城市污水低碳和资源化技术进展与新趋势_孙猛.pdf

文章栏目：面向减污降碳协同增效的污水处理系统运行管理研究与实践专题DOI10.12030/j.cjee.202301058中图分类号X703文献标识码A孙猛,杨佳林,肖彭誉,等.城市污水低碳和资源化技术进展与新趋势J.环境工程学报，2023,17(6):1748-1760.SUNMeng,YANGJialin,XIAOPengyu,etal.ProgressandnewtrendoflowcarbonandresourcerecoverytechnologiesformunicipalwastewatertreatmentplantsJ.ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2023,17(6):1748-1760.城市污水低碳和资源化技术进展与新趋势孙猛1，杨佳林2，3，肖彭誉1，李金珊4，王启镔5，刘刚3，霍明昕21.清华大学环境学院，清华大学水质与水生态研究中心，北京100084；2.东北师范大学环境学院，长春130117；3.中国科学院生态环境研究中心，北京100085；4.福建工程学院，福州350118；5.清华大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084摘要城市污水处理行业作为耗能大户，总碳排放量约占全社会碳排放量的 2%。高能耗、高碳排放的传统城市生活污水处理过程与低碳、可持续发展理念背道而驰。总结了城市污水处理厂的碳排放现状，介绍了符合时代发展的城市污水处理新理念，讨论了相关新技术在我国探索性应用的初步成效。重点关注用于城市污水厂减排和资源回收的前沿技术、创新范式和发展趋势，结合实际应用案例阐明城市污水低碳处理和资源回收的可行性与前景。提出了我国城市污水厂在达成减污降碳目标下所需面临的两方面关键挑战，并为污水处理厂的绿色低碳转型提出解决思路。关键词城市污水处理厂；低碳技术；能源再生；资源回收；碳排放；碳中和城市人口增加使得城市生活污水(后简称城市污水)排放量增加，水质亦日趋复杂。为减少城市污水排放对水环境的不利影响，诸多污水处理工艺被开发出来应用在城市污水处理系统中以保障排水水质。在 17 世纪之前，城市污水处理仅以初级沉淀和消毒为主，处理后的水主要用于农业灌溉。在工业革命爆发之后，有机物和氮磷营养盐成为城市污水的主要污染物，活性污泥法成为城市污水处理的核心技术。近年来，生物接触氧化、膜生物反应器等污水处理技术不断发展并普及，污水处理工艺流程由简变繁。然而，相伴而来的是城市污水处理所需电能和药剂越来越多。在全球气候变化和能源紧缺的背景下，单纯做“加法”的城市污水处理模式已不符合污水处理技术的革新与发展趋势。在“双碳”背景下，我国城市污水处理亟需向低碳化和高质化转型。为达成这一目标，应充分考虑地区污水水质水量、受纳水环境容量及现有污水处理设施建设情况等影响因素，并因地制宜地执行污水排放标准，最大程度地减少污水处理能耗。截至 2019 年，我国 77%以上的城市污水处理厂执行城市污水处理厂污染物排放标准(GB181982002)一级 A 排放标准。污水提标排放使我国水处理平均能耗由 0.28kWhm3t1增至 0.328kWhm3t11。这部分能耗将通过直接和间接方式转化为温室气体排入大气中，造成了“以能消能，污染转嫁”的问题2。污水处理行业碳排放占全社会碳排放的 1%2%3，其中非二氧化碳排放约占全球非二氧化碳温室气体排放总量的4.6%5.2%4，因此，污水处理行业是实现“双碳”目标过程中不可忽视的重要领域。本文基于“双碳”背景下，城市污水处理的新理念革新，总结城市污水处理厂的碳排放现状，并讨论相关新技术在我国探索性应用的初步成效，以梳理用于城市污水厂减排和资源回收的前沿收稿日期：2023-01-15；录用日期：2023-04-24基金项目：国家自然科学基金资助项目(52270043)第一作者：孙猛(1986)，男，博士，副研究员，meng_；通信作者环境工程学报Chinese Journal ofEnvironmental Engineering第 17 卷 第 6 期 2023 年 6 月Vol.17,No.6Jun.2023http:/E-mail:[phone]技术、创新范式和发展趋势，再结合实际应用案例阐明城市污水低碳处理和资源回收的可行性与前景，提出污水高质化处理中的障碍及应对思路，以期为污水处理行业的绿色低碳转型提供参考。