灵活性和适应性 – 未来水资源回收厂的关键要素
Flexibility and Adaptability are the Essential Elements of the Water and Resource Recovery Facility of the Future
Glen Daigger博士是前国际水协主席（2010-2014）、美国工程院院士、CH2M （西图）的前高级副总裁兼首席技术官，目前是密歇根大学市政与环境工程学院的教授，也是One Water Solutions咨询公司的主席和创始人。在过去几年里，他一直在大力推动水资源回收厂(Water Resource Recovery Facility，简称WRRF)理念的传播，改变大家对污水处理厂的传统认识。他在不同场合都谈到污水厂的灵活性和适应性的重要性。去年，他在IWA期刊Water Practice & Technology发表了题为“Flexibility and Adaptability: Essential Elements ofthe Water and Resource Recovery Facility of the Future ”的文章。
▲ 美国能源部2015年的官方报告中对WRRF的整体概念描述图 © energy.gov
未来水资源回收工厂必须要满足各种功能性的要求（表1）。实际上WRRFs可以成为一个基于生物技术的经济有机体（bio-based economy）。
▲ 表1. WRRF的功能要求
大家对环境治理的要求随着时代进步而变化，诸如污水厂、垃圾处理厂等环保基础设施必须适应这些变化。举个例子，一个集中式的WRRF可能就是从一个只确保废水达标排放的污水厂逐步转变为若干个更小型的功能划分更细化的资源回收工厂。
污水资源化技术在快速演变，我们有了更多的选择，例如：
厌氧氨氧化的发现及其商业化应用的快速普及
从废水中回收能源日渐受到社会和政府的重视，这促进了厌氧消化技术的进一步发展
膜技术和其他深度水处理技术（如UV、高级氧化和生物活性炭BAC）促进了水回用的发展
磷回收目前是一项示范技术，各种基于生物和电化学技术的回收工艺正在不断发展中。
这些趋势预计会随着生物技术和材料科学(纳米技术)的进步而得到进一步的发展。正因为这样，未来水资源回收工厂（WRRF）不仅需要适应各种功能性要求的变化，还要应对变化的技术。
因此WRRF的设计不能仅针对特定的一些功能性要求或技术做设计。相反，灵活性应该成为污水处理厂设计的首要考虑要素。在一些技术甚至还没诞生的时候，我们怎么能设计一个能适应各种不确定的要求和变化的WRRF呢？乍看上去这是个不可能的任务，但历史告诉我们是可行的。
实际上许多WRRFs已经有几十年的运行历史，也已经经历了若干次标准和技术的升级。因此，我们其实是有相对充足的经验来对WRRF的布局和配置做决策的。这些经验能给一座新的WRRF的新建或者污水厂的升级提供很好的参考。
WRRF的功能性需求
Daigger博士认为WRRF在设计时要考虑的内容可以分为五大部分，包括了：水力负荷和处理能力的扩展、处理水质要求、厂房布局、污泥处理、美观和臭气处理。其中重点阐述了处理水质要求和厂房布局的要点。
水质要求
处理水质要求随着时代变化而变化，这也驱动着处理技术的变化，这也会对污水厂的设备配置和布局产生显著影响。下边的表2总结了WRRF的可能处理目标和对应的技术选择。
▲ 表2. WRRF的潜在处理标准以及对应的技术选择
去除有机物无论是目前还是将来都会是污水处理的首要目标。它可以通过氧化的方式得以去除，但对于WRRFs而言，有机物的捕获是日渐增长的技术选择，这不仅减少了后续所需曝气量，还能对捕获的有机物进行厌氧发酵回收沼气。这使大家重新对过去使用的高负荷好氧生物处理（high-rate aerobic biological treatment）产生兴趣，因为它能使主流中的有机物捕获最大化，污泥矿化最小化。大家对在主流中直接使用厌氧消化的兴趣也在增加。这些工艺技术的选择将对厂房布局产生重大影响。
