郑兴灿总工团队：《城镇污水资源与能源回收利用技术规程》编制思路与要点解读
郑兴灿 夏琼琼 尚巍 孙永利 李鹏峰
（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074)
研究背景
城镇污水资源化利用是我国经济社会可持续发展的重要战略需求，国家发展和改革委员会等十部委共同发布的《关于推进污水资源化利用的指导意见》（发改环资〔2021〕13号）中，要求全面推动我国污水资源化利用，实现高质量发展；国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部联合发布的《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》（发改环资〔2021〕827号）中，要求提升污水污泥资源化水平，推进资源化利用。基于绿色可持续发展的理念，通过水量回收、水质完全或部分复原，达到特定用水途径的功能要求，实现多层次多等级不同路径的再生水利用，尤其城市景观和自然水体补水；通过污水化学能（有机物沼气化）和污水源热能利用，回收热能电能，用于供热和供冷服务；通过直接回收利用有价值的有机物，转化为可降解塑料等产品，或作为污水氮磷去除的补充碳源；通过氮磷营养物及矿物质回收利用，例如，磷酸盐回收、硫回收和蛋白质回收；推行高效低碳深度除磷脱氮及新污染物强化去除，都是城镇污水处理厂面向未来的重要发展方向，也是推动城镇污水处理系统全过程碳减排、碳中和的关键路径。
我国城镇污水的收集处理规模达到800亿m3左右，可回收利用的潜在资源与能源无疑是巨量的。但与欧美先进国家相比，我国城镇污水处理厂污泥磷回收、蛋白质回收的工程案例较少，水源热泵等热能利用的规模还不够大，污泥厌氧消化等化学能利用的比例较低，污水处理厂能源自给率和资源回收类型明显偏低偏少。这除了与起步晚、水质泥质较为独特等因素有关外，还与标准体系的不完善密切关联。近年来，有关城镇污水再生利用的水质、工程和产品标准逐步完善，但物质资源与能源回收利用的标准还明显欠缺，磷酸盐、蛋白质等回收标准处于空白状态。为此，中国城镇供水排水协会组织中国市政工程华北设计研究总院有限公司等单位编制了T/CUWA 70052—2023《城镇污水资源与能源回收利用技术规程》（以下简称T/CUWA 70052），旨在规范我国城镇污水资源与能源回收利用的技术要求，促进行业绿色低碳、资源循环、能源利用水平的提高，同时做到安全适用、资源节约、环境友好、技术可行、经济合理。
摘要
城镇污水处理厂是潜在的资源、能源、水工厂，如何最大程度地全面实现资源能源回收、水循环利用和环境友好，已经成为城镇污水处理的主导发展方向。为提高我国城镇污水资源化能源利用的技术水平，系统推进城镇污水资源化能源化利用工作，中国城镇供水排水协会组织编制并于2023年7月发布了T/CUWA 70052—2023《城镇污水资源与能源回收利用技术规程》。该规程首次提出了我国城镇污水资源能源回收的技术路线、工艺参数和运行管理要点，可为处理技术或工艺选择、工程设计、运行优化等提供指导。该规程的实施，对于城镇污水处理系统转变为资源、能源与水工厂，促进我国城镇污水处理的绿色低碳高质量发展具有积极意义。
01T/CUWA 70052的编制思路
在T/CUWA 70052的起草与编制过程中，编制组广泛查阅和借鉴了国内外的相关政策、技术标准、实践经验和前沿研究成果，例如，美国水环境研究基金会（WERF）及加利福尼亚州Sonoma Water推行的“无碳供水Carbon-free Water”计划，荷兰2030年污水处理发展路线图中的“NEWs”（Nutrient营养物+Energy能源+Water factories水工厂）理念，中国城市污水处理概念厂专家委员会提出的“水质永续、能量自给、资源循环、环境友好”，以及与这些计划或理念落地实践相关的案例。在此基础上，密切结合国家水体污染控制与治理科技重大专项的相关项目（课题）研究成果及示范工程运行，统筹考虑城镇污水资源与能源的回收利用，提出了相应的资源与能源回收工艺技术路线、工艺参数及运行管理技术要点。
