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          水處理中的降耗與回收分析

            今年5月召開的第五屆中國城市水環境與水生態發展大會暨三峽環境科技大會,分別舉行兩場國際工程科技戰略高端論壇,聚焦“水能耦合的環境前沿科技問題”,邀請數十位國內外水環境科技領域一流科學家分享研究、思考和探索。其中,荷蘭皇家科學院及工程院雙院士、美國國家工程院外籍院士、中國工程院外籍院士、荷蘭代爾夫特理工大學環境生物技術教授MarkvanLoosdrecht(下文簡稱Mark)以“WastewaterTreatmentandEnergy-MinimizationandRecovery”為題做了主題發言。報告主要分為能耗最小化、能源生產和資源回收三大部分。

            未來新水務專家工作組專家、北京建筑大學環境與能源工程學院教授郝曉地對此次報告內容大力推薦,并親自撰寫推薦按語如下:

            他的演講為未來污水處理技術指明了發展方向。為此,我們特意將其發言內容整理成中文并附上其演講PPT,以供國內同行參考學習。同時,我們也將其發言內涵根據我們的系統理解作了進一步解讀,以方便大家深刻理解與領會。

            演講中他特別強調傳統處理技術以單純追求水質達標的時代已經過去,隨之而來的則是同步水質達標與碳中和及其資源回收為核心的技術潮流。在此前提下,節能型厭氧氨氧化(ANAMMOX)技術與好氧顆粒污泥技術(AGS)應該非常貼切這一主題。

            然而,ANAMMOX自養脫氮技術的主要應用場景為污泥厭氧消化化液,或針對無/少有機物的高氨氮工業廢水。這就決定了ANAMMOX乃小眾技術而非大眾技術。也意味著市政污水前端通過捕捉碳(COD)用于后端厭氧消化產甲烷、剩余污水中的氨氮以ANAMMOX去除的設想很難實現,特別是剩余污水中的磷還不得不靠高能耗(藥劑生產與運輸)的化學除磷來實現。另外,對主流ANAMMOX厭氧氨氧化的嘗試也會因類似問題而會受阻。

            AGS技術節地、節能效果非常顯著。節地靠得是聚集高濃度顆粒污泥濃度(可達10g/L以上),這一點可以完勝MBR;且SBR形式曝氣池一池多用,完全省去了污泥回流、攪拌等能量消耗,在完成同步COD、N及P去除的同時可以節省大量能源。如此看來,開發連續流AGS只具有學術上的意義,并沒有任何實際節能效果,不應具有實際工程意義。

            有關從污水中回收能源,似乎唯有發揚光大污泥厭氧消化產甲烷技術。但殊不知,厭氧消化對有機化學能的轉化率很低(<15%,包括熱電聯產);況且,若對甲烷控制不當,很容易成為溫室氣體而泄露。相形之下,污泥干化焚燒對有機化學能的轉化率則很高(>30%);況且,填埋因“無地自容”和農用因“無人愿用”之窘境必然會導致污泥處理、處置會走向干化焚燒。因此,污泥干化焚燒應該是未來污泥處理、處置的終極手段。相形之下,污水中蘊含著大量余溫熱能,對出水余溫熱能直接利用于供暖/制冷目的遠比污泥厭氧消化產甲烷高的多(荷蘭已有應用案例)。

            在污水有機物(COD)能源化還是資源化問題上存在著矛盾、甚至是爭議。但COD只能被利用一次,若用于厭氧消化產甲烷則不能再對其資源化。從熵的角度看,CH4是高熵物質,燃燒后會變為熵值更高的CO2,長此以往會導致生態系統逐漸崩潰。從這個意義上講,COD應該在低熵的有機物之間不斷循環才是。這就導致對污水中纖維素、PHA和EPS等的回收技術研發與應用。當有機物難以再循環之時再對其厭氧消化或直接干化焚燒。

            污水處理直接碳排放除甲烷外,氧化亞氮(N2O)是另外一種更強溫室效應氣體,其產生量雖小,但溫室效應是CO2的近300倍。所以,污水處理碳減排必須予以重視。雖然N2O產生機理還不夠充分清楚,但可以肯定的是完全的硝化反應可以有效抑制N2O產生,即,應盡量避免亞硝酸氮產生。從這個意義上看,為ANAMMOX產生電子接收體的短程硝化似乎存在很大產生N2O隱患,雖然ANAMMOX過程本身并不產生N2O。

            以下為Mark教授發言正文。

            1、能耗最小化項

            1.1能源自給

            為什么污水處理廠要尋求能耗最小化措施?

