郭慧，鐘丁磊，薛懂，何舒文，姚海勇*

（1.浙江巨能環(huán)境工程有限公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314503；2.浙江數(shù)翰科技有限公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314503；3.嘉興港區(qū)工業(yè)污水處理有限公司，浙江 平湖 314201）

近年來(lái)我國(guó)水污染治理力度日益加大，各污水處理廠已從“達(dá)標(biāo)”發(fā)展到“提標(biāo)”。在“雙碳”背景下，污水處理行業(yè)也提出了減污降碳的新目標(biāo)[1]。

在污水處理過(guò)程中，可通過(guò)提高污水處理綜合能效、提高污水集中收集處理率、探索可持續(xù)新工藝等手段，實(shí)現(xiàn)低碳污水處理。

本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)技術(shù)研究和工程實(shí)踐，開(kāi)發(fā)了能實(shí)現(xiàn)能源回收且適用于高濃度強(qiáng)抑制性化工廢水處理的厭氧顆粒污泥床技術(shù)、高效低碳的“硫代碳”脫氮技術(shù)、污水處理端AI 運(yùn)維決策控制系統(tǒng)。

厭氧顆粒污泥床生物技術(shù)是實(shí)現(xiàn)能量回收的一種重要水處理技術(shù)[2]。由于其高效、綠色的技術(shù)特點(diǎn)，在高濃度污水的處理過(guò)程中愈發(fā)受到關(guān)注[3]。但是和其他生物法處理廢水一樣，該技術(shù)在高抑制性廢水中的應(yīng)用也受到了一定限制[4]。因此，對(duì)該技術(shù)在高濃度、高抑制性化工廢水中的應(yīng)用是研究熱點(diǎn)。

隨著污水處理廠尾水標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升，異養(yǎng)反硝化脫氮過(guò)程的碳源投入成本也大幅上升，從而導(dǎo)致污水處理成本增大，其中碳源投加導(dǎo)致的單位水量增加成本為486.50—1419.23 元/萬(wàn)m3[5]。因此，越來(lái)越多的研究者將目光聚焦于低成本、低碳排放的自養(yǎng)反硝化脫氮過(guò)程。自養(yǎng)反硝化過(guò)程無(wú)需有機(jī)碳源，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。然而，已報(bào)道的對(duì)自養(yǎng)反硝化過(guò)程的研究以硫磺、硫代硫酸鈉等優(yōu)質(zhì)硫源為主，對(duì)于一些廢棄物中硫源的利用，研究相對(duì)較少。

面對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)的排放指標(biāo)、嚴(yán)格的環(huán)保執(zhí)法，很多污水處理廠為了應(yīng)對(duì)來(lái)水的波動(dòng)并確保出水達(dá)標(biāo)，多將出水水質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)控制在達(dá)標(biāo)線以下，污水處理廠的“過(guò)度運(yùn)行”普遍存在。因此，如何精準(zhǔn)的執(zhí)行調(diào)控和運(yùn)行指令、有效提升傳統(tǒng)工藝的生產(chǎn)效率、對(duì)運(yùn)行控制做出更智慧的決策，同時(shí)減少污水處理行業(yè)的間接碳排放，是整個(gè)污水處理行業(yè)亟須解決的問(wèn)題。人工運(yùn)維過(guò)程受限于人的認(rèn)知水平、經(jīng)驗(yàn)水平和情緒狀態(tài)等因素，會(huì)出現(xiàn)不同的判斷和調(diào)控結(jié)果，調(diào)控的幅度代表著一個(gè)運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)對(duì)整體工藝的熟悉和掌控程度。大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)保行業(yè)的應(yīng)用，目前也僅能解決數(shù)據(jù)可視化、集中化的問(wèn)題，數(shù)據(jù)的有效利用還有很大的探索空間。此外，人對(duì)管控的實(shí)施頻率和對(duì)全盤(pán)信息的管理程度，都決定了最優(yōu)管控的幅度極限。開(kāi)發(fā)AI 系統(tǒng)，通過(guò)深度學(xué)習(xí)之后，以其對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析的優(yōu)勢(shì)，能夠通過(guò)小幅多次的調(diào)控手段將人的管控幅度邊界進(jìn)一步收斂，充分挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，從而提升污水處理系統(tǒng)應(yīng)對(duì)沖擊的能力，為運(yùn)行安全邊界和成本邊界流出更多的冗余空間，從而能更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。這三項(xiàng)應(yīng)用集成了技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了減污降碳的目標(biāo)。

