郝曉地(1960-)，山西柳林人，教授，從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學與科研工作，主要研究方向為污水生物脫氮除磷技術;污水處理數(shù)學模擬技術;可持續(xù)環(huán)境生物技術，現(xiàn)為國際水協(xié)期刊《Water Research》區(qū)域主編。

　　污水處理朝著碳中和運行方向邁進早已成為歐美國家污水處理今后的發(fā)展方向。如果以碳中和運行為目標，剩余污泥顯然將不再成為污水處理的“負擔”，轉而變成碳中和運行的緊俏原料。為此，污水處理行業(yè)不再需要去一味追求污泥減量化，轉而期盼污泥增量化，以增加污水處理能源自給自足的原料份額。

　　然而，剩余污泥的多寡完全取決于進水COD負荷的高低，低的COD負荷必然導致較少的剩余污泥產(chǎn)量，也就意味碳中和運行能量需求可能會出現(xiàn)赤字。因此，以碳中和運行為目標的污泥增量近年來已在國際上悄然興起，在常規(guī)剩余污泥之外還會尋求內(nèi)源和外源其它途徑的污泥增量，如，前端篩分COD技術、后端厭氧共消化技術等。

　　國外剩余污泥能源轉化現(xiàn)狀

　　污水處理碳中和運行的實質就實現(xiàn)整個污水處理過程能源自給自足，為實現(xiàn)這一目標，歐美、甚至周邊一些亞洲國家相繼頒布了面向21世紀污水處理碳中和運行的路線圖，并付諸實踐。例如:

　　荷蘭早在2008年便提出了污水處理的NEWs概念，將未來污水處理廠描述為“營養(yǎng)物(Nutrient)”、“能源(Energy)”、“再生水(Water)”三廠(Factories)合一的運行模式。

　　

　　美國推行的“Carbon-free Water”，期望實現(xiàn)在人們對水的取用、分配、處理、排放全過程達到碳中和。

　　

　　日本有關部門發(fā)布“Sewerage Vision 2100”，指出到本世紀末將完全實現(xiàn)污水處理能源自給自足。

　　

　　Sewage Sludge to Provide Electricity for Households and Hydrogen to Power Vehicles

　　目前，歐美國家一些污水處理廠以剩余污泥為主要能源載體，同時結合前端篩分COD(進水COD負荷高時)技術，或后端厭氧共消化(廚余垃圾、食品加工廢料、糞便等)技術，以最大化“污泥增量”方式從污水或外源有機物中通過厭氧消化獲取能源(CH4)，并已完全或部分實現(xiàn)碳中和運行目標。

　　污泥能源轉化碳中和運行潛力

　　歐美等國家一些實施碳中和運行目標的污水處理廠也大都以剩余污泥厭氧消化轉化能源為主要手段。歐洲等國家因生活習慣、無化糞池、雨污分流、食物破碎等原因往往會形成較高進水COD濃度(600~1 000 mg/L)。一些歐美以碳中和為運行目標的污水處理實例表明，如果進水中COD?600 mg/L，采用傳統(tǒng)處理工藝(如A2/O等脫氮除磷工藝)所產(chǎn)生的剩余污泥量通過厭氧消化轉化能源很難完全滿足(100%)碳中和運行目標，一般能達到70%碳中和運行率就已足矣。

　　我國污水中有機物含量較歐美等國家要低得多，因而僅靠產(chǎn)生的剩余污泥難以實現(xiàn)碳中和運行目標。圖1繪出了能量平衡計算中剩余污泥(初沉+二沉)COD截留率(污泥中總COD與進水COD之比)與碳中和率的關系曲線。圖1趨勢表明，要想獲得更大的碳中和運行率便需要有更多的污泥相對應，即，所謂的“污泥增量”概念。污泥增量從內(nèi)源COD來源角度看，意味著進水中的COD除滿足脫氮除磷對碳源的需求外，應避免COD無目的的直接氧化。

　　

　　圖1 污泥COD截留率與碳中和運行率關系

　　污泥增量方法與措施

　　A/B法A段濃縮COD

　　早在15年前，針對定位于能源與磷回收的可持續(xù)市政污水處理，與荷蘭代爾夫特理工大學(TU Delft)Mark van Loosdrecht教授合作，我們便提出了如圖2所示的概念工藝。為有效截留污水多余(脫氮除磷所需碳源之外)COD并厭氧消化轉化為甲烷，利用早年德國A/B法中的A段用于濃縮懸浮狀與溶解狀COD。與二沉污泥相比，A段截留污泥可消化性較好，可產(chǎn)生甲烷含量較高的生物氣。

　　

　　圖2 定位于能源與磷回收的市政污水處理概念工藝

　　前端篩分COD技術

　　為最大程度截留進水中COD，歐洲學者還提出通過絮凝后微濾方式截留膠體狀與溶解狀COD，使之用于厭氧消化轉化甲烷的設想并付諸行動。例如，德國柏林某水務集團融資并聯(lián)合德國KWB組織已經(jīng)啟動旨在回收污水中能源的應用研究項目—CARISMO(Carbon is money，即，碳即是錢)，工藝流程如圖3所示。

　　

　　圖3 德國CARISMO前端COD篩分及后續(xù)污水、污泥處理工藝

　　污泥共消化技術

　　污泥共消化發(fā)揮了基質間的協(xié)同作用，提高了底物的降解速率和降解程度，使能源轉化效率顯著提高。表1列出了幾種不同外源有機廢棄物與剩余污泥共消化后呈現(xiàn)出的能量轉化效果，剩余污泥與其它有機廢棄物共消化潛力可見一斑。

　　表1 不同種類/比例外源基質與污泥共消化能源轉化效果

　　

　　如果今后能將廚余垃圾、綠化草木、旱廁糞便與剩余污泥一并共消化，將會形成出現(xiàn)2種以上底物共消化情形。在研究與應用實踐中，?3種有機底物共消化案例目前還十分罕見。這一課題應該成為今后厭氧共消化的研發(fā)方向，不僅可探明多基質協(xié)同消化的機理與作用，而且也為綜合處置市政有機固體廢棄物開辟一條可持續(xù)發(fā)展之路。

　　從技術角度來說，污水處理碳中和運行并不存在障礙，主要受限于政府的宏觀環(huán)境政策。只要政府高瞻遠矚，予以政策支持、甚至是財政補貼，觸動污水處理行業(yè)朝著碳中和方向邁進，從而獲得被普遍看好的綜合環(huán)境效益。