氮除磷都尚显不足，再分出碳源进行厌氧消化或产生能量是不现实的。
2、排水系统中化粪池产生大量温室气体同时消耗碳源
生活污水进厂前在化粪池中停留了过长时间（10余天至1个月），导致厌氧产甲烷等反应充分进行，大量碳源消耗，并产生大量温室气体，进一步导致进场水碳源不足，致使后端处理需补加碳源，与碳中和理念矛盾。但由于政策原因及配套排水管网问题，这一矛盾并不容易解决。
工业水进末端污水处理设施前，由于工业水排放标准对COD要求较高，对TN要求较低甚至不要求，导致上游大量采用好氧曝气工艺，浪费大量能源同时把最好的碳源消除掉了，把难降解COD和TN留给了末端污水处理设施，到了末端污水厂还要再外加碳源解决TN，采用高级氧化解决难降解COD。这也是上下游不协同带来的双重浪费，也非常不利于实现污水处理行业的碳中和。
3、 重金属问题带来的污泥资源化利用困惑
从生态循环角度出发，植物通过吸收土壤中的氮磷元素合成有机物进入食物链循环，通过人类消耗，最终回到污水厂，进入污泥中。一个完整的循环需要污泥中的氮磷重新回归农田、土壤，成为肥料。而实际处理过程中，大量污泥中的氮磷无法得到有效利用，只能填埋或焚烧，而不得不通过向农田中施加化肥以补充循环中损失的氮磷，也造成了双重浪费。
而导致污泥无法再利用的主因，是大量工业废水排放使污水中重金属含量增高，进而导致污泥重金属含量过高而无法进行农业利用。若可通过政策实现工业废水与生活污水的有效分离，则有望解决上述问题。
碳中和背景下的技术创新需求
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1. 高效脱氮除磷新工艺或新装备
基于同步/短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、反硝化除磷等先进理论的新型污水处理工艺或运行控制方法、装备；
基于传统硝化反硝化的运行优化控制方法（传统的A2/O工艺在实际应用中占比较高，而新工艺推广较难，针对常规工艺的提升优化是较好的方向）；
基于提升原水碳源利用率、降低系统总氮放弃率的新型工艺或装备（以提升碳源利用率及降低总氮放弃率为目标③，深度探究挖掘现有处理工艺流程细节，在细微之处如进水过程中跌水带来的溶氧碳消耗等角度，实现方法创新）；
新型三级处理深度脱氮或深度除磷工艺或装备（研究高密度沉淀池、滤池、磁混凝或其他方法，更经济更高效的解决深度处理问题）；
碳捕获、磷回收；新型快速水质监测技术（包括在线监测手段）；
氧化亚氮（N2O）产生的抑制技术和捕捉、分解技术等（技术储备，未来需求）。
2. 节能降耗新装备集成应用
水泵：提升泵运行能效，降低管道损失和局部损失；
风机：提升风机运行能效，降低风管道损失和曝气头局部损失（风机控制技术，曝气头清洗技术，降低曝气头水头损失等）；
搅拌器：合理的池型及流态模拟，获得更低的容积功率（搅拌器的形态、布置方式、搅拌器与池型的配合等）；
脱水机：获得更低的单方脱泥能耗，药耗和更低的出泥含水率（脱水机的运行控制，新型的脱水机设备等）；
空调系统：利用水中余热或太阳能等新能源，获得较低的供热能耗。
3. 资源回收利用解决方案
能源：有机污染物化学能、污水内能等能源的回收利用工艺或装备（有机物的回收利用，高能效比的水源热泵设备技术）；
污泥：污泥资源化利用整体解决方案或装备（污泥干化焚烧，碳化，协同焚烧，资源化及利用的解决方案）；
磷：磷回收利用整体解决方案或装备；
太阳能和风能：利用场地优势，低成本、高品质、低维护光伏发电装备或技术；
再生水：新型低成本、高品质再生水处理工艺或装备。
