王凱軍：環(huán)保產(chǎn)業(yè)是下一個“無碳”燃料技術(shù)的主角

“絕大部分人，是因為看見而相信，只有很少的一部分人是因為相信而看見”，在“2021（第十九屆）水業(yè)戰(zhàn)略論壇”上，清華大學環(huán)境學院教授、國家環(huán)境保護技術(shù)管理與評估工程技術(shù)中心主任王凱軍引用了馬云的名言。

　　論壇上，王凱軍用“變”與“不變”這對哲學命題，指出目前水處理技術(shù)正在快速發(fā)展，即有很多行業(yè)“視而不見”的變化，也有正在帶來行業(yè)百年未有的變局與機遇，行業(yè)要掌握“變”與“不變”的規(guī)律性，順應(yīng)時代發(fā)展的潮流。

　　王凱軍

　　水處理技術(shù)中的“不變”

　　辯證法認為，事物本質(zhì)的內(nèi)在規(guī)定性是不變的，具有穩(wěn)定性、長期性和堅韌性，王凱軍表示，在污水處理行業(yè)，不變的是污水處理的基本原理。

　　在污水處理發(fā)展初期，一大批大型污水處理廠普遍采用了傳統(tǒng)的技術(shù)路線，很多人不以為然。回來，采用了不用初沉池和不用消化池的簡單的氧化溝技術(shù)，但是如今看來，這對于我國實現(xiàn)碳達峰與碳中和的“30、60”目標，是非常不利的，總結(jié)起來有四個突出問題：

　　問題一：普遍采用延時曝氣的氧化溝工藝，造成高能耗；

　　問題二：缺少初沉池，造成高能耗；

　　問題三：缺少初沉池，造成無機分和含沙量高運行困難；

　　問題四：不設(shè)污泥消化池，缺少溫室氣體控制的抓手。

　　水處理技術(shù)中幾個“視而不見”的變化

　　出水標準的提升，導致工藝流程發(fā)生眾所周知的變化，對其視而不見

　　王凱軍指出，污水行業(yè)近些年最大的變化，是地方的污染物排放標準日趨嚴格，同時出水標準的提升，導致工藝流程發(fā)生變化。

　　如排放標準從一級A出水提升為準IV類出水，在工藝上就從傳統(tǒng)的高密沉淀池+V型濾池等，轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎美w維轉(zhuǎn)盤濾池或活性砂濾池或混凝沉淀等，或者在標準配置中添加更為復雜的工藝。

　　顯然，二沉池的負荷沒有必要那么保守，因為“變化”了的工藝流程中有后續(xù)單元保證出水的懸浮物濃度達標，而以前這是單純靠二沉池保證的。這是非常有意義的，因為二沉池土建和設(shè)備占總投資的15-20%。如果提高一倍負荷，可以節(jié)省投資10%，不用投資就提高投資回報率2-3點。提高公司的競爭能力。

　　二沉池占地面積極大，替代工藝需求迫切

　　王凱軍團隊調(diào)研了我國上百個地上污水處理廠，對參數(shù)進行統(tǒng)計分析后，王凱軍指出，目前，我國地上污水處理廠中的沉淀池占地面積普遍可觀，最高可占主要構(gòu)筑物比例在50%，最低也在20%以上。

　　目前，地下式污水處理廠生化和二沉池占地70%以上，這也在一定程度上造成了地下污水處理廠基建造價較高，投資為地上污水廠的1.5-2倍以上。

　　對沉淀技術(shù)迅速發(fā)展視而不見

　　王凱軍十年前在水業(yè)戰(zhàn)略論壇就分析過所謂的高效好氧生物反應(yīng)器技術(shù)，顧名思義的三個要素是“好氧”、“生物”和“反應(yīng)器”。目前，大部分環(huán)保企業(yè)關(guān)注好氧部分的精確曝氣，精確控制，自動控制，曝氣頭等等，實際上，這三個要素是同等重要的。

　　以“生物”為例?！吧铩辈糠旨刃枰獢?shù)量即“濃度”，也需要質(zhì)量即“活性”，數(shù)量的保持需要“沉淀和分離”。

　　王凱軍指出，目前，一系列沉淀技術(shù)正在迅速發(fā)展，如果這些技術(shù)能夠受到行業(yè)的普遍關(guān)注，就能推動污水處理工藝得到大幅提升。

