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水星漫談Vol. 13
最近小編發(fā)現(xiàn)水圈里圈外人都在談?wù)摗疤贾泻汀?。好奇心?qū)使下，我百度一下，才知道這是因?yàn)槿ツ昃旁?，?xí)大大在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上給世界一個(gè)承諾："中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”
污水處理向來(lái)被認(rèn)為是耗能大戶?，F(xiàn)在國(guó)家喊要搞“碳中和”，污水處理界是否成為拖后腿的后進(jìn)生呢？其實(shí)過(guò)去五年，國(guó)外已經(jīng)有不少城市污水處理廠實(shí)現(xiàn)能量盈余的報(bào)道。這說(shuō)明污水處理不僅不會(huì)拖后腿，還可以成為碳中和大計(jì)的標(biāo)兵行業(yè)。荷蘭早在2010就開(kāi)始施行他們的污水廠2030碳中和計(jì)劃，這眨眼就到2021年了。在這期水星漫談專(zhuān)欄里，我們不如一起看看荷蘭污水廠的期中考成績(jī)單吧。
荷蘭污水廠的碳中和案例圖片
每次談荷蘭的污水處理，我都會(huì)先介紹一下荷蘭的水務(wù)架構(gòu)。荷蘭有一個(gè)中央政府（Rijk），下邊是省政府(Provincies)，然后再一級(jí)就是市政府(Gemeenten)，但這里有一個(gè)機(jī)構(gòu)和市政府平級(jí)，它就是水委會(huì)(Waterschappen)。水委會(huì)是荷蘭最為古老的民主機(jī)構(gòu)之一。它們負(fù)責(zé)與水有關(guān)的大部分事務(wù)：包括了負(fù)責(zé)維護(hù)堤防和土地排水，以及水的質(zhì)量。它們?cè)趪?guó)家的環(huán)境管理方面發(fā)揮著重要作用。在過(guò)去，一個(gè)水委會(huì)只分管幾個(gè)堤壩和溝渠，保護(hù)附近的幾個(gè)社區(qū)。但水委會(huì)的架構(gòu)在不斷改革，水委會(huì)的數(shù)目已從1850年的3500多個(gè)精簡(jiǎn)至2018年的21個(gè)。水委會(huì)之間的合作也在逐步加強(qiáng)。
在這樣的背景下，2010年荷蘭的水委會(huì)聯(lián)盟聯(lián)合頒布一份重要文件——《NEWs：荷蘭2030年污水廠路線圖》。NEWs是荷蘭應(yīng)用水研究基金會(huì)（STOWA）在2008年提出的一個(gè)理念，三個(gè)大寫(xiě)字母分別指Nutrients、Energy和Water，其目標(biāo)是將在公眾眼里又臭又臟的“糞水廠”，變成生產(chǎn)再生水、清潔能源和高附加值原材料的高科技工廠。
十年彈指一揮間，許多污水廠開(kāi)始了各自的升級(jí)轉(zhuǎn)型之路。我們來(lái)看看其中的一些代表污水廠。
阿姆斯特丹西污水廠
阿姆斯特丹西污水廠(WWTP Amsterdam West)于2006年投產(chǎn)運(yùn)行，選用改良的UCT工藝(mUCT),處理人口當(dāng)量約100萬(wàn)人，是荷蘭最大的污水廠之一。
該廠的特點(diǎn)在于污水廠和焚燒廠共生。污水廠本身有傳統(tǒng)的污泥厭氧消化系統(tǒng)，沼氣年產(chǎn)量約1200萬(wàn)立方米，共用給隔壁的廢物焚燒廠(AVI)。污水廠的污泥也在此得到焚燒處理。焚燒廠的熱值利用率高達(dá)90%。除了處理污水廠的污泥，焚燒廠還為污水廠供應(yīng)電力(20000+MWh/年)和熱水(85000GJ/年)。此外，還有剩余的電力和余熱并入阿姆斯特丹的綠色電網(wǎng)和供暖系統(tǒng)。
但污水廠并沒(méi)有因此停下優(yōu)化的腳步。2013年，污水廠安裝了磷回收設(shè)備(FOSvaatje)，結(jié)合Airprex工藝，從污水中回收鳥(niǎo)糞石，每年產(chǎn)量約500噸，預(yù)計(jì)最終穩(wěn)定產(chǎn)量為900噸。這個(gè)設(shè)備除了實(shí)現(xiàn)磷回收，更重要的目的是解決管道的結(jié)垢問(wèn)題。
2019年，為了減少溫室氣體N2O的排放問(wèn)題，他們和歐洲地平線2020項(xiàng)目FIWARE4Water合作，在其中一條處理線行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，安裝了傳感器，結(jié)合人工智能算法，將對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)三年的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。屆時(shí)，相信污水廠的能效將得到進(jìn)一步的提高
Garmerwolde污水廠
Garmerwolde污水廠位于荷蘭北部的格羅寧根市，建于1979年，目前處理能力約70000m3/天(人口當(dāng)量37.5萬(wàn))。這個(gè)污水廠的亮點(diǎn)在于同時(shí)應(yīng)用了厭氧氨氧化工藝和好氧顆粒污泥工藝。
