21世纪人类面临着两大危机:水资源危机与能源危机。污水处理系统关乎水资源和能源,节能降耗是对污水处理系统提出的新要求和新挑战。在曲久辉院士等六位环境领域专家提出的“建设面向未来的中国污水处理概念厂”中,重要的一点是低碳处理和能源开发^[1] ,即在污水处理过程中实现节能降耗,并开发污水中潜在能量,利用高效厌氧消化等成熟技术进行能量回收,提高污水处理厂的能源自给率。因此,研究全过程经济、高效、节能的污水处理系统是环保工作者的重要工作。

　　 本文以瑞典某污水处理厂为例,介绍其从污水中获取“新”能源的设计思路、运行情况。为我国污水处理系统的完善提供技术支撑,为缓解当前资源匮乏和能源紧缺的形势提供新途径。

　　 该污水处理厂1941年开始运行,投产时15万m³/d,随后通过几次大规模的改扩建,目前处理规模约24万m³/d,是瑞典最大的污水处理厂,是欧洲最大及现代化的水厂之一。该污水处理厂的进出水水质如表1所示。

　　 通过对天津市40余座污水处理厂的进水数据统计,其污水处理厂的进水水质指标的平均值范围如表2所示,出水水质为城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918—2002)一级A或一级B标准。

　　 对比分析瑞典污水处理厂与我国(以天津市为例)污水处理厂进水水质可知。

　　 瑞典污水处理厂进水COD高值约为天津的1.16倍,但天津市污水处理厂进水TN高值约为瑞典的1.86倍。

　　 瑞典污水处理厂进水COD、BOD₅、SS、TN、TP低值都高于天津,分别是天津的3.9倍、4.8倍、15倍、2.6倍、6.2倍。分析原因:其一,天津市污水收集管网中,住宅污水出户端多设有化粪池,其将有机物多截留在此池内,降低了污水处理厂进水有机物、悬浮物浓度;其二,国外的家庭的餐厨垃圾多破碎后进入污水管网中,但国内多以固废形式处理;其三,天津市的污水处理厂的低浓度值为多个污水处理厂的统计值,某些进水水质低的污水处理厂将其低浓度均值拉低。

　　 对比分析瑞典污水处理厂与天津市(一级A标准)污水处理厂出水水质发现,瑞典污水处理厂出水COD、BOD₅、SS、TN、NH₃-N、TP都低于天津出水的一级A标准,分别约为天津市污水处理出水一级A标准的62%、80%、20%、67%、60%、60%。

　　 综上所述,天津市污水处理厂进水范围较大,而瑞典污水处理厂的出水水质更好。

　　 瑞典污水处理厂采用的物化-生化-深度处理的工艺路线,其具体工艺流程如图1所示。

　　 由图1可知,瑞典污水处理厂建设有完备的污水处理系统和污泥处理系统。进水先通过物化混凝和初沉池,将大部分的有机物沉降下来,这样,污水中的SS去除率在60%~70%,COD、TP去除率在50%。一方面尽可能通过简单物化处理减少污水中的有机物含量,以减少后续污水处理的负荷,为保证污水处理的稳定达标提供保障,减少后续处理的设施能耗;另一方面则是将污水中的有机物保留到污泥中,通过污泥消化处理产生的能源(甲烷)加以利用,反哺污水处理厂运行或为社会提供清洁能源。因此,瑞典污水处理厂更注重全过程的污水处理能量最优。

　　 该污水处理厂的污泥中,初沉池产泥20 000t/年,二沉池产泥8 200t/年。沼气系统同时接收居民餐厨垃圾,系统利用污水处理厂污泥和居民餐厨垃圾厌氧产沼,2013年该系统沼气产量为12.9×10⁶Nm³(含63%CH₄)。其能源除满足该污水处理厂的日常热力和电力供应外,大部分沼气经提纯后,通过地下管道提供给外部的供热站以及车用沼气供应站。其沼气系统剩余的残渣通过离心机脱水装袋,作为绿化及农用有机肥,实现了废物的资源化利用,大幅降低了温室气体的排放,同时节省了污水处理费用。

　　 该污水处理厂主要构筑物的工艺参数如表3所示,可知系统具有较强耐冲击负荷能力。

　　 据调研,天津市40余座污水处理厂中,设置初沉池的污水处理厂比例约为25%,建设有污泥厌氧产能系统比例为8%。天津市污水处理厂采用图2所示工艺流程的比例为75%。

　　 由此可知,天津现有的多数污水处理厂关注点仅局限于去除水中的污染物,为保证污水处理厂出水水质达标,其生化处理环节多采用延时曝气等措施,过程需要消耗大量的电能,将污水中的有机物转化为污泥、二氧化碳、水等,而不考虑节能及能源的回收,即“以能耗能”的处理工艺。

　　 根据统计数据:①处理规模≥10万m³/d的污水处理厂设有初沉池的比例约占60%,设有污泥厌氧消化产能系统的占比为40%,全部没有设预处理段(混凝反应池-初沉池);②处理规模<10万m³/d的污水处理厂全部没有建设污泥厌氧消化产能系统。

