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其实，提高污水厂能耗自给率不算新的理念，几十年来，世界各国一直在追求污水厂实现“能耗自给”、或者“碳中和”征途中尝试各种各样的技术路线，并取得了成熟的经验。当时间进入21世纪的时候，这个问题更加得到了世界上发达国家和地区的重视，一些国家就此提出了自己国家应对未来的污水厂能耗削减、提高能耗自给率的远期规划。 荷兰、新加坡、美国都制定了应对2030年的污水厂能耗自给或碳中和技术路线。 一、荷兰的NEWs技术路线图可持续污水处理理念早在20年前便已在欧洲出现，对可持续污水处理技术的释义，van Loosdrecht教授刚刚在《Science》上阐述了他对未来污水处理技术发展的预测，荷兰STOWA于2008年将这一理念高度概括为营养物+能量+再生水工厂的“NEWs框架”，NEWs是英文Nutrient(营养物) + Energy(能源) + Water (水)factories(工厂)词组的缩写，表示可持续理念下的污水处理厂其实是营养物、能源和再生水三位一体的生产工厂。 在此基础上，荷兰专家组提出了几个具有代表性、亦能引领2030年NEWs框架目标的营养物回收、能量回收、再生水概念工艺，并在污水处理基本流程与现有技术的基础上分别提出了三种不同侧重的概念工艺(分见下图)。 评论：荷兰的2030年NEWs技术路线图提出的未来污水厂技术路线是基于营养物回收、能量回收、再生水三个方面需求而提出的有针对性的工艺流程。NEWs理念不倡导对原有污水处理系统的推倒重来，而是建议每座污水厂要因地制宜。 二、新加坡2030年污水发展技术路线新加坡水务局PUB制定出3个关键评价标准：出水水质、能源可持续性、环境可持续性。 基于此标准，分析相关污水处理技术水平和节能降耗效果，已制定出污水处理工艺能源自给率三阶段目标： ①近期目标(2017年)——改造棕色水厂(Brownfield)。 ②短期目标(2022年)——关闭部分棕色水厂，新建绿色水厂(Greenfield)。 ③长期目标——未来绿色水厂(Greenfield)。利用目前实验室中试技术(或建议技术)，使能源自给率超过100%，并降低剩余污泥产量。 案例如下： 1 棕色水厂改造案例(乌鲁班丹再生水厂) 棕色水厂改造将在未来5年内集中进行，通过技术升级和设备改造去实现40%的能源自给率计划目标。目前，新加坡共有4座再生水厂：樟宜、裕廊、克兰芝及乌鲁班丹。再生水厂改造主要包括基础设备改造和工艺改造两部分，其中基础设备改造主要以提升设备效率、降低能耗为手段，以达节能降耗目标。工艺改造则以增加侧流ANAMMOX自养脱氮工艺、MBR及污泥预处理手段为主，以降低能耗。 乌鲁班丹再生水厂改造将从减少能耗，增加产电量入手。具体工艺改造措施包括:对污泥实施预处理、采用MBR工艺、增加侧流ANAMMOX工艺。备升级措施为:采用高效智能化控制、通过变频器与进口叶轮控制优化鼓风机效率并应用微孔曝气;同时，利用高效沼气发电机代替原有双燃料发电机，以提高产电量。 2 新建绿色水厂案例(大士再生水厂设计) 在未来5~10年中，新加坡PUB将建设能源自给率更高的再生水厂，以达到其设定的短期目标。新建再生水厂工艺选择主要参考三方面内容： ①将进水中有机物(COD)先于生物处理工艺截留并转化为能源(CH4); ②减少生物处理曝气的使用量; ③提升水厂能源产量。新建再生水厂除优先采用MBR、侧流ANAMMOX、污泥预处理等技术外，同时还将考虑采用生物强化吸附预处理(Bio-EPT)、升流式厌氧污泥床(UASB)、短程反硝化(Nitrite-shunt)工艺，并考虑厨余垃圾厌氧共消化技术(Food waste co digestion)，进一步提高水厂能源自给率。目前，新加坡PUB正计划建造大士再生水厂，将于2016年开工新建，并于2022年投入运行，其工艺流程如图3所示。 