1 創(chuàng)新點(diǎn)

1.1 技術(shù)創(chuàng)新

1.1.1 高濃度抑制性化工廢水的厭氧顆粒污泥床生物處理技術(shù)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)厭氧顆粒污泥床技術(shù)在高濃度高抑制性的化工廢水中的穩(wěn)定應(yīng)用，微生物馴化、培養(yǎng)和啟動(dòng)以及合理的反應(yīng)器和工藝設(shè)計(jì)對(duì)高強(qiáng)度抑制性化工廢水的降解去除、系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[6]。利用高濃度厭氧顆粒污泥床技術(shù)，以及后續(xù)專(zhuān)業(yè)的運(yùn)行維護(hù)，可成功解決厭氧生物處理高濃度抑制性化工廢水的處理問(wèn)題，COD 去除率可達(dá)到80%以上，有機(jī)負(fù)荷最高可達(dá)到8 kgCOD/（m3·d）以上，實(shí)現(xiàn)污染物的高效去除并產(chǎn)生可以回收利用的沼氣。

1.1.2 高效低碳的 “硫代碳”脫氮技術(shù)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)

我們集中研究了某烯烴企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的含硫堿液用于硫自養(yǎng)反硝化的可行性，并研究了在不同條件下整個(gè)體系的脫氮效果及水質(zhì)變化情況。研究表明，利用廢棄物中硫源進(jìn)行自養(yǎng)反硝化，在5h 停留時(shí)間下能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定，并將TN 從24mg/L 減小至2.5mg/L 以下，去除率接近90%。此外，高硫堿液中的硫離子也被硝態(tài)氮氧化成穩(wěn)定態(tài)的硫酸根，實(shí)現(xiàn)無(wú)害化。

同時(shí)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出基于硫自養(yǎng)反硝化的生物濾池工藝，可最大限度地在運(yùn)行過(guò)程中保持微生物的多樣性和豐度，保證了工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.1.3 人工智能在污水處理運(yùn)維決策系統(tǒng)中的開(kāi)發(fā)

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將人工智能技術(shù)應(yīng)用于污水處理運(yùn)維決策控制過(guò)程中。其算法模型是將機(jī)理模型與數(shù)據(jù)模型有效融合，實(shí)現(xiàn)小數(shù)據(jù)建模。通過(guò)疊加運(yùn)用元學(xué)習(xí)、進(jìn)化算法等深度機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，以及自身總結(jié)出的原理，開(kāi)發(fā)出了負(fù)荷感知、仿真模擬、負(fù)荷分?jǐn)偟群诵募夹g(shù)，并最終形成了能夠覆蓋多場(chǎng)景、多工藝的AI運(yùn)維決策控制系統(tǒng)。

1.2 應(yīng)用創(chuàng)新

1.2.1 沼氣發(fā)電應(yīng)用于集中式高濃度廢水厭氧生物處理

為實(shí)現(xiàn)沼氣的有效回收利用，規(guī)模效應(yīng)是必需的。本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)使用上下游一體化理念，專(zhuān)管收集納管園區(qū)若干家企業(yè)的高濃度廢水。通過(guò)建設(shè)2500m3/d 的集中式高濃度廢水厭氧顆粒污泥床裝置，處理平均進(jìn)水COD 濃度為12 000mg/L 的高濃度抑制性廢水。通過(guò)沼氣發(fā)電系統(tǒng)，將其產(chǎn)生的約10 000Nm3/d 沼氣進(jìn)行發(fā)電，每日可產(chǎn)生約28 000kW·h 的電量，可基本滿足污水處理廠運(yùn)行所需，在大量去除污染物的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)間接碳排放。

