3月9日，“第12屆中國(guó)農(nóng)村和小城鎮(zhèn)水環(huán)境治理論壇”在內(nèi)蒙古呼和浩特舉行。同濟(jì)大學(xué)工程與產(chǎn)業(yè)研究院院長(zhǎng)、新農(nóng)村發(fā)展研究院常務(wù)副院長(zhǎng)張亞雷作題為《面向碳中和的農(nóng)村污水資源化技術(shù)》的報(bào)告。

張亞雷，同濟(jì)大學(xué)工程與產(chǎn)業(yè)研究院院長(zhǎng)、新農(nóng)村發(fā)展研究院常務(wù)副院長(zhǎng)

污水處理減污低碳發(fā)展現(xiàn)狀與需求

污水處理碳排放量占全社會(huì)總排放量的1-2%，2009-2019年市政污水行業(yè)碳排放增幅超140%。2022年6月，生態(tài)環(huán)境部、國(guó)家發(fā)改委等七部門聯(lián)合印發(fā)《減污降碳協(xié)同增效實(shí)施方案》。2022年8月，科技部、國(guó)家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運(yùn)輸部、中科院、工程院、國(guó)家能源局等九部門聯(lián)合印發(fā)《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案（2022-2030）》。

多項(xiàng)“碳達(dá)峰碳中和”相關(guān)政策均提出要大力推進(jìn)污水資源化利用。推進(jìn)污水處理廠節(jié)能降耗，優(yōu)化工藝流程，提高處理效率。開展城鎮(zhèn)污水處理和資源化利用碳排放測(cè)算，優(yōu)化污水處理設(shè)施能耗和碳排放管理。

農(nóng)村污水治理現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

截止2020年，我國(guó)農(nóng)村污水排放量約300億噸，體量巨大，污水處理率不足30%。農(nóng)村污水排放特征包括氮磷濃度偏高，分散排放、水量小、日變化大、收集困難、地區(qū)差異明顯。因此，農(nóng)村污水的治理比城市污水更加復(fù)雜、難度更大。

當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)村污水治理模式與實(shí)際需求有一定偏差，運(yùn)行狀況差、達(dá)標(biāo)率低，污水資源化利用水平低。亟需構(gòu)建因地制宜的農(nóng)村污水處理模式，開發(fā)物質(zhì)循環(huán)與資源利用的污水低碳處理技術(shù)。

而從政策導(dǎo)向上看，農(nóng)村改廁和污水治理協(xié)同發(fā)展，是“十四五” 鄉(xiāng)村振興領(lǐng)域的工作重點(diǎn)。

廁所污水各類污染物排放量占總排放量比例較大，處理不當(dāng)會(huì)污染環(huán)境，雜排水往往被排入化糞池，導(dǎo)致糞污溢流或者清掏頻率過高，無下水管網(wǎng)地區(qū)，雜排水無組織排，嚴(yán)重環(huán)境污染。因此亟需同步推進(jìn)農(nóng)村污水治理與改廁工作，形成因地制宜的治理模式。

農(nóng)村污水黑灰分質(zhì)/混合治理模式

黑灰混合分質(zhì)治理模式

黑水包括糞、尿及其沖洗水，灰水則是其余生活污水（表面活性劑、油脂等）。黑灰水水質(zhì)差異大，資源化偏重不同。分質(zhì)收集是處理黑灰水的有效模式，分質(zhì)收集將各類污水源頭分離，并根據(jù)污水特點(diǎn)有針對(duì)性地處理與資源化利用，克服了混合處理資源化效率低、成本高的難題。

通過研究非洲、日本、IWA等不同地區(qū)黑灰分質(zhì)資源化模式發(fā)現(xiàn)，在常見分質(zhì)處理資源化模式中，糞便、尿液和灰水的分離是回收資源的必要條件。灰水、黑水具體的資源化方法則與污水水質(zhì)、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)情況等因素密切相關(guān)。其核心在于對(duì)水中不同資源的閉環(huán)。

灰水不同處理技術(shù)包括：物理法（過濾吸附、膜分離），化學(xué)法（催化、氧化），生物法（SBR、MBR等），生態(tài)法（人工濕地、生態(tài)濾池、土壤滲濾），需根據(jù)當(dāng)?shù)厮Y源需求、環(huán)境敏感程度等評(píng)估選取適宜的灰水處理技術(shù)。

黑水COD含量高、CNP營(yíng)養(yǎng)元素豐富，資源化潛力巨大。主要資源化途徑包括：甲烷回收、好氧堆肥、氮磷回收、多級(jí)處理水資源回收等。

甲烷回收：耦合餐廚垃圾、農(nóng)業(yè)廢棄用等共發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)廢棄物的減量化、資源化和循環(huán)利用。

好氧堆肥：好氧堆肥技術(shù)在我國(guó)農(nóng)村應(yīng)用推廣較多，將糞便與生物填料或者基質(zhì)混合后置于儲(chǔ)糞池或發(fā)酵罐內(nèi)，利用糞便自身攜帶的好氧微生物或者定期投放特殊高效菌種進(jìn)行發(fā)酵，最終變成有機(jī)肥。高效且無廢的堆肥方式是目前市場(chǎng)的迫切需求。

