人類(lèi)目前面臨的環(huán)境壓力迫使我們不得不發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，而強調納入生態(tài)循環(huán)的藍色發(fā)展則突顯人類(lèi)回歸自然的屬性，也是對我們祖先“天人合一”信念的堅守。傳統污水處理固然可以清潔污水，但高能耗、高物耗摧毀其中資源/能源的作法難以持續維系。鑒于此，經(jīng)過(guò)多年務(wù)實(shí)國內外合作，我們特意打造了旨在物質(zhì)/能量循環(huán)、碳中和運行、智慧控制多重目標的“藍色水工廠(chǎng)（Blue Water Factories, BWFs）”。藍色水工廠(chǎng)核心技術(shù)是好氧顆粒污泥（AGS）及其高值類(lèi)藻酸鹽（ALE）回收工藝，輔以前端纖維素篩分與后續污泥焚燒電/熱 、磷、金屬回收工藝，出水作為副產(chǎn)品被提取熱/冷量后回用?？傊?，藍色水工廠(chǎng)在最大程度獲取資源、能源的同時(shí)可實(shí)現對環(huán)境的“凈零（Net-zero）”影響。本期詳述藍色水工廠(chǎng)之框架與涉及相關(guān)技術(shù)。
01 藍色水工廠(chǎng)框架
藍色水工廠(chǎng)基于生態(tài)循環(huán)理念，強調低能耗、少藥耗、小空間處理技術(shù)，以回收污水中重要資源與能源為追求目標，把工藝過(guò)程碳中和運行與智慧控制同時(shí)作為目標方向。為此，藍色水工廠(chǎng)核心技術(shù)是好氧顆粒污泥（AGS）及其高值類(lèi)藻酸鹽（ALE）回收工藝，輔以前端纖維素篩分與后續污泥焚燒電/熱回收工藝，出水作為副產(chǎn)品被提取熱/冷量后回用。順便，焚燒灰分磷回收同時(shí)獲得的金屬離子可與海水淡化鹵水（陰離子）耦合生產(chǎn)混凝劑，殘余灰分用則用作建材。
藍色水工廠(chǎng)框架與核心技術(shù)被集成于圖1，形成以營(yíng)養物、生物材料、熱/電和水回用4個(gè)循環(huán)。所涉及關(guān)鍵技術(shù)為4個(gè)單元：
1）進(jìn)水纖維素篩分；
2）好氧顆粒污泥脫氮除磷工藝及其高值類(lèi)藻酸鹽（ALE）回收；
3）污泥干化焚燒電/熱、磷、金屬回收工藝與混凝劑制造；
4）水源熱泵提取出水熱能后回用。藍色水工廠(chǎng)全系統可在智慧控制下可實(shí)現碳中和運行。
02 涉及技術(shù)/工藝
2.1 資源化預處理：纖維素回收
污水生物處理過(guò)程中纖維素物質(zhì)非但難以降解，還會(huì )增加曝氣量、影響污泥沉淀效果。倒不如在生物處理前端將其篩分出來(lái)用作混凝土、瀝青添加劑等，既減負污水處理又實(shí)現其資源化利用。其實(shí)，纖維素篩分非常簡(jiǎn)單，容易實(shí)現，可在沉砂池后安裝篩網(wǎng)分離。例如，0.35 mm篩網(wǎng)孔徑旋轉帶式過(guò)濾機（RBF）即可分離約80%纖維素。
2.2 生物脫氮除磷與污泥高值資源化
好氧顆粒污泥技術(shù)（AGS）
AGS技術(shù)自它2005年底首先于荷蘭奶酪加工廢水處理廠(chǎng)落地后，全球范圍內趨之若鶩的研究及研發(fā)遍地開(kāi)花。到目前為止，AGS在全球工程應用案例已多達70余例，在我國的工程應用業(yè)已開(kāi)始，且我們自主研發(fā)工程示范項目已落地河南淅川（南水北調源頭）。AGS技術(shù)對缺地新建或既有設施擴容的工業(yè)廢水、甚至市政污水處理都是一種有效解決方案，可同步實(shí)現低碳源生物脫氮除磷。
目前運行的AGS污水處理工藝都是序批式（SBR），連續式可通過(guò)多個(gè)SBR反應器協(xié)同運行得以實(shí)現，亦可開(kāi)發(fā)新型連續流工藝。
高值類(lèi)藻酸鹽（ALE）物質(zhì)回收
AGS剩余污泥中ALE含量高達20%~35%VSS（絮狀污泥僅為9%~19%VSS），其性能可與大型天然海藻（海帶）形成的藻酸鹽相媲美。ALE是污泥具有凝膠特性的重要結構，回收后可用作各類(lèi)防水/防火材料、增稠劑、乳化劑、穩定劑、粘合劑、上漿劑、種子包衣等。如今，荷蘭已興建了兩座提取AGS中ALE的工廠(chǎng)，產(chǎn)品被命名為“Kaumera”（來(lái)自新西蘭毛利語(yǔ)，“變色龍”之意）。目前ALE年產(chǎn)量已達400 t/a，且有望在2030年前突破85 000 t/a。
2.3 污泥干化焚燒與磷及金屬回收
污泥干化焚燒
污泥焚燒已被確定為終極處置方式，AGS污泥在提取ALE后亦可直接焚燒，以最大化有機質(zhì)能源轉化。然而，焚燒前的干化是必不可少步驟，手段多為脫水后（80%含水率）熱干化，需要耗能。利用出水余溫熱能熱交換產(chǎn)生的原位熱源（50~60 ℃）進(jìn)行污泥低溫干化不失為一種熱能有效利用方式。建議廠(chǎng)內分散干化、鄰避效應集中焚燒方式實(shí)施，從而將不能發(fā)電的低品位熱能可間接轉化為可以發(fā)電的高品位熱能（800~1 000 ℃）。污泥高溫焚燒后完全變?yōu)闊o(wú)機灰分，污泥體積可減少至5%~10%，不含任何有機質(zhì)與致病菌，可以提磷回收金屬后用作建筑材料。
