來(lai)源(yuan)：凈(jing)水萬事屋(wu)
近年來,碳中和是一個熱門話題,不斷增加的CO2排放(fang)已(yi)經成為世界(jie)的(de)基本(ben)難(nan)題之(zhi)一。2015年《巴(ba)黎氣候(hou)協定(ding)》規(gui)定(ding)將氣溫上升限制在2 ℃以內(nei),為了(le)達(da)到這個目標(biao),我國采(cai)取(qu)了(le)嚴格(ge)的(de)法規(gui)和排放(fang)標(biao)準。現(xian)(xian)階(jie)段國內(nei)大部分的(de)仍不(bu)能滿(man)足可持續發展的(de)要(yao)求,隨著國家和地(di)方采(cai)取(qu)越來越嚴格(ge)的(de)排污(wu)標(biao)準,我國現(xian)(xian)有老式污(wu)水處理廠普遍暴露出達(da)標(biao)難(nan)、不(bu)穩定(ding)、能耗高(gao)、污(wu)染治理難(nan)等問題。
統計結果表明,2020年,我國共有4 496座城鎮污水處理廠,總處理規模為23 070萬m3/d。對于許(xu)多城鎮(zhen)而言,污(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)廠是最(zui)大(da)的(de)(de)能(neng)源消耗者,如(ru)果采(cai)用(yong)常規技術處(chu)(chu)理(li)(li),污(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)能(neng)耗可占全球(qiu)電力的(de)(de)3%,如(ru)果不(bu)盡快(kuai)優化目前和未來的(de)(de)處(chu)(chu)理(li)(li)廠處(chu)(chu)理(li)(li)技術,污(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)設施的(de)(de)能(neng)源消耗將持續增(zeng)加。依據2005年《關于嚴(yan)格執行(xing)〈城鎮(zhen)污(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)廠污(wu)(wu)(wu)(wu)染物(wu)排放標準(zhun)(zhun)〉的(de)(de)通知》及2006年修(xiu)訂的(de)(de)《城鎮(zhen)污(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)廠污(wu)(wu)(wu)(wu)染物(wu)排放標準(zhun)(zhun)》(GB 18918—2002)要求,城市(shi)污(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)設施向(xiang)國(guo)家、省(sheng)屬重要河流、湖泊、水(shui)(shui)庫等封閉(bi)、半封閉(bi)的(de)(de)水(shui)(shui)體(ti)進行(xing)排污(wu)(wu)(wu)(wu)時,要達到一(yi)級A標準(zhun)(zhun),開(kai)啟(qi)了國(guo)內“提(ti)標改(gai)造”的(de)(de)帷幕。
目前,國內大部分的城市污廢水處理都是以生物法為主,在處理過程中,為了達到水質凈化的目的,必須消耗很多化學物質和能源,同時還會排放出許多的CO2、甲烷(CH4)等溫室(shi)氣(qi)體(GHG)。這(zhe)種處(chu)理方式是(shi)“以能消能”的不可持續手段,如(ru)何(he)實現(xian)“零碳型(xing)”排放,是(shi)污水(shui)廠(chang)實現(xian)碳中和運行的一個重(zhong)要環節。
本文(wen)整合(he)了目(mu)前污(wu)水處(chu)理廠的(de)部分(fen)主流處(chu)理工(gong)藝及未來(lai)可(ke)突破的(de)技(ji)術，歸納優缺點,以期(qi)為我國污(wu)水處(chu)理廠，實現(xian)碳(tan)中和運(yun)行的(de)目(mu)標提供借鑒與參考。
1 污水處理廠的實現途徑
污水處理是能源密集型的高耗能產業。目前,我國污水處理規模大,能耗高,CO2排放(fang)量始(shi)終位居世界(jie)第一位。通過采(cai)取節(jie)能措施和調(diao)整處(chu)理工藝,大部分的(de)污水處(chu)理廠(chang)可減少30%以上的(de)能源投(tou)入(ru)。
1.1 污水(shui)處理綜合能效的提升分析(xi)
1.1.1 污水(shui)處理設備提質(zhi)增(zeng)效
電耗在污(wu)水處(chu)理(li)廠的(de)(de)(de)能(neng)(neng)源消耗中占(zhan)比較大,對污(wu)水處(chu)理(li)設(she)(she)備進行合理(li)的(de)(de)(de)改(gai)造優化,可以(yi)(yi)實現節(jie)能(neng)(neng)降耗、提高設(she)(she)備能(neng)(neng)效的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。具體地(di)說,在污(wu)水處(chu)理(li)廠中,曝氣系(xi)統、提升(sheng)(sheng)泵和污(wu)泥脫水裝(zhuang)置占(zhan)據總電力(li)消耗的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)份額，鼓(gu)風曝氣機和污(wu)水提升(sheng)(sheng)泵等裝(zhuang)置的(de)(de)(de)能(neng)(neng)源消耗占(zhan)了(le)69%。所以(yi)(yi),研發曝氣系(xi)統、污(wu)水提升(sheng)(sheng)系(xi)統等節(jie)能(neng)(neng)技術是降低能(neng)(neng)源消耗的(de)(de)(de)重要(yao)措施(shi)。
在多種(zhong)(zhong)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)理工藝(yi)(yi)中(zhong),氧化池(chi)作為一種(zhong)(zhong)天然的(de)(de)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)理系統,其能(neng)(neng)源效(xiao)率最(zui)(zui)高,但其占地面積大、散發異味等(deng)(deng)缺點嚴重限制了(le)其應用(yong)。對于(yu)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)理廠(chang)(chang)來說,最(zui)(zui)實用(yong)的(de)(de)方(fang)法(fa)是升(sheng)級陳(chen)舊的(de)(de)設備(bei),并針(zhen)對污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)的(de)(de)水(shui)(shui)量(liang)(liang)和(he)水(shui)(shui)質總(zong)是波(bo)動(dong)的(de)(de)特點采(cai)用(yong)實時控制器,使(shi)設備(bei)在合適的(de)(de)工況(kuang)運行。于(yu)洪(hong)波(bo)等(deng)(deng)的(de)(de)研(yan)究結(jie)果(guo)表明,選用(yong)空(kong)氣懸浮(fu)和(he)磁浮(fu)等(deng)(deng)高效(xiao)率的(de)(de)鼓(gu)風(feng)機與采(cai)用(yong)傳統的(de)(de)羅茨風(feng)機相比,可(ke)(ke)以(yi)節省30%左右的(de)(de)能(neng)(neng)源消(xiao)耗(hao)(hao)(hao)。主體處(chu)理工藝(yi)(yi)的(de)(de)選取對整個(ge)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)理廠(chang)(chang)的(de)(de)能(neng)(neng)源消(xiao)耗(hao)(hao)(hao)總(zong)量(liang)(liang)也有(you)一定的(de)(de)影(ying)響。蔣富海等(deng)(deng)采(cai)用(yong)低(di)氧曝氣等(deng)(deng)節能(neng)(neng)操作,改進后的(de)(de)Bardenpho懸掛鏈曝氣器充氧動(dong)力效(xiao)率高、曝氣均勻(yun)性好,可(ke)(ke)有(you)效(xiao)減少(shao)曝氣的(de)(de)能(neng)(neng)源消(xiao)耗(hao)(hao)(hao),使(shi)噸水(shui)(shui)電(dian)耗(hao)(hao)(hao)節能(neng)(neng)16%;噸水(shui)(shui)藥費同比節約(yue)28%,改造后節水(shui)(shui)節能(neng)(neng)降耗(hao)(hao)(hao)效(xiao)果(guo)顯著。吳軍偉(wei)等(deng)(deng)針(zhen)對某污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)理廠(chang)(chang),結(jie)合變頻調速電(dian)動(dong)機的(de)(de)節能(neng)(neng)技術(shu),根據(ju)集水(shui)(shui)池(chi)水(shui)(shui)位的(de)(de)動(dong)態特性,提出了(le)一種(zhong)(zhong)基于(yu)智能(neng)(neng)節電(dian)裝置的(de)(de)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)提升(sheng)泵(beng)變頻節能(neng)(neng)方(fang)案,經(jing)過變頻調速后,兩臺水(shui)(shui)泵(beng)的(de)(de)每月耗(hao)(hao)(hao)電(dian)量(liang)(liang)下降至57 000 kW·h,節能(neng)(neng)效(xiao)果(guo)>22%。
