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王凯军:环保产业是下一个“无碳”燃料技术的主角

时间:2021-05-07 09:00

来源:中国水网

作者:王馨整理

  

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“绝大部分人,是因为看见而相信,只有很少的一部分人是因为相信而看见”,在“2021(第十九届)水业战略论坛”上,清华大学环境学院教授、国家环境保护技术管理与评估工程技术中心主任王凯军引用了马云的名言。

  论坛上,王凯军用“变”与“不变”这对哲学命题,指出目前水处理技术正在快速发展,即有很多行业“视而不见”的变化,也有正在带来行业百年未有的变局与机遇,行业要掌握“变”与“不变”的规律性,顺应时代发展的潮流。

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  王凯军

  水处理技术中的“不变”

  辩证法认为,事物本质的内在规定性是不变的,具有稳定性、长期性和坚韧性,王凯军表示,在污水处理行业,不变的是污水处理的基本原理。

  在污水处理发展初期,一大批大型污水处理厂普遍采用了传统的技术路线,很多人不以为然。回来,采用了不用初沉池和不用消化池的简单的氧化沟技术,但是如今看来,这对于我国实现碳达峰与碳中和的“30、60”目标,是非常不利的,总结起来有四个突出问题:

  问题一:普遍采用延时曝气的氧化沟工艺,造成高能耗;

  问题二:缺少初沉池,造成高能耗;

  问题三:缺少初沉池,造成无机分和含沙量高运行困难;

  问题四:不设污泥消化池,缺少温室气体控制的抓手。

  水处理技术中几个“视而不见”的变化

  出水标准的提升,导致工艺流程发生众所周知的变化,对其视而不见

  王凯军指出,污水行业近些年最大的变化,是地方的污染物排放标准日趋严格,同时出水标准的提升,导致工艺流程发生变化。

  如排放标准从一级A出水提升为准IV类出水,在工艺上就从传统的高密沉淀池+V型滤池等,转变为采用纤维转盘滤池或活性砂滤池或混凝沉淀等,或者在标准配置中添加更为复杂的工艺。

  显然,二沉池的负荷没有必要那么保守,因为“变化”了的工艺流程中有后续单元保证出水的悬浮物浓度达标,而以前这是单纯靠二沉池保证的。这是非常有意义的,因为二沉池土建和设备占总投资的15-20%。如果提高一倍负荷,可以节省投资10%,不用投资就提高投资回报率2-3点。提高公司的竞争能力。

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  二沉池占地面积极大,替代工艺需求迫切

  王凯军团队调研了我国上百个地上污水处理厂,对参数进行统计分析后,王凯军指出,目前,我国地上污水处理厂中的沉淀池占地面积普遍可观,最高可占主要构筑物比例在50%,最低也在20%以上。

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  目前,地下式污水处理厂生化和二沉池占地70%以上,这也在一定程度上造成了地下污水处理厂基建造价较高,投资为地上污水厂的1.5-2倍以上。

  对沉淀技术迅速发展视而不见

  王凯军十年前在水业战略论坛就分析过所谓的高效好氧生物反应器技术,顾名思义的三个要素是“好氧”、“生物”和“反应器”。目前,大部分环保企业关注好氧部分的精确曝气,精确控制,自动控制,曝气头等等,实际上,这三个要素是同等重要的。

  以“生物”为例。“生物”部分既需要数量即“浓度”,也需要质量即“活性”,数量的保持需要“沉淀和分离”。

  王凯军指出,目前,一系列沉淀技术正在迅速发展,如果这些技术能够受到行业的普遍关注,就能推动污水处理工艺得到大幅提升。

  二沉池升级工艺一:加载沉淀Biomag技术

  加载沉淀Biomag技术是近几年比较主流的磁分离技术,具有沉降速度快、表面负荷高的优势,能有效减少占地面积,同时有效增加污泥浓度,可达到8~12 mg/L,表面负荷可由传统0.5~1提升至2-4 m/h。

  从监测数据可以看出,在不需要过滤与滤池的条件下,可以实现BOD<5,总磷<0.2mg/L。近些年,比较有代表性的是,清华大学和中持股份技术团队在此技术基础上进行深入研究,目标是将水处理量提高三倍。