灰分磷回收
在各種污水磷回收方法中，污泥焚燒灰分磷回收最為直接和有效，因為進(jìn)水中90%的磷負荷最終都進(jìn)入了污泥。進(jìn)言之，焚燒灰分磷回收成本僅相當于從污水和污泥中回收磷成本的80%和24%，而磷回收效率卻高達90%?？梢?jiàn)，與污泥終極處置路線(xiàn)相一致的灰分磷回收則是未來(lái)可持續污水處理發(fā)展的必然趨勢。
2.4 出水余溫熱能交換與出水利用
出水余溫熱能潛能巨大，是化學(xué)能的9倍。因水源熱泵經(jīng)濟出水溫度一般為50~60 ℃，是低品位能源，不能發(fā)電，只能直接利用。因此，熱/冷就近（3~5 km）直接納入市政熱網(wǎng)是最佳利用方式。在外輸供熱受阻情況下，可以將熱原位低溫干化脫水污泥，亦可在北方寒冷地區冬季加熱進(jìn)水等等。
熱量交換后的出水或作為“副產(chǎn)品”形式的中水回用，或排放水環(huán)境，特別在冬季接近水體環(huán)境溫度的排放屬于生態(tài)排水的范疇。
2.5 碳足跡與碳中和
降低碳足跡并實(shí)現碳中和運行是藍色水工廠(chǎng)的內涵之一。所以，建立準確的碳核算方法，摸清污水處理“碳家底”非常重要。以此為基礎，通過(guò)挖掘污水中潛在有機能和熱能完全可以實(shí)現碳中和、甚至負碳運行。
2.6 基于工藝模擬的智慧控制
區別于儀表自控，藍色水工廠(chǎng)以生物處理工藝過(guò)程數學(xué)模擬心構建智慧控制，且智慧控制系統還可以進(jìn)一步融入碳中和評價(jià)模型，識別碳概念下最佳運行參數與工況。
03 "3E"評價(jià)
3.1 能量平衡（Energy）
我國進(jìn)水有機物濃度較低，很難通過(guò)污泥厭氧消化并熱電聯(lián)產(chǎn)實(shí)現能量平衡，只有出水余溫熱能利用方能彌補能量赤字?；诒狈揭淮笮臀鬯幚韽S(chǎng)水質(zhì)、水量（COD=400 mg/L；Q=60萬(wàn)m3/d）數據，獲得如圖6所示的有機能與熱能平衡。該圖揭示出，污泥焚燒有機化學(xué)能回收與水源熱泵余溫熱能回收結合完全可以實(shí)現污水處理廠(chǎng)能量平衡，且有盈余能量可以外輸使用。
3.2 環(huán)境效益（Environment）
藍色水工廠(chǎng)以實(shí)現污染物零排放，實(shí)現環(huán)境凈零（Net zero）影響作為最高目標，涵蓋零能耗、凈零碳、零固廢與零水耗等4個(gè)方面。
零能耗在圖6中已展示無(wú)遺，同時(shí)凈零碳亦可以實(shí)現（圖7）。副產(chǎn)品中水回用還可以形成零水耗，污泥焚燒及其灰分資源回收利用可以實(shí)現零固廢。結果，藍色水工廠(chǎng)可全面實(shí)現環(huán)境凈零影響。藍色水工廠(chǎng)對環(huán)境產(chǎn)生的綜合影響總結于圖8。
3.3 經(jīng)濟效益（Economy）
藍色水工廠(chǎng)應用低碳高效的好氧顆粒污泥技術(shù)節能、降耗、節地；高值等資源回收可直接創(chuàng )造經(jīng)濟價(jià)值；智慧控制可以顯著(zhù)降低運營(yíng)成本。藍色水工廠(chǎng)好氧顆粒污泥技術(shù)可降低運行成本（按最低30%計），前端纖維素回收與智慧控制措施能降低運行成本約10%。藍色水工廠(chǎng)資源與能源回收可獲得的經(jīng)濟效益有多個(gè)方面，包括：
化學(xué)能與熱能經(jīng)濟效益，分別為0.25元/m3和1.06元/m3。
ALE回收經(jīng)濟效益，折合0.30元/m3。
磷回收經(jīng)濟效益，折合噸水磷回收效益為0.05元/m3。
水回用經(jīng)濟效益，仍取目前的1.10元/m3。
碳交易經(jīng)濟效益，約為0.02元/m3。
計算可知藍色水工廠(chǎng)可實(shí)現的凈利潤為2.33元/m3，遠遠高于CAS污水處理廠(chǎng)的0.15元/m3。
04 結語(yǔ)
藍色水工廠(chǎng)以生態(tài)循環(huán)為依據，強調營(yíng)養物、生物材料、熱/電和水回用4個(gè)循環(huán)，對潛在環(huán)境危機涉及的兩大要素——溫室氣體和磷短缺現象可以起到有效緩解作用。
藍色水工廠(chǎng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)分別已分別研發(fā)成熟，系統集成為藍色水工廠(chǎng)已無(wú)懸念。藍色水工廠(chǎng)絕不是夢(mèng)想，而是可以預見(jiàn)的未來(lái)。