1.1.2 更新污水處理管(guan)理方法
當(dang)前(qian),我國(guo)污(wu)(wu)水(shui)(shui)廠(chang)的(de)運營管理(li)(li)(li)過程還面臨(lin)著很多的(de)問題(ti),比(bi)如(ru)藥(yao)(yao)劑(ji)投(tou)加(jia)不(bu)精準、設(she)備配置與實際荷載不(bu)相匹配等(deng)。解決(jue)污(wu)(wu)水(shui)(shui)廠(chang)運營管理(li)(li)(li)方面的(de)問題(ti)成為當(dang)務之急(ji)。重(zhong)慶G污(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)(li)廠(chang)通過加(jia)入輔助(zhu)碳源和除磷(lin)劑(ji)來保(bao)持生物化學體系的(de)穩定運轉(zhuan),但調節操作滯后、加(jia)入量(liang)(liang)不(bu)精確等(deng)情況造成污(wu)(wu)水(shui)(shui)質量(liang)(liang)不(bu)穩定。后期(qi),該(gai)污(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)(li)廠(chang)安裝了進水(shui)(shui)在線監測(ce)儀表(biao),科(ke)學測(ce)算碳氮比(bi)、碳磷(lin)比(bi)的(de)值(zhi),合(he)理(li)(li)(li)地(di)控制(zhi)外加(jia)碳源或藥(yao)(yao)劑(ji)投(tou)加(jia)量(liang)(liang),并對添加(jia)位(wei)置進行了優選,確保(bao)調控措施(shi)及時、準確、高效,從而達到節能減排的(de)目的(de)。
在污(wu)水(shui)處理廠(chang)中應(ying)用(yong)自動控制,可(ke)實(shi)現(xian)(xian)多重效(xiao)益,節省能源并(bing)減少(shao)高達(da)9.6%的(de)(de)GHG排放。Baroni等在全(quan)尺(chi)寸操作過程(cheng)中實(shi)現(xian)(xian)了(le)一(yi)個(ge)模糊的(de)(de)邏輯系(xi)統,意大利污(wu)水(shui)處理廠(chang)的(de)(de)氨和(he)溶解氧(yang)濃度的(de)(de)波(bo)動顯(xian)著(zhu)降低(di),通過對(dui)1/4的(de)(de)反應(ying)器(qi)應(ying)用(yong)模糊控制器(qi),污(wu)水(shui)處理廠(chang)的(de)(de)能耗(hao)降低(di)了(le)4%。在我國廣(guang)西桂(gui)林(lin)市,陳(chen)俊(jun)江(jiang)對(dui)城市排水(shui)生產運營管理系(xi)統進行評價(jia)分析,該系(xi)統可(ke)以進一(yi)步(bu)提升污(wu)廢水(shui)的(de)(de)綜合(he)處理能力,減少(shao)故障停機的(de)(de)次數(shu),同(tong)時減少(shao)人力、材料、藥劑(ji)等費用(yong)。
為了降低污(wu)(wu)水(shui)廠(chang)的(de)碳排(pai)放,要(yao)從工藝、設備、管理(li)、能源等多(duo)個環節(jie)入手,多(duo)措并舉,在(zai)確保水(shui)質達到要(yao)求的(de)前(qian)提下,加(jia)強對污(wu)(wu)水(shui)處理(li)廠(chang)日常(chang)運(yun)營(ying)的(de)監督。
1.2 加大能源回收(shou)力度的工(gong)藝措(cuo)施
傳統的(de)污(wu)(wu)水生物處(chu)理工(gong)(gong)藝是(shi)能源密集型的(de)工(gong)(gong)作(zuo),回收的(de)資(zi)源很少或根(gen)本沒(mei)有,通(tong)(tong)常需要(yao)大量的(de)外部(bu)化(hua)(hua)學物質投入。通(tong)(tong)過(guo)碳(tan)捕集技術,結合厭氧消化(hua)(hua)-熱電聯產、光伏發電、污(wu)(wu)水源熱泵等技術,實現污(wu)(wu)水處(chu)理的(de)碳(tan)中和目的(de)。
1.2.1 污水源熱泵(beng)技(ji)術
污水含有大量的化學、熱能和水動力能。據統計,城市社區產生的余熱有40%包含在污水中。由于溫度存在差異,污水中所含的熱能提供了另一個間接抵消污水處理的能源需求的能量來源,其中可回收的熱能比厭氧回收的化學能多6～8倍。因此,如果能將回收的熱能與城市熱網有效地結合起來并充分利用,水源熱泵技術在促進污水處理廠接近碳中和目標方面具有巨大潛力。污水源熱泵其中一部分熱能可用于滿足污水處理廠的采暖需要,另外一部分則被送往城鎮供熱系統,污水源熱泵系統的詳細流程如圖1所示。以北歐國家為例,據報道,在瑞士和德國,3%的建筑可以通過污水源熱泵供暖或制冷。與傳統的空調系統相比,應用污水源熱泵的中央空調系統,CO2的排放減少40%～51%,NOx的排放減少36%～49%;污水源熱泵分布式空調系統減少了13%的CO2排放,以及13%的NOx排放。郝曉地等的研究結果顯示,采用朗肯循環,能夠充分利用余熱供電,使污水處理廠達到碳中和86%的能量要求,并能進一步降低CO2的排放。青島市團島污水源熱泵利用低品位熱能,實現了傳統的節能減排,年節電量為5.2×104MW·h,標煤節約1.91×104t,并減少50 042 t/a的CO2、162.4 t/a的SO2和141.3 t/aNOx-排放。
Zhang等提出(chu)一種新型(xing)組合型(xing)污水(shui)熱泵供暖方(fang)式,其節能性(xing)、經濟性(xing)、適用性(xing)強,能夠將大量的(de)熱能通過管網向集中供暖系(xi)統輸(shu)送(song),有(you)助(zhu)于降低燃煤和大氣污染。
如(ru)圖2所示,分析了(le)不同工況下(xia)不同加熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)方(fang)(fang)式的(de)(de)(de)一(yi)次能(neng)(neng)(neng)源(yuan)利(li)用(yong)效率。在設定的(de)(de)(de)條件下(xia),與傳(chuan)統(tong)的(de)(de)(de)加熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)方(fang)(fang)法相(xiang)(xiang)比,污(wu)水(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)泵(beng)可(ke)以充分利(li)用(yong)污(wu)水(shui)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)資源(yuan),能(neng)(neng)(neng)夠減(jian)小(xiao)對(dui)環境的(de)(de)(de)影響。與傳(chuan)統(tong)集中供熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)方(fang)(fang)式相(xiang)(xiang)比,在相(xiang)(xiang)同典型工況下(xia),污(wu)水(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)泵(beng)組合式集中供熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)方(fang)(fang)式一(yi)次能(neng)(neng)(neng)源(yuan)效率提高了(le)14%。而(er)且,污(wu)水(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)泵(beng)是一(yi)種環境友好型技術,不排放空(kong)氣污(wu)染物。因此,借助(zhu)污(wu)水(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)泵(beng)提取熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)量(liang)是一(yi)種節(jie)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)有效途徑,既可(ke)以節(jie)省(sheng)污(wu)水(shui)廠的(de)(de)(de)運(yun)行熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng),又可(ke)以達到(dao)“碳(tan)中和”的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de),從而(er)達到(dao)間(jian)接(jie)減(jian)少碳(tan)的(de)(de)(de)排放量(liang)。