　　二沉池升級工藝一：加載沉淀Biomag技術(shù)

　　加載沉淀Biomag技術(shù)是近幾年比較主流的磁分離技術(shù)，具有沉降速度快、表面負荷高的優(yōu)勢，能有效減少占地面積，同時有效增加污泥濃度，可達到8～12 mg/L，表面負荷可由傳統(tǒng)0.5～1提升至2-4 m/h。

　　從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，在不需要過濾與濾池的條件下，可以實現(xiàn)BOD<5,總磷<0.2mg/L。近些年，比較有代表性的是，清華大學和中持股份技術(shù)團隊在此技術(shù)基礎(chǔ)上進行深入研究，目標是將水處理量提高三倍。

　　二沉池升級工藝二：接觸沉淀技術(shù)

　　“接觸沉淀一體化沉淀”技術(shù)取代了常規(guī)的“沉淀”+“過濾”兩段工藝。

　　接觸沉淀一體化沉淀技術(shù)源于古老的技術(shù)思路，在二沉池上加特殊的濾層， 使沉淀跟過濾相結(jié)合，節(jié)省了高效沉淀池。實現(xiàn)過濾流速達4-10m3/㎡·h，濾后出水的SS（懸浮物）<5mg/L，遠優(yōu)于一級A標準的10mg/L，設(shè)備運行能耗成本實現(xiàn)小于0.01元/噸水。

　　二沉池升級工藝三：納米絮凝劑復合沉淀

　　納米絮凝劑是一種含有納米粒子結(jié)構(gòu)的高分子無機有機復合絮凝劑，能有效提高絮凝效果。納米絮凝劑操作簡便，可以實現(xiàn)一步稀釋，并且無需新建構(gòu)筑物，節(jié)省基建投資，具有反應(yīng)時間短，沉降效果好的特點，同時還可以輔助除磷。

　　王凱軍指出，如今標準在不斷變化，新的工藝層出不窮，然而，行業(yè)的設(shè)計思路還停留在幾十年前。實際上，由于二沉池的出水面對的不是水環(huán)境，因此完全可以考慮采用更好的技術(shù)縮短二沉池的停留時間。提升后的新型二沉池具有諸多突出優(yōu)勢：

　　優(yōu)勢一、在污水處理廠占地實現(xiàn)提標改造，提升處理水平和增加處理水量；

　　優(yōu)勢二、節(jié)省新建二沉池占地（達30%以上），省卻砂濾池/高密池；

　　優(yōu)勢三、有效降低地下式污水處理廠二沉池建設(shè)投資；

　　優(yōu)勢四、簡化流程、集約建設(shè)、創(chuàng)新工藝。

　　污水處理要順應(yīng)時代發(fā)展和國情的變化

　　在國際上，歐美等國家基本上在60年代末期，實現(xiàn)了60%左右的城鎮(zhèn)化率，如美國，城鎮(zhèn)化率從30%增長到60%，用了近70年，到上世紀60年代城市化完成后，才開始大規(guī)模建設(shè)污水處理廠。而我國從2000年開始城市化的高速發(fā)展，用近20年時間，城鎮(zhèn)化率從30%提高到2020年末的60%，城市與污水設(shè)施共同建設(shè)，帶來了污水設(shè)施“鄰避”問題。

　　以德國柏林以及我國蘇州污水處理廠分布情況進行對比可以看出，柏林的污水廠廣泛分布于城市外圍地區(qū)，而蘇州的污水廠全部位于城市中央，與城市公園毗鄰?！班彵堋毙?yīng)帶來的最大問題是造成了城市土地價格的降低。

