18項未來污水處理節能技術報告：改善現有污水廠能耗效率
第一期：改善現有污水處理廠的能耗效率：
2015年，美國水環境研究基金會WERF、國際水協會IWA以及紐約州能源研究與發展局NYSERDA聯合發布了一份名叫AssessmentofTechnologyAdvancementforFutureEnergyReduction的報告。這份報告對18個專項技術領域進行了評估，評估內容包括其技術成熟度、對行業產生的影響以及推廣應用潛力等方面。這份報告將18個專項技術領域劃分為了三大主題進行評估分析，IWA微信公眾號將向讀者分四期分別進行介紹。第一期的主題是改進現有污水廠的能耗效率(ImprovingEnergyEfficiencyinExistingTreatmentFacilities/Processes).
該報告分析了包括厭氧氨氧化（主流短程脫氮）、厭氧微生物群落的基礎理論的深化、生物沼氣的加工、厭氧消化的預處理工藝以及好氧顆粒污泥系統。報告結果顯示，主流短程脫氮和熱解/氣化最有可能在近期得到工程化實踐。這幾項技術是報告所評估技術中最成熟的，而且它們的實施投放也相對較短；同時，主流短程脫氮和主流厭氧處理則被認為能在近期對污水行業的能源利用產生重大影響。另外報告也強調，厭氧微生物種群的基礎研究是對上述兩項技術日后發展，以及對既有厭氧消化技術優化的關鍵助力因素。專家認為研發新技術實現厭氧微生物種群系統功能的實時監測是這方面研究的關鍵所在。
厭氧氨氧化（主流短程脫氮）
主流厭氧氨氧化脫氮工藝利用了氨氧化菌AOB和Anammox菌的協同作用，無需外界碳源，即可將氨氮轉化為氮氣，整個過程需要更少的氧氣，因此能減少因曝氣產生的能耗；另一方面由于抑制亞硝態氮氧化菌（NOB菌）而減少的SRT也將有助提高系統單位體積的處理能力。這個工藝已經廣泛用于處理污泥經脫水后產生的高濃度側流液。如今大家正在研究它應用在主流處理的可行性。
主流厭氧氨氧化脫氮工藝需要對系統進行連續監測，及時對運行進行調整，對自控系統有很高的要求。另外一個重要難度在于出水水質的限制：這個工藝需要保證反應系統的出水氨氮保持在2-3mg/L的水平，但是該濃度可能并不符合出水氨氮有嚴格標準的污水廠的要求，所以還需要進一步深度處理。
能耗方面，專家們認為該工藝的一個主要亮點在于它不需要外加碳源，所以能盡可能地回收前置工藝的碳源用于厭氧消化，這也進而減少了生物反應池的曝氣需求。可用的前置工藝包括了a）主流厭氧處理，b）A段吸附反應器(可按需選擇是否投加化學品)，c）強化初沉處理。選擇不同的前置工藝對能耗的影響也是不同的，因為它們會影響不可溶、可溶和膠體狀碳源的分布比例。該工藝技術的另一個能耗優勢在于它對DO的要求更低。
加深對厭氧微生物群落的理解
要實現能量自給甚至能量盈余的污水廠，很大程度依賴于厭氧系統的應用。這需要對異養厭氧微生物群落有更深入的認識，在此基礎上把厭氧技術應用于二級/主流處理和現有厭氧消化的優化。這方面的研究例子包括：
微生物生態學的研究，優化微生物群落
研究生物反應中的中間產物
理解電子轉移、生物膜和顆粒
從根本上搞懂群落結構的變化，包括其負荷以及物質組成
識別各種代謝路徑，提高消化效率
研究短期厭氧接觸絮凝機理
回收碳源并用于脫氮
利用微生物產氫而不是用產甲烷菌產甲烷
搭建可以優化系統的模型供設計開發所用
研究厭氧消化不同階段的產出和動力學
為運行人員優化控制系統
改進低溫下的厭氧工藝表現(<12°C)
專家們認為分子生物學的工具為加深大家對厭氧微生物的認識提供了很好的平臺。特別是以RNA為基礎的宏基因組測序技術，使人們能更好地理解系統組成和各部分的功能。另外一些對蛋白活性的研究也是很有幫助的。但要讓這些技術發揮更大的效能，需要找到和現有的實時監測技術相結合的途徑，而且還需驗證能否成功將其它從實驗室研究轉化到污水廠實際應用。
通過加深對厭氧微生物的理解和認識，一個最終極的問題將可能得到回答，即我們是否能夠人工設計微生物群落和工藝。不過在此之前，我們仍需要先研發出更好的工藝控制和設計模型。
生物沼氣的加工提純
生物沼氣的調節系統已有成熟的行業標準，以除原始沼氣中的雜質，例如水、硫化氫、二氧化碳和硅氧烷等物質。這些步驟需要耗費能源，如何提高提純技術的能效是問題關鍵。目前還是遇到很多難題，例如：
使用再生吸附技術時會造成甲烷的損失
去除硫化氫需要頻繁更換媒介載體，而且耗費很多人工費用
溶劑分離技術的工藝復雜，而且表現數據有限
厭氧消化的預處理工藝
近幾年涌現了許多厭氧消化的預處理工藝，尤其是那些能破壞“頑固”的細胞結構和顆粒物的技術。這些預處理工藝能提高消化的速率、生物沼氣的產量、殺菌或提高脫水性能，以及減少反應器體積。
其中，熱水解已經得到了商業應用的驗證，并吸引了廣泛的關注，而其他技術還在研發當中。專家們對這些技術的綜合點評如下：
另外有些專家還提及了諸如生物預處理、臭氧、電子束技術等技術，但并沒有作詳細的描述。總的來說，這些技術都面臨以下問題：
對具體污水廠的甲烷增量和污泥減量的預測能力
對現有污水廠的設備進行改造的障礙
減少能耗和實現生命周期的可持續性
如何獲得業主的信任，尤其是在一些早期工藝不成功的時候
如何預判工藝對回流污泥、污泥粘性和流變學（rheology）的影響
能否把處理范圍擴大到剩余污泥之外的物質
好氧顆粒污泥
好氧顆粒污泥使生物質處于顆粒結構而不是絮狀結構，實現了對污水的二級處理以及脫氮除磷。在此工藝里，顆粒污泥的內部結構有好氧和厭氧/缺氧層之分，所以脫氮除磷和COD的去除是同時進行的。另外，顆粒污泥反應器可以在更高的生物質濃度下運行，提高了負荷率，又能維持較長的SRT來完成穩定的硝化。反應器一般以SBR的形式設計。能耗方面，一些好氧顆粒污泥系統能在低DO值下運行，同時實現總氮的去除。WERF也專門為此開設了一個研究項目。
從上表的調研結果可以看出，美國污水處理界對NEREDA顆粒污泥的態度依然非常謹慎。
未完待續
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