1城市污水处理技术低碳发展的新理念及其实现思路(1)以污水处理概念厂为代表的新理念将污染物削减作为传统城市污水处理的目标已不能顺应未来污水处理高质量发展的现实需求。以节能减排为核心的污水处理新理念强调，在保证高品质出水的前提下，通过技术创新实现能源自给、资源回收和节能固碳。在 2014 年初，中国工程院院士曲久辉等 6 位国内环境工程专家首次提出了建设面向未来的中国污水处理概念厂的愿景。专家指出：“污水中潜在的能量是处理它所需要能量的 10 倍，如果能将这些潜在能量加以利用，市场前景将十分巨大。转向新的理念，使物质能够资源化、能源能够自给，这是污水处理发展的必由之路。”概念厂的设计围绕“水质永续、资源回收、能量自给、环境友好”4 个核心理念，运行面向 4 个目标：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，实现可持续供水；从污水中提取并再利用氮磷等资源；原位利用污水处理过程中捕获的能量，实现污水厂运维中的能量自给；把污水厂对外界环境影响降至最低，解决传统污水处理厂异味重、污泥多等问题。2021 年 10 月 18 日，全国首座具有领先示范效应的污水处理厂宜兴城市污水资源概念厂正式建成投运，全面践行了我国城市污水处理行业绿色发展理念。宜兴污水概念厂突破了传统污水厂以高能耗换取水体净化的局限，将传统污水厂转变为水源、能源、资源工厂，实现了包括污水达标处理、水资源再生利用、能源自产自足、化肥等高值产品生产在内的多重功能。因此，符合未来低碳可持续发展方向的城市污水处理厂将朝着资源再生、能源自给、智能友好、和谐绿色的方向发展。(2)污水处理厂落实碳减排的具体思路为更好地贯彻以上污水处理新理念，明晰污水处理厂现有处理工艺的高能耗短板，对实现污水处理低碳、可持续发展至关重要。常规的污水处理工艺流程为：首先采用固液分离方法处理进入城市污水处理厂的污水，利用格栅拦截、沉砂池沉淀等工艺将污水中的杂质和悬浮固体颗粒去除，再将污水提升输送至生化反应池，采用微生物处理方法去除污水中有机质、氮、磷等溶解性污染物，最后通过卫生填埋、焚烧等方法处理剩余污泥。城市污水处理厂的碳排放主要来自上述污水处理工艺方法、设备和构筑物运维中所产生的直接和间接碳排放(图 1)。直接碳排放是在污水处理厂运行中的微生物代谢或污泥焚烧过程产生并直接进入大气的温室气体，如二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)等。直接碳排放是城市污水处理厂碳排放的主要来源，约占其总碳排放量的 70%5。间接碳排放指污水厂格栅机、生化曝气池等工艺设备运行产生的电耗和药剂消耗所折算的碳排放6-7。图 2 为典型城市污水以微生物厌氧缺氧好氧曝气法(anaerobic-anoxic-oxic,A/A/O)为核心的处理工艺流程的碳足迹。在生化处理中，厌氧微生物发酵、污水有机物降解、脱氮除磷及污泥处置等过程都会向大气直接排放温室气体，造成直接碳排放。间接碳排放主要来自于机房、泵房等附属构筑物运行产生的电耗和热耗；剩余污泥、栅渣等固体废物储运中排放的温室气体；污水厂的基建能耗，根据进水水质调变的处理工艺用药消耗和生化处理(如好氧活性污泥法)运维等消耗8；为确保寒冷地区污水生化处理脱氮除磷工艺效能，对水体进行保温处理的能耗等。因此，应针对产生直接和间接碳排放的传统污 污 染 物 降 解 固 液 分 离 污 泥 处 置 焚烧氧化+消毒格栅生化反应池卫生填埋间接碳排放直接碳排放AOP沉淀池图1城市污水处理主要工艺及其碳排放形式Fig.1Typicalmunicipalwastewatertreatmentprocessesandtheircarbonemissionforms第6期孙猛等：城市污水低碳和资源化技术进展与新趋势1749水处理工艺，在特定工艺环节上实施污水处理的节能减排措施，以切实实现城市污水处理系统的碳减排目标。城市污水中蕴藏着数量可观的资源和能量。通常认为，污水中含有的有机物能量约为污水处理消耗能量的 910 倍，回收 COD 为 500mgL1污水中的耗氧有机物最高可产生 1.93kWhm3的电能9。现阶段污水厂配备的热电联产装置能将 10%14%有机物转化为运营所需电能，在一定程度上减少消耗电能造成的碳排放10。因此，回收污水中资源和能量并就地用于污水厂运维，可从根本上改变传统污水处理厂的能源供给模式。