1.2.2 光(guang)伏發電
在環境(jing)保護(hu)壓力和國(guo)家政(zheng)策的(de)(de)雙重(zhong)推動下,太陽能光伏(fu)技術作(zuo)為一種(zhong)低碳(tan)排放的(de)(de)方法,成為了(le)當前眾多新建污水處理(li)廠(chang)的(de)(de)選擇(ze)。由于工藝流程的(de)(de)需要,大(da)多數(shu)污水處理(li)廠(chang)的(de)(de)結構(gou)較大(da),如生物反(fan)應(ying)池(chi)、二(er)沉池(chi)等,光伏(fu)系(xi)統(tong)的(de)(de)安裝(zhuang)空間通常較大(da)。同時,相關(guan)政(zheng)策指(zhi)出,要大(da)力支持污水處理(li)廠(chang)對土(tu)地進(jin)行(xing)充分地利用來(lai)進(jin)行(xing)光伏(fu)發(fa)電建設。
劉揚等(deng)分析了首都某污水(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)廠(chang)(chang)(chang),發(fa)(fa)現利用(yong)光(guang)(guang)伏發(fa)(fa)電系(xi)(xi)統一年(nian)生(sheng)產(chan)的(de)(de)電能(neng)為(wei)1.5×104kW·h左右,其(qi)生(sheng)產(chan)的(de)(de)電能(neng)可(ke)以(yi)(yi)節省5.4 t煤,同時還可(ke)以(yi)(yi)降低(di)12.2 t左右的(de)(de)CO2排(pai)放量,降低(di)碳(tan)氧化合物排(pai)放量0.06 t左右。河(he)南鄭州(zhou)馬頭崗污水(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)廠(chang)(chang)(chang)開發(fa)(fa)的(de)(de)“光(guang)(guang)伏+水(shui)(shui)(shui)務”新的(de)(de)運行方式(shi),已經(jing)在亞洲形成了“智能(neng)化+高(gao)效(xiao)太陽能(neng)回用(yong)系(xi)(xi)統”的(de)(de)典(dian)范,該模式(shi)節能(neng)減排(pai)效(xiao)果(guo)顯(xian)著。安(an)裝4 000 m2光(guang)(guang)伏電池板的(de)(de)法(fa)國戛納Aquaviva污水(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)廠(chang)(chang)(chang)已經(jing)實現了碳(tan)中和(he)。賓夕(xi)法(fa)尼亞州(zhou)污水(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)廠(chang)(chang)(chang)完(wan)成了一個3 MW的(de)(de)太陽能(neng)項目,該項目預(yu)計每年(nian)生(sheng)產(chan)超(chao)過300萬kW·h的(de)(de)電力,足以(yi)(yi)減少3 515 t的(de)(de)CO2排(pai)放。
這(zhe)種(zhong)單一的(de)光(guang)伏(fu)-污(wu)(wu)水(shui)廠雖然可以達(da)到(dao)節能(neng)(neng)(neng)的(de)目(mu)的(de),但是也存(cun)在(zai)電力供(gong)應不穩定的(de)問題。為(wei)了解(jie)決這(zhe)個問題,姜放(fang)提出可以引進一種(zhong)新(xin)型的(de)鋰離子蓄能(neng)(neng)(neng)發電裝置,組成一個太陽能(neng)(neng)(neng)-蓄能(neng)(neng)(neng)裝置-污(wu)(wu)水(shui)處理(li)廠,其電力供(gong)應流程如圖3所示。采用(yong)儲(chu)能(neng)(neng)(neng)器技(ji)術對提高太陽能(neng)(neng)(neng)光(guang)伏(fu)發電的(de)性能(neng)(neng)(neng)和降(jiang)低能(neng)(neng)(neng)耗具有重要意義。除了采用(yong)太陽能(neng)(neng)(neng)外,還可以引入風能(neng)(neng)(neng)、污(wu)(wu)水(shui)熱能(neng)(neng)(neng)、生物(wu)質能(neng)(neng)(neng)等新(xin)能(neng)(neng)(neng)源(yuan),從而實現(xian)多(duo)種(zhong)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)的(de)補充。近年(nian)來,許(xu)多(duo)污(wu)(wu)廢水(shui)處理(li)廠都在(zai)積極(ji)地研究多(duo)能(neng)(neng)(neng)補充的(de)系統。
孫振宇等將污(wu)水(shui)源熱泵和分布式太陽(yang)能-市電(dian)系統聯合(he)使(shi)(shi)用,使(shi)(shi)污(wu)水(shui)處(chu)理廠年可節(jie)省387.1 t的(de)(de)(de)(de)(de)標準煤,減少(shao)483.9 t CO2排(pai)放量,減少(shao)了(le)大氣(qi)中的(de)(de)(de)(de)(de)其他污(wu)染,取得了(le)良好的(de)(de)(de)(de)(de)環(huan)保和經濟效(xiao)益(yi)。Buller等研究了(le)一個基(ji)于(yu)光伏能源、生物質(zhi)氣(qi)化(hua)爐和電(dian)網的(de)(de)(de)(de)(de)混合(he)系統,與沼氣(qi)燃燒的(de)(de)(de)(de)(de)混合(he)組合(he)可作(zuo)為中型污(wu)水(shui)處(chu)理廠的(de)(de)(de)(de)(de)替代(dai)方(fang)案(an),可以增加經濟效(xiao)益(yi)和環(huan)保效(xiao)益(yi)。
但是,因為太陽能(neng)板(ban)使用氫氟酸、硝(xiao)酸、三氯氧磷(lin)、異丙醇等(deng)化學成分對環境造成的(de)危害不容忽(hu)視。太陽能(neng)產業帶來的(de)相關(guan)污染問題還需要認真對待并采取積極措施加以(yi)解決。
1.2.3 污泥厭(yan)氧(yang)消化(hua)與(yu)熱電(dian)聯產
文(wen)獻統計表明,運(yun)行(xing)一個污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)廠(chang)(chang)所(suo)需的(de)(de)(de)(de)(de)電量通常為(wei)(wei)0.3～0.6 kW·h/m3。污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)中(zhong)有(you)(you)機化(hua)合物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)燃燒熱能(neng)為(wei)(wei)該值(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)9～10倍,因此,回收污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)中(zhong)含(han)有(you)(you)的(de)(de)(de)(de)(de)化(hua)學能(neng)具(ju)有(you)(you)經濟效(xiao)益。最可行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)方法(fa)是利(li)用厭(yan)氧消(xiao)化(hua)產生的(de)(de)(de)(de)(de)沼(zhao)氣發(fa)電和(he)(he)供(gong)熱。污(wu)(wu)(wu)泥(ni)是污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)廠(chang)(chang)生產中(zhong)必然產生的(de)(de)(de)(de)(de)副產物(wu),由(you)于其數(shu)量不(bu)斷增加(jia)和(he)(he)處(chu)(chu)理(li)不(bu)完全,污(wu)(wu)(wu)泥(ni)自(zi)身穩(wen)定性和(he)(he)無害化(hua)處(chu)(chu)置的(de)(de)(de)(de)(de)結果與預期的(de)(de)(de)(de)(de)目(mu)標(biao)有(you)(you)很大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)距。污(wu)(wu)(wu)泥(ni)的(de)(de)(de)(de)(de)處(chu)(chu)理(li)需要耗費(fei)很多的(de)(de)(de)(de)(de)化(hua)學物(wu)質和(he)(he)能(neng)量,而采用填埋(mai)法(fa)進行(xing)處(chu)(chu)理(li)會加(jia)劇(ju)溫室(shi)效(xiao)應,所(suo)以在污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)廠(chang)(chang)中(zhong),對污(wu)(wu)(wu)泥(ni)處(chu)(chu)理(li)過程碳減排的(de)(de)(de)(de)(de)控制有(you)(you)著十分關(guan)鍵的(de)(de)(de)(de)(de)作用。