一切创新的来源是发现问题，发现痛点，而深入理解原理才能触及到创新工作的根本，才能实现有效的创新。
典型建议选题方向
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目前针对不同级的处理区，已有一些正在应用的节能降耗与资源回收技术，包括：针对一级处理区的管网调度模式（厂网一体化）、杂物无机砂粒去除碳源保留技术、跌水控制、碳源的溯源损失控制等；针对二级处理工艺的精细化过程控制，关键工艺环节工艺参数的控制方法，泥水分离装备等。针对三级处理区的精细化控制方法，各池的运行控制逻辑，藻类控制方法，环境友好性强的药剂等。
实际上，深入到每一个工艺环节，都有其进一步精细化管理的方法。用优秀的控制手段、逻辑、算法实现自动化和智能化控制，将对处理效果和节能降耗起到强有力的支撑作用。
资源回收技术，将是碳中和背景下重要的创新方向。单从碳的角度，做到碳中和难度较高，但是通过回收利用资源，可以在一定程度上平衡碳中和的需求。
对参赛团队的希望与建议
深入了解行业需求和痛点，让创新具有针对性；脚踏实地，不要夸张和美化成果；技术应具备工程化的应用条件，要成熟；简介要清晰，直观，面向需求。祝愿每一位环境创新创业实践者都能不忘初心，踏实前行，慢慢成功。
直播间问答
Q
技术革新和运行管理逻辑优化哪个在现在的水处理中更为重要？
魏彬：二者同样重要，往往大家会关注技术的革新，实际上管理优化对于整个污水处理是非常有价值的，可以避免很多的能源损失，降低成本；具体到大赛而言，还是要看技术的成熟度，能否落地，这是比较不同方向技术的重要指标。
Q
三级处理可以用哪些绿色技术？
魏彬：各个工艺细节的精细化控制都能够带来节能降耗的效果，都可以说是绿色技术，比如高密池精确加药，泥位的精确控制，回流量的控制，搅拌强度的控制等，滤池的反洗周期控制，反洗强度控制等。新型的深度处理工艺，如果比现有的成本更低，效果更好，比如磁混凝就是最近几年涌现出来的新型绿色工艺。对于脱色、难降解COD等常规深度处理较难解决的问题也可以探索低成本、高效率的处理方法，也算是绿色工艺。
污水处理小知识
典型污水处理方法
传统的污水处理方法主要是物理法、化学法、生物法及其组合。物理法主要应用于预处理及深度处理过程中，包括沉淀、过滤、气浮等手段。化学法包括氧化、还原、中和、絮凝等方法，在污水厂应用最多的是絮凝法，用化学药剂去除水中的胶体、悬浮物、磷酸盐等。生物法在国内起步较晚，最初用于去除污水中的COD，随着国家标准的提高，生物法核心内容逐渐向生物脱氮和生物除磷转变。
生物脱氮
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在污水处理中，生物脱氮主要包含氨化、硝化以及反硝化三个步骤。污水，尤其生活污水，氮元素主要以有机氮的形式存在。首先通过水解作用，将有机氮转化为氨氮（部分水厂进水氨氮很高是由于水解作用已于管网和化粪池中进行），此为氨化过程。随后进行亚硝化及亚硝酸盐的两步硝化反应。厌氧硝化过程中，会生成一定量的甲烷（温室气体）。随后反硝化反应过程中氮元素的化合价逐步降低，从+5价的硝态氮转化为0价的氮气单质，过程中会产生低价态的氮氧化物，例如氧化亚氮N2O（笑气、温室气体）。在碳中和的前提下，未来的污水处理工艺中应当重视减少温室气体的产生、逃逸及排放。