未来，我国污水处理厂建立净零能耗的污水资源回收系统，实现污水厂运维的能源自给与低碳减排，可采取如下方式。1)通过直接回收污水中高值资源实现能源再生，以降低运营成本、实现节能减排，如利用光伏发电或热电联产等方法。2)通过污水处理技术创新的开源手段实现污水中能源利用或降耗，如基质共消化、生物质焚烧、营养物质再利用、化学品的轻量投加等。2城市污水能源再生和低碳处理技术进展污水处理技术的创新是从根本上改变污水处理厂运维理念，实现污水处理节能降耗、资源再生的关键。本节将从化学能、生物质能、热能等能量蕴存形式及氮转化、磷回收等角度来梳理污水处理领域的高值资源回收和前沿的低碳处理技术，并重点阐述相关技术如何在实现城市污水处理厂节能运行和资源回收中发挥关键作用。2.1化学能与生物质能再生技术1)污水有机物再生技术。将生化反应产生的污泥进行混合厌氧消化产甲烷，是目前最成熟的污水中有机物的回收方法。生污泥经脱水浓缩(干固体质量分数 4%7%为宜)后进入消化池11，经水解发酵、产氢产乙酸和产甲烷三阶段反应生成消化液和沼气。消化液中主要成分为氨氮及小分子酸，沼气主要成分为 CH4和 CO2。消化后的污泥再经干化熟成，理化性质满足城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质(GB/T246022009)对污泥单独焚烧利用要求，即可与厌氧消化产生的沼气共同焚烧用于产热发电。这种通过厌氧消化生成沼气进行热电联产(combinedheatandpower,CHP)的污泥处理方式是一种化学能与生物质能同步再生模式，已被欧盟地区的污水处理厂普遍采用。在理论上，热电联产方式可将污水厂电耗、热耗等产生的碳排放占比由 70%降至20%。尽管沼气不完全燃烧产生的 N2O 和 CH4会增加 10%20%的生物碳足迹，但污泥热电联产处理仍可减少污水处理厂约 40%的总碳排放量12。德国Khlbrandhft/Dradenau 污水处理厂利用剩余污泥厌氧消化产生的沼气和焚烧干化熟成污泥实现热电联产(表 1)。此外，该厂还通过有效利用太阳能、风能等清洁能源的方式，补充了运维电能消耗，进一步减少了 CO2排放。2018 年，该厂的电能、热能自给率分别达到 107%和 113%，在实现能量中和目标的同时，已将剩余热能供给周围港口13。由此可见，污水处理厂通过化学能城市污水粗格栅提升泵房细格栅CO2栅渣外运沉砂池砂水分离间配水井生化法处理污水CO2能源消耗基建能耗、电耗/热耗、药剂投加、水体保温A/A/O 工艺好氧池厌氧池缺氧池二沉池外回流内回流厌氧微生物发酵外运或焚烧污泥浓缩、消化、脱水降解污水中有机物间接碳排放清水池出水脱氮除磷电机驱动间接碳排放 CO、CO2直接碳排放 CO2、CH4CO2、N2ON2OCH4N2O温室气体排放图2传统城市污水处理厂碳足迹(以典型 A/A/O 工艺为例)Fig.2Carbonfootprintofconventionalmunicipalwastewatertreatmentplants(withtypicalA/A/Oprocessasanexample)1750环境工程学报第17卷与生物能再生可实现设备运行的能耗自给，减少厂外能量供给和运维成本。热电联产技术可为市政公用范畴的污水厂收支平衡提供可行性方案，该技术还可减轻因市政补贴造成的政府财政压力。我国部分水厂同样具备利用沼气进行热电联产的能力。青岛麦岛污水处理厂于 2007 年启动调试热电联产产能项目，利用厂区内废热(发电机尾气余热、沼气锅炉余热)对污泥进行厌氧消化，并利用产生的沼气进行发电。在两年调试后，发电系统年均发电量稳定在 931.05104kWh，可保证供应全厂全年约 60%的发电量14。青岛海泊河污水处理厂日处理污泥约 1100m3，平均日产气量达 104m3。2016 年，该厂全年沼气发电效率平均可达 30%，沼气发电占整个污水处理厂年自用电量的 25%30%15。热电联产技术实现污水有机物再生已成为国内外众多污水处理厂采用的一种成熟、普遍的能源利用手段。2)提升甲烷产率的污泥预处理技术。污泥厌氧消化经过水解酸化、产氢产乙酸和产甲烷 3 个阶段。其中，水解酸化阶段可将大分子有机物水解为便于厌氧微生物利用的小分子物质，是消化反应的限速步骤并直接影响甲烷产率。