王凱軍：環保產業是下一個“無碳”燃料技術的主角
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“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)水業戰略論壇”上，清華大學環境學院教授、國家環境保護技術管理與評估工程技術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正在快速發展，即有很多行業“視而不見”的變化，也有正在帶來行業百年未有的變局與機遇，行業要掌握“變”與“不變”的規律性，順應時代發展的潮流。
水處理技術中的“不變”
辯證法認為，事物本質的內在規定性是不變的，具有穩定性、長期性和堅韌性，王凱軍表示，在污水處理行業，不變的是污水處理的基本原理。
在污水處理發展初期，一大批大型污水處理廠普遍采用了傳統的技術路線，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，但是如今看來，這對于我國實現碳達峰與碳中和的“30、60”目標，是非常不利的，總結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：不設污泥消化池，缺少溫室氣體控制的抓手。
而對于水處理技術中幾個“視而不見”的變化
出水標準的提升，導致工藝流程發生眾所周知的變化，對其視而不見
王凱軍指出，污水行業近些年最大的變化，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，在工藝上就從傳統的高密沉淀池+V型濾池等，轉變為采用纖維轉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備占總投資的15-20%。如果提高一倍負荷，可以節省投資10%，不用投資就提高就提高投資回報率2-3點。會達到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
王凱軍團隊調研了我國上百個地上污水處理廠，對參數進行統計分析后，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，最高可占主要構筑物比例在50%，最低也在20%以上。
目前，地上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。
對沉淀技術迅速發展視而不見
王凱軍十年前在本論壇就分析過所謂的高效好氧生物反應器技術，顧名思義的三個要素是“好氧”、“生物”和“反應器”。，目前，大部分環保企業關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。“生物”部分既需要數量即“濃度”，也需要質量即“活性”，數量的保持需要“沉淀和分離”。
王凱軍指出，目前，一系列沉淀技術正在迅速發展，如果這些技術能夠受到行業的普遍關注，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
加載沉淀Biomag技術是近幾年比較主流的磁分離技術，具有沉降速度快、表面負荷高的優勢，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0.5——1提升至2-4 m/h。
從監測數據可以看出，在不需要過濾與濾池的條件下，可以將BOD實現<5，總磷<0.2。近些年，比較有代表性的是，清華大學和中持股份技術團隊在此技術基礎上進行深入研究，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
“接觸沉淀一體化沉淀”技術取代了常規的“沉淀”+“過濾”兩段工藝。
接觸沉淀一體化沉淀技術源于古老的技術思路，在二沉池上加特殊的濾層， 使沉淀跟過濾相結合，節省了高效沉淀池。實現過濾流速達4-10 m3/m2.h，濾后出水的SS(懸浮物)<5mg/L，遠優于一級A標準的10mg/L，設備運行能耗成本實現小于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構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，可以實現一步稀釋，并且無需新建構筑物，節省基建投資，具有反應時間短，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，行業的設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境，因此完全可以考慮采用更好的技術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勢：
優勢一、在污水處理廠占地實現提標改造，提升處理水平和增加處理水量；
優勢二、節省新建二沉池占地(達30%以上)，省卻砂濾池/高密池；
優勢三、有效降低地下式污水處理廠二沉池建設投資；
優勢四、簡化流程、集約建設、創新工藝。
污水處理要順應時代發展和國情的變化