戴曉虎等(deng)歸納分析我國(guo)典型(xing)的污(wu)泥處(chu)理處(chu)置工(gong)藝碳(tan)排(pai)(pai)放如表(biao)1所(suo)示,目前(qian)已有的污(wu)泥處(chu)理工(gong)藝流程(cheng)碳(tan)排(pai)(pai)放量排(pai)(pai)序為:深(shen)度脫(tuo)水-應(ying)急掩(yan)埋(mai)最(zui)多;干化(hua)焚燒-建(jian)材利(li)用(yong)次之;好氧(yang)發酵(jiao)-土地利(li)用(yong)較(jiao)少;厭氧(yang)消化(hua)-土地利(li)用(yong)最(zui)少。由(you)表(biao)1可知,污(wu)泥的處(chu)置主(zhu)要碳(tan)排(pai)(pai)放來源于設備的電耗、油耗以及藥(yao)物消耗,相應(ying)碳(tan)補償措施(shi)也較(jiao)易實現。趙(zhao)陽悅等(deng)在(zai)吉(ji)林某(mou)公司(si)改造擴(kuo)建(jian)后的污(wu)泥厭氧(yang)化(hua)工(gong)程(cheng)中,提出一種將污(wu)泥和有機助劑混在(zai)一起(qi)進行的厭氧(yang)消化(hua)技(ji)術,能夠達(da)到回收能源的目的,并且減少9 414 t CO2-eq的GHG排(pai)(pai)放。
污(wu)(wu)水處理廠(chang)有(you)大(da)量的(de)污(wu)(wu)泥(ni),經過厭氧法處理后得到的(de)沼氣是(shi)一種(zhong)非常潔凈的(de)能(neng)源,其(qi)中(zhong)以(yi)沼氣的(de)熱(re)電聯(lian)產在污(wu)(wu)水廠(chang)中(zhong)最(zui)為(wei)普(pu)遍(bian)。為(wei)了(le)(le)促進CH4生產,增強過程(cheng)穩(wen)定性,可以(yi)添加共基(ji)質,如城(cheng)市固體廢物(wu)的(de)有(you)機組分;或污(wu)(wu)泥(ni)預處理方(fang)法,如應用(yong)熱(re)水解工藝(yi)。我(wo)國大(da)力推廣采用(yong)中(zhong)溫發(fa)酵(jiao)的(de)污(wu)(wu)泥(ni)厭氧法,其(qi)中(zhong)青(qing)島麥島和(he)北京(jing)高碑店等污(wu)(wu)水處理廠(chang)的(de)工藝(yi)效果最(zui)好。崔濡(ru)川等根據能(neng)源階(jie)梯(ti)利用(yong)原理,結合(he)沼氣熱(re)電聯(lian)產技(ji)術對現有(you)的(de)發(fa)電設備進行(xing)了(le)(le)改造,與傳統的(de)燃煤(mei)工藝(yi)比(bi)較,本工藝(yi)可節(jie)省(sheng)558 t標準(zhun)煤(mei)炭,降(jiang)低了(le)(le)SO2和(he)NO2對大(da)氣的(de)污(wu)(wu)染,并取得了(le)(le)明(ming)顯(xian)的(de)環保和(he)經濟效益。邵(shao)彥青(qing)等考察馬(ma)來西亞Pantai污(wu)(wu)水處理廠(chang),該污(wu)(wu)水廠(chang)采用(yong)熱(re)電聯(lian)產技(ji)術,降(jiang)低了(le)(le)60%的(de)污(wu)(wu)泥(ni)含(han)量,年(nian)節(jie)約標煤(mei)19.85 Mt。
污(wu)(wu)泥的厭氧(yang)(yang)消化(hua)使污(wu)(wu)水(shui)廠實現了剩余污(wu)(wu)泥的穩定(ding)化(hua)和資源化(hua)處(chu)理。污(wu)(wu)水(shui)廠設置的厭氧(yang)(yang)消化(hua)裝置可為污(wu)(wu)水(shui)廠提(ti)供40%～60%的運行電耗(hao)。綜上(shang),污(wu)(wu)水(shui)污(wu)(wu)染(ran)物的主要(yao)厭氧(yang)(yang)降解(jie)在經(jing)濟上(shang)和技術上(shang)看來可行,而且就GHG的產生(sheng)而言,對(dui)環(huan)境有重大好處(chu)。
針對以上(shang)不同污水處理廠節(jie)能技術路線的(de)碳中和(he)研(yan)究,得出(chu)了表(biao)2所示的(de)優缺點(dian)。
再生(sheng)水(shui)(shui)(shui)源熱(re)(re)泵(beng)比污(wu)(wu)(wu)泥(ni)(ni)(ni)厭(yan)氧(yang)(yang)消(xiao)(xiao)化(hua)技術(shu)結(jie)合(he)沼氣(qi)熱(re)(re)電(dian)(dian)(dian)聯產(chan)具有更(geng)(geng)(geng)高的(de)(de)碳(tan)(tan)中(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)效(xiao)(xiao)果,再生(sheng)水(shui)(shui)(shui)源熱(re)(re)泵(beng)可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)產(chan)生(sheng)74.22 t標(biao)(biao)準煤(mei)熱(re)(re)能(neng)(neng)(neng),而污(wu)(wu)(wu)泥(ni)(ni)(ni)厭(yan)氧(yang)(yang)消(xiao)(xiao)化(hua)僅能(neng)(neng)(neng)回(hui)(hui)收3.03 t標(biao)(biao)準煤(mei)熱(re)(re)能(neng)(neng)(neng)和(he)(he)(he)(he)2.97 t標(biao)(biao)準煤(mei)電(dian)(dian)(dian)。隨著污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)廠處理負荷的(de)(de)增(zeng)(zeng)加,再生(sheng)水(shui)(shui)(shui)源熱(re)(re)泵(beng)可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)以達(da)到更(geng)(geng)(geng)高的(de)(de)碳(tan)(tan)中(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)效(xiao)(xiao)果。光(guang)伏發(fa)電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)應(ying)用(yong)需要(yao)考(kao)慮地理位置,在太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)資源豐富的(de)(de)地區,光(guang)伏發(fa)電(dian)(dian)(dian)體(ti)系(xi)的(de)(de)碳(tan)(tan)中(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)率可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)以接近(jin)厭(yan)氧(yang)(yang)消(xiao)(xiao)化(hua)體(ti)系(xi)的(de)(de)碳(tan)(tan)中(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)率。以5萬m3/d的(de)(de)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)廠為例(li),拉(la)薩碳(tan)(tan)中(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)率為35%,長春為24%,貴陽(yang)為13%。