然而，活性污泥中存在的细菌和一些难降解的纤维素及腐表1污水处理低碳运行及能源回收技术与案例Table1Introductionoflowcarbonwastewatertreatmentandenergyrecoverytechnologiesandapplicationcases技术名称应用案例技术方法技术效能参考文献污泥厌氧消化热电联产(AD-CHP)德国Khlbrandhft/Dradenau污水处理厂将初沉池与二沉池的剩余污泥进行浓缩，添加增稠剂后在消化池中进行污泥厌氧消化，消化过程中产生的沼气可转化为天然气对外输送2018年该厂电能自给率达107%，热能自给率达113%。已实现厂区热能电能自给13新型“A-B”工艺结合消化液侧流自养脱氮(DEMON)奥地利Strass污水处理厂A段设置高负荷和较短的水力停留时间(0.5h)。通过生物絮凝、吸附作用充分浓缩并截留水中碳源。消化后污泥经机械脱水一分为二，一部分用于焚烧热电联产，另一部分经侧流自养脱氮(DEMON)回流至A段吸附池。投加制铝工业废弃物铝酸钠进行化学除磷。B段进行有机物去除并完成生物体内的同步反硝化作用。2005年，Strass污水处理厂日耗电量为7869kWh，而CH4热电联产电量为8490kWh，超额8%完成了能源中和目标。产能/耗能比2.0，污水处理厂成为能源供给厂。16污水源热泵系统南昌市青山湖区污水源热泵系统采用4台RSL1480W型污水源热泵机组，每台机组配备一级污水泵、防阻机、二级污水泵及空调水循环泵等。工程上可采取直入式原生污水源热泵空调系统，省去中间换热环节，提高换热效率污水源热泵系统在采暖期(90d)比传统煤锅炉节约标煤1238t，制冷期(120d)比风冷冷水机组节电1150MWh，相当于标煤404t，全年CO2减排量4700t。17鸟粪石流化床反应器天津市某污泥处理厂污泥上清液由流化床底部进入反应器，与投加的氯化镁溶液充分混合，调节pH使鸟粪石结晶沉淀从PO43-P质量浓度为50.54mgL1的污泥上清液中回收磷。可形成粒径纳米级别的高纯度(大于90%)鸟粪石，每吨污泥上清液回收量为0.48kg，磷回收率达95%18好氧颗粒污泥系统(AGS)荷兰Garmerwolde污水处理厂建立基于AGS工艺的全尺寸装置，与原有“A-B”反应池平行运行。新建AGS装置处理量为总进水的41%，通过SHARON反应器处理工厂消化池和污泥浓缩器产生的侧流荷兰其他污水处理厂处理市政污水达标所需平均能量约为1)37.5kWh人1(PE150,removedyear)。相比之下，Garmerwolde污水处理厂能耗大幅下降至13.9kWh人1(PE150,removedyear)1，新建AGS系统相比原有“A-B”法处理废水耗能节约51%19注：1)这里的“人”指“人口当量”(populationequivalents,PE)，此处为PE150,removed，即每日每人去除150mg总需氧量(TOD)所消耗的能量。第6期孙猛等：城市污水低碳和资源化技术进展与新趋势1751殖质阻碍了污泥中有机物的水解，造成厌氧消化回收的碳源低于进水 COD 总量的 20%。因此，有必要在污泥厌氧消化前进行预处理以释放出细胞内存在的有机物、糖类、蛋白质等，为后续微生物代谢提供条件。污泥预处理技术通过物理方法或化学药剂破坏污泥结构和微生物细胞膜与细胞壁，将生物质能以化学能的形式释放到消化液中，可有效提升活性污泥水解酸化程度和甲烷产率。ZOU 等20研究了低温热结合碱预处理对污泥厌氧消化性能的影响，相比对照组，25d 内低温热结合混碱预处理可使甲烷产量提升 171.7%。LI 等21利用碱和超声预处理剩余污泥并进行 21d 厌氧消化，消化后甲烷产量可达 752.6cm3，比原污泥甲烷产量高出 1.4 倍。由此可见，通过物化预处理手段能有效解决水解酸化程度低的问题并提高甲烷产量。污泥中有机质占比越高、无机杂质含量越低，越有利于有机质向甲烷转化。反之，低有机物质量浓度的污泥会抑制微生物活性并改变其代谢途径，致使甲烷产率降低22。基于此，以改善污泥组成成分、提高厌氧消化甲烷产率为目标的污泥预处理方法得以发展。如将挑分后的厨余垃圾和剩余污泥进行混合可提升剩余污泥中有机质含量，二者共消化还会产生协同作用23。这种与我国剩余污泥和固体废弃物处理处置的“减量化稳定化无害化资源化”一般导则相反的“污泥增量”概念，已在欧美甚至一些周边亚洲国家兴起。“污泥增量”并不是增加剩余污泥数量，而是通过引入外来有机物提高污泥消化池的有机负荷率，实现了有机物回收“1+12”的效果24。这种人为提高有机物浓度的污泥预处理方法，减少了耗氧有机物(以 COD 计)的无效直接氧化，可大幅提高产气率，为实现城市生活污水处理厂能源自给提供技术保障。