3长期目标——未来绿色水厂 新加坡未来绿色水厂目标是，2030年后达到能源自给自足、实现碳中和运行目标。两个再生水厂工艺方案目前正在实验室中进行测试。在长期目标中，主流ANAMMOX工艺是最有可能实现再生水厂能源自给自足的保障工艺。为此，新加坡将加大对这一工艺的研究力度。 评论：新加坡的2030年污水技术路线主要侧重于污水处理过程能耗的自给，尽最大可能将污水中的COD转化为CH4并发电产能。也是重视对进水碳源的捕获和富集技术。同时重视厌氧氨氧化技术在侧流和主流工艺的应用。 三、美国2030年污水厂能耗自给技术路线欧美等国家纷纷提出未来污水处理要走碳中和运行之路，美国水环境研究基金(WERF)更是制定出至2030年所有污水处理厂均要实现碳中和运行的目标 。 位于美国威斯康辛州的希博伊根(Sheboygan)污水处理厂很早便认识到了污水处理可持续性和能源独立的重要性，于2002年参与“威斯康辛聚焦能源(Wisconsin Focus on Energy，FOE)”项目，确立了“能源零消耗”的运行目标和实施计划。 1 工艺概况与处理效果 希博伊根污水处理厂始建于1982年，采用传统活性污泥法工艺。1997年—1999年该厂进行了工艺升级改造，具体流程见图1。 2 能源回收与节能 希博伊根污水处理厂在能源利用上从开源、节流两方面入手，具体措施为增加能源回收效率和减少处理工艺能耗，逐步朝着“能源零消耗”的目标迈进。 在开源方面，希博伊根污水处理厂利用热电联产(CHP)技术充分利用污泥厌氧消化产生的生物气体(CH4)产电、产热。同时，通过向剩余污泥中投加高浓度食品废物(HSW)实现厌氧共消化，以加大生物气体产出量(2012年增量达200%)。 在节流环节，希博伊根污水处理厂自筹资金近110万美元，更新水泵变频机组(节能20%)、鼓风机系统(节能13%)、气流控制阀(节能17%)、加热设备以及相关的自控系统(PLC和SCADA)，最大限度降低污水处理关键设备的能耗。 通过开源与节流措施，到2013年希博伊根污水处理厂已实现了产电量与耗电量比值达90%~115%、产热量与耗热量值达85%~90%的佳绩，基本接近碳中和运行目标。 评论： 对现有污水厂进行改造，提高处理过程的能耗自给率，而不是推倒重来或者完全新建能耗自给的污水厂，这种因地制宜的做法值得借鉴。同时，外源有机物协同厌氧消化或许为我们提高污水厂能耗自给提供了成熟的经验参考。 四、中国2030年污水处理概念厂2014年，以曲久辉院士为主的六名行业专家提出了“建设面向未来的中国污水处理概念厂“，初步认同概念厂应包含但不限于以下四个方向的追求： 1. 使出水水质满足水环境变化和水资源可持续循环利用的需要; 2. 大幅提高污水处理厂能源自给率，在有适度外源有机废物协同处理的情况下，做到零能耗; 3. 追求物质合理循环，减少对外部化学品的依赖与消耗; 4. 建设感官舒适、建筑和谐、环境互通、社区友好的污水处理厂。 评论： 中国污水处理概念厂的提出虽稍迟于上述几个国家，目前暂时也尚未看到明确的工艺技术路线的公布。但在技术理念方面，总体上涵盖了上述几个国家提出的技术思路并有创新之处，就是明确提出并强调了”追求物质合理循环，减少对外部化学品的依赖与消耗”。笔者认为，这一点非常重要，表明我们的污水处理过程追求绿色、可持续!而不仅仅是单方面追求能耗的自给程度。但是追求物质合理循环、降低化学品的消耗这一点实际上是有些模糊的，到底未来中国概念厂合理物质循环如何实现，对化学品的依赖能降低多少，比较的基准是如何确定的，尚待观察。 但是有前述若干发达国家的2030年污水处理技术发展路线规划、及多座“碳中和”实际的案例经验可以供我们借鉴，因此，我们有理由对中国概念污水厂充满期待! |
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