不同太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)光(guang)強的(de)(de)城市碳(tan)(tan)中(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)率差(cha)異可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)達(da)2～3倍。在太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)豐富的(de)(de)地區,可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)以回(hui)(hui)收和(he)(he)(he)(he)利用(yong)更(geng)(geng)(geng)多(duo)的(de)(de)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng),這更(geng)(geng)(geng)有利于光(guang)伏發(fa)電(dian)(dian)(dian)系(xi)統(tong)的(de)(de)功率轉(zhuan)換(huan)效(xiao)(xiao)率,并可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)獲(huo)得更(geng)(geng)(geng)高的(de)(de)碳(tan)(tan)中(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)。但是在構筑物(wu)頂部安(an)裝太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池板(ban)工程太(tai)(tai)過復雜(za),也使(shi)得該技術(shu)沒(mei)有得到廣泛應(ying)用(yong)。污(wu)(wu)(wu)泥(ni)(ni)(ni)厭(yan)氧(yang)(yang)消(xiao)(xiao)化(hua)技術(shu)可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)以處理有機物(wu)含量較高的(de)(de)污(wu)(wu)(wu)泥(ni)(ni)(ni),并且可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)通(tong)過沼氣(qi)熱(re)(re)電(dian)(dian)(dian)聯產(chan)系(xi)統(tong)提供熱(re)(re)能(neng)(neng)(neng)和(he)(he)(he)(he)動力。隨著污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)廠規模(mo)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加,污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)源熱(re)(re)泵(beng)可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)以從污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)中(zhong)(zhong)回(hui)(hui)收更(geng)(geng)(geng)多(duo)的(de)(de)廢熱(re)(re),其碳(tan)(tan)中(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)率將(jiang)顯著提高。同樣,隨著污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)廠規模(mo)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加,光(guang)伏板(ban)的(de)(de)可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)鋪設面積也會變大(da),光(guang)伏發(fa)電(dian)(dian)(dian)系(xi)統(tong)回(hui)(hui)收的(de)(de)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)也會更(geng)(geng)(geng)多(duo),碳(tan)(tan)中(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)率也會更(geng)(geng)(geng)高。然(ran)而,污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)廠規模(mo)的(de)(de)變化(hua)對污(wu)(wu)(wu)泥(ni)(ni)(ni)厭(yan)氧(yang)(yang)消(xiao)(xiao)化(hua)系(xi)統(tong)影(ying)響不大(da)。
1.2.4 碳源回(hui)收和儲(chu)存利用
溫室(shi)效應是影(ying)響和(he)威脅人(ren)類(lei)社(she)會氣(qi)候變化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)個重要(yao)(yao)因素,CO2是全(quan)球(qiu)溫室(shi)效應的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)最大影(ying)響因素,因此,減少其排(pai)(pai)放(fang)成為(wei)當(dang)務之急。CO2的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)收集、利用(yong)(yong)和(he)儲(chu)存(CCUS)是主要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)CO2減排(pai)(pai)措施(shi)。Wang等(deng)(deng)首(shou)次(ci)提(ti)出(chu)了一(yi)(yi)(yi)種將(jiang)(jiang)(jiang)厭氧消化(hua)(hua)(hua)、裂解、催化(hua)(hua)(hua)重整和(he)甲(jia)烷化(hua)(hua)(hua)(APRM)耦合(he)在(zai)一(yi)(yi)(yi)起的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)新型生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)能(neng)(neng)(neng)(neng)源使(shi)用(yong)(yong)與(yu)(yu)碳捕(bu)獲和(he)儲(chu)存(BECCS)工藝,以(yi)城市(shi)固體(ti)(ti)廢物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)部分(OFMSW)為(wei)原料,以(yi)負(fu)碳向的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方式(shi)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)CH4,這種方式(shi)既可(ke)以(yi)處置多(duo)余沼(zhao)(zhao)液,也(ye)可(ke)以(yi)實(shi)(shi)現可(ke)持續發展目(mu)標。通過(guo)對西(xi)班牙(ya)加泰羅(luo)尼亞5個污(wu)水廠的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量平(ping)衡分析表明,污(wu)水中(zhong)所含的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)67%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量可(ke)以(yi)轉移到污(wu)泥(ni)中(zhong),通過(guo)將(jiang)(jiang)(jiang)這些污(wu)泥(ni)轉化(hua)(hua)(hua)為(wei)沼(zhao)(zhao)氣(qi),52%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量可(ke)以(yi)被回收。厭氧工藝可(ke)從有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)流中(zhong)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)富CH4。