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  二沉池升级工艺二:接触沉淀技术

  “接触沉淀一体化沉淀”技术取代了常规的“沉淀”+“过滤”两段工艺。

  接触沉淀一体化沉淀技术源于古老的技术思路,在二沉池上加特殊的滤层, 使沉淀跟过滤相结合,节省了高效沉淀池。实现过滤流速达4-10m³/㎡·h,滤后出水的SS(悬浮物)<5mg/L,远优于一级A标准的10mg/L,设备运行能耗成本实现小于0.01元/吨水。

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  二沉池升级工艺三:纳米絮凝剂复合沉淀

  纳米絮凝剂是一种含有纳米粒子结构的高分子无机有机复合絮凝剂,能有效提高絮凝效果。纳米絮凝剂操作简便,可以实现一步稀释,并且无需新建构筑物,节省基建投资,具有反应时间短,沉降效果好的特点,同时还可以辅助除磷。

  王凯军指出,如今标准在不断变化,新的工艺层出不穷,然而,行业的设计思路还停留在几十年前。实际上,由于二沉池的出水面对的不是水环境,因此完全可以考虑采用更好的技术缩短二沉池的停留时间。提升后的新型二沉池具有诸多突出优势:

  优势一、在污水处理厂占地实现提标改造,提升处理水平和增加处理水量;

  优势二、节省新建二沉池占地(达30%以上),省却砂滤池/高密池;

  优势三、有效降低地下式污水处理厂二沉池建设投资;

  优势四、简化流程、集约建设、创新工艺。

  污水处理要顺应时代发展和国情的变化

  在国际上,欧美等国家基本上在60年代末期,实现了60%左右的城镇化率,如美国,城镇化率从30%增长到60%,用了近70年,到上世纪60年代城市化完成后,才开始大规模建设污水处理厂。而我国从2000年开始城市化的高速发展,用近20年时间,城镇化率从30%提高到2020年末的60%,城市与污水设施共同建设,带来了污水设施“邻避”问题。

  以德国柏林以及我国苏州污水处理厂分布情况进行对比可以看出,柏林的污水厂广泛分布于城市外围地区,而苏州的污水厂全部位于城市中央,与城市公园毗邻。“邻避”效应带来的最大问题是造成了城市土地价格的降低。

  污水处理厂严重影响了周边地区的土地价值。以北京方庄地区和陶然亭地区为例,从链家网站(bj.lianjia.com/)抓取了北京市2017年某日和2016年某日的所有房价信息,构建双重差分模型,分析其对周边经济社会影响。结果表明,处理规模为8万m3/d的某污水厂,直接投资2亿元(5%),直接占地73亩,价值7.5亿(15%),对周边3.2 km2房价抑制金额为45.8亿元(80%)。可见,传统地上式污水处理厂会严重影响周边地区的土地价值。与此形成鲜明对比的则是城市公园的存在,例如陶然亭公园对周边房价有大幅度的正面提升功能,这一问题发人深思。

  王凯军引用了美国国家人文科学院院士,小约翰·柯布曾公开表示:“生态文明建设是中国在社会发展方面的创举,直接进入生态文明的发展抉择,带给中国一个千载难逢的伟大机会,这个机会是中国独有的领导世界的机会”。

  清华大学于2015年适时组织了“聚焦地下污水处理厂”的高峰论坛,听取多方意见。经过会议的讨论提出,应当站在时代的角度、宏观审视地下污水厂的现象,发挥和利用其优势,顺势而为。也正是在此次论坛中,王凯军首次提出将污水处理厂的“负资产”变为生态的“正资产”的理念,将被动建设转化为主动追求,从生态友好、环境友好、社区友好几个方面来实现转变。(相关阅读:王凯军:地下污水处理厂的价值分析

  秉承生态文明理念,提出“地下厂V2.0”

  2016年10月,清华大学再一次召开关于污水处理厂建设高峰论坛,提出了将城乡生态综合体建设与地下污水厂相结合,进一步推动“负资产”向“正资产”的转变,并且明确提出,把地下污水厂作为抓手,推动生态文明建设的“地下厂V2.0”的理念。

  “地下厂V2.0”将污水处理建设与提供生态景观、休闲娱乐、科普教育、科技研发、湿地绿化等公共服务功能有机融合,地上地下统筹,形成了一个生态综合体的建设。秉承生态文明理念,实现人与自然、人与人、人与社会和谐共生、良性循环、全面发展、持续繁荣为基本宗旨的社会形态。

