在污水处理前端捕捉COD！“上游碳源浓缩”来了

随着污水处理厂出水水质标准的不断提高，工艺流程在不断延长。双碳目标下，我国污水处理高能耗、低回收的问题日益明显，重新审视工艺流程、改变传统处理工艺复杂工艺流程的惯性，寻求更为高效、简洁的解决方案，成为行业减污降碳刚性约束下的必然选择。

在近日召开的未来新水务（深圳）高峰论坛中，“上游碳源浓缩”是热议度最高的技术名词。基于碳源浓缩的新型技术路线，被多位发言嘉宾认为“为有机物回收和实现污水厂的能量中和创造了新的可能性”。

什么是上游碳源浓缩？

围绕“碳中和”目标，早在多年前，欧洲就有学者提出了碳源浓缩理念：在污水处理前端“捕捉”进水COD，将其直接用于后端厌氧产CH4。但长期以来，我国污水处理行业缺乏“碳中和”带来的对于污水处理工艺创新的压力，普遍技术方向是解决污水处理厂实际运行中的一些迫切技术问题，比如“达到准IV排放标准的高水平的脱氮除磷技术”。

而近年来， 一些研究团队将碳源浓缩理念与物化法相结合，打开了该技术在我国落地实践的可能性。

未来新水务专家组专家、清华大学环境学院教授王凯军解释：“国内探索的碳源浓缩以膜技术为代表，但不同于将膜过程置于工艺流程末端的常规工艺设计，膜浓缩过程置于污水处理全流程工艺的前端。浓缩过程去除了污水中大部分的COD和TP，留存在水中污染物仅以氨氮为主；在此基础上，后续可以探索嫁接新的技术，如离子交换、RO、厌氧氨氧化等，形成系列的颠覆性工艺技术。”

他介绍，近年，荷兰某地水委会通过了兴建新污水厂的提案，希望通过应用一系列的新技术新理念，建设一座在未来20-30年内保持领先的污水厂，指标目标是“将氮磷回收率提高75%，去除80%医药残留物，污泥产量和化学品用量减少90%”。这份提案展示的主要的术理念创新， 一是采用集成的技术和设备，二是践行上游碳源浓缩的理念。 其主要工艺是， 经过电絮凝和气浮，经一级纳滤后，进行离子交换，以实现水和资源的全回收。

浓缩过程去除的COD和TP，大大降低了后续处理工艺的难度，也为诸多目标的实现带来便利。香港大学教授，清华大学深圳国际研究生院教授李晓岩表示：“如果没有一级强化，所有的有机物都进入二级处理，经过很长战线，多出很多工作。如果一级处理，如CEPS（化学强化一级处理），除去绝大部分的COD和TP后，后面的操作就可以非常正面了，低耗、减碳、资源化都有可能。”

浓缩过后

针对经碳源浓缩后的污水， 近年，王凯军团队围绕后续技术衔接开展了持续研究，包括离子交换、RO、藻类处理、厌氧氨氧化、树脂吸附等，以期形成重构基于膜分离特征的新理论和新工艺。

王凯军介绍，目前，该课题已初步得出一些结论：

① 膜浓缩和传统生化处理工艺的衔接是成熟的。在这一工艺里，采用生物脱氮仍然有其优势，但没有完全展示新工艺的优势。

② 碳源浓缩和厌氧氨氧化相衔接，已有解决方案但存在一定的技术障碍。

③ 双膜法，即膜浓缩衔接RO，不存在任何技术障碍，可实现短流程的水资源回收。

④ 碳源浓缩与离子交换的衔接，也已是较为成熟的技术，可实现零排放及资源全回收。

针对碳源浓缩后的“碳源”，国内也有研究团队开展工作。

基于未来磷回收的必要性及对可降解塑料（PHA）的需求趋势，李晓岩团队利用CEPT后的污泥，开展了磷回收及生产PHA的系列研究。“一个城市中，15-20%的有机物消耗都体现在了污水里面，超过50%的磷都在污水里面，这个潜在的回收就很有意义。”

他介绍：“用污泥生产PHA，普通污水污泥不一定走得通，有机物没有那么容易降解的。但CEPS的污泥有可能走通，将pH到4.5，后用AO法就可以生产出PHA。”同理，CEPT后的污泥，也更利于磷的回收。“先将磷溶解出来，再沉淀回收。将pH降到4.5，两天时间磷就能够溶出来；由于里面含铁离子，曝气后，磷就能以蓝铁矿的形式沉淀下来。”

哈尔滨工业大学（深圳）教授王爱杰团队从2010年开始，也开展了系列研究，探讨将 水中的碳通过分离、转化、原位利用，实现反哺处理系统。

“如平膜微滤技术，试图把水中悬浮态的有机物快速分出。对于分离出来的污泥，我们关注到污泥里EPS（多糖类物质）中有机碳的利用，通过投入少量种子引导体系产生鼠李糖脂（表面活性剂），结合分离过程，可将EPS中的有机碳剥离下来，进一步利用。此过程通过表面活性剂逐层破解污泥颗粒黏合性结构，并通过旋流分离过程快速分散和剥离EPS有机质。”

王爱杰团队在山东某污水厂开展的中试应用效果表明，碳分离+污泥短程发酵制取SCFAs+回补生化系统, 可实现污泥减量10-20%, 替代80-90%的外部碳源投加。

值得一提的是，在碳源回收、低碳处理的效果之外，碳源浓缩工艺在研究工作中，还展示了一些意料之外的可能性，值得进一步探讨。

李晓岩提到 EDC的去除 ：“团队研究表明在强化混凝沉淀中，通过对几类EDC指标的跟踪测定，发现在COD和磷的去除之外，还可以实现可以实现EDC80-90%的去除，成本低、效果好。”王爱杰团队则在探索工艺的进一步延伸—— 通过乳酸的聚合作用，短链脂肪酸可以形成中链脂肪酸 ，而中链脂肪酸是一种可以制备一系列化工产物的平台化合物，通过污水处理厂打通产业之间的关联。