尽管使用外加碳源可提升产气率及资源回收效率，但进行有机物回收的污水处理厂最多仅能实现“能源中和”，距离真正“碳中和”仍有差距，亟需开发污泥厌氧发酵能源回收新设备，以提高能量转化效率，从而实现能源自给和减碳目标。3)污水碳源截留技术。厌氧污泥消化过程仅能提取污水中 30%35%的能量，其余能量仍储存在污水中。因此，在消化反应前捕获污水中的碳源更具实际意义。上流式厌氧污泥床(up-flowanaerobicsludgebed/blanket,UASB)中污水自下而上流动，污泥在重力作用下聚集在反应器底部，形成以厌氧微生物为主的高浓度污泥区。该区域内厌氧微生物截留污水中 COD 并通过发酵作用转化为 CH4和 CO2。最终生成的气体通过反应器上部的三相分离器分离回收，污泥消化液从反应器澄清区排出进入深度处理环节。我国城市污水中有机物浓度普遍偏低，污水的水质和水量显著影响了反应器污泥床的能量回收效率。因此，可对污水中有机物进行浓缩以获得较高的消化产气率。在二级生化处理前投加混凝剂的化学强化一级处理工艺(chemicallyenhancedprimarytreatment,CEPT)，可捕获并富集初沉池中胶体有机物和颗粒态有机物。新型的吸附-生物氧化(adsorption-biodegradation,A-B)工艺可有效截留污水中的碳源。首先，在A 段营造高负荷、低水力停留时间条件，促进水中微生物富集并截留污水中溶解性有机物。A-B 工艺可与 CEPT 工艺结合提升 A 段的碳源捕获率，再将含有高浓度有机物的污泥厌氧消化。其次，可在低 F/M 比(Food/Microorganism，单位重量的活性污泥在单位时间内所承受的有机物数量，用以反应污泥负荷)的 B 段实施好氧处理，降解水中剩余的低浓度有机物。值得注意的是，B 段有机碳源浓度过低会抑制污泥中反硝化菌的代谢过程。因此，脱氮效率低是限制 A-B 工艺实际应用的主要原因。近年来，随着自养脱氮技术的飞速发展，出现了将 A-B 工艺与自养脱氮技术联用的新型污水处理范式，实现了 A 段碳源回收最大化和 B 段低碳氮比污水的达标处理。如奥地利Strass 污水处理厂采取新型 A-B 工艺和消化液侧流自养脱氮联合技术截留水中的碳源，A、B 两端截留的 COD 占进水总量的 74.3%。并结合污泥热电联产，超额(8%)完成了能源中和目标(表 1)，实现了最大化的能源再利用。该组合工艺范式在污水碳源截留和有机物再生利用方面展示出其优势，从污水处理厂源头中实现了化学能回收。该厂通过改良工艺同时实现了污染物降解和能源回收 2 个目标，证明了污染物去除和污水厂节能降耗二者并不矛盾，为污水厂工艺的低碳化改进提供了参考实例。4)污泥厌氧消化产氢技术。氢被认为是一种代替化石能源的新型清洁能源。利用污泥厌氧发1752环境工程学报第17卷酵产氢成为一种重要的能源回收技术。该技术通过抑制产甲烷菌并调节微生物生长环境建立产氢优势菌群，再通过严格控制氨氮、腐殖酸、污泥 pH、温度及盐类等物理条件可有效提高产氢效率并抑制产甲烷过程。除了调控厌氧发酵过程中的发酵条件外，还可将污泥与餐厨垃圾进行厌氧共消化以提升氢气产率，并通过调控污泥碳氮比、含水率、pH 等发酵条件以获得最佳产氢效率。桑静等25在厌氧消化的污泥中加入 0.02%氯仿作为产甲烷抑制剂，对比无氯仿的对照组污泥，经 120h发酵培养后污泥厌氧消化产氢量由 1.2mL 上升至 15.7mL，Miseq 测序结果表明，产氢菌种相对丰度增加了 10%30%。通过营造适合产氢的污泥厌氧消化条件，培养的优势种群以实现有效产氢。为避免乙酸积累对产氢菌造成的毒害作用，常利用萃取、精馏、吸附等手段对消化过程中的乙酸进行回收。经调控后气液分离的厌氧消化气态产物主要包括氢气和二氧化碳，渗透膜可对气态产物进行提纯，得到氢气。厌氧消化产氢技术将污泥中有机碳转变为清洁能源氢气和乙酸，实现能源回收和减碳目标26。但就目前工程运营成本的考虑，污泥厌氧消化产氢技术在氢气回收和储存等方面还有较大的发展空间。2.2城市污水热能回收技术城市污水常年恒定为室温(1020)，所含低品位热源不足以用于直接发电。但在厂区或周边 35km 污水热能供给范围内，污水余热有潜力用于夏季制冷或冬季供热。相较于有机物回收再利用，热能回收更容易实现。HAO 等10估算发现，城市污水中能实际转化为热、电的化学能理论上仅占 10%14%。而可回收的热能为化学能的 68 倍，具有极大回收价值。