　　污水處理廠嚴重影響了周邊地區(qū)的土地價值。以北京方莊地區(qū)和陶然亭地區(qū)為例，從鏈家網(wǎng)站（bj.lianjia.com/）抓取了北京市2017年某日和2016年某日的所有房價信息，構(gòu)建雙重差分模型，分析其對周邊經(jīng)濟社會影響。結(jié)果表明，處理規(guī)模為8萬m3/d的某污水廠，直接投資2億元（5%），直接占地73畝，價值7.5億（15%），對周邊3.2 km2房價抑制金額為45.8億元（80%）?？梢?，傳統(tǒng)地上式污水處理廠會嚴重影響周邊地區(qū)的土地價值。與此形成鮮明對比的則是城市公園的存在，例如陶然亭公園對周邊房價有大幅度的正面提升功能，這一問題發(fā)人深思。

　　王凱軍引用了美國國家人文科學院院士，小約翰·柯布曾公開表示：“生態(tài)文明建設(shè)是中國在社會發(fā)展方面的創(chuàng)舉，直接進入生態(tài)文明的發(fā)展抉擇，帶給中國一個千載難逢的偉大機會，這個機會是中國獨有的領(lǐng)導世界的機會”。

　　清華大學于2015年適時組織了“聚焦地下污水處理廠”的高峰論壇，聽取多方意見。經(jīng)過會議的討論提出，應(yīng)當站在時代的角度、宏觀審視地下污水廠的現(xiàn)象，發(fā)揮和利用其優(yōu)勢，順勢而為。也正是在此次論壇中，王凱軍首次提出將污水處理廠的“負資產(chǎn)”變?yōu)樯鷳B(tài)的“正資產(chǎn)”的理念，將被動建設(shè)轉(zhuǎn)化為主動追求，從生態(tài)友好、環(huán)境友好、社區(qū)友好幾個方面來實現(xiàn)轉(zhuǎn)變。（相關(guān)閱讀：王凱軍：地下污水處理廠的價值分析）

　　秉承生態(tài)文明理念，提出“地下廠V2.0”

　　2016年10月，清華大學再一次召開關(guān)于污水處理廠建設(shè)高峰論壇，提出了將城鄉(xiāng)生態(tài)綜合體建設(shè)與地下污水廠相結(jié)合，進一步推動“負資產(chǎn)”向“正資產(chǎn)”的轉(zhuǎn)變，并且明確提出，把地下污水廠作為抓手，推動生態(tài)文明建設(shè)的“地下廠V2.0”的理念。

　　“地下廠V2.0”將污水處理建設(shè)與提供生態(tài)景觀、休閑娛樂、科普教育、科技研發(fā)、濕地綠化等公共服務(wù)功能有機融合，地上地下統(tǒng)籌，形成了一個生態(tài)綜合體的建設(shè)。秉承生態(tài)文明理念，實現(xiàn)人與自然、人與人、人與社會和諧共生、良性循環(huán)、全面發(fā)展、持續(xù)繁榮為基本宗旨的社會形態(tài)。

　　地下廠V2.0

　　順應(yīng)時代變化，“地下廠V3.0”是未來趨勢

　　“十九大”提出，在新時代，大國治理需要轉(zhuǎn)向公共服務(wù)，王凱軍指出，在城市雙修和城市有機更新進程中，在補齊城市基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施的短板方面，地下污水處理廠應(yīng)該起到主導作用。

　　目前，我國的城市基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施與世界水平仍有差距，日本人均體育場面積是中國的13倍，美國博物館數(shù)量是中國的7倍，人均為中國30倍，而V3.0地下污水廠，可以實現(xiàn)以污水廠為載體，綜合社會服務(wù)功能，如為城市提供公園綠地、體育場、博物館等區(qū)域，有力的補齊這些短板。

　　目前，中國水環(huán)境集團已經(jīng)在成都打造了地下廠生態(tài)綜合體的升級版。成都科學城生態(tài)水環(huán)境項目采用 “環(huán)境友好、土地集約、資源利用”的下沉式再生水廠技術(shù)理念，集環(huán)境污染治理與公園城市建設(shè)于一體，實現(xiàn)“一地三層多用途”。污水處理在地下完成，地面建設(shè)景觀活水公園、運動場、兒童娛樂設(shè)施等，占地僅為傳統(tǒng)地面式污水廠的1/3，顯著降低土地、管網(wǎng)投資，有效解決“鄰避”難題。

