什么是上游碳源濃縮？
“上游碳源濃縮”技術(shù)正在持續(xù)升溫，被視為后活性污泥時代的一個初見端倪的新趨勢。
隨著污水處理廠出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，工藝流程在不斷延長。在雙碳目標(biāo)下，我國污水處理面臨高能耗、低回收的問題，這促使行業(yè)重新審視工藝流程，改變傳統(tǒng)處理工藝的復(fù)雜流程慣性，尋求更為高效、簡潔的解決方案。在這種背景下，“上游碳源濃縮”技術(shù)成為了熱議度最高的技術(shù)名詞之一。該技術(shù)基于碳源濃縮的新型技術(shù)路線，被認(rèn)為能夠為有機(jī)物回收和實現(xiàn)污水廠的能量中和創(chuàng)造新的可能性。圍繞“碳中和”目標(biāo)，歐洲學(xué)者早已提出碳源濃縮理念，即在污水處理前端“捕捉”進(jìn)水COD，將其直接用于后端厭氧產(chǎn)CH4。近年來，我國的一些研究團(tuán)隊也開始探索將碳源濃縮理念與物化法相結(jié)合，打開了該技術(shù)在我國落地實踐的可能性1。
這一趨勢預(yù)示著污水處理行業(yè)正在向更加高效、環(huán)保的方向發(fā)展，后活性污泥時代初見端倪。
中國污水處理行業(yè)在"雙碳"目標(biāo)驅(qū)動下，正積極探索以"上游碳源濃縮"為核心的技術(shù)革新路徑。這項顛覆性技術(shù)通過前端截留污水中有機(jī)物（COD）和總磷（TP），為后續(xù)資源回收與低碳處理創(chuàng)造新可能：
【技術(shù)原理】
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前端采用膜分離（納濾/微濾）或化學(xué)強(qiáng)化（電絮凝/氣�。┘夹g(shù)，截留80-90%的COD和TP
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后端處理僅需針對氨氮等剩余污染物，大幅簡化工藝流程
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分離出的碳源可用于厭氧產(chǎn)甲烷、生產(chǎn)可降解塑料（PHA）等高值轉(zhuǎn)化
【技術(shù)優(yōu)勢】
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能源革命：清華大學(xué)王凱軍團(tuán)隊證實"雙膜法"可實現(xiàn)短流程水資源回收
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資源循環(huán)：香港大學(xué)李曉巖團(tuán)隊通過化學(xué)強(qiáng)化沉淀實現(xiàn)磷回收率達(dá)50%，有機(jī)碳轉(zhuǎn)化PHA效率提升
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低碳處理：哈工大王愛杰團(tuán)隊中試顯示碳分離技術(shù)可替代80-90%外部碳源，污泥減量20%
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污染協(xié)同：強(qiáng)化混凝可同步去除80-90%內(nèi)分泌干擾物（EDC）
【國際實踐】
荷蘭新型污水廠采用"電絮凝+納濾+離子交換"組合工藝，目標(biāo)實現(xiàn)氮磷回收率75%、污泥減量90%，展示了該技術(shù)在全球的領(lǐng)先應(yīng)用。
該技術(shù)體系標(biāo)志著污水處理從傳統(tǒng)活性污泥法向"資源工廠"轉(zhuǎn)型，通過碳磷定向回收、處理流程重構(gòu)，為行業(yè)實現(xiàn)能量自給與碳中和目標(biāo)提供了創(chuàng)新解決方案。
“上游碳源濃縮”持續(xù)升溫，后活性污泥時代初見端倪
隨著污水處理廠出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，工藝流程在不斷延長。
雙碳目標(biāo)下，我國污水處理高能耗、低回收的問題日益明顯，重新審視工藝流程、改變傳統(tǒng)處理工藝復(fù)雜工藝流程的慣性，尋求更為高效、簡潔的解決方案，成為行業(yè)減污降碳剛性約束下的必然選擇。
在近日召開的未來新水務(wù)（深圳）高峰論壇中，“上游碳源濃縮”是熱議度最高的技術(shù)名詞�；谔荚礉饪s的新型技術(shù)路線，被多位發(fā)言嘉賓認(rèn)為“為有機(jī)物回收和實現(xiàn)污水廠的能量中和創(chuàng)造了新的可能性”。
圍繞“碳中和”目標(biāo)，早在多年前，歐洲就有學(xué)者提出了碳源濃縮理念：在污水處理前端“捕捉”進(jìn)水COD，將其直接用于后端厭氧產(chǎn)CH4。但長期以來，我國污水處理行業(yè)缺乏“碳中和”帶來的對于污水處理工藝創(chuàng)新的壓力，普遍技術(shù)方向是解決污水處理廠實際運行中的一些迫切技術(shù)問題，比如“達(dá)到準(zhǔn)IV排放標(biāo)準(zhǔn)的高水平的脫氮除磷技術(shù)”。
而近年來，一些研究團(tuán)隊將碳源濃縮理念與物化法相結(jié)合，打開了該技術(shù)在我國落地實踐的可能性。