1.2.2 協(xié)同利用上游企業(yè)高硫堿液進(jìn)行脫氮處理

在烯烴行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的堿吸收液（即高濃度Na2S 和NaHS 廢液）堿性高、含硫量大，而常規(guī)的濕式氧化處理工藝存在占地面積大、配套設(shè)備復(fù)雜、電耗和藥劑消耗量大等問(wèn)題，故上游生產(chǎn)單位需投入大量成本用于處理該廢水，同時(shí)會(huì)造成大量的碳排放，加重企業(yè)的減排負(fù)擔(dān)。

本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)推利用含硫廢堿液中的硫及硫化物含量豐富的特點(diǎn)，創(chuàng)新性地將含硫廢堿液作為自養(yǎng)反硝化脫氮的硫源，替代污水處理廠異養(yǎng)脫氮過(guò)程使用的碳源，從而使上游企業(yè)和下游污水處理廠形成良好的互補(bǔ)協(xié)同效應(yīng)，將上游廢棄物當(dāng)成資源用于污水處理過(guò)程，達(dá)到“以廢治廢”的效果。

1.2.3 人工智能應(yīng)用于污水處理運(yùn)維決策系統(tǒng)

以全廠處理工藝段為對(duì)象，部署包含智能生化系統(tǒng)、智能厭氧安全決策控制系統(tǒng)、智能臭氧投加系統(tǒng)等在內(nèi)的智能化控制模塊，通過(guò)傳統(tǒng)污水處理工藝與AI 的智慧化和數(shù)字化協(xié)同，能夠更加科學(xué)智慧地進(jìn)行運(yùn)維決策，實(shí)現(xiàn)全廠全流程的精細(xì)化管理，完成污水處理廠的數(shù)智化轉(zhuǎn)型升級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)污水處理廠減污降碳。

2 成果轉(zhuǎn)化及環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益

嘉興港區(qū)污水處理有限公司通過(guò)新建30 000m3/d“硫代碳”工藝處理線，通過(guò)上下游協(xié)同“以廢治廢”的手段，實(shí)現(xiàn)年減排COD547t、TN121t。通過(guò)“硫代碳”高效低碳脫氮減少上游企業(yè)利用濕式氧化等常規(guī)工藝設(shè)備投資成本約1700 萬(wàn)元，同時(shí)為上游企業(yè)節(jié)約電耗、藥劑消耗等運(yùn)行費(fèi)用300 萬(wàn)元/年，由于無(wú)須上游企業(yè)建設(shè)污水處理設(shè)施，整體占地面積減少660m2，用地成本減少約50 萬(wàn)元。

此外，通過(guò)厭氧生物技術(shù)和沼氣發(fā)電技術(shù)，每年在削減7300tCOD 的同時(shí)可產(chǎn)生591 萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。

在碳減排方面，由于新建厭氧沼氣發(fā)電工藝，沼氣發(fā)電產(chǎn)生的電能直接供應(yīng)廠界內(nèi)的水處理設(shè)施用電，因此無(wú)須外購(gòu)電力，實(shí)現(xiàn)間接碳減排，碳排放每年可減少4693t。通過(guò)人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)全廠全流程的節(jié)能降耗，在減少運(yùn)營(yíng)成本200 萬(wàn)元/年的同時(shí)，每年降低間接碳排放1000t。而通過(guò)“硫代碳”高效低碳脫氮技術(shù)直接接納高硫堿液，無(wú)額外碳源投加，對(duì)標(biāo)常規(guī)投加碳源脫氮的方式，自養(yǎng)反硝化年碳減排量為188t，同時(shí)可直接消納含硫堿液，為上游企業(yè)節(jié)省污水處理設(shè)施建設(shè)，這部分間接減少碳排放5431t，真正實(shí)現(xiàn)了減污降碳協(xié)同增效的目的，符合生態(tài)環(huán)境保護(hù)和資源綜合利用的要求，可為同類(lèi)型污水處理工段“硫代碳”工藝提供一定的借鑒。

3 總結(jié)

各污水處理廠挖掘自身特點(diǎn)與價(jià)值，結(jié)合技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)污水處理廠綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵所在。嘉興港區(qū)污水處理有限公司通過(guò)上下游協(xié)同與技術(shù)協(xié)同，走出了一條契合自身的高效、低碳、低成本的減污降碳新路徑。