出水氮磷的标准也变得日益严格。根据美国EPA2015的数据，一些生态保护区的总磷和总氮标准分别为0.01-0.1mg/L和1-3mg/L，这有可能是未来污水处理厂的出水标准。而目前脱氮除磷的生物或化学技术是可以满足这些标准需求的。除此以外，一些深度处理技术也能满足消毒和微量污染物的去除要求。
通过下表可以看出，钢筋混凝土结构和管网渠道等的寿命是可以很长的，像泵、风机等转动设备次之，所以设计布局的重要一点是要提供更具适应力的工艺反应池来应对不同的目的和处理技术。
▲ 表3. WRRF组成的使用寿命
厂区布局
厂区布局方面Daigger博士建议使用模块化的方法，如下图所示，一开始该厂包含格栅、进水泵、初沉池、传统活性污泥生物处理。然后这个系统经历了四个阶段的扩容，但依然留有空间进行脱氮除磷和进一步的三级处理，如中水回用等。一些会产生臭气和需要经常维护的处理单元就安排在方便出入的入口附近。另外各工序之间应该设有混合点，保证进入下一个工序的进料是统一稳定的，这能对系统进行更好的整体控制。
▲ 模块化设计的WRRF布局示意图
另外，下图展示的是一些WRRFs应对扩建的方法。主要的思路对于处理系统的脊骨（backbone），例如管道等留有充足空间。而两侧的工艺池采用标准化设计，这样能在有需要的时候更灵活对单个某个单元进行改造。
新技术和技术选择
能源自给污水厂一般的工艺包括了初沉处理+高负荷活性污泥/滴滤池生物处理来使主流能耗最小化，另一方面就是对初沉池和二沉池的污泥进行厌氧消化，回收的沼气通过CHP热电联产来满足厂区的供电需求。这对出水要求不是那么严格的地区来说，COD、BOD5和TSS等指标能达标一般是没有问题的。但出水标准的提高，尤其包括了氮磷的去除指标的加入，使得大家偏向使用低负荷活性污泥系统，相应增加了污泥好氧稳定化的能耗。这减少了二级剩余污泥的产量，沼气的产量也少了，生物处理的能耗却提高了，使得WRRFs要向外购买更多能源。
这些因素使得大家重新对例如AB工艺等进行碳捕获的工艺产生兴趣，另外就是自养厌氧氨氧化的脱氮工艺能与其结合，产生出更多的技术选择，尽管哪项具体技术最可靠和实惠的方法仍不明朗。此外大家对磷回收兴趣的增加，而不是简单的除磷，同样影响着工艺的选择。CEPT化学强化初沉池是碳源捕获的其中一个方法，这同时能去除大量的磷，但是因为这些磷是以化学方式去除的，所以却导致其很难进行后续回收。
高负荷生物处理系统（包括悬浮和生物膜系统）和非硝化的生物除磷工艺是另外两个碳捕获选择。这两种选择的脱氮工艺都可以有下游的厌氧氨氧化处理完成。
另一个选择是主流厌氧处理，结合生物脱氮除磷或者生物脱氮+化学除磷。Daigger博士把上述的技术选择总结为下表：
▲ 表4. 碳捕获和脱氮除磷工艺选择
对于这些技术的利弊，可能还需要未来几年时间才能摸清，而相应的支持技术也在不断演变。对此，Daigger博士再次强调在决策上应该将这些因素跟污水厂的布局结合着来综合考虑。
总结
污水处理目标、出水标准和技术都在不断演变，这要求WRRF在设计上要更具灵活性来适应这些持续的变化。
WRRF的厂房布局和工艺反应池的设计不应该仅限于现在的处理要求和技术，而是应该具有应对未来政策要求和技术的包容性。这在技术上实可行的。用Buildingblock的思维来设计布局是一个可行的方法来面对处理能力、处理要求和有机物处理升级的变化，还有就是在美学和环境上的考虑。只有能帮助污水厂应对变化的设计规划，才是通往未来水资源回收厂的正道。
参考资料
Glen Daigger, Flexibility and adaptability: Essential elements of the WRRF of the future, Water Practice & Technology. March 2017, 12 (1) 156-165; DOI: 10.2166/wpt.2017.019