未來新水務(wù)專家組專家、清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授王凱軍解釋：“國內(nèi)探索的碳源濃縮以膜技術(shù)為代表，但不同于將膜過程置于工藝流程末端的常規(guī)工藝設(shè)計，膜濃縮過程置于污水處理全流程工藝的前端。濃縮過程去除了污水中大部分的COD和TP，留存在水中污染物僅以氨氮為主；在此基礎(chǔ)上，后續(xù)可以探索嫁接新的技術(shù)，如離子交換、RO、厭氧氨氧化等，形成系列的顛覆性工藝技術(shù)。”
他介紹，近年，荷蘭某地水委會通過了興建新污水廠的提案，希望通過應(yīng)用一系列的新技術(shù)新理念，建設(shè)一座在未來20-30年內(nèi)保持領(lǐng)先的污水廠，指標(biāo)目標(biāo)是“將氮磷回收率提高75%，去除80%醫(yī)藥殘留物，污泥產(chǎn)量和化學(xué)品用量減少90%”。
這份提案展示的主要的術(shù)理念創(chuàng)新，一是采用集成的技術(shù)和設(shè)備，二是踐行上游碳源濃縮的理念。其主要工藝是，經(jīng)過電絮凝和氣浮，經(jīng)一級納濾后，進(jìn)行離子交換，以實現(xiàn)水和資源的全回收。
濃縮過程去除的COD和TP，大大降低了后續(xù)處理工藝的難度，也為諸多目標(biāo)的實現(xiàn)帶來便利。
香港大學(xué)教授，清華大學(xué)深圳國際研究生院教授李曉巖表示：“如果沒有一級強(qiáng)化，所有的有機(jī)物都進(jìn)入二級處理，經(jīng)過很長戰(zhàn)線，多出很多工作。如果一級處理，如CEPS（化學(xué)強(qiáng)化一級處理），除去絕大部分的COD和TP后，后面的操作就可以非常正面了，低耗、減碳、資源化都有可能。”
濃縮后的“碳源”研究
針對經(jīng)碳源濃縮后的污水，近年，王凱軍團(tuán)隊圍繞后續(xù)技術(shù)銜接開展了持續(xù)研究，包括離子交換、RO、藻類處理、厭氧氨氧化、樹脂吸附等，以期形成重構(gòu)基于膜分離特征的新理論和新工藝。
王凱軍介紹，目前，該課題已初步得出一些結(jié)論：
（1）膜濃縮和傳統(tǒng)生化處理工藝的銜接是成熟的。在這一工藝?yán)铮捎蒙锩摰匀挥衅鋬?yōu)勢，但沒有完全展示新工藝的優(yōu)勢。
（2）碳源濃縮和厭氧氨氧化相銜接，已有解決方案但存在一定的技術(shù)障礙。
（3）雙膜法，即膜濃縮銜接RO，不存在任何技術(shù)障礙，可實現(xiàn)短流程的水資源回收。
（4）碳源濃縮與離子交換的銜接，也已是較為成熟的技術(shù)，可實現(xiàn)零排放及資源全回收。
針對碳源濃縮后的“碳源”，國內(nèi)也有研究團(tuán)隊開展工作。
基于未來磷回收的必要性及對可降解塑料（PHA）的需求趨勢，李曉巖團(tuán)隊利用CEPT后的污泥，開展了磷回收及生產(chǎn)PHA的系列研究。“一個城市中，15-20%的有機(jī)物消耗都體現(xiàn)在了污水里面，超過50%的磷都在污水里面，這個潛在的回收就很有意義。”
他介紹：“用污泥生產(chǎn)PHA，普通污水污泥不一定走得通，有機(jī)物沒有那么容易降解的。但CEPS的污泥有可能走通，將pH到4.5，后用AO法就可以生產(chǎn)出PHA。”
同理，CEPT后的污泥，也更利于磷的回收。“先將磷溶解出來，再沉淀回收。將pH降到4.5，兩天時間磷就能夠溶出來；由于里面含鐵離子，曝氣后，磷就能以藍(lán)鐵礦的形式沉淀下來。”
哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）教授王愛杰團(tuán)隊從2010年開始，也開展了系列研究，探討將水中的碳通過分離、轉(zhuǎn)化、原位利用，實現(xiàn)反哺處理系統(tǒng)。
“如平膜微濾技術(shù)，試圖把水中懸浮態(tài)的有機(jī)物快速分出。對于分離出來的污泥，我們關(guān)注到污泥里EPS（多糖類物質(zhì)）中有機(jī)碳的利用，通過投入少量種子引導(dǎo)體系產(chǎn)生鼠李糖脂（表面活性劑），結(jié)合分離過程，可將EPS中的有機(jī)碳剝離下來，進(jìn)一步利用。此過程通過表面活性劑逐層破解污泥顆粒黏合性結(jié)構(gòu)，并通過旋流分離過程快速分散和剝離EPS有機(jī)質(zhì)。”
王愛杰團(tuán)隊在山東某污水廠開展的中試應(yīng)用效果表明，碳分離+污泥短程發(fā)酵制取SCFAs+回補生化系統(tǒng), 可實現(xiàn)污泥減量10-20%，替代80-90%的外部碳源投加。
值得一提的是，在碳源回收、低碳處理的效果之外，碳源濃縮工藝在研究工作中，還展示了一些意料之外的可能性，值得進(jìn)一步探討。
李曉巖提到EDC的去除：“團(tuán)隊研究表明在強(qiáng)化混凝沉淀中，通過對幾類EDC指標(biāo)的跟蹤測定，發(fā)現(xiàn)在COD和磷的去除之外，還可以實現(xiàn)可以實現(xiàn)EDC80-90%的去除，成本低、效果好。”
王愛杰團(tuán)隊則在探索工藝的進(jìn)一步延伸——通過乳酸的聚合作用，短鏈脂肪酸可以形成中鏈脂肪酸，而中鏈脂肪酸是一種可以制備一系列化工產(chǎn)物的平臺化合物，通過污水處理廠打通產(chǎn)業(yè)之間的關(guān)聯(lián)。
（來源： 未來新水務(wù) 原標(biāo)題：暢談未來 | “上游碳源濃縮”持續(xù)升溫，后活性污泥時代初見端倪）
