创新理念 | 蓝色水工厂:框架与技术

人类目前面临的环境压力迫使我们发展循环经济，而强调生态循环的蓝色发展突出了人类回归自然的属性，也坚持了我们祖先天人合一的信念。虽然传统的污水处理可以清洁污水，但很难维持高能耗和高物质消耗破坏资源/能源的做法。鉴于此，经过多年务实的国内外合作，我们专门打造了蓝色水厂（Blue Water Factories, BWFs）”。蓝水厂的核心技术是好氧颗粒污泥（AGS）高值藻酸盐（ALE）回收工艺辅以前端纤维素筛分和后续污泥焚烧电/热 、磷、金属回收工艺，提取热/冷量后回用出水作为副产品。总之，蓝色水厂在限度地获取资源和能源的同时，可以实现环境的净零（Net-zero）”影响。本期详细介绍了蓝色水厂的框架及相关技术。

01 蓝水厂框架

蓝水厂以生态循环理念为基础，强调低能耗、低药耗、小空间处理技术，以回收污水中重要资源和能源为目标，以碳中和运行和智能控制为目标方向。为此，蓝色水工厂核心技术是好氧颗粒污泥（AGS）高值藻酸盐（ALE）回收工艺，辅以前端纤维素筛分和后续污泥焚烧电/热回收工艺，提取热/冷量后再利用出水作为副产品。顺便说一烧灰分磷回收获得的金属离子可以与海水淡化卤水(阴离子)耦合生产混凝剂，残留灰分用作建筑材料。

图1集成了蓝色水厂的框架和核心技术，形成了营养、生物材料、热/电、水回用四个循环。涉及的关键技术有四个单元:

1)进水纤维素筛分；

2)好氧颗粒污泥脱氮除磷工艺及高值藻酸盐（ALE）回收；

3)污泥干焚烧电/热、磷、金属回收工艺及混凝剂制造；

4)水源热泵提取水热能后再利用。蓝色水厂的整个系统可以在智能控制下中和碳。

02 涉及技术/技术

2.1 回收预处理：纤维素回收

纤维素物质在污水生物处理过程中不仅难以降解，还会增加曝气量，影响污泥沉淀效果。倒不如在生物处理前端将其筛分出来用作混凝土、沥青添加剂等，既减负污水处理又实现其资源化利用。事实上，纤维素筛分非常简单，易于实现，可在沉砂池后安装筛分离。例如，0.35 mm筛网孔径旋转带式过滤器（RBF）大约80%的纤维素可以分离。

2.2 生物脱氮除磷和污泥高价值资源化

有氧颗粒污泥技术（AGS）

AGS自2005年底荷兰奶酪加工废水处理厂首次落地以来，该技术在范围内涌向研发。到目前为止，AGS在工程应用案例已多达70余例，在我国的工程应用业已开始，且我们自主研发工程示范项目已落地河南淅川（南水北调源头）。AGS该技术是一种有效的解决方案，可以同时实现低碳源生物的脱氮除磷。

目前运行的AGS污水处理工艺均为序批（SBR），多个连续公式可以通过SBR可以实现反应器的协同运行，开发新的连续流工艺。

高值藻酸盐（ALE）物质回收

AGS剩余污泥中ALE含量高达20%~35%VSS(絮状污泥仅9%~19%VSS），其性能可与大型天然海藻(海带)形成的藻酸盐媲美。ALE它是污泥具有凝胶特性的重要结构。回收后可用作各种防水/防火材料、增稠剂、乳化剂、稳定剂、粘合剂、浆液、种子包衣等。如今，荷兰已兴建了两座提取AGS中ALE该工厂的产品被命名为Kaumera(来自新西兰毛利语，意思是变色龙)。目前ALE年产量已达400 t/a，2030年前有望突破850 000 t/a。