污水热能具有高转化率的特点，是污水处理厂从能源中和向碳中和发展的必要途径。城市污水热能主要来源包括三方面：室内污水余热、生活污水下水管余热、城市生活污水处理厂构筑物中水体余热，这些污水余热可经换热器回收利用(图 3)。荷兰阿姆斯特丹水务公司Waternet 在入户下水管和冷水进水管间设计了一种简易换热器，将洗浴废水与入户冷水进行热量交换。该装置保证了洗浴用水温度并加热了洗浴混水中的冷水，在居住区大面积推广能有效降低碳排放。通过水源热泵提取城镇污水余热，可用于污泥保温或污水厂区供热(制冷)，可大幅降低碳交易额。早在 20 世纪 70 年代，瑞士和瑞典便已建成 50 余个污水处理厂热能利用工程。我国已建成的污水源热泵系统的制冷及制热系数可达 3.54.5。如江西省南昌市青山湖区利用污水源热泵空调系统制冷供热(表 1)，相比传统燃煤锅炉房及风冷冷水机组，污水源热泵系统全年节约标煤1642t，CO2减排可达 4700t。污水余热回收潜力巨大，我国虽在污水热能回收领域起步较晚，但目前已有利用污水源进行热能回收的工程项目。未来城市污水热能回收技术将成为我国污水处理行业实现“双碳”目标的重要一环。2.3磷资源回收与低碳脱氮技术城市污水中总氮(TN)约为 5060mgL127，总磷(TP)日均浓度约为 49mgL128，不当处理将造成受纳水体的富营养化。目前，城市污水处理厂主要采用 A/A/O 脱氮除磷工艺。但因城市污水存在水量不稳定、冬季低温、COD 偏低等问题，为保证污水脱氮除磷效果，需向污水中添加碳源。过量添加的碳源会导致生化法碳排放量增加。实施磷资源高效回收并施用低碳高效脱氮技术，成为解决此类问题的有效手段。1)磷资源回收技术。磷矿石的发现与开采使得磷资源从封闭的磷食物循环转变为不可持续的线性路径。磷肥的生产和使用加速了磷资源的不可逆消耗，也造成了水体富营养化29。鸟粪石(Mg(NH4)PO46H2O)是一种溶解度低且磷含量高的磷酸盐矿物，常作为优良的缓释磷肥30。鸟粪石结晶法又称作磷酸铵镁沉淀法，通过向含磷污水中加入氯化镁作为沉淀剂，促使水中溶解态的铵盐和磷酸盐与镁离子生成不溶性的鸟粪石，达到回收污水中磷资源的同时去除水中氨氮。鸟粪石回收法将污水资源流从分解代谢转变为合成代谢，可减少碳源投加量。天津某污泥处理厂利用鸟粪石结晶法回收污泥上清液中的磷，磷回收率达 95%，成本仅为 0.46元t1(表 1)。因此，鸟粪石结晶法可节省污泥处理成本并产生环境效益。污水处理后产生的污泥中磷回收潜力同样巨大31，因重金属超标的问题，将污泥直接用于农业的处理方法受到限制，故常用湿化学法回收污泥中的磷资源。根据污泥中重金属种类，对焚烧第6期孙猛等：城市污水低碳和资源化技术进展与新趋势1753后的污泥灰烬先进行酸化溶解，再将 pH 调至碱性去除污泥中重金属。然而，对于高硫含量的污泥废物，该方法需要先对污泥进行焚烧或预处理，以防止会产生大量硫化氢污染空气32。向曝气池内投加铁盐的生物铁除磷技术有助于实现较高的磷酸盐回收率。这一技术还具有强化混凝、增强微生物酶活性和铁元素强化还原硝态氮的附加功能33。开普敦大学开发出一种将沉淀池污泥回流至缺氧池的改良 A/A/O 工艺，命名为 UCT(UniversityofCapetown)脱氮除磷工艺。UCT 工艺有效避免了含硝态氮污泥回流对聚磷菌的影响。强化释磷作用的厌氧池上清液可直接用于鸟粪石结晶，从而提高磷回收率。鸟粪石结晶法回收的高纯度磷具有巨大经济价值，结合污水厂能源自给技术有望实现污水厂盈利。随着污水厂资源回收产业化发展，磷回收技术未来可能成为最具商业价值的污水资源化再生方法。利用微藻培养将水中磷作为生物磷进行回收被认为是一种低成本、环境友好且有前途的磷回收方法。对于无法通过直接沉淀回收的低浓度含磷污水，在污水中进行微藻培养可以有效富集磷34。但该方法在处理大水量污水上仍有局限性，未来可能以辅助手段对污水厂的二级出水中的氮、磷进行回收，再将收集的微藻处理后作为生物肥料使用。2)低能耗脱氮技术。短程脱氮技术可减少污水处理过程的碳源投加量和需氧量35。例如，短程硝化反硝化(shortcutnitrificationdenitrification,SCND)技术可通过调控溶解氧、基质含量和 pH 等条件，将硝化反应停留在产亚硝酸盐阶段，再利用亚硝酸盐直接反硝化生成氮气。