张亚雷：面向碳中和的农村污水资源化技术

3月9日，“第12届中国农村和小城镇水环境治理论坛”在内蒙古呼和浩特举行。同济大学工程与产业研究院院长、新农村发展研究院常务副院长张亚雷作题为《面向碳中和的农村污水资源化技术》的报告。

张亚雷，同济大学工程与产业研究院院长、新农村发展研究院常务副院长

污水处理减污低碳发展现状与需求

污水处理碳排放量占全社会总排放量的1-2%，2009-2019年市政污水行业碳排放增幅超140%。2022年6月，生态环境部、国家发改委等七部门联合印发《减污降碳协同增效实施方案》。2022年8月，科技部、国家发展改革委、工业和信息化部、生态环境部、住房城乡建设部、交通运输部、中科院、工程院、国家能源局等九部门联合印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022-2030）》。

多项“碳达峰碳中和”相关政策均提出要大力推进污水资源化利用。推进污水处理厂节能降耗，优化工艺流程，提高处理效率。开展城镇污水处理和资源化利用碳排放测算，优化污水处理设施能耗和碳排放管理。

农村污水治理现状及发展趋势

截止2020年，我国农村污水排放量约300亿吨，体量巨大，污水处理率不足30%。农村污水排放特征包括氮磷浓度偏高，分散排放、水量小、日变化大、收集困难、地区差异明显。因此，农村污水的治理比城市污水更加复杂、难度更大。

当前，我国农村污水治理模式与实际需求有一定偏差，运行状况差、达标率低，污水资源化利用水平低。亟需构建因地制宜的农村污水处理模式，开发物质循环与资源利用的污水低碳处理技术。

而从政策导向上看，农村改厕和污水治理协同发展，是“十四五” 乡村振兴领域的工作重点。

厕所污水各类污染物排放量占总排放量比例较大，处理不当会污染环境，杂排水往往被排入化粪池，导致粪污溢流或者清掏频率过高，无下水管网地区，杂排水无组织排，严重环境污染。因此亟需同步推进农村污水治理与改厕工作，形成因地制宜的治理模式。

农村污水黑灰分质/混合治理模式

黑灰混合分质治理模式

黑水包括粪、尿及其冲洗水，灰水则是其余生活污水（表面活性剂、油脂等）。黑灰水水质差异大，资源化偏重不同。分质收集是处理黑灰水的有效模式，分质收集将各类污水源头分离，并根据污水特点有针对性地处理与资源化利用，克服了混合处理资源化效率低、成本高的难题。

通过研究非洲、日本、IWA等不同地区黑灰分质资源化模式发现，在常见分质处理资源化模式中，粪便、尿液和灰水的分离是回收资源的必要条件。灰水、黑水具体的资源化方法则与污水水质、当地经济社会情况等因素密切相关。其核心在于对水中不同资源的闭环。

灰水不同处理技术包括：物理法（过滤吸附、膜分离），化学法（催化、氧化），生物法（SBR、MBR等），生态法（人工湿地、生态滤池、土壤渗滤），需根据当地水资源需求、环境敏感程度等评估选取适宜的灰水处理技术。

黑水COD含量高、CNP营养元素丰富，资源化潜力巨大。主要资源化途径包括：甲烷回收、好氧堆肥、氮磷回收、多级处理水资源回收等。

甲烷回收：耦合餐厨垃圾、农业废弃用等共发酵，实现废弃物的减量化、资源化和循环利用。

好氧堆肥：好氧堆肥技术在我国农村应用推广较多，将粪便与生物填料或者基质混合后置于储粪池或发酵罐内，利用粪便自身携带的好氧微生物或者定期投放特殊高效菌种进行发酵，最终变成有机肥。高效且无废的堆肥方式是目前市场的迫切需求。

氮磷回收：微藻资源化技术：实现黑水低耗高效处理与全过程资源化利用高蛋白饲料、肥料、生物油等。离子交换吸附技术：尿液中营养元素转移到吸附材料中，直接作为肥料农用。鸟粪石/缓释肥技术：通过控制不同条件获得高纯鸟粪石回收氮磷。

多级处理水资源回收：两级A/O-MBBR为核心的循环水冲厕所系统，耦合预处理与深度处理单元，增强黑水处理与回用的效率与稳定性。

安全保障技术：包括绿色新型氧化消毒技术、电化学消毒技术等，实现污水中病原微生物、药物污染物及其他污染物质的防控。

黑灰混合集中处理模式

生态处理：出水可达二级排放标准，需要收割植物、清掏等定期维护。

传统活性污泥法（A/O、A2O等）：处理效率好，出水水质稳定，可以同时脱氮除磷，达到一级B排放标准。需要专业技术人员维护，基建和运行管理费用较高。

生物+生态组合工艺：生物生态组合工艺是一种针对农村地区不同发展状况、不同地形条件和不同排水特征而研究开发的适用于农村地区的污水处理工艺，运行效果稳定。

曝气生物滤池、生物接触氧化、膜生物反应器：

面向碳中和的农村污水资源化技术探索

微藻资源化技术是一项资源回收率高的污水处理技术，可实现污水低能耗、全过程资源化利用，微藻去除污染物的同时高效固定CO2。

微藻资源化技术面临的难点有3个

因此，课题组针对以上3个问题进行了深入研究。

微藻污水培养方面：通过高耐污性、高含油量、高产率优势藻株筛选，构建高通量、多因素筛选体系，开展了物化诱导、基因工程等手段筛选构建特异性藻株，抑制杂菌/杂藻过度生长，显著提升微藻藻生物量及油脂含量。通过量子点强化微藻高效固碳技术开发，基于量子光谱重组效应，强化微藻光能利用，显著提升微藻固碳效率（20%）及代谢产物积累（油脂含量提升34%）。基于反应器材料、结构以及光气液传质的改进研发了三代微藻光生物反应器。同时建立微藻废水循环培养技术（AWC2T）和系统性能评估体系，AWC2T技术具有优越的经济性和资源高效性，可助力微藻低碳污水处理的发展。

微藻采收方面：建立原位无损膜污染因子识别体系，揭示分级颗粒对污染层演变影响规律，构建改性界面扩散凝聚（IMDLA）模型，为微藻浓缩过程膜污染提供理论依据，提出精准的膜污染控制策略。提出硅藻土动态膜技术微藻分离浓缩新工艺，开发振动膜技术微藻分离技术体系，通过开发微藻新型膜分离浓缩工艺技术体系，实现微藻的高效低耗采收。

微藻高值资源转化方面：提出微藻-乳酸-藻基功能性碳材料梯级提取资源化路径，构建新型金属改性催化剂，定向调控微藻高值转化，实现微藻生物质全组分利用。开发了基于原位水热组装的Pt/SiO2@Mg(OH)2核壳结构催化剂，具有高选择性和稳定性。促进主反应、抑制副反应，提升催化剂稳定性（三次回用效率稳定在45%以上），有效提高藻渣水热催化产乳酸性能。

目前，微藻资源化技术已能够在高浓度有机废水、净化出水、钢铁冷轧废水等诸多案例中有良好的应用。