人(ren)(ren)類目(mu)前面臨的(de)(de)(de)環境(jing)壓力迫使我們(men)不得(de)不發(fa)展循環經濟，而強(qiang)調納入生態循環的(de)(de)(de)藍(lan)色發(fa)展則突(tu)顯人(ren)(ren)類回歸(gui)自(zi)然(ran)的(de)(de)(de)屬(shu)性，也是對(dui)(dui)我們(men)祖先(xian)“天(tian)人(ren)(ren)合一”信念(nian)的(de)(de)(de)堅(jian)守。傳統污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處理固然(ran)可以(yi)清潔污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)，但高(gao)(gao)能耗(hao)、高(gao)(gao)物耗(hao)摧(cui)毀(hui)其中資源/能源的(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)法難以(yi)持(chi)續維系。鑒于此，經過多年務實國(guo)內外合作(zuo)(zuo)，我們(men)特意(yi)打造了旨(zhi)在物質/能量循環、碳(tan)中和運行、智慧控制多重(zhong)目(mu)標的(de)(de)(de)“藍(lan)色水(shui)(shui)(shui)工(gong)廠(chang)(chang)（Blue Water Factories, BWFs）”。藍(lan)色水(shui)(shui)(shui)工(gong)廠(chang)(chang)核心技術(shu)是好氧顆(ke)粒污(wu)(wu)泥(ni)（AGS）及其高(gao)(gao)值類藻(zao)酸鹽（ALE）回收(shou)工(gong)藝，輔以(yi)前端纖維素(su)篩分與(yu)后續污(wu)(wu)泥(ni)焚(fen)燒電(dian)/熱 、磷、金屬(shu)回收(shou)工(gong)藝，出水(shui)(shui)(shui)作(zuo)(zuo)為副產品(pin)被提取(qu)熱/冷量后回用(yong)。總之(zhi)(zhi)，藍(lan)色水(shui)(shui)(shui)工(gong)廠(chang)(chang)在最(zui)大程度獲取(qu)資源、能源的(de)(de)(de)同時可實現對(dui)(dui)環境(jing)的(de)(de)(de)“凈零（Net-zero）”影響。本期詳述藍(lan)色水(shui)(shui)(shui)工(gong)廠(chang)(chang)之(zhi)(zhi)框架與(yu)涉(she)及相(xiang)關技術(shu)，文章已于《中國(guo)給水(shui)(shui)(shui)排水(shui)(shui)(shui)》雜志網絡首發(fa)，并(bing)可關注9月3日(ri)上午(wu)中國(guo)（北京）服務貿易交易會Mark van Loosdrecht教授線上發(fa)言（Blue Water Factories: A Future Becomes Visible/藍(lan)色水(shui)(shui)(shui)工(gong)廠(chang)(chang): 可以(yi)預(yu)見的(de)(de)(de)未(wei)來），屆時首創生態環保集(ji)團李伏京總經理同期進行技術(shu)發(fa)布會演講。

01 藍色水工(gong)廠框架

藍色水工(gong)廠基(ji)于生態循環(huan)理念，強調低能耗(hao)、少藥耗(hao)、小空間處理技(ji)術(shu)，以(yi)回(hui)收污(wu)水中(zhong)重要資(zi)源(yuan)與(yu)(yu)能源(yuan)為追求目(mu)標，把(ba)工(gong)藝過程碳中(zhong)和運行與(yu)(yu)智慧控制同時作為目(mu)標方向。為此，藍色水工(gong)廠核(he)心技(ji)術(shu)是(shi)好(hao)氧顆(ke)粒污(wu)泥（AGS）及其高(gao)值類藻酸鹽（ALE）回(hui)收工(gong)藝，輔以(yi)前端纖維(wei)素(su)篩分與(yu)(yu)后(hou)續污(wu)泥焚(fen)燒(shao)電/熱回(hui)收工(gong)藝，出水作為副產(chan)品被提取熱/冷量后(hou)回(hui)用(yong)(yong)。順便，焚(fen)燒(shao)灰分磷回(hui)收同時獲得的金屬離子可與(yu)(yu)海(hai)水淡化鹵水（陰離子）耦合(he)生產(chan)混凝劑，殘余灰分用(yong)(yong)則用(yong)(yong)作建材。

