未来市政污水处理技术路在何方？以微藻-菌颗粒污泥工艺为例
发布时间：
2020-12-31 10:26
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未来市政污水处理技术的发展方向一直为环境研究领域的热点和焦点。未来市政污水处理技术应具备怎样的特质？目前普遍采用的污水处理技术（如活性污泥法）离这些特质有多远？近日，来自新加坡南洋理工大学的科研团队针对上述问题进行了探讨，并从理论和已有研究结果出发，以近年来发展迅速的微藻-菌颗粒污泥工艺为例，讨论了其作为未来市政污水处理技术的可行性。
未来市政污水处理技术特质的探讨
传统活性污泥（CAS）工艺作为市政污水处理的核心技术已有100多年的历史。然而，随着未来污水处理技术对能源消耗、碳排放和排放水质要求的不断提高，CAS工艺已略显乏力。例如，CAS工艺通常需要消耗大量电能曝气用于氧化污水中的有机物和氨，同时释放温室气体（GHG）。据报道，2017年市政污水处理所消耗的电能已达到全球电量消耗的0.3-0.5％，而在某些发达国家该占比可达到3-5％，而污水处理过程中所释放的温室气体可占全球全年（2010年）排放量的1.6％。
另一方面，随着环境与生态保护要求的不断提高，市政污水处理的排放标准亦不断提高，如部分省份/地区已出台政策将排放标准提高至地表水IV类标准。显然，传统的CAS工艺难以满足升级后的水质排放要求。因此，近年来越来越多的研究致力于探索污水处理的升级技术。其中，在已有CAS工艺基础上叠加深度处理工艺单元是目前主要的研究方向之一。然而，该升级策略的污水处理工艺虽然可以实现较高的出水水质，但却使整个处理系统的复杂性和处理成本提高，同时增加了能源消耗和温室气体排放。显然，这种由上而下驱动的升级策略只能提供短期解决方案，而不能为未来市政污水处理技术的革新带来曙光。
未来的市政污水处理技术应该具备哪些基本特质？研究作者认为，未来的处理技术应使市政污水处理厂（WWTP）在满足污水处理的基本属性外，应在更广阔的方面扮演重要角色。如图1所示，未来的市政污水处理厂应成为：1）生产高质回用水的水厂，2）具备能源自给甚至供给的电厂，3）实现碳中和甚至碳捕集的绿色工厂，4）能够回收高附加值产品（例如有机物和养分）的资源厂。
微藻-菌颗粒污泥工艺特质的探讨
微藻-菌颗粒污泥工艺是近年来发展迅速的新兴污水处理技术。该工艺由于无需曝气、碳转化以及固液分离好等优势，被认为极具潜力的绿色处理技术。研究作者根据已有研究报道，以及现实应用需求，构建了12h（昼，自然光源）-12h（夜，无需光源）运行模式的零曝气自耦合微藻-菌颗粒污泥工艺，用于探讨其在去污、能耗、碳排放和资源回收等方面的性能。
去污能力
已有研究表明，微藻-菌颗粒污泥工艺在光照条件下，可实现有机物（COD）、氨氮和磷酸盐100％、99.6％和100％的去除；在黑暗条件下，工艺亦表现出较高的去污能力，COD、氨氮和磷酸盐去除率分别可达95.1％、96.5％和100％，即在没有光照的夜间微藻-菌颗粒污泥工艺也具有较强的去污能力。因此，基于12h（昼）-12h（夜）运行模式的微藻-菌颗粒污泥工艺，可在无需外部曝气和照明的情况下，为市政废水处理提供技术可行的方案。
能量消耗
在微藻-菌颗粒污泥工艺中，由于无需外源曝气以及颗粒污泥良好的沉降性能，其能量消耗显著降低。另一方面，工艺将更多的碳固定于生物质内，可产生较多的污泥用于厌氧消化产甲烷，提高了能量回收。经核算，微藻-菌颗粒污泥工艺污水处理单位能耗为-0.178 kWh/m3（表1），即该工艺可实现能量的净增益。从全球范围内来看，若该工艺应用于市政污水处理，每年有望产生641亿kWh能量净输出。
碳排放
随着全球气候变化形势的日趋严峻，温室气体排放对全球变暖的作用得到世界各国的普遍关注。据估算，若市政污水处理厂采用以活性污泥法为核心工艺，其每年可贡献全球碳排放2.672亿吨CO2e（表1）。若采用微藻-菌颗粒污泥工艺，市政污水处理过程的碳排放将会大大降低，减排效果可达77％左右。另外，随着碳交易在世界各国的普遍实施，碳排放将会成为未来污水处理厂不可忽视的潜在运行成本。
资源回收
相对于传统活性污泥法，在微藻-菌颗粒污泥工艺中，废水中的更多的营养物（N和P等）会通过微生物同化作用得到去除，并在菌藻生物质内积累。显然，这更有利于从生物质中提取生物油脂、生产生物肥料等，强化污泥的资源化利用过程。
小结与展望
市政污水处理技术的升级一直为环境领域研究和探讨的热点，其原本污染物去除的单一功能已不能满足环境和经济可持续发展对污水处理提出的更高要求。未来的市政污水处理技术更倾向于向“水回用-能源回收-碳中和-资源化”的复合型方向发展。经分析，微藻-菌颗粒污泥工艺基本满足未来市政污水处理技术对去污、能耗、碳排放和资源回收的要求，可提供一种潜在的技术方案。未来市政污水处理技术路在何方？研究和探索仍在路上。
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