短程硝化和短程反硝化常与厌氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation,anammox)耦合使用，衍生出了短程硝化厌氧氨氧化(partialnitritation-anammox,PN/A)和短程反硝化厌氧氨氧化(partialdenitritation-anammox,PDN/A)技术36。Anammox 指在厌氧的条件下，厌氧氨氧化菌利用 CO2、碳酸氢盐(HCO3)等无机碳，以亚硝态氮和氨氮为电子受体与供体，摩尔比 11.32 反应生成氮气(N2)的过程。Anammox 无需外加碳源，碱度消耗量减少 45%，污泥产量也远低于传统脱氮工艺，污泥处理成本显著降低。北京排水集团自主研发的系统性厌氧氨氧化技术在北京市内 5 个再生水厂的污泥处理中心得到应用，总计日处理量 1.59104t，已节约能耗 30%、节约药剂 90%、减少碳排放1.05104t，为世界上最大规模的污泥消化液脱氮工程6。传统脱氮工艺分为硝化反应和亚硝化反应 2 个过程，如图 4 所示。硝化反应将氨氮经亚硝态氮氧化为硝态氮，两个过程分别消耗 75%和 25%氧气；反硝化反应将硝态氮经亚硝态氮还原为氮气，2 个过程分别消耗 60%和 40%碳源。相比之下，PN/A 技术通过控制反应条件，营造低浓度溶解氧和氨氮环境，抑制了亚硝酸盐氧化菌与 anammox 菌的协同竞争作用。PN/A 技术仅需将一半左右的进水氨氮氧化为亚硝态氮，比传统硝化作用降低了 60%的需氧量37，再以 anammox 的自养途径实现高效短循环脱氮。PN/A 技术节省了曝气能耗且无需外加碳源，大大降低了脱氮反应碳排放量，有利于城市污水脱氮处理节能降耗。Anammox 技术在脱氮上的节能优势激发了研究者对自养脱氮技术的研究。哈尔滨工业大学王爱杰教授团队牵头研发了活性自持深度脱氮技术(简称 SADeN技术，或珊氮技术)。珊氮是一种基于复合活性生物载体(ThiocreF)驱动的自养反硝化脱氮技术。反硝化过程依靠载体自身提供的电子，以无机碳作为碳源，将硝态氮直接还原为氮气，解决了反硝化过程对碳源的依赖问题。该技术在邢台市宁晋经济开发区污水处理厂完成了建设规模为 4104td1的示范工程。珊氮滤池运室内污水余热下水管污水余热污水处理构筑 物水体余热室内取暖污泥保温厂区供热图3污水热能提取及利用途径Fig.3Wastewaterheatextractionandutilization1754环境工程学报第17卷行以来，出水 TN 低于 10mgL1，运行成本较异养反硝化滤池降低 40%以上。该示范工程是目前国际上已知规模最大的自养深度脱氮技术应用案例。在传统脱氮除磷工艺中，反硝化菌与聚磷菌存在碳源竞争、泥龄差异大的问题，导致无法在脱氮的同时实现磷资源的高效去除及回收。反硝化聚磷菌可在无氧的条件下利用硝态氮和亚硝态氮作为末端电子受体，使反硝化和除磷过程同步进行，实现高效、低耗能的脱氮除磷38。基于反硝化聚磷菌诞生的反硝化除磷技术(denitrifyingPremoval,DPR)使脱氮和除磷技术在时间和空间上达到统一，实现了“一碳两用”。相较于传统脱氮除磷工艺，DPR 工艺的理论污泥产率、碳源消耗量和耗氧量分别降低了 50%、50%和 30%，此外，DPR 工艺还可通过共享脱氮和除磷的反应设备缩短工艺流程39。在缺氧条件下，反硝化聚磷菌以水中硝酸盐作为电子受体，利用溶解氧和有机物完成释磷和吸磷过程，降低了水中碳氮比和溶解氧含量，为厌氧氨氧化菌代谢提供有利条件。此外，反硝化聚磷菌与厌氧氨氧化菌均可利用亚硝酸盐作为电子受体40，厌氧氨氧化与反硝化除磷耦合工艺还可防止亚硝酸盐积累过量导致脱氮除磷性能下降。好 氧 颗 粒 污 泥(aerboic granular sludge,AGS)是一种微生物自凝聚形成的微生物集合体。颗粒污泥内外双层的形态特征使其从内层到外层含氧量逐渐升高，满足污水脱氮除磷所需的好氧和厌氧条件。因此，相较于传统活性污泥脱氮方法，AGS 无需设置回流装置就可实现同步脱氮除磷，减少污泥回流所需能耗。好氧活性污泥颗粒可较好地保留人为接种的菌株，其致密的核结构对有毒物质具有较高耐受性，故可用于处理毒性高的污水41。好氧颗粒污泥中微生物种类和数量远高于传统活性污泥，高浓度的微生物菌群更容易发生相互碰撞和接触。提高培养 AGS 连续流反应器的高径比(反应器高度与直径的比例)可形成较强的水力剪切力，在一定程度上减少搅拌所需的能耗。好氧颗粒污泥具有优良的沉降性能，且在实际水处理中无需设置二沉池，可减少 25%75%的用地面积42。