圖1  藍色(se)水工廠(chang)框架及其相關技(ji)術

藍色水(shui)(shui)工廠框(kuang)架與(yu)核心(xin)技術被集成于圖1，形成以營養物、生物材(cai)料、熱/電(dian)和水(shui)(shui)回用(yong)4個循環(huan)。所(suo)涉及關鍵技術為4個單元：

1）進水(shui)纖維(wei)素篩分；

2）好氧(yang)顆粒污泥(ni)脫氮除磷工藝及其(qi)高值類(lei)藻酸鹽（ALE）回收；

3）污泥干(gan)化焚(fen)燒(shao)電/熱、磷、金屬回收(shou)工藝與混凝劑制造；

4）水源熱(re)泵提取出水熱(re)能后回用。藍色(se)水工廠全系統可(ke)在智慧控制下可(ke)實現碳中和運(yun)行(xing)。

02 涉及技術/工藝

2.1 資源化預(yu)處理：纖維素回收

污(wu)水(shui)生物(wu)處理過(guo)程中纖(xian)維素物(wu)質(zhi)非但難以降解，還會增加曝氣量、影響污(wu)泥沉(chen)淀效果。倒不(bu)如在生物(wu)處理前端將其(qi)篩(shai)(shai)分(fen)(fen)出來用(yong)作混凝土(tu)、瀝青添加劑等，既減負(fu)污(wu)水(shui)處理又實現其(qi)資源(yuan)化(hua)利用(yong)。其(qi)實，纖(xian)維素篩(shai)(shai)分(fen)(fen)非常簡單，容易(yi)實現，可在沉(chen)砂池(chi)后安(an)裝篩(shai)(shai)網(wang)分(fen)(fen)離。例如，0.35 mm篩(shai)(shai)網(wang)孔(kong)徑旋轉帶(dai)式(shi)過(guo)濾機(ji)（RBF）即可分(fen)(fen)離約80%纖(xian)維素。

2.2 生物脫(tuo)氮除磷(lin)與污泥高值資源化

?好(hao)氧(yang)顆粒污(wu)泥技(ji)術(shu)（AGS）

AGS技(ji)術(shu)自它(ta)2005年底首(shou)先(xian)于荷蘭奶酪(lao)加工(gong)廢(fei)水(shui)處理廠落地(di)后，全球范圍內趨之若鶩的(de)研究及研發遍地(di)開(kai)花。到(dao)目前為(wei)止，AGS在全球工(gong)程應用案例已(yi)(yi)多達(da)70余(yu)例，在我(wo)國的(de)工(gong)程應用業(ye)已(yi)(yi)開(kai)始，且我(wo)們(men)自主研發工(gong)程示范項目已(yi)(yi)落地(di)河(he)南淅(xi)川(chuan)（南水(shui)北調源頭(tou)）。AGS技(ji)術(shu)對缺(que)地(di)新建(jian)或既有設(she)施擴容的(de)工(gong)業(ye)廢(fei)水(shui)、甚(shen)至市政污水(shui)處理都(dou)是一種(zhong)有效(xiao)解(jie)決方案，可同步(bu)實現低碳源生物脫氮除(chu)磷。

目前(qian)運行(xing)的AGS污(wu)水處理工藝都是序批式(shi)（SBR），連續式(shi)可(ke)通過多個(ge)SBR反應器協同運行(xing)得(de)以實現，亦(yi)可(ke)開發新型連續流工藝。

?高值類藻酸(suan)鹽（ALE）物(wu)質回收

AGS剩余(yu)污(wu)泥(ni)(ni)中(zhong)ALE含(han)量(liang)高達20%~35%VSS（絮狀污(wu)泥(ni)(ni)僅為9%~19%VSS），其性能可與大型天然海藻（海帶(dai)）形成的(de)藻酸鹽相(xiang)媲美(mei)。ALE是污(wu)泥(ni)(ni)具有(you)凝膠特性的(de)重要結構，回(hui)收(shou)后(hou)可用作各(ge)類防(fang)水/防(fang)火材(cai)料、增稠(chou)劑(ji)(ji)、乳化(hua)劑(ji)(ji)、穩(wen)定劑(ji)(ji)、粘合劑(ji)(ji)、上漿劑(ji)(ji)、種子包衣等。如(ru)今，荷蘭已興建(jian)了兩座(zuo)提取AGS中(zhong)ALE的(de)工廠，產(chan)品(pin)被命名為“Kaumera”（來自新西蘭毛利語，“變色龍”之意）。目前ALE年產(chan)量(liang)已達400 t/a，且有(you)望在(zai)2030年前突破85 000 t/a。