            第一個原因可能是對污水廠能源完全自給的嘗試。

            從運營角度而言,如果污水廠能真正從電網獨立出來,不再為電力付費,將會節省很多的錢;但若只是節省部分電力,能省的錢其實并不算多。

            如果真有污水廠敢于并實現獨立供電,其經濟效益會大大增加,但直到目前我好像還沒聽說哪個處理廠真的這樣做了,盡管有不少實現能源自己的嘗試。

            1.2改善氣候影響

            追求能耗最小化的另一個原因則或多或少與氣候變化有關。

            我們想減少二氧化碳排放,但我們其實需要在氣候變化和二氧化碳減排背景下討論污水處理能耗,而不應只關注能源生產或能源最小化,還應關注除二氧化碳以外的溫室氣體排放,尤其是甲烷和一氧化二氮等氣體。

            以上圖荷蘭的污水廠為例,上圖左側Papendrecht和Kortenoord污水廠均采用了氧化溝工藝(卡魯塞爾型),且沒有污泥厭氧厭氧消化,它們的氣候足跡幾乎全部來自電力消耗。所以,如果你的污水廠沒有厭氧消化,那么該廠曝氣鼓風機電耗決定了污水廠的氣候足跡。

            但像Kralingseveer(位于鹿特丹)這種配備了厭氧消化的污水廠,通??赡苡谐^一半的氣候足跡是來自于厭氧消化過程產生的甲烷排放。除此以外,還有一氧化二氮(N2O)排放,也就是俗稱的笑氣排放。N2O是一種比CO2強近300倍的溫室氣體,而且它在污水廠排放情況非常多變。

            目前來說,只要你想的話,甲烷排放是可以控制的。至于笑氣控制,我們還在討論可以做什么、怎么做的階段。

            以Kralingseveer污水廠為例,圖中是它10月份N2O排放情況,還算不錯,但2月情況卻非常糟糕。如果不關注N2O排放問題,任何能耗最小化措施,都不能有效降低該廠對氣候的影響。

            如果你從氣候變化角度來規劃污水廠能源最小化,那要考慮到CH4和N2O問題。在荷蘭,一個污水廠如果有厭氧消化工藝而且運行良好,產生的CH4通常有5-10%會進入大氣。

            而實際上很多污水廠厭氧消化CH4釋出情況非常嚴重,主要因為CH4在污泥濃縮、脫水系統和污泥緩沖池等位置也會逸出。

            例如,脫水后的污泥可能會在污泥緩沖池停留2-3天。但池里的細菌仍在產生CH4,它自然就會逸散到空氣中。智能通風系統可以解決這個問題,

            所以,這可以通過智能通風來解決。污水廠可以通過配備熱力發電機,捕獲含有CH4的尾氣來去除CH4。盡管看似很容易做到,但荷蘭污水廠也很少去實施。

            N2O情況則更加復雜。我至少需要一個小時來討論這個問題,所以,我就不展開細說了。但總體而言,N2O問題還沒有完全搞清楚。雖然已經總結出一些趨勢,但也不是非常的確定,所,以還不能作為實際操作建議。各污水廠還是要進行實際測量。但有一點可以確定的是,利用好氧硝化反應可以有助減少N2O排放。

            對于想增設生物沼氣設備的污水廠,無論你計劃通過什么方式來優化曝氣管理降低能耗,只要你的最終目的是降低氣候變化的影響,你必須清楚污水廠的CH4和N2O兩種因素的情況。

            1.3低能耗新工藝

            除了更好的工藝控制和污水廠管理,另一個實現能耗最小化的方式是引進新工藝。當下有兩個新工藝正被廣泛討論。其中一個是厭氧氨氧化工藝(Anammox)。

            如果只需脫氮,如果進水沒有有機碳,厭氧氨氧化是一個非常高效的工藝,所以,處理污泥厭氧消化后的出水或厭氧廢水處理效果非常好。這一工藝在工業廢水處理中已經得到了廣泛應用,至今最大的厭氧氨氧化反應器就在中國,每天處理大約11噸氮,我沒記錯已經有超過15年時間了。

            側流厭氧氨氧化效果非常好,但主流厭氧氨氧化還有很多討論。理論上主流厭氧氨氧化是可行的,但目前還存在一些障礙。而最大的阻礙并不是厭氧氨氧化工藝本身。因為如果溫度夠高,或者使用生物膜和限制曝氣量,是可以實現主流厭氧氨氧化的。例如,最近關于西安污水廠的論文,就是這種情況,你可以自然地在主流中獲到厭氧氨氧化菌。但問題是,僅僅通過厭氧氨氧化并不能獲得能量。您要捕獲BOD或COD并將其轉移到厭氧消化池才會獲得能量。但現在太多的注意力放在主流厭氧氨氧化,并沒有太多關注BOD,但后者才是能夠節能的部分。

