碳中和是一個(gè)使全球污水處理廠均實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性的重要議題。歐洲和北美多年前便已已開(kāi)始向著各自污水處理碳中和運(yùn)行邁進(jìn)，且已制定至2030年實(shí)現(xiàn)各自碳中和運(yùn)行的目標(biāo)。
例如，荷蘭應(yīng)用水研究基金會(huì)(STOWA)在2008年已制定從污水處理廠回收資源與能源的路線圖，并為未來(lái)污水處理廠勾勒出一種全新的概念：NEWs（Nutrient+ +Energy t Water factories）。許多研究與嘗試已經(jīng)被用于探索從污水中回收能源，以原位彌補(bǔ)運(yùn)行能耗，從而實(shí)現(xiàn)能量中和之可行；這些舉動(dòng)實(shí)際上是支持污水處理廠全生命周期內(nèi)減少溫室氣體排放的目標(biāo)。確實(shí)，一些能量中和運(yùn)行的污水處理廠在歐洲和美國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)，但面向著碳中和目標(biāo)還沒(méi)有取得太多進(jìn)展。實(shí)踐中，碳中和常常被等同為能量中和（實(shí)質(zhì)不同）。關(guān)于低能耗處理和污水能源回收的研究與發(fā)展具有廣泛的研究與應(yīng)用基礎(chǔ)，包括從進(jìn)水碳與剩余污泥中回收有機(jī)物化學(xué)能，有機(jī)質(zhì)共消化，熱量回收和生物質(zhì)焚燒等等。然而，除了能量，處理過(guò)程自身（例如，N2O 和CH4 逸散）和資源消耗（如，化學(xué)藥劑和混凝劑）也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放。因此，必須針對(duì)能量消耗、能量回收和其它直接與間接溫室氣體排放制定一攬子解決方案，將污水處理廠建為成碳中和運(yùn)行實(shí)體。
在這種環(huán)境下，《Water Research》編輯委員會(huì)決定開(kāi)辟以專研究碳中和為主題的窗口，特推出本期特刊。本刊旨在為開(kāi)發(fā)高效能源處理技術(shù)，探討新理念和觀點(diǎn)，旨在污水處理廠運(yùn)行節(jié)能與能源回收。從約50份投稿論文中，經(jīng)同行評(píng)審最后錄用其中13篇文章，內(nèi)容涵蓋了從能源回收與有機(jī)質(zhì)共消化到新工藝與設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)，再到量化和指導(dǎo)可持續(xù)性工藝發(fā)展等多個(gè)角度。
剩余污泥是一種能夠通過(guò)厭氧消化回收甲烷的基質(zhì)。然而，剩余污泥量很大程度上取決于進(jìn)水中有機(jī)物（碳源：COD）之濃度。在很多情況下，進(jìn)水碳源不足，僅能勉強(qiáng)滿足生物處理需要，甚至還不足以生物脫氮除磷，因此，污泥轉(zhuǎn)化甲烷在更多情況下難以實(shí)現(xiàn)能量中和。換言之，能量中和與傳統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物去除難以兼得。在實(shí)際中，厭氧消化容量普遍過(guò)剩（德國(guó)約為20%），因此，可加以利用外源有機(jī)質(zhì)與剩余污泥進(jìn)行共消化（實(shí)為偽中和）。在奧地利一個(gè)工程案例中，向既有污泥厭氧消化池中投加有機(jī)廢物（有機(jī)市政垃圾），以改善污水處理廠能量平衡，在沼氣產(chǎn)生與固體減量方面達(dá)到了“1+1>2”的效果（Aichinger et al.）。結(jié)果顯示，共消化中添加有機(jī)廢棄物至25%，有機(jī)負(fù)荷增加了94%，而沼氣產(chǎn)量可以增加2倍。該案例研究充分證明，發(fā)揮有機(jī)質(zhì)共消化有助于污水處理實(shí)現(xiàn)能量中和。
另一方面，污水中余溫?zé)崮芸梢酝ㄟ^(guò)水源熱泵轉(zhuǎn)化出熱量，以平衡能量赤字，甚至達(dá)到碳中和。一項(xiàng)關(guān)于污水處理廠（普遍COD = 200 ~ 400 mg/L）能量平衡評(píng)估表明，中國(guó)剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷只能彌補(bǔ)約50%的運(yùn)行能量消耗（Hao et al.）。進(jìn)一步研究表明，水源熱泵能夠有效轉(zhuǎn)化污水熱能，用以加熱污水處理廠及其周邊建筑，可提供約0.20 kWh·m-3·℃-1 凈電當(dāng)量。總的來(lái)說(shuō)，中國(guó)有機(jī)物及熱能能夠有效供給充足的電當(dāng)量，足以達(dá)到碳中和運(yùn)行目標(biāo)。污水處理廠能耗及碳排放情況
有機(jī)物與無(wú)機(jī)物（CO2）共消化