T/CUWA 70052的编制范围覆盖城镇污水处理厂完整的水线和泥线，将污水、污泥的处理工艺单元与资源、能源的回收利用进行系统性的融合与衔接，并为后续的补充完善预留发展空间。针对资源与能源回收利用项目的实施全过程，着重考虑如何遵循安全适用、资源节约、环境友好、技术可行、经济合理的整体原则，提出包括源头管控、规划设计、运行管理等方面的具体要求及技术参数。T/CUWA 70052规定的资源回收利用包括碳源、磷酸盐、蛋白质、污泥处理产物的回收利用，能源回收利用包括热能、化学能、势能的回收利用。考虑污水再生利用已有相关的标准规范，本规程的资源回收中不涉及水资源的内容。
T/CUWA 70052的最基本考虑为，城镇污水资源与能源的回收利用应结合经济社会发展水平、污水和再生水专项规划、资源能源需求方向与产品出路等，统筹规划，合理布局；已建污水处理厂宜根据已有污水、污泥处理工艺，制定资源与能源回收技术方案；新建工程应统筹污水处理工艺、污泥处理处置方式、资源与能源回收利用等多目标，确定工艺技术路线、建设方案和建设时序；应加强源头管控，不得将含有毒、有害物质的工业废水排入城镇污水管网；工艺设备应稳定可靠、运行安全，回收过程产生的副产物应根据性质集中或就地处理，回收产物应安全使用；宜采用经应用验证的新技术、新工艺、新材料和新设备。
02资源回收利用的主要考虑
1. 碳源（有机物）回收利用
城镇污水处理系统可通过碳源（有机物）的回收，为生物除磷脱氮工艺系统补充反硝化所需的碳源，如图1所示，碳源回收利用的技术措施主要包括：
1）强化预处理，提高惰性（无机）组分的去除能力和碳源有机物的保留能力。
2）强化生物除磷脱氮工艺系统，优化功能区的构成与配置，提高碳源利用效率。
3）通过初沉污泥或剩余污泥水解发酵提取碳源，例如利用初沉发酵池保留进水碳源。
前2种回收方式属于“节流”措施，第3种回收方式属于“开源”措施。
图1 城镇污水处理系统的碳源回收利用技术路线示例
对于预处理单元的曝气沉砂池，主要通过控制水力停留时间来强化（惰性）无机固体与可生物降解有机物的有效分离，去除沙砾，保留碳源有机物。GB 50014—2021《室外排水设计标准》中规定的曝气沉砂池停留时间大于5 min为宜，依据相关研究与工程测试结果，T/CUWA 70052规定曝气沉砂池停留时间≥9 min，延长水力停留时间有利于提高不同曝气量下的泥砂去除效果及工艺运行效率。
对于预处理单元的初沉池，在强化细微泥砂颗粒去除的同时，还需要尽量减少碳源有机物的损失。为此，T/CUWA 70052规定，实际进水SS较低（<150 mg/L）或初沉池出水BOD5（COD）出现较大幅度降低时，可部分或全部超越初沉池，同时还列出了排泥注意事项、监测指标以及运行调整方法。另外，以生活污水为主的污水处理厂，初沉池设计水力停留时间不宜>1.5 h，必要时可以缩短到30 min以下。
对于核心工艺单元的生物池，应尽量优化碳源的配置与利用，提高碳源用于反硝化的比率。可行的主要方法包括：1）设置预缺氧池，采用多点分配进水，平衡生物脱氮和生物除磷对碳源的利用；2）提高缺氧区水力停留时间，强化进水中慢速碳源的利用效率，并在缺氧区设置反硝化除磷区，通过“一碳两用”减少碳源用量；3）在好氧区设置消氧区，减少好氧过程的碳源损耗。为此，T/CUWA 70052中规定，预缺氧区的设计水力停留时间宜为0.5~1.5 h，进水比例宜为0%~30%；缺氧区的设计水力停留时间宜>4 h；消氧区的设计水力停留时间宜为0.5~1.0 h。
