碳中和是一個使全球污水處理廠均實現(xiàn)可持續(xù)性的重要議題。歐洲和北美多年前便已已開始向著各自污水處理碳中和運行邁進，且已制定至2030年實現(xiàn)各自碳中和運行的目標。
例如，荷蘭應(yīng)用水研究基金會(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，以原位彌補運行能耗，從而實現(xiàn)能量中和之可行；這些舉動實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。確實，一些能量中和運行的污水處理廠在歐洲和美國已經(jīng)出現(xiàn)，但面向著碳中和目標還沒有取得太多進展。實踐中，碳中和常常被等同為能量中和（實質(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)，包括從進水碳與剩余污泥中回收有機物化學(xué)能，有機質(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）也會產(chǎn)生溫室氣體排放。因此，必須針對能量消耗、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行實體。
在這種環(huán)境下，《Water Research》編輯委員會決定開辟以專研究碳中和為主題的窗口，特推出本期特刊。本刊旨在為開發(fā)高效能源處理技術(shù)，探討新理念和觀點，旨在污水處理廠運行節(jié)能與能源回收。從約50份投稿論文中，經(jīng)同行評審最后錄用其中13篇文章，內(nèi)容涵蓋了從能源回收與有機質(zhì)共消化到新工藝與設(shè)計方法開發(fā)，再到量化和指導(dǎo)可持續(xù)性工藝發(fā)展等多個角度。
剩余污泥是一種能夠通過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水中有機物（碳源：COD）之濃度。在很多情況下，進水碳源不足，僅能勉強滿足生物處理需要，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現(xiàn)能量中和。換言之，能量中和與傳統(tǒng)營養(yǎng)物去除難以兼得。在實際中，厭氧消化容量普遍過剩（德國約為20%），因此，可加以利用外源有機質(zhì)與剩余污泥進行共消化（實為偽中和）。在奧地利一個工程案例中，向既有污泥厭氧消化池中投加有機廢物（有機市政垃圾），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到了“1+1>2”的效果（Aichinger et al.）。結(jié)果顯示，共消化中添加有機廢棄物至25%，有機負荷增加了94%，而沼氣產(chǎn)量可以增加2倍。該案例研究充分證明，發(fā)揮有機質(zhì)共消化有助于污水處理實現(xiàn)能量中和。
另一方面，污水中余溫熱能可以通過水源熱泵轉(zhuǎn)化出熱量，以平衡能量赤字，甚至達到碳中和。一項關(guān)于污水處理廠（普遍COD = 200 ~ 400 mg/L）能量平衡評估表明，中國剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷只能彌補約50%的運行能量消耗（Hao et al.）。進一步研究表明，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 凈電當量。總的來說，中國有機物及熱能能夠有效供給充足的電當量，足以達到碳中和運行目標。污水處理廠能耗及碳排放情況
如上所述，剩余污泥與外源固體/液體有機物共消化是實現(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。一項小試研究證明，向厭氧消化池中投加濃縮有機廢物，適當?shù)靥岣哂袡C負荷及縮短的停留時間，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)廢液作為外部有機物，與剩余污泥（初級﹕二級=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能量赤字之目標水平。此外，共消化出水水質(zhì)與只投加剩余污泥控制組相近，說明共消化沒有負面影響。其它有機物與剩余污泥共消化機制相同。一項小試究以牛糞(MN)與外部有機廢物（食品廢物—FW、堿性水解液—AH和粗制甘油—GY）共消化與牛糞單獨消化對比（Usack and Angenent; Regueiro et al.）；運行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負荷率（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，利用厭氧消化進行CO2捕集固定是一種潛力十足的碳減排策略。兩個處理食品垃圾的厭氧消化試驗進行了225 d監(jiān)測，實驗組定期使用氣泡柱充入CO2（Fernandez et al.）。實驗組測試CH4產(chǎn)率為0.56±0.13 m3 CH4/kgVS·d（對照組為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。
中試實驗裝置構(gòu)造
高負荷活性污泥法（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物，繼而將之用于能源再生。
一座HRAS試驗裝置運行于寒冷溫度下。通過最大化提高污泥量、細菌量和生物絮凝作用，可以以最少能量輸入將進水中顆粒、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)計參數(shù)對去除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下運行時，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)。在這些運行條件下，與傳統(tǒng)HRAS工藝相比，其去除大部分（50~80%）進水COD時所需求的曝氣量減少近60%。
不同SRT條件下，進水COD形態(tài)轉(zhuǎn)化（DO=1mg/L，HRT=30min）從污水中物理分離有機物（細篩分—FSF：主要為廁紙）被提議為用于產(chǎn)能。一項小試SBR研究表明，市政污水處理廠進水中的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，可以通過傳統(tǒng)初級澄清池沉淀的有機物直接與低溫厭氧消化結(jié)合產(chǎn)生甲烷。一項小試規(guī)模厭氧折板反應(yīng)器（ABR）運行兩年有余，在12~23 ℃水溫下處理原污水（Hahn and Figueroa）。ABR不僅超過了傳統(tǒng)初級澄清池（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，兩年多運行中反應(yīng)器沒有產(chǎn)生廢棄底泥。因此，ABR可以取代初級澄清池與中溫厭氧消化組合，無需投入能量或化學(xué)處理，即可在室溫下達到同樣處理效果。
亦可以通過微生物燃料電池（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生物陽極和陰極）和控制消化技術(shù)，在室溫（22~23℃）和3個SRT（7、10、14 d）條件下，處理來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，認為這是由于在生物陽極直接氧化短鏈脂肪酸，同時低乙酸濃度強化氧化的間接貢獻。在所有條件下，EAD中VSS和COD的去除率均比對照組高5 ~10%。此外，EAD中電流的大小受有機負荷率影響，而導(dǎo)電性和乙酸濃度對其影響則微乎其微。
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，進行能量優(yōu)化潛力巨大，可通過改善機電驅(qū)動設(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養(yǎng)物。能否實現(xiàn)碳中和，不僅取決于實際凈電當量，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)合起來具有極高的碳中和潛力。以碳中和為目標，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。然而還需要對經(jīng)濟、環(huán)境與社會影響進行更加廣泛的討論。因為可持續(xù)性是由這些因素和指標組成的一個復(fù)雜，多維度概念。在這方面，“碳中和”或“能量中和”并不意味著實現(xiàn)可持續(xù)運行，因為它們只涉及到可持續(xù)概念中諸多要素其中之一。一項評價研究表明，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.）。在該項研究中，可持續(xù)性指標包括運行成本，凈能量消耗和多種環(huán)境指標。這利于權(quán)衡可持續(xù)中的各項構(gòu)成，在實施節(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（被認為是能夠達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。
一項以可持續(xù)碳中和運行為目標的積極分析表明，淹沒式厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）可能是凈能量明顯的，有利于形成碳負污水管理（Pretel et al.）。在該分析中，利用定量可持續(xù)設(shè)計過程，使用技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟標準評估了全部可行的設(shè)計方案，來完善AnMBR詳細設(shè)計。其中，集成了跨季節(jié)溫度穩(wěn)態(tài)性能建模(使用中試實驗數(shù)據(jù)和模擬軟 DESASS)、生命周期成本分析(LCC)和生命周期評價(LCA)。
綜上所述，這些文章促進了我們對如何實現(xiàn)污水處理廠碳中和運行的初步理解。這一令人贊嘆的目標無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。這不僅是在保護當?shù)厮鷳B(tài)環(huán)境，更是在保護我們共同地球。
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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