2.3 污泥干化焚(fen)燒與磷及金屬回收

?污泥干化(hua)焚(fen)燒

污(wu)泥(ni)焚(fen)(fen)燒(shao)已被確定為終極處置方(fang)式，AGS污(wu)泥(ni)在提(ti)取(qu)ALE后亦可(ke)直接焚(fen)(fen)燒(shao)，以(yi)(yi)最大化(hua)(hua)有(you)機質(zhi)能源轉(zhuan)化(hua)(hua)。然而，焚(fen)(fen)燒(shao)前(qian)的干化(hua)(hua)是必不(bu)可(ke)少步(bu)驟，手段多為脫水后（80%含水率(lv)）熱(re)干化(hua)(hua)，需要耗能。利用(yong)(yong)出水余溫(wen)熱(re)能熱(re)交換產生的原位(wei)熱(re)源（50~60 ℃）進行污(wu)泥(ni)低溫(wen)干化(hua)(hua)不(bu)失為一種(zhong)熱(re)能有(you)效(xiao)利用(yong)(yong)方(fang)式。建議廠內分散干化(hua)(hua)、鄰避效(xiao)應集中焚(fen)(fen)燒(shao)方(fang)式實(shi)施(shi)，從而將不(bu)能發電的低品(pin)(pin)位(wei)熱(re)能可(ke)間接轉(zhuan)化(hua)(hua)為可(ke)以(yi)(yi)發電的高品(pin)(pin)位(wei)熱(re)能（800~1 000 ℃）。污(wu)泥(ni)高溫(wen)焚(fen)(fen)燒(shao)后完全變為無機灰分，污(wu)泥(ni)體(ti)積可(ke)減少至(zhi)5%~10%，不(bu)含任何有(you)機質(zhi)與致病菌，可(ke)以(yi)(yi)提(ti)磷回收金(jin)屬(shu)后用(yong)(yong)作建筑材料。

?灰分磷回收

在各(ge)種污(wu)(wu)(wu)(wu)水磷回(hui)收方法(fa)中，污(wu)(wu)(wu)(wu)泥(ni)(ni)焚燒灰(hui)分磷回(hui)收最為(wei)直接和有效，因為(wei)進水中90%的(de)(de)磷負荷最終都進入了污(wu)(wu)(wu)(wu)泥(ni)(ni)。進言之(zhi)，焚燒灰(hui)分磷回(hui)收成(cheng)(cheng)本僅相當于從(cong)污(wu)(wu)(wu)(wu)水和污(wu)(wu)(wu)(wu)泥(ni)(ni)中回(hui)收磷成(cheng)(cheng)本的(de)(de)80%和24%，而磷回(hui)收效率卻高達90%。可(ke)見，與(yu)污(wu)(wu)(wu)(wu)泥(ni)(ni)終極處置路線相一致的(de)(de)灰(hui)分磷回(hui)收則是未來可(ke)持續污(wu)(wu)(wu)(wu)水處理發展的(de)(de)必然趨(qu)勢。

圖2  污水磷回收方式演變

?灰分金屬分離(li)并(bing)利用(yong)

為獲得相對(dui)純凈的(de)磷產(chan)品，提磷時(shi)需(xu)要先(xian)分離(li)(li)其中(zhong)所含金(jin)屬離(li)(li)子（Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg、Al、Fe等），而被分離(li)(li)的(de)金(jin)屬離(li)(li)子需(xu)要解決其歸(gui)宿問題。其中(zhong)，一些金(jin)屬離(li)(li)子（如，Al、Fe等）可與(yu)海水(shui)淡化副(fu)產(chan)物(wu)——鹵水(shui)中(zhong)被濃縮的(de)陰離(li)(li)子（Cl-、SO42-等）結合，用(yong)于生產(chan)絮(xu)凝劑(ji)/混凝劑(ji)，如圖3所示。