碳源直接回收的方式包括初沉污泥单独发酵、剩余污泥水解发酵、初沉发酵池在线发酵。初沉污泥水解池的固体停留时间宜为3~6 d，剩余污泥水解反应池的进泥量宜为回流污泥量的5%~10%，水解时间不宜<20 h，污泥水解池的氧化还原电位（ORP）不宜>-250 mV，搅拌功率宜为（1~3）W/m3。初沉发酵池通过较长污泥固体停留时间、机械推流和较高的泥位控制，强化水力剪切与固体颗粒分离作用，将悬浮颗粒外层包裹的有机物剥离的同时进行初步水解，能有效改善出水的碳源结构。初沉发酵池固体停留时间宜为1~5 d，水力停留时间宜为0.5~1.0 h，泥位宜按有效水深的60%~80%设计，搅拌功率宜<0.5 W/m3。
编制团队研究发现污水处理厂提升泵出水堰、沉砂池出水渠、初沉池出水堰等跌水区域存在明显的复氧现象，跌水前后有2~3 mg/L甚至更高的DO增量，并在后续的管道、管渠或构筑物内快速消耗相应当量的优质进水碳源，导致预处理单元10~20 mg/L的进水碳源损耗。通过封闭渠道等工程措施，可将每次跌水的DO增量降低至1 mg/L左右，采用淹没出流则可以避免DO的增加。生物处理预缺氧区进水和污泥回流点、厌氧区进水、缺氧区碳源投加点等宜采用淹没出流方式，避免跌水复氧，减少碳源的损耗。
2. 磷酸盐回收途径及方式
图2为城镇污水处理系统磷酸盐回收的技术路线示例。磷酸盐可在城镇污水处理系统的水线通过侧流方式回收，也可利用污泥厌氧消化液和污泥焚烧灰渣进行回收，侧流磷酸盐回收包括从生物单元厌氧池上清液以及回流污泥旁路中回收。图3为城镇污水侧流磷回收的工艺流程示例。从厌氧池富含磷酸盐的上清液中进行磷回收，工艺流程先通过物理沉淀进行泥水分离，上清液进入磷回收反应器，经过化学沉淀或结晶反应，生成磷酸盐产品，可用作化肥原材料或其他用途。如果是在回流污泥线路上进行旁路磷回收，在泥水分离前，需要先经过磷酸盐释放的工艺过程。
图2 城镇污水处理系统磷回收技术路线示例
图3 城镇污水侧流磷回收工艺流程示例
为确保回收磷产品的纯度，分离池上清液应SS<100 mg/L。泥水分离池沉淀的污泥宜优先回流到生物系统缺氧区，促进反硝化除磷。这是因为厌氧生物释磷后的污泥微生物细胞内富含PHA（聚羟基烷酸），是优质碳源，回流至缺氧区可为反硝化聚磷菌提供代谢能量，促进以硝酸盐为电子受体的超量吸磷和反硝化脱氮，实现“一碳两用”。如果回流到好氧区，容易造成碳源浪费。
对于释磷部分，回流污泥释磷池和生物池厌氧区ORP值宜<-250 mV；释磷池设计水力停留时间宜≥1.0 h；可在进水中投加醋酸盐类的外碳源或系统回收的碳源，增强生物池厌氧区的生物释磷能力。另外，化学磷沉淀中的磷较难释放，应降低污水处理过程中生物段化学除磷及污泥脱水无机药剂的使用量，确保厌氧区生物释磷效果，提高磷回收效能。
磷回收反应器内可投加镁盐或钙盐回收磷；回收完的上清液剩余有机物仍可作为反硝化碳源继续利用，因此磷回收后的上清液主要去向缺氧池；过量磷回收可能导致生物脱氮除磷系统中磷的失衡，影响活性污泥功能菌群的正常生长代谢。通常厌氧区侧流流量不宜超过进水量的30%，回流污泥侧流污泥量不宜超过回流污泥总量的30%。
对于厌氧消化液和焚烧灰渣的磷回收，T/CUWA 70052也列出了相应的技术要点，包括消化液磷酸盐回收的附属设施、设备材料、投加药剂等，针对焚烧灰渣磷回收，提出了回收系统的组成、采用的提取药剂、纯化和制备方法等。另外，针对磷回收中常用的鸟粪石和羟基磷灰石2种结晶反应器，列出了主要的参数和运行管理要点，鸟粪石法反应器的进水正磷酸盐磷浓度宜>50 mg/L，镁盐投加量宜按1:1:1的比例，满足Mg2+、NH4+和PO43-三者的化学计量关系。