其實(shí)能耗本不是該污水處理廠的主要問(wèn)題。因?yàn)樗茉缇陀袇捬跸に噥?lái)處理污泥，回收能源能覆蓋廠區(qū)60-70%的電耗。隨著時(shí)間推移，污水廠原有的A-B工藝的處理能力跟不上滿足周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，所以負(fù)責(zé)的水委會(huì)先后對(duì)污水廠進(jìn)行了兩次升級(jí)改造：第一階段是于2005年，引入SHARON側(cè)流脫氮工藝，以減少厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氨氮負(fù)荷。第二階段是于2013年引入好氧顆粒污泥工藝，以滿足新增處理負(fù)荷的需求。
污水廠引入好氧顆粒污泥的部分原因是因?yàn)樵诘谝浑A段工程結(jié)束不久，當(dāng)?shù)仡C布的新的出水標(biāo)準(zhǔn)(總氮<7mg/L和總磷<1mg/L)，這對(duì)舊工藝來(lái)說(shuō)十分困難，但當(dāng)時(shí)剛面世的好氧顆粒污泥工藝卻能達(dá)標(biāo)排放，所以他們最終選擇了荷蘭的Royal HaskoningDHV公司的Nereda好氧顆粒污泥工藝，日處理力量為28600m3。
好氧顆粒污泥工藝的占地面積雖然遠(yuǎn)小于A-B工藝，但能應(yīng)付廠區(qū)總處理量的41%。運(yùn)行數(shù)據(jù)則顯示(下圖)，好氧顆粒污泥的能耗顯著低于AB法工藝(0.17 kWh/m3 vs 0.33kWh/m3)。此外好氧顆粒污泥在脫氮除磷以及污泥產(chǎn)量等方面都有顯著優(yōu)勢(shì)。
此處小編有個(gè)小感慨：在《NEWs：荷蘭2030年污水廠路線圖》的報(bào)告里，A-B工藝本來(lái)是專(zhuān)家們推薦技術(shù)，但各地水委會(huì)并不會(huì)一窩蜂地采納A-B工藝，它們還是根據(jù)實(shí)際情況對(duì)所屬的污水廠進(jìn)行升級(jí)改造。事實(shí)上，在過(guò)去十年里，好氧顆粒污泥似乎是有點(diǎn)后來(lái)者居上的勢(shì)頭。
荷蘭2030能量工廠的初始推薦路線圖| 圖源：stowa
Epe污水廠
我想介紹的第三座污水廠叫Epe污水廠，因?yàn)樵谛【幙磥?lái)，它是污水廠能量回收和資源利用的典范。2011年，第一座好氧顆粒污泥污水廠在Epe污水廠投產(chǎn)使用。采用新工藝后，該污水廠立即成為荷蘭全國(guó)能耗最低的市政污水廠。Epe污水廠最近又多了一個(gè)史上第一的稱(chēng)號(hào)——它是第一座從純市政污水中回收藻酸鹽的城市污水廠。
Epe污水廠鳥(niǎo)瞰圖| 圖源：Royal HaskoningDHV
荷蘭的污水科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，除了出眾的沉降性能之外，好氧顆粒污泥還富含胞外聚合物(EPS)，而在這些EPS里，藻酸鹽(Alginate)含量高達(dá)20%。
藻酸鹽是種高附加值的生物聚合物，當(dāng)它和不同原材料結(jié)合之后，會(huì)有神奇的效果，例如可做成親水或疏水性材料，放大和延伸原有材料的特定屬性。據(jù)介紹，它的潛在用途就是充當(dāng)各種涂層：
種子的“智能保護(hù)層”，幫助幼小的植物更好地吸收養(yǎng)分，增強(qiáng)對(duì)疾病的抵抗力，長(zhǎng)得更快；
顆粒肥料的涂層，可以讓肥料的分布更均勻；
混凝土養(yǎng)護(hù)涂層，確?；炷恋墓袒^(guò)程良好進(jìn)行，防止干裂。
他們將這種神奇物質(zhì)取了個(gè)挺酷的名字，叫Kaumera Nereda? Gum的新材料?！癒aumera”一詞源自新西蘭毛利語(yǔ)，意為“變色龍”，以此顯示藻酸鹽用途的多樣性。
生產(chǎn)藻酸鹽還有個(gè)好處，就是可以減少污泥產(chǎn)量。荷蘭人早在2017年就在Zutphen污水廠建造了第一座藻酸鹽加工廠，并于2019年投產(chǎn)運(yùn)行。運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示Zutphen污水廠的污泥處理量減少了20-35%。
全球首座生產(chǎn)藻酸鹽的污水廠| 圖源：Rijn & IJssel水委會(huì)
Zutphen污水廠目前仍是世界最大的藻酸鹽加工廠，規(guī)模為400噸/年。但那里的加工原材料是工業(yè)廢水。無(wú)論是流量、溫度和污染物成分，市政廢水的波動(dòng)性都更大。在Epe污水廠上馬的項(xiàng)目就是要證明這些波動(dòng)不會(huì)影響藻酸鹽的生產(chǎn)。
Epe污水廠的藻酸鹽提純?cè)O(shè)備| 圖源：Vallei en Veluwe水委會(huì)
能量工廠總覽
為了讓公眾更好地了解荷蘭水資源回收工廠的項(xiàng)目進(jìn)展，荷蘭水委會(huì)聯(lián)盟早在幾年前就建了一個(gè)網(wǎng)站（efgf.nl），匯總了荷蘭污水廠向能量和資源工廠轉(zhuǎn)型的最新資訊。截止到2019年，荷蘭的已經(jīng)建成了12座能量工廠，有11座在籌建中，另外還有兩座在調(diào)研階段。
荷蘭能量工廠分布| 圖源:EFGF.nl
