中国给水排水 第39卷 第4期 2023年2月 CHINA WATER Vol.39No.4 WASTEWATER Feb.2023 D0I:10.19853/j. zgjsps. 1000-4602. 2023.04. 001 述评与讨论 蓝色水工厂：框架与技术 郝晓地，李季'，吴远远²，李　爽²，李伏京², 王征成？， 蔡然²，Mark van Loosdrechtl.3 （1.北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部重点实验室中-荷污水处理技术研发中 心，北京100044；2.北京首创生态环保集团股份有限公司，北京100044；3.代尔夫特 理工大学，荷兰） 摘要：在目前的环境压力下，循环经济得到快速发展，而强调纳入生态循环的蓝色发展则 突显人类回归自然的属性。传统污水处理虽然是人类排泄物的“清道夫”，但自身高能耗、高物耗且 不回收其中的价值资源，使其处于一种“不得不前行，而又很难可持续”的尴尬境地。在蓝色发展指 引下，污水处理完全可以籍理念与技术转变为蓝色水工厂。蓝色水工厂强调营养物、生物材料、热/ 电和水回用等循环，主要针对潜在环境压力涉及的两大问题一一温室气体（需碳中和）和磷危机（要 磷回收）。蓝色水工厂以被誉为下一代污水处理技术的好氧颗粒污泥为核心工艺，干化楚烧被用作 剩余污泥处理/处置方式，强调回收各种价值资源/能源，如前端纤维素、颗粒污泥高值类藻酸盐 （ALE）、污泥楚烧电/热、楚烧灰分磷与金属等，特别重视出水余温热能利用。蓝色水工厂在独特智 慧控制模式下最终对环境可以实现“净零（Net-zero）”影响，同时获得可观的经济效益。为此，详述 了蓝色水工厂之框架及相关技术。 余温热能 碳中和；磷回收；女好氧颗粒污泥；污泥楚烧；余 关键词：蓝色发展；碳 中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：1000-4602(2023)04-0001-11 Blue Water Factories (BWFs): Framework and Technologies HAO Xiao-di',I LI Ji, WU Yuan-yuan’, LI Shuang, LI Fu-jing2, WANG Zheng-shu?, CAI Ran, VAN LOOSDRECHT Markl.3 (1. Sino-Dutch R & D Centre for Future Wastewater Treatment Technologies , Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment <Ministry of Education> , Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Bejing 100044, China; 2. Beijing Capital Eco-Pro Group Co. Ltd., Beijing 100044, China; 3. Delft University of Technology , the Netherlands) Abstract: Increased environmental pressures have forced us to develop the circular economy. The blue development focusing on ecological cycles highlights the attribute of human beings going back to nature. Wastewater treatment is a kind of "scavenger" for our feces. However, high consumption of energy and chemical usage and little in valuable resources recovery makes it be in an embarrassing situation: "having to go ahead but being unsustainable". Based on the blue development principles, appropriate ideas and technologies are required for the transformation of conventional activated sludge treatment 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51878022、52170018） 第39卷 第4期 中 国给水排水 WWW cnww1985.com process into “blue water factories (BWFs)". BWFs emphasize four sustainable cycles as nutrients, biomaterials, heat/power and water, focusing on alleviating two potential environmental stresses: greenhouse gases (carbon neutrality needed) and phosphorus crisis (phosphorus recovery required). BWFs take the next generation of wastewater treatment: aerobic granular sludge (AGS) as a key technology, and sludge drying and incineration are applied as the ultimate disposal for excess sludge. Valuable resource and energy is mainly recovered, such as celluloses from influent, highly valuable alginate-like extracellular (ALE) from AGS, heat and power from sludge incineration, phosphate & metals from incineration ash, and especially potential thermal energy from effluent. BWFs can not only realize the “Net-zero" impact on the total environment but also obtain a considerable economic benefit under the control of special smart system. The article introduced the framework and the key technologies associated with BWFs. Keywords: blue development; carbon neutrality; phosphorus recovery; aerobic granular sludge (AGS); sludge incineration; thermal energy 人类在享受现代文明的同时，对资源与能源的 过量摄取以及对生态环境的破坏会摧毁赖以生存 的星球。例如，人类对化石燃料的过度依赖与消耗 作物生长必不可少的营养元素，污水也蕴含着丰富 的余温热能[3]。因此，污水处理必须从“去除”观念 已导致严重的温室效应，以至于全球共同签署了 转向“回收”理念；其中，资源、能源分离回收后，水 《巴黎气候协定》，试图控制本世纪气温上升幅度不 超过2℃。为此，各国纷纷出台了碳中和路线图。 原一磷（P) 与此同时，地球上的另外一种有限资源一 也“顺便”得以净化，作为“副产品”进行回用。 事实上，污水中的有机物是能源载体，所含氮、磷是 基于此，以生态循环为目标的可持续污水处理 技术势在必行。综合国际污水处理技术发展趋势， 特别提出蓝色水工厂的框架以及相关技术，以落实 正以空前速度被消耗用以生产磷肥，以满足日益增 长的世界人口对粮食生产的需求；由此引发的磷危 “一个中心（可持续），两个基本点（碳中和与磷回 机现象早已显现，磷矿资源将在50~100a内被消耗 收），最终全面变蓝色”的未来污水处理发展理 殆尽。可见，环境中碳排放与磷危机这两个不安 念[4-]。在此框架中，包括好氧颗粒污泥及其高值资 定因素正严重威胁着人类的生存。 为此，各行业均应积极行动起来，以实际行动 源（类藻酸盐)回收技术、纤维素回收、污泥焚烧电/ 蓝色经济已经成为今后人类发展的必选模式，恢复 热与余温热能回收技术以及基于焚烧灰分提磷技 术/金属回收生产混凝剂技术、碳核算乃至碳中和技 术、以工艺数学模拟为核心的智慧控制技术等将被 和保持生态循环将促使人类从“以人为本”方式向 逐一介绍。最后，通过“3E”（能源平衡Energy、环境 “天人合一”模式转变。污水处理尽管是人类排泄 效益Environment与经济效益Economy）评价体系分 物的“清道夫”，是水环境质量的“保护神”，但它却 析蓝色水工厂的综合效能，以奠定未来污水处理技 常常被冠上高能耗/物耗的帽子，特别是在传统污水 术蓝色发展的形 应对上述人类命运问题。对此，循环经济或者说是 处理方式下，除回用外并未考虑回收污水中的其他 资源与能源，以至于被贴上“以能耗能、污染转嫁、 浪费资源"的标签[2]。 在以活性污泥法为主流的100多年污水处理技 蓝色水工厂框架 蓝色水工厂基于生态循环理念，强调能耗低、 药耗少、空间小处理技术，以回收污水中重要资源 与能源为目标，将工艺过程智慧控制与碳中和甚至 “负碳”运行作为发展方向。为此，蓝色水工厂首先 术发展史中，先是以消除有机物（COD/BOD)为主要 目的，随后又强调污水脱氮除磷，但都没有意识到 进行进水中纤维素的回收[6-8],核心处理工艺选择被 这些污染物实际上是潜在的资源。结果，污水处理 誉为下一代污水处理技术的好氧颗粒污泥[9]及其高 能耗不断攀升，且伴随的碳排放加剧了温室效应。 值类藻酸盐回收[10-12],剩余污泥采用干化焚烧发电、 WWW 框架与技术 郝晓地，等 cnww1985.com