3. 污泥蛋白质回收
污泥蛋白质回收工艺流程如图4所示。可知：蛋白质回收部分，主要利用剩余污泥进行回收。回收系统包括污泥碱热水解、固液分离、纯化分离等单元。回收的蛋白质可作为发泡剂等工业类蛋白产品，中间过程产生的残渣经稳定化处理，也可以再次利用。T/CUWA 70052列出了这些工艺单元的技术参数和运行管理要点。
图4 污泥蛋白质回收工艺流程示例
污泥水解单元的主要作用是将污泥中的蛋白质转移至液相，水解过程可采用物理（热解、超声等）、化学（酸法、碱法、臭氧等）、生物方法或多种模式联用，联用效果通常较优，碱热水解法工艺过程简单，适宜工程应用。目前碱热法水解已实现初步产业化，形成了较为完整的工业生产线。例如，天津滨海新区建成150 t/d规模污泥处理处置设施，1个间歇处理过程可获得水解蛋白液9 t，残渣（含水率40%）约2.5 t。
纯化分离可采用混合液的浓缩和沉淀，浓缩主要有蒸发浓缩法、泡沫法和膜法，沉淀法主要为盐析沉淀法、等电点沉淀法。编制团队的试验研究表明，等电点沉淀法是1种从市政污泥水解液中回收蛋白质的有效方法，当pH为3.5，沉淀温度为5 ℃，提取液蛋白质浓度为6000 mg/L时，蛋白质回收率达87%，所得蛋白质产品残留重金属的风险低。
4. 污泥处理产物利用
资源回收利用的另外一个重要组成部分是污泥处理产物利用，主要包括土地利用和建材利用，污泥经厌氧消化、好氧发酵、碳化等稳定化、减量化、无害化处理后可土地利用；条件允许时污泥可以直接建材利用，或选择碳化、湿式氧化、焚烧方式处理后进行建材利用。
城镇污水处理厂污泥处理产物利用的技术路线参见图5。
图5 污泥处理产物利用技术路线示例
对于污泥碳化产物，高温、中温、低温碳化工艺的产物有不同的利用途径，低温碳化后的产物通常可作为生物质燃料利用，中温碳化后的产物可作为生物质燃料或土地利用，高温碳化后的产物可作为土地利用或建材利用。湿式氧化和焚烧处理的产物主要用于建材。T/CUWA 70052对碳化、湿式氧化和焚烧处理的工艺构成及设计运行参数进行了规定。
污泥处理产物土地利用的主要方式包括土壤改良、园林绿化、垃圾填埋场封场用土等，建材利用方式主要包括制砖、制陶粒和水泥熟料。进行回收利用时，污泥处理产物的稳定性指标应满足现行国家及地方标准，利用前应进行环境安全性的风险评估。
03能源回收利用
城镇污水的能源回收利用包括污水、污泥中的热能、化学能、势能的回收利用。考虑实际工程中较容易实施且技术较成熟的途径，T/CUWA 70052对水源热泵热能回收、污泥化学能回收、污泥处理过程余热回收进行了具体规定，势能利用部分没有涉及具体技术要点。
化学能回收主要通过污泥厌氧消化、焚烧、碳化、湿式氧化等工艺过程；厌氧消化产生的沼气，可进行厂内和厂外利用。污泥焚烧、碳化和湿式氧化主要利用污泥化学能维持反应过程自身所需热量。污水热能回收主要通过水源热泵，提取污水或处理出水中的热能，用于厂内工艺单元加热和综合办公，或者供周边区域进行商业利用。余热利用的环节包括污泥厌氧消化热电联产、热水解、干化、焚烧、湿式氧化等工艺过程，回收的余热主要在厂内利用，用于生产工艺单元池体保温、物料加热和生产热水等。
城镇污水的能源回收技术路线参见图6。
图6 城镇污水能源回收技术路线示例
1. 污水热能回收利用
供水与用水过程中存在自然与人为的热能输入过程，使城镇污水蕴藏丰富的低位热能，冬季水温10~20℃左右，明显高于气温，夏季一般为20~25℃，明显低于气温，与水源热泵机组的匹配性好，系统制热系数（COP）可以达到4~5，在国内城镇污水处理厂已大量工程应用，从厂内供热供暖扩展到周围居民及商业供热服务，夏季还可以用来供冷。