厭氧的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)液體(ti)(ti)和(he)固體(ti)(ti)殘渣被稱為(wei)消化(hua)(hua)(hua)渣,可(ke)用(yong)(yong)作肥料。生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)是一(yi)(yi)(yi)種可(ke)再生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)能(neng)(neng)(neng)(neng)源,煤(mei)與(yu)(yu)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)共利用(yong)(yong)可(ke)以(yi)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)碳排(pai)(pai)放(fang)。此外(wai),化(hua)(hua)(hua)學循環燃(ran)燒(CLC)是一(yi)(yi)(yi)種不(bu)需(xu)(xu)要(yao)(yao)對煙(yan)氣(qi)進行(xing)任(ren)何(he)后處理的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)固有(you)捕(bu)獲CO2的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)技(ji)術(shu)。將(jiang)(jiang)(jiang)混合(he)燃(ran)燒過(guo)程與(yu)(yu)CLC技(ji)術(shu)相結(jie)合(he),如(ru)果捕(bu)獲的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)CO2能(neng)(neng)(neng)(neng)夠(gou)被適當(dang)存儲(chu),就(jiu)可(ke)以(yi)形成一(yi)(yi)(yi)個有(you)效的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)碳負(fu)系統。由于(yu)CLC體(ti)(ti)系中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氧化(hua)(hua)(hua)劑(ji)與(yu)(yu)燃(ran)料沒有(you)直(zhi)接接觸,顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)了熱NOx的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)成。因此,CLC是一(yi)(yi)(yi)種可(ke)行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)低(di)能(neng)(neng)(neng)(neng)耗、高效實(shi)(shi)施(shi)碳捕(bu)捉和(he)儲(chu)存的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)技(ji)術(shu)。HaldorTopsΦe的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)TREMPTM甲(jia)烷化(hua)(hua)(hua)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)將(jiang)(jiang)(jiang)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)氣(qi)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)成氣(qi)轉化(hua)(hua)(hua)為(wei)純度為(wei)95%～98%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)CH4,該技(ji)術(shu)已(yi)成功(gong)應用(yong)(yong)于(yu)GoBiGas 20 MW的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)工廠作為(wei)示(shi)范。污(wu)水處理廠生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)沼(zhao)(zhao)氣(qi)在(zai)減少CO2排(pai)(pai)放(fang)和(he)水-能(neng)(neng)(neng)(neng)源關系背景(jing)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)源需(xu)(xu)求方面(mian)起著(zhu)決定性的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)(yong)。為(wei)了減少對化(hua)(hua)(hua)石燃(ran)料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)依賴(lai),Poblete等(deng)(deng)利用(yong)(yong)了沼(zhao)(zhao)氣(qi)聯合(he)循環與(yu)(yu)碳捕(bu)獲和(he)儲(chu)存技(ji)術(shu)能(neng)(neng)(neng)(neng)夠(gou)實(shi)(shi)現負(fu)碳排(pai)(pai)放(fang)。另(ling)外(wai),生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)電(dian)(dian)化(hua)(hua)(hua)學系統(BESs)可(ke)以(yi)直(zhi)接將(jiang)(jiang)(jiang)有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)能(neng)(neng)(neng)(neng)轉化(hua)(hua)(hua)為(wei)電(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)(neng)或有(you)價(jia)值的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)(chan)品,如(ru)CH4或H2。雖然這有(you)望實(shi)(shi)現更高效的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)轉化(hua)(hua)(hua),但受限(xian)于(yu)反(fan)應速率較低(di),要(yao)(yao)將(jiang)(jiang)(jiang)其轉化(hua)(hua)(hua)為(wei)實(shi)(shi)用(yong)(yong)技(ji)術(shu)需(xu)(xu)要(yao)(yao)付出(chu)巨大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)努力。例如(ru),在(zai)我(wo)國哈爾(er)濱運行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)個微生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)燃(ran)料電(dian)(dian)池(MFC)試點表現很差(cha),僅將(jiang)(jiang)(jiang)有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)中(zhong)7%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量轉化(hua)(hua)(hua)為(wei)電(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)(neng)。
Huang等提(ti)出(chu)了基于現有(you)(you)工(gong)藝(yi)的碳(tan)能量線(xian),這(zhe)條路線(xian)包括有(you)(you)機碳(tan)捕獲、生(sheng)物(wu)(wu)(wu)處理(li)(li)和(he)熱化學轉化階段,適合于通過厭氧(yang)發(fa)酵生(sheng)物(wu)(wu)(wu)處理(li)(li)平臺進行生(sheng)物(wu)(wu)(wu)能源生(sheng)產和(he)資源回收(shou)的流程,城市污水中的有(you)(you)機物(wu)(wu)(wu)可以被分(fen)離為(wei)化學富集沉淀(dian)物(wu)(wu)(wu)或污泥。具體(ti)路線(xian)如(ru)圖4所示。另外,經過研究證(zheng)明膜分(fen)離工(gong)藝(yi)能有(you)(you)效(xiao)地提(ti)高碳(tan)分(fen)離、富集和(he)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)處理(li)(li)效(xiao)率,因此,膜分(fen)離可作為(wei)碳(tan)分(fen)離和(he)回收(shou)途徑的一種很有(you)(you)前途的補充工(gong)藝(yi)。