如上所述，剩余污泥與外源固體/液體有機(jī)物共消化是實(shí)現(xiàn)碳中和的一種潛在途徑。而在厭氧消化中投加CO2也能刺激甲烷產(chǎn)生。一項(xiàng)小試研究證明，向厭氧消化池中投加濃縮有機(jī)廢物，適當(dāng)?shù)靥岣哂袡C(jī)負(fù)荷及縮短的停留時(shí)間，可以提高甲烷產(chǎn)量。因此，市政污水處理廠中可有效應(yīng)用熱電聯(lián)產(chǎn)，以大大節(jié)省成本（Tandukar and Pavlostathis）。選擇口香糖制造廠和脫水脂肪油脂液產(chǎn)生的工業(yè)廢液作為外部有機(jī)物，與剩余污泥（初級(jí)﹕二級(jí)=40﹕60TS質(zhì)量比）共消化。結(jié)果顯示，沼氣產(chǎn)量明顯增加，剩余污泥額外降解1.1~30.7%。沼氣和甲烷產(chǎn)量都非常接近能夠彌補(bǔ)能量赤字之目標(biāo)水平。此外，共消化出水水質(zhì)與只投加剩余污泥控制組相近，說(shuō)明共消化沒(méi)有負(fù)面影響。其它有機(jī)物與剩余污泥共消化機(jī)制相同。一項(xiàng)小試究以牛糞(MN)與外部有機(jī)廢物（食品廢物—FW、堿性水解液—AH和粗制甘油—GY）共消化與牛糞單獨(dú)消化對(duì)比（Usack and Angenent; Regueiro et al.）；運(yùn)行900 d后，4組中溫平行共消化反應(yīng)器顯示出比甲烷產(chǎn)量（SMY）信息，與GY共消化最適宜總有機(jī)負(fù)荷率（OLR）為3.2 gVS/L·d（MN : GY = 62：38），最佳SMY為549±25 ml CH4/gVS；FW與AH共消化SMY數(shù)值相近（約300 ml CH4/gVS，對(duì)應(yīng)OLD =3.9 gVS/L·d，MN:FW = 51:49及OLD = 2.7 gVS/L·d，MN:AH=75:25）。眾所周知，CO2是在消化過(guò)程中伴隨著甲烷產(chǎn)生的產(chǎn)物。而另一方面，利用厭氧消化進(jìn)行CO2捕集固定是一種潛力十足的碳減排策略。兩個(gè)處理食品垃圾的厭氧消化試驗(yàn)進(jìn)行了225 d監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)組定期使用氣泡柱充入CO2（Fernandez et al.）。實(shí)驗(yàn)組測(cè)試CH4產(chǎn)率為0.56±0.13 m3 CH4/kgVS·d（對(duì)照組為0.45±0.05 ）沼氣中CH4濃度為68%，額外攝取了外源CO2 0.55 kg，H2濃度增加了2.5 倍，這歸因于CO2溶解以及酸化與產(chǎn)氫途徑改變。
中試實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)造
高負(fù)荷活性污泥法（High-rate activatedsludge, HRAS）（如A/B工藝中的A段）經(jīng)常用于從污水中高效分離有機(jī)物，繼而將之用于能源再生。
一座HRAS試驗(yàn)裝置運(yùn)行于寒冷溫度下。通過(guò)最大化提高污泥量、細(xì)菌量和生物絮凝作用，可以以最少能量輸入將進(jìn)水中顆粒、膠體和溶解性COD集于廢物固體流中（Jimenez et al.）。
結(jié)果表明，SRT、HRT和DO等重要的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)去除COD影響不大。
因此，控制并最大程度地去除膠體和顆粒COD，盡量減慢生物降解COD的礦化和水解作用，是碳重新定向之關(guān)鍵。
在較SRT和HRT下運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)量接近其最大值，因而可在接近最大污泥產(chǎn)率情況下，可最優(yōu)地利用COD產(chǎn)出生物質(zhì)。在這些運(yùn)行條件下，與傳統(tǒng)HRAS工藝相比，其去除大部分（50~80%）進(jìn)水COD時(shí)所需求的曝氣量減少近60%。
不同SRT條件下，進(jìn)水COD形態(tài)轉(zhuǎn)化（DO=1mg/L，HRT=30min）從污水中物理分離有機(jī)物（細(xì)篩分—FSF：主要為廁紙）被提議為用于產(chǎn)能。一項(xiàng)小試SBR研究表明，市政污水處理廠進(jìn)水中的FSF在高溫（55 ℃）消化和中溫（35 ℃）消化中均易于消化。減少厭氧消化間歇循環(huán)周期可以改善消化性能，特別是高溫消化反應(yīng)，可縮短遲滯期并降低VFAs峰值（Ghasimi et al.）。
厭氧消化中甲烷產(chǎn)量通常與溫度關(guān)系密切。反其道行之，可以通過(guò)傳統(tǒng)初級(jí)澄清池沉淀的有機(jī)物直接與低溫厭氧消化結(jié)合產(chǎn)生甲烷。一項(xiàng)小試規(guī)模厭氧折板反應(yīng)器（ABR）運(yùn)行兩年有余，在12~23 ℃水溫下處理原污水（Hahn and Figueroa）。ABR不僅超過(guò)了傳統(tǒng)初級(jí)澄清池（TSS =83±10%，COD =43±15%，BOD5 =47±15%）的要求，而且還獲得了沼氣（平均為0.45 kWh/m3）產(chǎn)出。此外，兩年多運(yùn)行中反應(yīng)器沒(méi)有產(chǎn)生廢棄底泥。因此，ABR可以取代初級(jí)澄清池與中溫厭氧消化組合，無(wú)需投入能量或化學(xué)處理，即可在室溫下達(dá)到同樣處理效果。