城镇污水热能的回收利用，主要针对污水处理厂出水（再生水）和管网污水中的热能，T/CUWA 70052推荐采用出水（再生水）作为水源热泵的取水水源，并结合水质水量水温、气候条件、服务范围内建筑物热能负荷等因素，进行能量衡算及技术经济分析。
城镇污水处理厂内回收的热能应优先扩展厂内利用，同时开拓厂外利用，管网污水热能宜就近回收就近利用。厂内热能利用时，形成的温差不能影响再生处理工艺的运行效能；设计过程中需要充分调研拟利用水源的水温、水量数据，进行系统方案编制与参数确定。对于运行管理，T/CUWA 70052列出了水质监测、运行台数调整、设备维护等方面的要求。
2. 污泥化学能回收利用
污泥化学能回收主要通过厌氧消化、污泥焚烧、碳化、湿式氧化等过程实现。污泥有机质含量是污泥化学能产量的关键影响因素，结合我国污泥有机质含量偏低的实际情况，应从污水管网和污水处理2个方面开展工作，以强化污水中无机组分的去除或降低；在污水管网方面，应做好污水系统提质增效和泥砂的源头控制；在污水处理方面，应强化污水预处理，可采取的技术措施包括优化沉砂池的设计运行、设置初沉池或初沉发酵池等。
针对厌氧消化产能过程，T/CUWA 70052列出了基本的工艺参数和运行管理规定，工艺方面包括预处理方式和要求、热水解参数、温度、含固率、停留时间、容积负荷、pH、消化液处理等，运行管理主要是针对可能出现的异常情况，例如进泥重金属含量较高或出现有机酸过量累积时，应采取的对策措施。除了厌氧消化工艺本身，T/CUWA 70052还对沼气脱硫净化和提纯、厌氧消化产能利用方式（厂内及厂外供电、锅炉供热、机械驱动）、热电联产等方面做了具体规定及参数建议。
在污泥厌氧消化池的运行温度方面，高含固的中温厌氧消化温度可提升至38 ℃以上。天津津南污泥处理厂高含固中温厌氧消化示范工程的运行温度为40 ℃。编制团队针对该工程开展的生产性运行研究表明，进泥含固率为8%~9%，有机质含量为50%~60%时，厌氧消化温度从37 ℃升高到40 ℃，产气量约增加16%，且系统的运行稳定性较好。
在污泥焚烧与热能利用方面，T/CUWA 70052列出了基本的工艺设计运行参数，污泥焚烧的预处理宜减少热干化等热法的使用，避免消耗过多热能，推荐采用机械脱水的预处理方式。另外，应通过物料、能量平衡计算，确定最佳入炉污泥含水率，提高系统能量利用效率。焚烧过程产生的炉渣和飞灰可进一步回收磷资源。
3. 余热利用
余热利用是对不同污泥处理单元排放的热能加以利用的过程。污泥处理过程的多个环节都会产生余热，例如，热水解过程的闪蒸气所含热量，热水解后的污泥进入厌氧消化系统之前降温过程所释放的热量，厌氧消化沼气通过发电机热电联产产生的热量，污泥焚烧及碳化过程的烟气余热等。这些余热的利用途径主要包括生产环节的保温与增温，或者为厂区生产和办公提供热水等。
余热通常宜直接利用，尽量避免或减少换热环节。我国城镇污水处理厂污泥热值较低，污泥热处理过程中，如何充分利用余热十分重要，应选择换热效率高的换热形式，具体根据工艺和污泥热值确定。以污泥焚烧系统为例，如果污泥干基低位热值相对较高，烟气余热宜通过高温空预器回收，提高1次风入炉温度；如果污泥干基低位热值较低，烟气余热宜通过余热锅炉回收，尽量选择换热效率高的余热锅炉。
04结束语
城镇污水处理厂是潜在的资源能源工厂，如何最大程度地实现能源回收、资源循环和环境友好已成为污水处理的主导发展方向。与国际先进国家相比，我国目前的城镇污水资源能源回收的实际应用情况仍存在较大差距，在工程实践中尚缺乏系统化规范化的指导。T/CUWA 70052从资源循环利用和能源回收角度出发，系统规划了城镇污水资源和能源回收利用的技术路线，提出了具体的实施路径和运行管理模式等。该规程为国内首次发布，可指导我国城镇污水资源化能源化工程建设与运行，有助于全面提升城镇污水资源能源回收利用的技术水平与工程规模，促进行业的绿色低碳高质量发展。