1.3可(ke)持續處(chu)理新工藝的研(yan)究進(jin)展
前部的(de)(de)(de)(de)“碳(tan)捕捉”技術,可(ke)以截留60%以上的(de)(de)(de)(de)碳(tan)源,而經二級處(chu)理(li)后(hou)的(de)(de)(de)(de)進水中(zhong)CODCr濃度(du)偏小,很難滿足常規脫氮除磷工藝對碳(tan)源的(de)(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)。短(duan)程(cheng)硝(xiao)化(hua)與常規的(de)(de)(de)(de)硝(xiao)化(hua)法同(tong)時(shi)結合(he)反硝(xiao)化(hua)技術相比,短(duan)程(cheng)硝(xiao)化(hua)/反硝(xiao)化(hua)處(chu)理(li)減少了25%左右的(de)(de)(de)(de)耗氧量,以及40%左右的(de)(de)(de)(de)CO2消耗,達到了O2和CODCr的(de)(de)(de)(de)雙(shuang)重節約(yue),如(ru)圖5所示。
在這些(xie)新興技(ji)(ji)(ji)術(shu)中,厭氧(yang)氨(an)氧(yang)化(hua)(ANAMMOX)工(gong)藝(yi)已成(cheng)(cheng)功應用于實踐(jian),ANAMMOX是一種不(bu)需要有(you)機碳的(de)新型脫氮技(ji)(ji)(ji)術(shu),它的(de)消耗只(zhi)有(you)常(chang)規方(fang)法的(de)1/3,能顯著(zhu)減少(shao)曝氣(qi)的(de)能耗和操作成(cheng)(cheng)本。根據理論計算,應用ANAMMOX工(gong)藝(yi)對(dui)外部碳源的(de)需求減少(shao)了100%。然(ran)而,該工(gong)藝(yi)主(zhu)要用于側流(liu)(liu)處理,將(jiang)其轉變為主(zhu)流(liu)(liu)工(gong)藝(yi)仍然(ran)具有(you)挑戰(zhan)性(xing)。Ali 等提(ti)出(chu)了一種將(jiang)MFC和ANAMMOX工(gong)藝(yi)相結合(he)的(de)污水(shui)綜合(he)處理系統,可以有(you)效地回收(shou)能源,改善出(chu)水(shui)水(shui)質(zhi)。在較(jiao)低的(de)能源投(tou)入(ru)下(xia),可獲得(de)較(jiao)好的(de)出(chu)水(shui)水(shui)質(zhi)(CODCr去(qu)除(chu)率約為95%,氮去(qu)除(chu)率約為85%)。但是單(dan)一的(de)ANAMMOX技(ji)(ji)(ji)術(shu)存在厭氧(yang)氨(an)氧(yang)化(hua)菌(AAOB)生長(chang)緩(huan)慢且對(dui)環(huan)境(jing)敏感使反應器難(nan)啟動的(de)問(wen)題。所(suo)以在短程硝(xiao)(xiao)化(hua)的(de)基礎上,出(chu)現了進一步與ANAMMOX耦(ou)合(he)的(de)典型工(gong)藝(yi),工(gong)藝(yi)流(liu)(liu)程如(ru)圖6所(suo)示。SHARON-ANAMMOX聯合(he)技(ji)(ji)(ji)術(shu)與常(chang)規硝(xiao)(xiao)化(hua)反硝(xiao)(xiao)化(hua)技(ji)(ji)(ji)術(shu)相比較(jiao),可節(jie)約50%的(de)硝(xiao)(xiao)化(hua)曝氣(qi),節(jie)約100%的(de)附加(jia)碳資源,即(ji)降低CO2排放,并生產(chan)少(shao)量污泥。
對(dui)于節能回(hui)收技(ji)術的(de)(de)創新,應(ying)(ying)用(yong)上流式厭(yan)氧污(wu)泥床(UASBs)和(he)(he)膨脹顆粒污(wu)泥床(EGSBs)等厭(yan)氧污(wu)水處(chu)理(li)(li)是另一(yi)種有(you)前途的(de)(de)能源回(hui)收選擇(ze)。近年來,厭(yan)氧膜生物(wu)反應(ying)(ying)器(AnMBR)得(de)到(dao)了發(fa)展。在厭(yan)氧過(guo)程(cheng)中,耦合(he)膜可(ke)以保留(liu)懸浮物(wu),而(er)不是讓它們流失(shi)。通過(guo)延長材料的(de)(de)降解(jie)時間,AnMBR為(wei)低強度城市污(wu)水處(chu)理(li)(li)提供了可(ke)能。然而(er),膜污(wu)染成(cheng)為(wei)阻(zu)礙該技(ji)術結垢的(de)(de)最(zui)大挑戰。由于污(wu)水中含有(you)大量的(de)(de)有(you)機(ji)物(wu)和(he)(he)營養物(wu)質,新興的(de)(de)處(chu)理(li)(li)工藝(yi)已經(jing)被開發(fa)出來,以捕獲(huo)這些(xie)有(you)價值的(de)(de)資(zi)(zi)源,并將(jiang)其(qi)轉(zhuan)化為(wei)增值產品如(ru)鳥(niao)糞石(shi)、藍(lan)鐵礦、生物(wu)柴油、生物(wu)塑料、生物(wu)炭和(he)(he)蛋白質。此外,已經(jing)證明資(zi)(zi)源回(hui)收內部(bu)污(wu)水處(chu)理(li)(li)廠在實現碳(tan)中和(he)(he)方面發(fa)揮著重(zhong)要作用(yong)。例如(ru),鳥(niao)糞石(shi)降水過(guo)程(cheng)對(dui)全球變暖的(de)(de)減緩效應(ying)(ying)模擬(ni)為(wei)3%～38%。對(dui)于有(you)機(ji)碳(tan)來說,生物(wu)塑料合(he)成(cheng)是從城市污(wu)水中提取有(you)機(ji)碳(tan)并將(jiang)其(qi)升級為(wei)化工商品的(de)(de)最(zui)有(you)前途的(de)(de)途徑之(zhi)一(yi),也具(ju)有(you)廣闊的(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)前景。
2 節能減排技術工(gong)藝應用(yong)案(an)例(li)
在(zai)我國(guo)城市碳中和作業實(shi)踐(jian)中,已經有很多城市的(de)污水處理廠進行了實(shi)際應用的(de)實(shi)踐(jian),表3為國(guo)內及國(guo)外典型的(de)低碳運行案(an)例。
美國(guo)(guo)Sheboygan污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)初步(bu)建立(li)了(le)(le)一(yi)(yi)套以(yi)AO為主(zhu)要生產(chan)(chan)流程的(de)(de)(de)(de)方(fang)案(an)(an),將污(wu)(wu)泥水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)解(jie)-酸化、混(hun)合基(ji)質厭(yan)氧共(gong)消化和(he)污(wu)(wu)泥濃縮等新技(ji)術(shu)相融合,并實(shi)施了(le)(le)一(yi)(yi)套節能(neng)方(fang)案(an)(an),到2013年該技(ji)術(shu)已(yi)基(ji)本(ben)達(da)到了(le)(le)自(zi)供。奧地利Strass污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)作(zuo)為一(yi)(yi)個(ge)比(bi)較(jiao)成(cheng)功的(de)(de)(de)(de)案(an)(an)例表明,回(hui)收的(de)(de)(de)(de)化學(xue)能(neng)可(ke)以(yi)彌補2003年全(quan)年總能(neng)耗的(de)(de)(de)(de)80%;通(tong)(tong)過其他(ta)改進,包括添加有(you)(you)機廢(fei)物,2012年Strass污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)實(shi)現了(le)(le)158%～178%的(de)(de)(de)(de)能(neng)源(yuan)(yuan)自(zi)給自(zi)足。以(yi)上兩個(ge)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)廠(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)經驗對于(yu)我國(guo)(guo)來(lai)說非常有(you)(you)借鑒意(yi)義(yi),在(zai)(zai)我國(guo)(guo),餐廳及家庭的(de)(de)(de)(de)剩菜剩飯可(ke)以(yi)一(yi)(yi)同(tong)(tong)送往污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)與剩余污(wu)(wu)泥進行共(gong)消化。