生物脱氮过程中，各个环节的影响因子有很多。例如硝化反应中主要是微生物的酶在发挥作用，而微生物的数量决定了酶的数量，因此硝化细菌数量就成为了硝化反应速率和方向的重要影响因子。与此类似的，还有溶解氧（DO）、水力停留时间（HRT）、水温、碱度等等。各影响因子在硝化反应中是同时发挥作用的，改变任何一个条件都会影响到硝化反应的速率。在实际处理过程中，应当明确每一个反应的影响因素，对可控因素进行分析，就可以确定促进反应的操作，也即改进的方向。
生物除磷
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生物脱氮和生物除磷都需要碳源，普遍认为脱氮和除磷是争夺碳源的关系。但是在生物脱氮除磷工艺中，存在一个窗口可以实现利用一份碳源，同时脱氮和除磷，也即反硝化除磷。
磷常以磷酸盐（H2PO4-、HPO42-和PO43-）、聚磷酸盐和有机磷的形式存在于废水中，生物除磷就是利用聚磷菌一类的细菌，在厌氧状态释放磷，在好氧状态（具有氧化剂的环境，不一定是氧气，也可以是硝氮或者亚硝氮）从外部摄取磷，并将其以聚合形态贮藏在体内，形成高磷污泥，排出系统，达到从废水中除磷的效果。除磷的本质是一个能量转化过程，聚磷菌的初心是获取更多的能量，而不是获取更多的磷，磷仅仅是能量的载体。通过在好氧段只提供充足的硝氮、亚硝氮，以及一段时间的驯化，就可以实现一份碳源既还原了氮，又供给了聚磷菌能量，实现了反硝化除磷。
工艺优劣的判断
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在生物脱氮环节，工艺的优劣主要通过碳源利用率和总氮放弃率来判断。
碳源利用率，即原水中的碳源及外加碳源总量中，和硝态氮反应的碳源所占比率。一个好的工艺中，应尽量满足碳源都和硝态氮反应。在碳中和的思路引导下，应当控制同化反应中碳源的消耗比率（或实现同化后碳源的再利用），抑制碳源与氧气的直接反应（减少碳源消耗，以及CO2的生成），富裕碳源用于厌氧硝化及能量产生。将COD不再看成污染物，而看成一种资源。
总氮放弃率，即传统工艺中，假设碳源充足，仅通过工艺仍无法去除的总氮。总氮去除率，是通过内外回流比决定的氮的去除率的上限。
在设计处理工艺、工艺选型及创新时，需要想办法降低总氮放弃率，提升碳源利用率。
典型污水处理工艺
典型的污水厂处理工艺流程是上述方法的组合。以某一级A标准污水处理厂为例，从进水到出水主要分三级处理区，一级处理区主要应用物理法（包括拦截、沉淀、除砂等）及一定的化学法（初沉池前絮凝）；二级处理区是污水处理工艺核心，主要是以活性污泥为主的生化反应（酶促反应）；三级处理区主要应用物理化学法，通过混凝、过滤、消毒等工艺手段对污水进行深度处理。落实到具体处理工程中，各级各类技术需针对不同污染物和污染情况进行应用和改进。
典型的二级处理工艺主要包括悬浮性活性污泥法污水处理工艺，及固着性生物膜法工艺如BAF、膜生物反应器MBR等。悬浮性活性污泥法污水处理工艺主要有三个系列：（1）氧化沟系列；（2）A/O及A2/O系列；（3）序批式反应器（SBR）系列。各个系列不断的发展、改进，形成了目前比较典型的工艺有：A2/O工艺、改良A2/O工艺、SF-AO工艺、UCT工艺、卡鲁塞尔-2000 氧化沟工艺、奥贝尔氧化沟工艺、SBR工艺、CASS工艺等。
三级处理工艺中最常用的就是高密度沉淀池。其对总磷和悬浮物的去除效果较好，运行稳定。此外还有滤池（砂滤池、纤维转盘滤池、反硝化滤池等），磁混凝、高级氧化工艺等。
各种处理工艺各具特色，各有优劣势，需结合实际情况进行选择。
供稿/ 张 觅
编辑/ 申文秀
策划/ 朱 蕊
监制/ 冀广鹏
投稿官方邮箱：edu@bewg.net.cn
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