亦可以通過(guò)微生物燃料電池（MEC）等創(chuàng)新技術(shù)刺激反應(yīng)器中甲烷產(chǎn)生。應(yīng)用電輔助消化（EAD：裝備有MEC生物陽(yáng)極和陰極）和控制消化技術(shù)，在室溫（22~23℃）和3個(gè)SRT（7、10、14 d）條件下，處理來(lái)自于市政污水處理廠的活性污泥（Asztalos and Kim）。EAD 顯示乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸濃度減少，認(rèn)為這是由于在生物陽(yáng)極直接氧化短鏈脂肪酸，同時(shí)低乙酸濃度強(qiáng)化氧化的間接貢獻(xiàn)。在所有條件下，EAD中VSS和COD的去除率均比對(duì)照組高5 ~10%。此外，EAD中電流的大小受有機(jī)負(fù)荷率影響，而導(dǎo)電性和乙酸濃度對(duì)其影響則微乎其微。
實(shí)現(xiàn)碳中和與可持續(xù)性多種途徑
如上所述，碳中和通常被等同于能量中和。然而，還有許多其它途徑可以實(shí)現(xiàn)碳中和。其中，包括熱源管理和尿液養(yǎng)分回收。最具溫室氣體減排之處在家庭層面（即，分散管理系統(tǒng)），因此，有效原位利用溫度的分散式污水管理十分重要（Larsen）。在污水處理廠中，進(jìn)行能量?jī)?yōu)化潛力巨大，可通過(guò)改善機(jī)電驅(qū)動(dòng)設(shè)備和污泥處理，以及采用更加高效節(jié)能處理工藝，例如，主流厭氧氨氧化或從尿液回收營(yíng)養(yǎng)物。能否實(shí)現(xiàn)碳中和，不僅取決于實(shí)際凈電當(dāng)量，也取決于其取代的電力類型。將熱能回收與在家庭層面上的尿液養(yǎng)分回收結(jié)合起來(lái)具有極高的碳中和潛力。以碳中和為目標(biāo)，改善污水處理廠能量平衡可減少碳排放量并有利于環(huán)境。然而還需要對(duì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境與社會(huì)影響進(jìn)行更加廣泛的討論。因?yàn)榭沙掷m(xù)性是由這些因素和指標(biāo)組成的一個(gè)復(fù)雜，多維度概念。在這方面，“碳中和”或“能量中和”并不意味著實(shí)現(xiàn)可持續(xù)運(yùn)行，因?yàn)樗鼈冎簧婕暗娇沙掷m(xù)概念中諸多要素其中之一。一項(xiàng)評(píng)價(jià)研究表明，減少能量使用或增加能量回收，以減少凈能量消耗，反而可能不利于可持續(xù)性（Sweetapple et al.）。在該項(xiàng)研究中，可持續(xù)性指標(biāo)包括運(yùn)行成本，凈能量消耗和多種環(huán)境指標(biāo)。這利于權(quán)衡可持續(xù)中的各項(xiàng)構(gòu)成，在實(shí)施節(jié)能措施前必須加以考慮。最終主要結(jié)論是，改善能量平衡（被認(rèn)為是能夠達(dá)成碳中和的一種途徑）并非是減少溫室氣體總排放量的可靠方法。
各類方案中可持續(xù)指標(biāo)評(píng)價(jià)一項(xiàng)以可持續(xù)碳中和運(yùn)行為目標(biāo)的積極分析表明，淹沒(méi)式厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）可能是凈能量明顯的，有利于形成碳負(fù)污水管理（Pretel et al.）。在該分析中，利用定量可持續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程，使用技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估了全部可行的設(shè)計(jì)方案，來(lái)完善AnMBR詳細(xì)設(shè)計(jì)。其中，集成了跨季節(jié)溫度穩(wěn)態(tài)性能建模(使用中試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬軟 DESASS)、生命周期成本分析(LCC)和生命周期評(píng)價(jià)(LCA)。
5項(xiàng)指標(biāo)與決策對(duì)4種輸出結(jié)果影響
綜上所述，這些文章促進(jìn)了我們對(duì)如何實(shí)現(xiàn)污水處理廠碳中和運(yùn)行的初步理解。這一令人贊嘆的目標(biāo)無(wú)疑需要一系列解決方案，需要學(xué)術(shù)界和工業(yè)界多方面共同協(xié)力。這不僅是在保護(hù)當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)環(huán)境，更是在保護(hù)我們共同地球。
原文信息：
Xiaodi Hao, Damien Batstone, Jeremy S. Guest. Carbon neutrality: An ultimate goal towards sustainable wastewater treatment plants. Water Research, Volume 87, 15 December 2015, Pages 413-415.
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