耦合流化床和电容去离子实现污水处理高效达标与低碳化运行

创新点

1. 开发了FPB-FCDI全物化污水处理新工艺；

2. FPB-FCDI耦合工艺表现出良好的协同作用；

3. FPB-FCDI耦合工艺出水达到地表Ⅳ类水质标准；

4. FPB-FCDI耦合工艺碳排放量为0.42 kg CO₂/m³，为传统生物处理过程的53.83%。

通讯作者简介

李志华教授

西安建筑科技大学教授，环境与市政工程学院副院长，中国自动化学会环境感知与自动化专业委员会委员，IWA国际水协会数字水务中国委员会常务委员，《工业水处理》杂志第七届编委会编委，青岛国际水大会专家委员会委员。陕西省污水处理低碳智能化技术创新团队负责人，西安市环境工程装备智能化技术重点实验室主任，对污水生物处理技术尤其是颗粒化技术、污水处理智慧运行与优化控制、环境数据挖掘、物联网与云计算技术有长期系统研究。获宝钢优秀教师奖、三秦英才科技创新领军人才，获国家科技进步奖二等奖两项，获陕西省教育厅科技进步奖特等奖、一等奖，中国城镇供水排水协会城镇水科技一等奖，陕西省土木建筑科学技术奖等各一项。主编《水工艺与工程的计算与模拟》《发明创造与水处理技术变革》。主持开发的《污水处理智慧运行工作站》产品2015年被列入国家重点环保实用技术名录，《污水生物处理精细化运行管理技术》2019年入选国家水污染防治先进技术目录，专利技术产品在11个省市得到广泛应用。

耦合流化床和电容去离子实现污水处理高效达标与低碳化运行

作者

罗定坤^1,2,3，仝培培^1,2,3，李志华^1,2,3,*，任天龙⁴，杨成建^1,2,3，王晓昌^1,2,3

单位

1. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院

2. 西安市环境工程装备智能化技术重点实验室

3. 西安建筑科技大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室

4. 西安创业水务有限公司

基金项目

1. 国家自然科学基金资助项目（52070149）

2. 陕西省重点研发计划资助项目（2023-YBNY-269）

3. 陕西省国际科技合作重点资助项目（2024GH-ZDXM-04）

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摘要

目前，污水厂多采用生物处理工艺降解去除污染物，降解过程既消耗能源又不利于资源回收，并产生温室气体。为此，开发了造粒流化床-流动电极电容去离子（FPB-FCDI）耦合工艺。该工艺只是将污染物从污水中分离而不是将其降解，不仅可以获得良好的出水水质，还可以将分离后的高浓度污染物用于碳氮资源回收。实验结果表明，FPB系统中化学需氧量（COD）和总磷（TP）的去除率分别达到了70.71%和84.64%，而FCDI系统中氨氮（NH₄⁺-N）去除率高达98.50%。系统出水的COD、TP、NH₄⁺-N浓度分别为（13.43±1.24）(0.16±0.03)（0.29±0.08）mg/L，达到地表Ⅳ类水质标准。此外，由于FPB系统去除了大部分粒径在0.45～6.00μm的非溶解态或胶体态COD，减少了对后续FCDI系统的潜在影响。该工艺还具有低碳特点，运行过程中使用的能耗折算碳排放量为0.42 kg CO₂/m³，是传统生物处理过程的53.83%，若利用厌氧消化回收FPB系统分离碳源产生的电能，还可以进一步减少0.19 kg CO₂/m³碳排放量，为下一代高效、低碳污水处理技术的开发提供了新思路。

研究背景

以传统生物处理（AAO工艺、氧化沟工艺等）为主的污水处理厂面临工艺运行能耗高、资源浪费等问题。传统生化处理过程中降解污染物会消耗能源，并产生温室气体，不利于回收污水中的潜在资源。全物化工艺通过将污染物从污水中分离，达到污水处理的目的，不仅降低污水处理过程中的碳排放量还能回收潜在资源。研究表明，基于常规混凝工艺原理的造粒流化床技术（FPB）对污水中有机物和磷都有较好的去除效果，广泛应用于废水处理和资源回收等领域。然而采用FPB处理后的污水仍含有相当的氮资源（NH₄⁺-N），应考虑对其进行回收。可持续运行的流动电极电容去离子技术（FCDI）能从溶液中吸附带电离子并将其储存在双电层中，鉴于FCDI系统具有优异的污染物富集性能，利用该系统对经FPB处理后的市政污水的进行氮富集，便于后续资源回收利用。因此，本研究提出了一种FPB-FCDI处理市政污水的新工艺，该工艺充分利用分类分离的方式，捕获污水中的有机物并对NH₄⁺-N进行预浓缩。在耦合工艺中FPB系统用于浓缩有机物以降低对FCDI系统的影响，FCDI系统对氨氮进行高效分离并浓缩在电极液中，实现污染物的去除和氨氮资源回收，充分发挥耦合工艺的协同作用。将污染物从污水中分离，不仅能够减少产生CO₂等温室气体，还为碳氮等资源回收提供基础。本研究通过探究FPB-FCDI耦合工艺的污染物处理效果和影响因素，评估了运行过程中的能源消耗和资源回收潜力，旨在探索一种低碳、高效的污水处理新技术，为开发下一代绿色、低碳的污水处理技术提供新思路。

部分图表

图1 FPB-FCDI耦合系统示意图

图2 耦合工艺不同阶段COD组分变化

图3 FCDI进出水三维荧光光谱

图4 不同COD进水FCDI系统脱氮性能

引文格式

罗定坤, 仝培培, 李志华, 任天龙, 杨成建, 王晓昌. 耦合流化床和电容去离子实现污水处理高效达标与低碳化运行[J/OL]. 能源环境保护: 1-7[2024-09-10]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240901.

LUO Dingkun, TONG Peipei, LI Zhihua, REN Tianlong, YANG Chengjian, WANG Xiaochang. Achieving high-quality effluent and low-carbon emission through coupling fluidized pellet bed and capacitive deionization[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-7[2024-09-10]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240901.

　　责任编辑：宫在芹

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