技术导向|未来污水处理能源自给新途径——碳源捕获及碳源改向

    在活性污泥法诞生100年后，人们开始重新梳理污水处理的发展历程，展望下一个百年污水处理技术的发展方向，从物质循环、生态伦理学及社会学角度对传统活性污泥技术的发展历程进行思辨，污水处理过程的高能耗及高“碳足迹”是常规活性污泥工艺的技术缺欠，沿用百年的活性污泥法逐渐被一些耦合资源和能源回收的概念路线所取代。目前世界范围内，对“污水”的认知已经从“废物处理”对象转向“资源及能源回收”的载体，一些发达国家、世界范围内领先的环境公司已经制定了面向2030年甚至是2040年的技术发展路线图，纵览这些技术路线无一例外都是瞄准了对污水中资源回收、能耗自给与碳中和的未来可持续技术发展路线，国内外学者基于过往研究经历，对基于碳源捕获及碳源改向技术的新型A/B工艺进行了研究与开发，提出了具有独特风格的面向未来的能量平衡或碳中和技术路线。
    1 、污水中蕴含有机化学能潜力分析
    对于污水中蕴含的化学能，国外很多研究者进行了不同角度的研究及定量评估，评估基准是设定典型生活污水COD为500mg/L，所含的化学能有两种表征方式，方式一以单位COD量所含的能量为基础，根据HEIDRICH的研究结论，这个数值范围为17.7~28.7kJ/gCOD，而对于该基准浓度污水，实际处理能耗约0.45kW˙h/m3，相当于1620 kJ/m3，折合处理能耗平均为3.20 kJ/g COD。另一种方式是将COD化学潜能折合到吨水电耗，得到COD为500mg/L的污水“理论最大有机化学能”为22.55 kW˙h /m3，理论最大有机化学能是指污水所含COD全部被提取并甲烷化，采用常规工艺只有很少部分COD被甲烷化，即使是提取这极少部分的COD用于甲烷化并产能，这部分能量也是非常可观的，可提取化学能范围是1.5~1.9kW˙h /m3，这个数值也与McCarty等人的研究结果相近。
    两种能量表征方式，结果都在表明污水中所蕴含的有机化学能是对其进行处理所需能耗的近5倍，污水中所蕴含的如此巨大的能量，如果捕获提取其中部分COD化学能甚至是热能并就地转换为电能，理论上可以实现能耗的完全自给甚至可以变成能量输出厂。有充分的理论依据表明，未来污水处理厂不是能源的消耗者而应该成为能源供应方。污水碳源常规处理工艺与能源化回收两种途径下COD物质流比较见图1。

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