在國際上，歐美等國家基本上在60年代末期，實現了60%左右的城市化率，如美國用近70年城鎮化率從30%到60%，到上世紀60年代城市化完成后，才開始大規模建設污水處理廠。而我國從2000年開始城市化的高速發展，用近20年時間，城鎮化率從30%提高到2020年末的60%，城市與污水設施共同建設，帶來了污水設施“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與城市外圍地區，而蘇州的污水廠全部位于城市中央，與城市公園毗鄰。“鄰避”效應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的土地價值。以北京方莊地區和陶然亭地區為例，從鏈家網站(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，構建雙重差分模型，分析其對周邊經濟社會影響。結果表明，處理規模為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%)。可見，傳統地上式污水處理廠會嚴重影響周邊地區的土地價值。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：“生態文明建設是中國在社會發展方面的創舉，直接進入生態文明的發展抉擇，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。經過會議的討論提出，應當站在時代的角度、宏觀審視地下污水廠的現象，發揮和利用其優勢，順勢而為。也正是在此次論壇中，王凱軍提出將污水處理廠的“負資產”變為生態的“正資產”的理念，將被動建設轉化為主動追求，從生態友好、環境友好、社區友好幾個方面來實現轉變。
秉承生態文明理念，提出“地下廠V2.0”
2016年10月，清華大學再一次召開關于污水處理廠建設高峰論壇，提出了將城鄉生態綜合體建設與地下污水廠相結合，進一步推動“負資產”向“正資產”的轉變，并且明確提出，把地下污水廠作為抓手，推動生態文明建設的“地下廠V2.0”的理念。
“地下廠V2.0”將污水處理建設與提供生態景觀、休閑娛樂、科普教育、科技研發、濕地綠化等公共服務功能有機融合，地上地下統籌，形成了一個生態綜合體的建設。秉承生態文明理念，實現人與自然、人與人、人與社會和諧共生、良性循環、全面發展、持續繁榮為基本宗旨的社會形態。
順應時代變化，“地下廠V3.0”是未來趨勢
“十九大”提出，在新時代，大國治理需要轉向公共服務，王凱軍指出，在城市雙修和城市有機更新進程中，在補齊城市基礎設施和公共服務設施的短板方面，地下污水處理廠應該起到主導作用。
目前，我國的城市基礎設施和公共服務設施與世界水平仍有差距，日本人均體育場面積中國的13倍，美國博物館數量是中國的7倍，人均為中國30倍，而V3.0地下污水廠，可以實現以污水廠為載體，綜合社會服務功能，如為城市提供公園綠地、體育場、博物館等區域，有力的補齊這些短板。
目前，中國水環境集團已經在成都打造了地下廠生態綜合體的升級版。成都科學城生態水環境項目采用 “環境友好、土地集約、資源利用”的下沉式再生水廠技術理念，集環境污染治理與公園城市建設于一體，實現“一地三層多用途”。污水處理在地下完成，地面建設景觀活水公園、運動場、兒童娛樂設施等，占地僅為傳統地面式污水廠的1/3，顯著降低土地、管網投資，有效解決“鄰避”難題。
王凱軍表示，中國的城市發展與國際走上了不同的路，我國的污水處理的發展，也順應時代，走出獨具中國特色的道路。而地下污水廠，正是順應了時代發展的潮流。
行業百年之大變局的機遇
王凱軍表示，大約在15年前，基于膜濃縮技術面向未來的工藝開發，瓦赫寧根大學環境技術系的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，在膜濃縮領域發表中英文期刊論文30余篇，目前是全世界范圍在這一領域的領導者。
王凱軍團隊自主研發的碳源膜濃縮反應器，經過生產性驗證實驗結果與前期小試結果基本吻合，膜濃縮反應器能夠實現較穩定的污水濃縮效果(85%以上)，并且出水水質非常好，僅從COD指標看達到了一級A的要求。
王凱軍指出，碳源膜濃縮反應器工藝的突破性進展，給行業帶來了三點重大變化：
變化一：改變了能量流和物質流方向。超過90%的碳源被濃縮，轉化成污泥。
由于能量流的變化，活性污泥工藝在100%的COD中，有40%變成了污泥，厭氧消化最高到40%，因此只有16%變成了沼氣等能源。
而濃縮膜工藝，在100%的COD中，有90%轉化成污泥，可以降解率達到60%，從而54%的COD能轉變成甲烷，可回收的能量差大于三倍以上。
變化二：存在能源自給率和發酵新途徑的變化, 在能源自給方向上，需要探索一些新的內容。
變化三：帶來了低濃度氨氮處理的技術需求。
未來V1.0版：厭氧氨氧化(ANAMMOX)
厭氧氨氧化(ANAMMOX)是傳統污水處理顛覆性理論,可以實現碳平衡和能量自給，厭氧氨氧化(ANAMMOX)顛覆了傳統脫氮過程理論，分別減少能耗和碳源消耗(-40%)，給污水處理行業提供了無限的可能。目前，全世界范圍內都在對厭氧氨氧化(ANAMMOX)進行中試，準備生產性的研究。
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COD達到5以下，達到70%、80%的氨氮的處理率，出水達到了新生水水質。
未來V3.0版：MCDI電吸附&離子交換
同時，正在自主研發的MCDI電吸附&離子交換技術也已經進入到中試階段，這些技術的革新，確實給處在百年未有之大變局的水行業帶來了更多可能性。
基于膜濃縮技術面向未來的工藝開發
在氨氮實現濃縮以后，固體氧化物燃料電池(SOFC)成為了成熟的技術。氨氮提供了新的能源，這是減排另外一個重要途徑。
在發言最后，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1000萬噸氨，向日本出口，日本已經制定計劃，到2050年使用3000萬噸可再生氨，減少傳統發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，節能環保產業應該是下一個‘無碳’燃料的氨經濟技術的主角。”
原標題：王凱軍：環保產業是下一個“無碳”燃料技術的主角
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