碳中和趋势下污水处理节能降耗技术需求.doc

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1、碳中和趋势下污水处理节能降耗技术需求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？ 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某一级A标准污水处理厂为例对污

2、水处理技术进行了总体介绍，概括了物理、化学、生物处理技术在多级水处理中的功能，落实到具体处理工艺和工程，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。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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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，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

8、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

9、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

10、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。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？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。三级处理可以用哪些绿色技术？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

11、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。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

12、磷转变。生物脱氮在污水处理中，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

13、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P

14、O43-）、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

15、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

16、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、