氮磷回收：微藻資源化技術(shù)：實(shí)現(xiàn)黑水低耗高效處理與全過程資源化利用高蛋白飼料、肥料、生物油等。離子交換吸附技術(shù)：尿液中營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)移到吸附材料中，直接作為肥料農(nóng)用。鳥糞石/緩釋肥技術(shù)：通過控制不同條件獲得高純鳥糞石回收氮磷。

多級(jí)處理水資源回收：兩級(jí)A/O-MBBR為核心的循環(huán)水沖廁所系統(tǒng)，耦合預(yù)處理與深度處理單元，增強(qiáng)黑水處理與回用的效率與穩(wěn)定性。

安全保障技術(shù)：包括綠色新型氧化消毒技術(shù)、電化學(xué)消毒技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)污水中病原微生物、藥物污染物及其他污染物質(zhì)的防控。

黑灰混合集中處理模式

生態(tài)處理：出水可達(dá)二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，需要收割植物、清掏等定期維護(hù)。

傳統(tǒng)活性污泥法（A/O、A2O等）：處理效率好，出水水質(zhì)穩(wěn)定，可以同時(shí)脫氮除磷，達(dá)到一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)。需要專業(yè)技術(shù)人員維護(hù)，基建和運(yùn)行管理費(fèi)用較高。

生物+生態(tài)組合工藝：生物生態(tài)組合工藝是一種針對(duì)農(nóng)村地區(qū)不同發(fā)展?fàn)顩r、不同地形條件和不同排水特征而研究開發(fā)的適用于農(nóng)村地區(qū)的污水處理工藝，運(yùn)行效果穩(wěn)定。

曝氣生物濾池、生物接觸氧化、膜生物反應(yīng)器：

面向碳中和的農(nóng)村污水資源化技術(shù)探索

微藻資源化技術(shù)是一項(xiàng)資源回收率高的污水處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)污水低能耗、全過程資源化利用，微藻去除污染物的同時(shí)高效固定CO2。

微藻資源化技術(shù)面臨的難點(diǎn)有3個(gè)

因此，課題組針對(duì)以上3個(gè)問題進(jìn)行了深入研究。

微藻污水培養(yǎng)方面：通過高耐污性、高含油量、高產(chǎn)率優(yōu)勢(shì)藻株篩選，構(gòu)建高通量、多因素篩選體系，開展了物化誘導(dǎo)、基因工程等手段篩選構(gòu)建特異性藻株，抑制雜菌/雜藻過度生長(zhǎng)，顯著提升微藻藻生物量及油脂含量。通過量子點(diǎn)強(qiáng)化微藻高效固碳技術(shù)開發(fā)，基于量子光譜重組效應(yīng)，強(qiáng)化微藻光能利用，顯著提升微藻固碳效率（20%）及代謝產(chǎn)物積累（油脂含量提升34%）。基于反應(yīng)器材料、結(jié)構(gòu)以及光氣液傳質(zhì)的改進(jìn)研發(fā)了三代微藻光生物反應(yīng)器。同時(shí)建立微藻廢水循環(huán)培養(yǎng)技術(shù)（AWC2T）和系統(tǒng)性能評(píng)估體系，AWC2T技術(shù)具有優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性和資源高效性，可助力微藻低碳污水處理的發(fā)展。

微藻采收方面：建立原位無損膜污染因子識(shí)別體系，揭示分級(jí)顆粒對(duì)污染層演變影響規(guī)律，構(gòu)建改性界面擴(kuò)散凝聚（IMDLA）模型，為微藻濃縮過程膜污染提供理論依據(jù)，提出精準(zhǔn)的膜污染控制策略。提出硅藻土動(dòng)態(tài)膜技術(shù)微藻分離濃縮新工藝，開發(fā)振動(dòng)膜技術(shù)微藻分離技術(shù)體系，通過開發(fā)微藻新型膜分離濃縮工藝技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)微藻的高效低耗采收。

微藻高值資源轉(zhuǎn)化方面：提出微藻-乳酸-藻基功能性碳材料梯級(jí)提取資源化路徑，構(gòu)建新型金屬改性催化劑，定向調(diào)控微藻高值轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)微藻生物質(zhì)全組分利用。開發(fā)了基于原位水熱組裝的Pt/SiO2@Mg(OH)2核殼結(jié)構(gòu)催化劑，具有高選擇性和穩(wěn)定性。促進(jìn)主反應(yīng)、抑制副反應(yīng)，提升催化劑穩(wěn)定性（三次回用效率穩(wěn)定在45%以上），有效提高藻渣水熱催化產(chǎn)乳酸性能。

目前，微藻資源化技術(shù)已能夠在高濃度有機(jī)廢水、凈化出水、鋼鐵冷軋廢水等諸多案例中有良好的應(yīng)用。