圖3  灰分(fen)金屬離(li)子與海淡鹵水陰離(li)子耦合生產混凝劑

2.4 出(chu)水余溫熱能交換與出(chu)水利用

出水(shui)(shui)(shui)余溫(wen)熱能(neng)(neng)潛能(neng)(neng)巨大，是化學能(neng)(neng)的(de)9倍。因水(shui)(shui)(shui)源(yuan)熱泵經濟出水(shui)(shui)(shui)溫(wen)度一般為50~60 ℃，是低(di)(di)品位能(neng)(neng)源(yuan)，不(bu)能(neng)(neng)發電，只能(neng)(neng)直接(jie)利(li)用。因此，熱/冷(leng)就(jiu)近(jin)（3~5 km）直接(jie)納(na)入市政(zheng)熱網是最佳利(li)用方式。在外輸供熱受阻情況(kuang)下，可以將熱原位低(di)(di)溫(wen)干化脫水(shui)(shui)(shui)污泥，亦可在北方寒冷(leng)地(di)區冬季加熱進水(shui)(shui)(shui)等(deng)等(deng)。

熱量交換后的出水(shui)或(huo)作為“副產品(pin)”形式的中水(shui)回用，或(huo)排(pai)放水(shui)環(huan)境，特(te)別(bie)在冬季接近水(shui)體(ti)環(huan)境溫度的排(pai)放屬于生態排(pai)水(shui)的范疇(chou)。

2.5 碳(tan)足(zu)跡與碳(tan)中和

降低碳(tan)(tan)(tan)足(zu)跡并實現碳(tan)(tan)(tan)中(zhong)和運行(xing)是藍色水工廠的內涵之(zhi)一。所以(yi)，建立準(zhun)確的碳(tan)(tan)(tan)核算方(fang)法，摸清污水處(chu)理“碳(tan)(tan)(tan)家底”非常(chang)重要。以(yi)此為基礎，通(tong)過挖掘(jue)污水中(zhong)潛(qian)在有(you)機能和熱(re)能完(wan)全可(ke)以(yi)實現碳(tan)(tan)(tan)中(zhong)和、甚至負(fu)碳(tan)(tan)(tan)運行(xing)。

圖4  碳(tan)足跡與碳(tan)中(zhong)和模型構(gou)建(jian)

2.6 基于工藝模擬的智慧控(kong)制

區(qu)別于儀表自控(kong)，藍色水工廠以生(sheng)物處理(li)工藝(yi)過程數學(xue)模擬心構建(jian)智(zhi)慧(hui)(hui)控(kong)制(zhi)，且(qie)智(zhi)慧(hui)(hui)控(kong)制(zhi)系(xi)統還可以進一(yi)步融入碳中(zhong)和評價模型，識別碳概念(nian)下最佳運行參數與(yu)工況(kuang)。

圖5  基于工藝數學模擬技術的智慧(hui)控制系(xi)統

03 "3E"評價

3.1 能(neng)量平衡（Energy）

我國進水(shui)有(you)機物濃度較低，很難通過污(wu)(wu)(wu)泥厭(yan)氧消化并熱電(dian)聯產實現能(neng)量(liang)(liang)平(ping)(ping)衡(heng)，只(zhi)有(you)出水(shui)余(yu)溫熱能(neng)利用方(fang)能(neng)彌補能(neng)量(liang)(liang)赤字。基于北方(fang)一大型污(wu)(wu)(wu)水(shui)處理(li)廠水(shui)質、水(shui)量(liang)(liang)（COD=400 mg/L；Q=60萬m3/d）數據，獲得如圖6所示的有(you)機能(neng)與熱能(neng)平(ping)(ping)衡(heng)。該圖揭示出，污(wu)(wu)(wu)泥焚燒有(you)機化學能(neng)回(hui)收與水(shui)源熱泵余(yu)溫熱能(neng)回(hui)收結合完全可以實現污(wu)(wu)(wu)水(shui)處理(li)廠能(neng)量(liang)(liang)平(ping)(ping)衡(heng)，且有(you)盈(ying)余(yu)能(neng)量(liang)(liang)可以外輸使用。