            在我看來,主流厭氧氨氧化未必有真正需求。采用A-B工藝的鹿特丹Dokhaven污水廠就做過主流厭氧氨氧化中試,結論是A段BOD/COD去除是應用主流厭氧氨氧化的瓶頸所在。這個問題得不到解決的話,Anammox會一直受到B段的干擾。

            第二項技術是好氧顆粒污泥。該工藝在十多年前由RoyalHaskoningDHV公司率先引入市場,并取名為Nereda工藝,目前已經有100個污水廠案例。幾周前,美國佛羅里達州一個污水廠成為Nereda第100個應用案例。這個節能新工藝是通過序批式反應器(SBR)實現的。

            SBR本身不是什么新生事物,但加入顆粒污泥的SBR則變得非常高效。因為泥水分離總是SBR工藝主要瓶頸之一。因為序批式的瓶頸總是泥水分離問題。這個問題得到解決的話,SBR應用會變得非常輕松。

            與傳統SBR不同的是,我們的SBR是定容的,也就是說沒有潷水器(decanter)。

            如果采用好氧顆粒污泥工藝進行脫氮除磷,能耗可減少約30%。如果不需要去除營養物,節能比例則會減少,因為Nereda節省都是攪拌機、泵等產生的能源。

            Nereda工藝只有一個進水泵和鼓風機,而其它工藝還要在污泥回流、沉淀池、循環泵、缺氧和厭氧攪拌器等地消耗能量。這就是節能的主要環節,不是污泥減量或耗氧量。這也是為什么使用SBR工藝有優勢的原因,因為當所有工序都在一個池里完成時,你不需要那么多泵了。

            另外,SBR也有助于更有效地利用BOD。如果你有更好的前端BOD回收率,該工藝可以應對更低的BOD負荷,在實際條件下仍有良好的去除效果。如下圖所示,與UCT工藝相比,Nereda可以省去大量泵等設備,而由于無需沉淀池,還能節省占地。

            但重點還是在于序批式運行。與連續式運行工藝相比,序批式運行可以提供良好的動態曲線,大量實測數據也有助工藝優化。

            重要的是,盡管生化反應是序批式操作,但整個污水廠運行,包括所有前處理和后處理都可以保持連續式進行。而生化反應部分只要通過多個反應池并聯方式,就可以實現整體連續運行。

            要補充的一點是:目前連續流好氧顆粒污泥工藝很受關注,這對已有污水廠優化很有幫助,因為免去新建獲擴建的需要。無需花費太多錢就能有更好的污泥屬性,更好的沉降性能,容納更高的負荷。但就能耗而言,并沒有省很多錢,而且對工藝控制的要求提高了。

            所以如果是新建項目,我認為SBR式好氧顆粒污泥始終是首選。

            2、能源生產

            2.1厭氧消化

            現在我們來談談污水的能源生產,當然這不是什么新鮮事了。例如,荷蘭1920年建造第一座污水廠的時候,就已經配有厭氧消化來生產能源。當然這也因為當時能源供應比現在復雜得多,無論如何,當時建好的厭氧消化反應器至今還在,成為污水廠很好的補充部分。

            當下的荷蘭對能量中和污水廠有很多關注。左側地圖就是荷蘭,它并不大,總面積也就150公里乘300公里左右,所以,不需要要夸大這些(能源工廠)項目。盡管如此,荷蘭還是有相當多的污水廠已經通過優化厭氧消化工藝和其它途徑實現了能量中和。

            目前的厭氧消化反應主要采用完全混合池形式進行。但由于消化反應的本質是化學工程的一級反應(注:指反應速度只與反應物濃度的一次方成正比的反應),因此,其實采用推流式的反應器理應有更高的效率。

            推流式反應器并沒有真正廣泛使用,主要是因為它們的建造成本高太多。但是,如果你的最終目標是要得到盡可能多的能源,在相同反應體積條件下,建造推流式反應器可以為你帶來更高的沼氣產量。

            上圖右側是RoyalHaskoningDHV公司基于此原理,建造了一款產品,名為Ephyra。

            目前已在多個地方施工建造中。這不僅能優化污泥沼氣總產量,還能最大限度地減少厭氧消化后甲烷繼續生成并造成逸散排放的處理手段。

            我在世界各地看到好些污水廠,通過引入廚余垃圾來實現能量中和。我認為這做法不對。因為引入廚余垃圾本身而引入外來能源,這不是真正的能量中和。這些廚余本可以在其它地方進行厭氧消化。當然這種引入外源COD實現能量中和對污水廠本身而言可能是好事,但對環境整體來看未必是好事。這個問題有待商榷。