AGS 技术在实际污水处理中已有应用案例，荷兰 Garmerwolde 污水处理厂将新建 AGS 全尺寸装置与原有“A-B”反应池平行运行。对比运行后发现(表 1)，Garmerwolde 污水处理厂能耗由 37.5kWh人1(这里的“人”指“人口当量”(populationequivalents,PE)，此处为 PE150,removed，即每日每人去除 150mg 总需氧量(TOD)所消耗的能量)大幅下降至 13.9kWh人1。相比平行运行的传统“A-B”反应池，新建 AGS 系统可有效节约 51%能耗。颗粒污泥具有抗冲击能力强、能有效保留目标微生物群体和避免污泥流失等优点，将 anammox 技术与 AGS 技术耦合的厌氧氨氧化颗粒污泥技术(anammoxgranularsludge,AnGS)可解决 anammox 菌繁殖速率低、倍增时间长等问题，拓展了 anammox 的应用范围。2.4膜法污水资源化技术低压超滤和反渗透技术的联用使污水再生利用成为可能43。国外已有将膜分离技术用于再生水饮用回用的案例44。其中，最成功的案例当属新加坡的 NEWater 水厂。污水再生饮用的主要工艺被称为“完全高级处理”(fulladvancedtreatment,FAT)，即采用微滤/超滤反渗透高级氧化联合工艺，是再生水饮用回用的标准工艺45。将深度处理后的再生水注入地表径流或地下含水层，经天然水体自净后重新进入给水系统。这种间接回用的再生水处理方法更易被接受，可有效解决城市人口密集带来的水资源短缺问题。膜生物反应器(membranebio-reactor,MBR)将生化处理单元和膜分离单元直接耦合，突破了传统污水资源化技术的诸多壁垒。如膜分离过程能大幅提升固液分离效率46，出水悬浮物和浊度接近于零，解决了传统活性污泥法污泥沉降性能与污泥浓度之间的矛盾。膜分离过程还能大幅提升反硝化硝化N2N2O碳源消耗氧气消耗厌氧氨氧化短程硝化碳源消耗氧气消耗40%60%25%75%0%40%VS.N2NH4+NO2NO2NO3NH4+NO3N2O图4传统脱氮和短程脱氮工艺及其碳源、氧气消耗Fig.4Comparisonofcarbonandoxygenconsumptionbetweentraditionaldenitrificationandpartialnitritation-anammoxprocesses第6期孙猛等：城市污水低碳和资源化技术进展与新趋势1755出水水质，更易实现中水回用和水资源再生。WANG 等47设计了一种“厌氧 MBR-反渗透-氯化”一体化工艺处理城市污水，出水可达到新加坡 NEWater 水厂的再生水出水标准。该工艺可有效减少生物法脱氮产生的 N2O，温室气体排放总量仅为目前城市污水回用系统的 25.8%，减排及水资源回收效果显著。随着 MBR 技术的不断发展，同时实现节能降耗和水质提升的振动膜生物反应器(V-MBR)实现了更低能耗突破。V-MBR 反应器以机械振动的膜清洗方式代替了鼓风曝气膜清洗方式，可降低约为 MBR 反应器 20%能耗的综合运行能耗，并将出水 TN 控制在 5mgL1以下。V-MBR 已在北京窦店再生水厂示范应用，运行效果良好，出水可作为当地高品质补充水源。2.5人工湿地技术为满足未来更高的污水处理排放标准及再生水回用目的，污水二级出水需进一步去除残余有机物、氮磷营养盐及水中微量重金属。相比传统的离子交换法、膜分离法、催化氧化法等能源密集型技术，将二级出水引入人工湿地可在不影响自然环境的条件下实现低成本的污水深度处理。人工湿地污水处理技术因其低能耗、成本低、碳排放量小、无额外化学品的添加等优势成为传统污水深度净化工艺的替代技术。人工湿地生态化技术利用水生植物的生长特性，将空气中的氧气转移到水中，湿地基质环境中微生物的生长有利地促进了废水中有害物质的分解，不仅能消除污染物和病原微生物以实现水资源再生，还极大地降低了运营成本并减少碳足迹。在人工湿地技术的实际应用中，通常采取混合或多级系统以保证污水深度处理效率48。VALERIE 等49-50已证实相较于传统活性污泥法，垂直流人工湿地与水平流人工湿地展现出更强的硝化和反硝化能力和更低的温室气体排放量。人工湿地对污染物的去除作用包括：沉淀、过滤、挥发、吸附、植物吸收和各种微生物代谢作用。全过程受湿地基质中温度、土壤类型、氧化还原条件等参数的直接或间接影响。因此，调控湿地场地实况，对运行处理参数进行调整，是提高其水处理运行效率的重要技术手段。曝气可通过提高氧气转移速率调控人工湿地环境，以提高污水 BOD、C