　　王凱軍表示，中國的城市發(fā)展與國際走上了不同的路，我國污水處理的發(fā)展，也順應(yīng)時代，走出獨具中國特色的道路。而地下污水廠，正是順應(yīng)了時代發(fā)展的潮流。

　　行業(yè)百年之大變局的機遇

　　王凱軍表示，大約在15年前，基于膜濃縮技術(shù)面向未來的工藝開發(fā)，瓦赫寧根大學環(huán)境技術(shù)系的Rulkens教授提出膜濃縮的概念，認為污水處理完全用膜技術(shù)就可以處理。

　　王凱軍團隊在過去的十年中，對膜濃縮進行了深入研究，在膜濃縮領(lǐng)域發(fā)表中英文期刊論文30余篇，目前是全世界范圍在這一領(lǐng)域的領(lǐng)導者。

　　王凱軍團隊自主研發(fā)的碳源膜濃縮反應(yīng)器，經(jīng)過生產(chǎn)性驗證的結(jié)果與前期小試結(jié)果基本吻合，膜濃縮反應(yīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)較穩(wěn)定的污水濃縮效果（85%以上），并且出水水質(zhì)非常好，僅從COD指標來看已經(jīng)達到了一級A的要求。

　　王凱軍指出，碳源膜濃縮反應(yīng)器工藝的突破性進展，給行業(yè)帶來了三點重大變化：

　　變化一：改變了能量流和物質(zhì)流方向。超過90%的碳源被濃縮，轉(zhuǎn)化成污泥。

　　由于能量流的變化，活性污泥工藝中有40%的COD轉(zhuǎn)化成污泥，40%被厭氧消化，只有16%的COD變成了沼氣等能源。

　　而濃縮膜工藝中，90%的COD轉(zhuǎn)化成污泥，其中可降解率達到60%，因此54%的COD能轉(zhuǎn)變成甲烷，與活性污泥工藝相比，可回收的能量大于三倍以上。

　　變化二： 帶來了低濃度氨氮處理的技術(shù)需求。

　　變化三：存在能源自給率和發(fā)酵新途徑, 在能源自給方向上，需要探索一些新的內(nèi)容。

　　未來V1.0版：厭氧氨氧化(ANAMMOX)

　　厭氧氨氧化(ANAMMOX)是傳統(tǒng)污水處理顛覆性理論,可以實現(xiàn)碳平衡和能量自給，厭氧氨氧化(ANAMMOX)顛覆了傳統(tǒng)脫氮過程理論，分別減少能耗和碳源消耗(-40%)，給污水處理行業(yè)提供了無限的可能。目前，全世界范圍內(nèi)都在對厭氧氨氧化(ANAMMOX)進行中試，準備生產(chǎn)性的研究。

　　未來V2.0版：新型短流程雙膜工藝

　　目前王凱軍團隊基于MBR改進的雙膜工藝，正在研究一種新型短流程雙膜工藝，連接反滲透膜之后，使出水COD降低至5mg/L以下，氨氮處理率達到70%-80%，出水達到了新生水水質(zhì)。

　　未來V3.0版：MCDI電吸附&離子交換

　　同時，正在自主研發(fā)的MCDI電吸附&離子交換技術(shù)也已經(jīng)進入到中試階段，這些技術(shù)的革新，確實給處在百年未有之大變局的水行業(yè)帶來了更多可能性。

　　基于膜濃縮技術(shù)面向未來的工藝開發(fā)

　　在氨氮實現(xiàn)濃縮以后，固體氧化物燃料電池（SOFC）成為了成熟的技術(shù)。氨氮提供了新的能源，這是減排另外一個重要途徑。

　　在發(fā)言最后，王凱軍引用了馬云的名言：“絕大部分人，是因為看見而相信，只有很少的一部分人是因為相信而看見”，他表示，“目前，澳大利亞計劃每年生產(chǎn)1000萬噸氨，向日本出口，日本已經(jīng)制定計劃，到2050年使用3000萬噸可再生氨，減少傳統(tǒng)發(fā)電廠和日本航運的排放,這些趨勢確實給我們提供了一個百年未有的大變局，節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)應(yīng)該是下一個‘無碳’燃料的氨經(jīng)濟技術(shù)的主角。”

編輯：王媛媛