            2.2出水余熱

            有一個很重要但仍被忽視的能量來源是出水蘊含的余溫熱能。

            但在此之前,我先說一下污泥處理。對污泥進行厭氧消化的好處在于,可在不去除營養物的情況下最大限度地減少污泥,尤其對于污泥農用的情況,厭氧消化很有好處。

            但如果污泥最終的處理方案是焚燒,原因可能是不允許或者不想農用,那是否還要應用沼氣系統就有疑問了。

            如果是進行焚燒,無論是污泥脫水還是干燥,原則上都可以利用出水余熱或者熱電聯產余熱來實現。

            但這里有一個問題,你對污泥脫水了,然后送去焚燒廠,這時候是算焚燒廠產生了能源,而不是污水廠。有些污水廠為了確保產能歸屬,會因此保留厭氧消化系統,并表明他們能夠做到能量中和,但從社會學角度來看,最理想的產能方案應該是一個高效的污泥干燥系統后直接焚燒。

            在荷蘭,一個焚燒廠(熱轉電)的效率大概在33%左右,與普通的煤電廠相當。另一方面,當你有厭氧消化系統的時候,如果控制不好,造成甲烷排放,則會增加污水廠的碳足跡。

            污泥干燥的一個有效方法是熱堆肥。荷蘭有1/3的污泥都是這樣處理的。技術上來說它就是個堆肥過程,只是使用的是干燥的空氣。這意味著能帶走所有水分。而且在70℃左右溫度進行,污泥變得非常干燥,里邊也沒有生物活性了,但又不是常規堆肥那樣直到礦化。這種干燥非常有效,干燥后的污泥運到發電廠進行焚燒,可以從中產生盡可能多的能量。

            現在我們再回到出水余熱。下圖右上方是荷蘭的烏特勒支污水廠,它在改建后采用了好氧顆粒污泥工藝(右側的六個圓池),左側綠地是舊廠留下的空地。他們算過,該廠每年可以從沼氣中得到1.5-2MW能量。但實際上,他們選擇在廠區中間位置建造一個出水余熱回收站,每年可生產50MW的能量。

            所以,如果談論污水廠能量回收,50MW余熱回收遠比沼氣系統更為有效。

            該廠選擇余熱而不是沼氣,還有另外一個原因,就是居民區離污水廠不遠,這些余熱可能有效地輸送到供暖系統。

            但要說明的是,這些余熱實際上是由供暖公司進行回收的,所以,碳信用歸供暖公司,而不是污水廠。不過因為兩者都是政府單位,而且經過協商,他們認為這樣操作在總體上對社會效益更優,就不用糾結碳信用歸屬權問題了。

            目前荷蘭有兩個這樣的設施系統,一個建在海牙的一個100萬人口當量的污水廠,另一個就是烏得勒支這個60萬人口當量的處理廠,進行全面的污水余熱回收。

            這要以能夠連接供暖系統為前提。當然除了用余熱冷暖,其實還能用于制冷,只是效率只有約60%,所以,烏特勒支污水廠出水余熱只能得到約30MW制冷能力。但這數值還是遠高于沼氣系統可以帶來的能量。所以,我認為污水的余熱回收應該受到更多的關注。

            3、資源回收

            有人說,能源和資源回收只能取其一,如果選擇回收資源,就不能做能源回收,或者會有所損失。

            這個觀點在一定程度上是正確的。因為COD只能用一次,要么取其電子產生能量,要么利用其中的碳源。

            在荷蘭,我們一直在尋找各種污水資源回收的嘗試,尤其是纖維素回收、生物塑料和EPS細胞外聚合物(Kaumera)等用于建材等用途。從可持續發展角度來看,將碳作為化學品來回收要比把它當做能量燒掉好得多。

            或者換一個角度來看,先把碳作為化學品回收,什么時候你不要它們了,這時候再把它們燒掉也能獲得能量。從整個社會角度來看,資源回收是更好的選擇。

            可能你的污水廠能效會因此受到影響,但這也取決于如何統計數據。

            我們看看下圖,左邊是荷蘭一般污水廠情況,灰色是進水被氧化掉的COD,綠色部分是去到污泥中的COD,藍色則是出水中殘留COD。

            右側是如果應用了纖維素和EPS回收的污水廠情況??梢钥闯?,污泥中的COD轉移到纖維素和EPS中了。

            3.1纖維素

            污水資源回收也在切切實實地取得進展,雖然規模還不是很大,但算是進入商用階段了,不再是停留在學術研究或者靠政府補貼維持研發的階段。如下圖所示,荷蘭已經有好幾個纖維素回收的污水廠案例。