除了上邊介紹的三座污水廠，荷蘭還有不少污水廠用厭氧消化來(lái)回收污泥的潛能能源，例如Tiel污水廠就稱(chēng)能夠?qū)崿F(xiàn)能量中和。
Tiel污水廠的厭氧發(fā)酵設(shè)備| 圖源：besix
荷蘭污水廠除了厭氧消化，一般還會(huì)和其他工藝結(jié)合，例如Apeldoorn污水廠用到了DEMON的側(cè)流厭氧氨氧化，Amersfoort污水廠則用到了Pearl的磷回收工藝。當(dāng)然，荷蘭污水廠還有其他途徑來(lái)豐富能量來(lái)源，例如Rivierenland水委會(huì)在污水廠旁建造光伏太陽(yáng)能公園。
Rivierenland水委會(huì)的污水廠| 圖源: skao
除了在傳統(tǒng)工藝上進(jìn)行優(yōu)化，荷蘭有些水委會(huì)還有更大膽的嘗試：Vallei en Veluwe水委會(huì)在2018年宣布要建一座“多合一污水廠”，工藝流程將包括雨污管道的分離、模塊化組件、電絮凝、DAF溶氣氣浮工藝、納濾、反滲透和離子交換法等運(yùn)行目標(biāo)是氮磷回收率提高75%，醫(yī)藥殘留物去除率80%，污泥產(chǎn)量和化學(xué)品用量減少90%。
Wilp水工廠的工藝流程圖和中試實(shí)景| 圖源：Vallei en Veluwe水委會(huì)
2050年的目標(biāo)
通過(guò)上邊的案例可以看到，在邁向碳中和的路上，荷蘭污水廠已經(jīng)走得好前好遠(yuǎn)。但小編也注意到，他們近幾年也很少提2030年的目標(biāo)了，反而提出了一個(gè)要在“2050年實(shí)現(xiàn)全面循環(huán)經(jīng)濟(jì)體”的新目標(biāo)。難道連他們也覺(jué)得2030年要讓所有污水廠實(shí)現(xiàn)能量自給有點(diǎn)困難？
不管怎樣，習(xí)大大給我們定的目標(biāo)是40年后的事情了。像我這種看著各種“中國(guó)奇跡”、“中國(guó)速度”長(zhǎng)大的80后，對(duì)我們自家污水界的未來(lái)還是有點(diǎn)信心的。再說(shuō)，到時(shí)真完不了目標(biāo)，也沒(méi)什么大不了。重要的是，我們現(xiàn)在是否已經(jīng)走在行動(dòng)的路上了。畢竟，路還是得靠污水工程師們走出來(lái)的，不是靠我這種小編寫(xiě)出來(lái)的。
參考資料
1.https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/ab0b54/pdf
2.https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/ew/c9ew00905a
3.https://www.stowa.nl/publicaties/news-dutch-roadmap-wwtp-2030
4.https://www.uvw.nl/wp-content/files/Roadmap%20Wastewater%20management.pdf
5.https://www.noorderzijlvest.nl/ons-werk/beheer-onderhoud/beheer-bouwwerken/rioolwaterzuivering/rwzi-garmerwolde/
6.https://www.skao.nl/en/news-item/Duurzame-primeur:-ook-waterschappen-aan-de-gang-met-CO2-Prestatieladder
8.https://www.besix.com/en/news/tielopeningofa100energyneutralsewagetreatmentplant
9.https://www.colsen.nl/en/services/sludge-energy
10.https://ec.europa.eu/environment/europeangreencapital/wp-content/uploads/2016/12/Indicator-9-Wastewater-treatment_Nijmegen-2018-def.pdf
11.http://www.except.nl/en/projects/175-dnv-waste-water-chains
12.https://www.efgf.nl/producten/energie/
13.https://www.arcam.nl/en/rioolwaterzuiveringsinstallatie-rwzi/
14.https://www.waternet.nl/innovatie/Technologie/onderzoekstraat-rwzi-west/
15.https://www.fiware4water.eu/demo-cases/netherlands-intelligent-control-wastewater-case
16.https://waterprojectsonline.com/custom_case_study/nereda/
17.https://www.vallei-veluwe.nl/toptaken/bij-mij-in-de-buurt/in-voorbereiding/waterfabriek-wilp/