　　 因此,其污水中的有机物大部分通过好氧生化完成,采用的是以“以能耗能”的污水处理系统———即通过能量(电)催损COD中所含的有机能量,促使污水处理高能耗的结果。从全球环境问题和资源能源视角来看,现有的污水处理是一个“高投入、高产污(产生大量CO₂)、低效率”的系统。

　　 对比分析瑞典与天津市污水处理厂工艺流程可知:瑞典污水处理厂工艺流程中,多建设有物化混凝和初沉池、污泥厌氧消化池环节。这2个环节促进了污水处理能量最优。一方面,污水处理系统中,其使有机污染物在初沉池从污水中分离出来,这样做的益处有2种:①分离出的有机污染物通过发酵转化为能源,变废为宝;②有机污染物的转移,使得污水污染物浓度降低,降低了后续污水处理设施的处理负荷,节省后续处理设施的能源使用,降低污水处理能耗。另一方面,其建设有完备的污泥消化系统,以及良好的运行管理,使得污泥中的能源得以充分的提取。此系统将污水处理和污水“资源”的生产过程结合,在处理污水的同时,以污水为原料获取“新”资源和“新”能源,污水处理厂这些产出物的资源化利用不但带来了经济效益,而且也实现了节能降耗和碳减排的目的,符合可持续发展的要求。因此,我们需要转变污水处理理念,实现污水处理系统从“处理工艺”向“生产工艺”的转化。这种新理念为缓解当前资源匮乏和能源紧缺的形势提供了新途径,也必将带来污水处理技术和工艺的革命^[2] 。

　　 目前,我国现有的污水处理以能耗能,不可持续。而污水中有机物含有大量能量,如采用系统节能环保的污水系统,这部分能量回收而非去除,则可能反哺污水处理厂的运行能耗,继而减少CO₂间接排放^[2] 。因此,有必要审视污水中有机物含能与污水处理耗能之间的关系,从能源最优的角度,系统地设计污水全过程处理系统。

　　 据郝晓地等人研究,通过其构建的水质指标与能量指标耦合的能量平衡模型及分析函数模型计算,我国的污水处理厂因进水有机物负荷较低,剩余污泥实施厌氧消化进行能量(CH₄)回收后难以实现“碳中和”目标。但是,剩余污泥中蕴藏的能量弥补一半的运行能量消耗是完全可能的,这将使CO₂间接排放量至少减少50%^[2] 。

　　 (1)由于统计进水水质涉及的天津市污水处理厂数量多,各污水处理厂进水水质差异性大,因此,显现了单个水质指标下高低值波动大。但对某一特定的污水处理厂,其进水水质的变化幅度较小。以污水处理厂进水COD均值为例说明污水处理厂进水有机污染物含量,其分布如图3所示。

　　 那么,针对污水有机质含量高的污水处理厂(COD均值≥350 mg/L,占43%,建议采用瑞典污水处理厂的工艺。对污水有机质含量中等的污水处理厂(COD均值200~350mg/L,占37%),需对具体的污水处理厂进行现存工艺和瑞典改进工艺的经济技术分析,最终论证选择采用何种工艺经济技术最佳。对于低有机质含量的污水处理厂(COD均值<200mg/L,占20%),可不进行回收能源。

　　 (2)针对处理规模<10万m³/d的污水处理厂,每座污水处理厂单独建设污泥厌氧消化产能系统不经济,则可以规划共建污泥厌氧消化产能系统,集中处理多座中小规模的污水处理厂产生的污泥,实现规模化处理。针对处理规模≥10万m³/d的污水处理厂,在进水有机物浓度高时,建议独立建设污泥厌氧消化产能系统。

　　 (1)通过对比分析瑞典与我国(以天津市为例)污水处理厂进水水质,多数的污水处理厂的进水水质有机质浓度含量相对较高。因此,从污水水质上,我国多数的污水处理系统可以借鉴瑞典先进的低碳节能的处理理念。

　　 (2)通过对比分析瑞典与天津市污水处理厂工艺流程,瑞典污水处理厂工艺流程中建设有“物化混凝和初沉池”、“污泥厌氧消化池”环节。此系统将污水处理和污水“资源”的生产过程结合,在处理污水的同时,以污水为原料获取“新”资源和“新”能源,污水处理厂这些产出物的资源化利用不但带来了经济效益,而且也实现了节能降耗和碳减排的目的,符合可持续发展的要求。

　　 (3)我国(以天津市为例)现有的污水处理厂的关注点仅局限于去除水中的污染物,没有注重对污泥能源的开发和利用,现有的污水处理是一个“高投入、高产污(产生大量CO₂)、低效率”的系统。

　　 因此,借鉴瑞典的成功经验,充分挖掘污水中的能源,改变“以能耗能”方式“被动”去除,“主动”将其转化为甲烷这样的能源物质后加以利用,从污水中回收的能量便有可能反哺污水处理厂运行,为我国污水处理系统的完善提供技术支撑,为缓解当前资源匮乏和能源紧缺的形势提供了新途径,也必将带来污水处理技术和工艺的革命。