德國(guo)(guo)Bochum-lbachtal污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)為三(san)階段(duan)入水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)預脫氮,生物處理(li)(li)部分為化學(xue)除磷,利用厭(yan)氧法與熱(re)(re)電聯產(chan)(chan)相結合的(de)(de)(de)(de)技(ji)術(shu),可(ke)以(yi)實(shi)現96.9%的(de)(de)(de)(de)能(neng)量自(zi)給,經過核算,可(ke)以(yi)實(shi)現63.2%的(de)(de)(de)(de)碳中(zhong)和(he)率。青(qing)島市(shi)海(hai)泊河(he)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)利用熱(re)(re)電聯產(chan)(chan),在(zai)(zai)一(yi)(yi)年多的(de)(de)(de)(de)時(shi)間里,其發電效(xiao)率已(yi)接近30%,節能(neng)效(xiao)益顯著,而采(cai)用該系統可(ke)降低(di)(di)(di)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)脫硫耗水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)7×104t,降低(di)(di)(di)燃(ran)煤(mei)12 670 t,降低(di)(di)(di)1 383 m3CO2,通(tong)(tong)過控(kong)(kong)制(zhi)廢(fei)氣(qi)的(de)(de)(de)(de)排放,可(ke)以(yi)有(you)(you)效(xiao)降低(di)(di)(di)工廠(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)能(neng)源(yuan)(yuan)消耗,同(tong)(tong)時(shi)也(ye)可(ke)以(yi)有(you)(you)效(xiao)地減(jian)少煙塵對周圍的(de)(de)(de)(de)環境的(de)(de)(de)(de)影響。關于(yu)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)管理(li)(li)、設備革新的(de)(de)(de)(de)應用情(qing)況,Khatri等使用水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)力旋流器和(he)智能(neng)曝氣(qi)控(kong)(kong)制(zhi)來(lai)降低(di)(di)(di)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)的(de)(de)(de)(de)能(neng)耗,采(cai)用水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)力旋流器作(zuo)為一(yi)(yi)次污(wu)(wu)泥分離器可(ke)節省曝氣(qi)電量71.46%。通(tong)(tong)過研究印(yin)度(du)北(bei)部不同(tong)(tong)城市(shi)的(de)(de)(de)(de)7個(ge)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)運行性(xing)(xing)能(neng),結果表明UASBs和(he)簡單(dan)的(de)(de)(de)(de)有(you)(you)氧系統是一(yi)(yi)種有(you)(you)前途的(de)(de)(de)(de)技(ji)術(shu),特(te)別是在(zai)(zai)印(yin)度(du),可(ke)以(yi)以(yi)低(di)(di)(di)成(cheng)本(ben)達(da)到回(hui)用水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)所需(xu)的(de)(de)(de)(de)BOD水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平。Alekseiko等研究了(le)(le)符拉(la)迪沃斯托克一(yi)(yi)座污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)廠(chang)(chang)(chang)(chang)使用的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)泵,并證明該工廠(chang)(chang)(chang)(chang)產(chan)(chan)生的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)源(yuan)(yuan)是一(yi)(yi)種有(you)(you)價(jia)值的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)源(yuan)(yuan)。Bruno等使用吸收式(shi)制(zhi)冷(leng)機來(lai)幫助提高(gao)位(wei)于(yu)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)廠(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)沼氣(qi)驅動的(de)(de)(de)(de)微(wei)型燃(ran)氣(qi)輪(lun)機(MGT)熱(re)(re)電聯產(chan)(chan)廠(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)。
3 結論與展望(wang)
我(wo)國(guo)作為(wei)全球最大的(de)能源消費(fei)國(guo)和CO2排(pai)放國(guo),具有(you)巨大的(de)碳減排(pai)潛力(li)和綠色發展潛力(li),然(ran)而(er),就(jiu)當前污水(shui)處(chu)理(li)技術的(de)低碳運行現狀而(er)言(yan),仍然(ran)有(you)許多(duo)瓶頸問題成為(wei)了(le)污水(shui)處(chu)理(li)廠(chang)實現碳中(zhong)和的(de)阻礙。
(1)針(zhen)對污(wu)水廠(chang)設備(bei)與(yu)管理存(cun)在的不足,在未來(lai)污(wu)水處(chu)理廠(chang)可以利用(yong)互聯網+、大數(shu)據、人工智能(neng)(neng)等前沿(yan)信息(xi)(xi)通(tong)信技(ji)(ji)術(shu)耦合先進節能(neng)(neng)、用(yong)能(neng)(neng)技(ji)(ji)術(shu)降低污(wu)水處(chu)理領(ling)域(yu)碳排放,同時通(tong)過(guo)信息(xi)(xi)通(tong)信技(ji)(ji)術(shu)優(you)化(hua)或重塑污(wu)水處(chu)理行業技(ji)(ji)術(shu)環節,從源(yuan)頭減少能(neng)(neng)源(yuan)、資源(yuan)、信息(xi)(xi)領(ling)域(yu)消耗帶來(lai)的碳排放。
(2)用于采暖(nuan)的(de)(de)污水(shui)(shui)源(yuan)熱泵對熱量(liang)價格變(bian)化(hua)比(bi)較敏感,城市(shi)熱水(shui)(shui)管網建(jian)設滯后(hou)嚴重阻礙了該技(ji)術的(de)(de)大(da)(da)規(gui)模(mo)應用。光(guang)伏(fu)發(fa)電產生的(de)(de)電量(liang)有限,僅占總(zong)能(neng)耗的(de)(de)10%左右。在(zai)今后(hou)的(de)(de)研(yan)(yan)究中,應該將目前的(de)(de)研(yan)(yan)究結果(guo)與(yu)之(zhi)相(xiang)融合,發(fa)展出更穩定的(de)(de)能(neng)量(liang)儲(chu)存技(ji)術。污泥厭氧消化(hua)過程(cheng)易(yi)受(shou)環境條件的(de)(de)影響,消化(hua)污泥不易(yi)沉(chen)淀。碳捕捉(zhuo)目前存在(zai)投資大(da)(da)、要求高(gao)等(deng)劣(lie)勢,該技(ji)術現在(zai)的(de)(de)痛點是如何將捕捉(zhuo)到(dao)的(de)(de)CO2安全、大(da)(da)規(gui)模(mo)、高(gao)效地資源(yuan)化(hua)。
(3)在我國(guo)今后的發(fa)展(zhan)中(zhong),要充分吸(xi)收國(guo)內外先進(jin)的污水碳(tan)中(zhong)和(he)技術,以發(fa)展(zhan)污水中(zhong)的有機(ji)潛力以及新的低(di)碳(tan)技術為中(zhong)心,從提高裝置(zhi)節能、改善生(sheng)產操作方式等方面著手,達到低(di)碳(tan)運行的目的。