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  地下厂V2.0

  顺应时代变化,“地下厂V3.0”是未来趋势

  “十九大”提出,在新时代,大国治理需要转向公共服务,王凯军指出,在城市双修和城市有机更新进程中,在补齐城市基础设施和公共服务设施的短板方面,地下污水处理厂应该起到主导作用。

  目前,我国的城市基础设施和公共服务设施与世界水平仍有差距,日本人均体育场面积是中国的13倍,美国博物馆数量是中国的7倍,人均为中国30倍,而V3.0地下污水厂,可以实现以污水厂为载体,综合社会服务功能,如为城市提供公园绿地、体育场、博物馆等区域,有力的补齐这些短板。

  目前,中国水环境集团已经在成都打造了地下厂生态综合体的升级版。成都科学城生态水环境项目采用 “环境友好、土地集约、资源利用”的下沉式再生水厂技术理念,集环境污染治理与公园城市建设于一体,实现“一地三层多用途”。污水处理在地下完成,地面建设景观活水公园、运动场、儿童娱乐设施等,占地仅为传统地面式污水厂的1/3,显著降低土地、管网投资,有效解决“邻避”难题。

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  王凯军表示,中国的城市发展与国际走上了不同的路,我国污水处理的发展,也顺应时代,走出独具中国特色的道路。而地下污水厂,正是顺应了时代发展的潮流。

  行业百年之大变局的机遇

  王凯军表示,大约在15年前,基于浓缩技术面向未来的工艺开发,瓦赫宁根大学环境技术系的Rulkens教授提出膜浓缩的概念,认为污水处理完全用膜技术就可以处理。

  王凯军团队在过去的十年中,对膜浓缩进行了深入研究,在膜浓缩领域发表中英文期刊论文30余篇,目前是全世界范围在这一领域的领导者。

  王凯军团队自主研发的碳源膜浓缩反应器,经过生产性验证的结果与前期小试结果基本吻合,膜浓缩反应器能够实现较稳定的污水浓缩效果(85%以上),并且出水水质非常好,仅从COD指标来看已经达到了一级A的要求。

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  王凯军指出,碳源膜浓缩反应器工艺的突破性进展,给行业带来了三点重大变化:

  变化一:改变了能量流和物质流方向。超过90%的碳源被浓缩,转化成污泥。

  由于能量流的变化,活性污泥工艺中有40%的COD转化成污泥,40%被厌氧消化,只有16%的COD变成了沼气等能源。

  而浓缩膜工艺中,90%的COD转化成污泥,其中可降解率达到60%,因此54%的COD能转变成甲烷,与活性污泥工艺相比,可回收的能量大于三倍以上。

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  变化二: 带来了低浓度氨氮处理的技术需求。

  变化三:存在能源自给率和发酵新途径, 在能源自给方向上,需要探索一些新的内容。

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  未来V1.0版:厌氧氨氧化(ANAMMOX)

  厌氧氨氧化(ANAMMOX)是传统污水处理颠覆性理论,可以实现碳平衡和能量自给,厌氧氨氧化(ANAMMOX)颠覆了传统脱氮过程理论,分别减少能耗和碳源消耗(-40%),给污水处理行业提供了无限的可能。目前,全世界范围内都在对厌氧氨氧化(ANAMMOX)进行中试,准备生产性的研究。

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  未来V2.0版:新型短流程双膜工艺

  目前王凯军团队基于MBR改进的双膜工艺,正在研究一种新型短流程双膜工艺,连接反渗透膜之后,使出水COD降低至5mg/L以下,氨氮处理率达到70%-80%,出水达到了新生水水质。

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  未来V3.0版:MCDI电吸附&离子交换

  同时,正在自主研发的MCDI电吸附&离子交换技术也已经进入到中试阶段,这些技术的革新,确实给处在百年未有之大变局的水行业带来了更多可能性。

  基于膜浓缩技术面向未来的工艺开发

  在氨氮实现浓缩以后,固体氧化物燃料电池(SOFC)成为了成熟的技术。氨氮提供了新的能源,这是减排另外一个重要途径。

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  在发言最后,王凯军引用了马云的名言:“绝大部分人,是因为看见而相信,只有很少的一部分人是因为相信而看见”,他表示,“目前,澳大利亚计划每年生产1000万吨氨,向日本出口,日本已经制定计划,到2050年使用3000万吨可再生氨,减少传统发电厂和日本航运的排放,这些趋势确实给我们提供了一个百年未有的大变局,节能环保产业应该是下一个‘无碳’燃料的氨经济技术的主角。”

编辑:王媛媛

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