2.3 污泥干化焚烧、磷及金属回收

污泥干化焚烧

污泥焚烧已被确定为处置方式，AGS污泥在提取ALE也可以直接焚烧，以化有机质能源的转化。然而，焚烧前的干燥是必不可少的一步，主要是脱水后的热干燥（含水量80%），需要能耗。原位热源(50~60 ℃）低温干燥污泥是一种有效利用热能的方法。建议实施厂内分散干燥、邻避效应集中焚烧，间接将无法发电的低品位热能转化为可发电的高品位热能(800~1 000 ℃）。高温焚烧后，污泥完全变成无机灰，污泥体积可减少至5%~10%，不含任何有机质和致病菌，可提磷回收金属作为建筑材料。

灰分磷回收

在各种污水磷回收方法中，由于进水中90%的磷负荷终进入污泥，污泥焚烧灰分磷回收直接、有效。综上所述，焚烧灰分磷的回收成本仅相当于污水和污泥回收磷的80%和24%，而磷的回收效率高达90%。可见，灰分磷回收与污泥终处理路线一致，是未来可持续污水处理发展的必然趋势。

2.4 余温热能交换和出水利用

余温潜力巨大，是化学能的9倍。由于水源热泵的经济出水温度一般为50~60 ℃，它是一种低品位，不能发电，只能直接使用。因此，热/冷就近(3)~5 km）直接进入市政热网是的使用方式。在外部加热阻塞的情况下，热原位置可以低温干燥脱水污泥，也可以在北方寒冷地区冬季加热水等。

热交换后的水或以副产品的形式回用，或排放水环境，特别是在冬季接近水环境温度的排放属于生态排水的范畴。

2.5 碳足迹与碳中和

减少碳足迹，实现碳中和运行是蓝色水厂的内涵之一。因此，建立准确的碳会计方法，找出污水处理的碳家庭是非常重要的。在此基础上，碳中和甚至负碳运行可以通过挖掘污水中潜在的功能和热能来实现。

2.6 基于工艺模拟的智能控制

与仪器自动控制不同，蓝色水厂以生物处理过程中的数学模拟心构建智能控制，智能控制系统可以进一步融入碳中和评价模型，识别碳概念下的运行参数和条件。

03 "3E"评价

3.1 能量平衡（Energy）

我国进水有机物浓度较低，难以通过污泥厌氧消化和热电联产来实现能量平衡。只有利用剩余的温和热能，才能弥补能量赤字。基于北方大型污水处理厂的水质和水量（COD=400 mg/L；Q=60万m3/d）获取图6所示的有机能和热能平衡数据。图显示，污泥焚烧有机化学能量回收与水源热泵余温热能回收相结合，可实现污水处理厂的能量平衡，并可外部输送和使用剩余能量。

3.2 环境效益（Environment）

蓝水厂实现污染物零排放，实现环境净化（Net zero）影响作为目标，涵盖零能耗、净零碳、零固废、零水耗四个方面。

图6显示了零能耗，也可以实现净零碳（图7）。副产品中的水回收也可以形成零水耗，污泥焚烧及其灰资源的回收可以实现零固体废物。因此，蓝色水厂可以充分实现环境净化的零影响。图8总结了蓝色水厂对环境的综合影响。

3.3 经济效益（Economy）

蓝色水厂采用低碳的好氧颗粒污泥技术，节约能源、消耗和土地；高价值等资源回收可直接创造经济价值；智能控制可显著降低运营成本。蓝色水厂的好氧颗粒污泥技术可降低运营成本（30%），前端纤维素回收和智能控制措施可降低运营成本约10%。蓝色水厂资源和能源回收的经济效益包括：

化学能和热能经济效益分别为0.25元/m3和1.06元/m3。

ALE回收经济效益相当于0.30元/m3。

磷回收的经济效益为0.05元/m3。

水回用的经济效益仍取当前1.10元/m3。

碳交易的经济效益约为0.02元/m3。

蓝色水厂的净利润为2.33元/m3，远远高于CAS0污水处理厂.15元/m3。

04 结语

蓝水厂以生态循环为基础，强调营养物质、生物材料、热/电、水回用四个循环，能有效缓解潜在环境危机涉及的温室气体和磷短缺两个要素。

蓝水厂所涉及的关键技术已分别研发成熟，系统集成为蓝水厂没有悬念。蓝水厂不是梦想，而是可预见的未来。

来源：水业碳中和资讯

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