            水務局愿意采用纖維素回收是因為減少了污泥總量,且增加了污泥活性。尤其在荷蘭這些低溫地區,纖維素很難降解。通過回收纖維素,能夠提高污泥的活性,所以,從運營角度來考量,這是實施纖維素回收的好處所在。目前有家叫Recell公司專門進行纖維素的收集并特定產品的市場投放工作,這屬于荷蘭水委會的商業操作。

            我們一直在研究普通纖維素和納米纖維素或者EPS制造復合材料的產品,或者做成珍珠那樣的材料。圖中的Re-Plex則是用纖維素做成可用于3D打印的復合材料,這些應用還處于規?;壍难邪l階段。

            3.2 PHA

            如果你有活性污泥,加上VFA,(例如,乙酸鹽),可以生產生物塑料PHA。

            在Dordrecht污泥焚燒廠有個示范項目,以污泥為基礎,產能為50kgPHA/d。

            每3kgCOD可以產出1m3甲烷;在美國和歐洲,1m3甲烷的價格約€0.1-0.2,政府補貼項目的價格約€0.60。而PHA市場價格目前約為€ 5/kg。所以,你利用COD產生不同的產品,就經濟而言會有很大差別。當然生產PHA比生產沼氣費勁,所以,我這么說也不是100%正確,但從長遠來看,生產PHA依然更具效益。

            這個示范項目正在大量生產中,產品可供應給化工行業和加工業。其中,有家叫PAQUESbiomaterials的公司,是PAQUES衍生子公司,專門從事污水的生物塑料生產。他們也在快馬加鞭地做市場布局,明年將會建成一個大型PHA回收工廠。兩年前公司剛成立時只有10名員工,如今已經擴張到30人,業務是在快速增長的。

            3.3EPS

            最后談一下污泥提取胞外聚合物(EPS)。目前的示范工程規模為年產500噸。

            目前一年所簽下的商業合同的銷售額約300噸,可以說正在從示范試點向商業市場發展中。目前在農業領域有一些應用,例如,用作種子保護層、顆粒肥料,以替代例如聚氨酯等其他在環境中不可降解的化學品。因為它有促進根部生長的活性,所以,有家叫Koppert的公司為此每年購進300噸原料,用于其農業生產。

            我們研究用它制造復合材料,例如,和粘土結合生成耐火阻燃材料,和納米纖維素做成耳環裝飾,它還可以用作混凝土養護涂層,減少混凝土5%-10%的用量。

            這也意味著可以減少碳足跡。

            如果你想進行沼氣回收的話,回收EPS并不會減少沼氣產量。因為EPS提取是在污泥濃縮后進行的。下圖是EPS的提取工藝流程圖。

            第一步是在堿性環境做提取,條件為80℃,pH9-11,然后離心,溶解性部分也就那些聚合物轉移到酸性條件下沉淀。而離心底部剩下的是堿性殘留物,這部分在堿性條件下占污泥量的2/3到70或80%不等。

            大家都知道堿性預處理可以提高厭氧消化的甲烷產量,所以,經過堿性處理后,這些離心殘留物可以進一步產生甲烷,所以總的來說,與沒有EPS提取的系統的甲烷總產量相當。

            我們現在在研究直接在堿性條件下(pH=8.5/9/9.5)進行厭氧消化的效果,這樣的好處是由于所有CO2都保留在液相,所以,可以得到純的甲烷氣體,可以將其接入常規的天然氣系統中。

            當pH=9的時候,由于硫化氫(H2S)也很好地保留在液相中,此時你多了一個很好的機會通過汽提從溶液中回收氨。這樣,我們就能將EPS回收和沼氣生產以及氨回收結合起來。

            4、總結

            最后做個小結。

            首先,是要關注節能減排。仔細考慮各種節能可能性的同時,不要忽略N2O問題,因為它是一個影響污水廠氣候足跡的重要因素。如果不是為了減少氣候影響而改造污水廠,盡量減少能耗就可以了。

            第二,沼氣作為能源的價值被高估了。我并不是說不應該做厭氧消化,而是說除了厭氧消化,其實還有其它選擇,污水廠應該要對各選項進行評估,而不是簡單地信手拈來。

            最后,從長遠來看,相比僅以能量中和為目標,污水廠資源回收更具社會效益,盡管對水務公司來說未必。

            借此我感謝代爾夫特理工大學環境生物技術組的所有成員,以及與中-荷未來污水處理技術研發中心郝曉地教授的合作。謝謝你們的聆聽!



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