圖6  藍色水工廠(chang)能(neng)源回收能(neng)量(liang)平衡(heng)圖解

3.2 環境效益（Environment）

藍色水工廠(chang)以實現污染物零(ling)(ling)排放，實現環境凈零(ling)(ling)（Net zero）影響(xiang)作為最高目標，涵(han)蓋零(ling)(ling)能耗、凈零(ling)(ling)碳、零(ling)(ling)固廢(fei)與零(ling)(ling)水耗等(deng)4個方面(mian)。

零(ling)能耗(hao)在圖(tu)6中已(yi)展示無遺，同時凈零(ling)碳(tan)亦可(ke)以(yi)(yi)實現(xian)(xian)（圖(tu)7）。副(fu)產品中水回用還可(ke)以(yi)(yi)形成零(ling)水耗(hao)，污泥(ni)焚燒及其灰分資源回收利用可(ke)以(yi)(yi)實現(xian)(xian)零(ling)固廢(fei)。結果，藍色(se)水工廠(chang)可(ke)全面實現(xian)(xian)環(huan)境(jing)凈零(ling)影響(xiang)。藍色(se)水工廠(chang)對環(huan)境(jing)產生(sheng)的綜合(he)影響(xiang)總結于圖(tu)8。

圖7  藍色水(shui)工廠(chang)碳平衡/中和評價

圖8  藍色(se)水工廠環境凈零影響評價

3.3 經(jing)濟效益（Economy）

藍色(se)(se)水工廠應(ying)用低(di)(di)碳高(gao)效的(de)好氧顆粒(li)污泥(ni)技術節(jie)(jie)能(neng)、降耗、節(jie)(jie)地(di)；高(gao)值等資(zi)源(yuan)回(hui)(hui)收(shou)可直接創造經濟價值；智慧控制可以顯著降低(di)(di)運(yun)營成本(ben)(ben)。藍色(se)(se)水工廠好氧顆粒(li)污泥(ni)技術可降低(di)(di)運(yun)行成本(ben)(ben)（按最(zui)低(di)(di)30%計），前端纖維素回(hui)(hui)收(shou)與智慧控制措施能(neng)降低(di)(di)運(yun)行成本(ben)(ben)約10%。藍色(se)(se)水工廠資(zi)源(yuan)與能(neng)源(yuan)回(hui)(hui)收(shou)可獲得的(de)經濟效益(yi)有多(duo)個方面(mian)，包括(kuo)：

化學能與(yu)熱能經濟效益(yi)，分別為0.25元/m3和(he)1.06元/m3。

ALE回收經濟(ji)效益，折合0.30元/m3。

磷(lin)回收(shou)(shou)經濟效益，折合噸水磷(lin)回收(shou)(shou)效益為0.05元/m3。

水回用(yong)經濟效(xiao)益，仍(reng)取目前的(de)1.10元/m3。

碳(tan)交易經(jing)濟(ji)效益(yi)，約為0.02元/m3。

計算可知藍(lan)色水(shui)工(gong)廠(chang)可實現的凈利潤為2.33元(yuan)/m3，遠(yuan)遠(yuan)高于CAS污水(shui)處理廠(chang)的0.15元(yuan)/m3。

圖9  藍色水工廠與傳統活性污泥處理(li)廠運(yun)營成(cheng)本(ben)比(bi)較

04 結語

藍色(se)水(shui)工(gong)廠以生(sheng)(sheng)態循環為依據，強(qiang)調營養(yang)物、生(sheng)(sheng)物材料、熱/電和水(shui)回用4個循環，對潛在環境(jing)危機涉及的兩大要素——溫室氣(qi)體(ti)和磷短缺(que)現象可以起(qi)到有效(xiao)緩解(jie)作用。

藍色水工廠所涉(she)及的關鍵技術分(fen)別(bie)已分(fen)別(bie)研發成熟，系統集成為藍色水工廠已無懸念。藍色水工廠絕不是夢想，而是可以預見(jian)的未來。

聲明：本(ben)文(wen)轉自水業碳中和資訊，作者(zhe)郝曉地、李季(ji)。本(ben)文(wen)版(ban)權歸原作者(zhe)所有(you)，不代表本(ben)網站觀點，僅(jin)供學習交流之用，不做(zuo)商業用途。如文(wen)中的(de)內容、圖(tu)片、音頻(pin)、視頻(pin)等存在第(di)三方的(de)在先(xian)知識(shi)產(chan)權，請及時(shi)聯系我們刪除。