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    未來污水處理能源自給新途徑—碳源捕獲及碳源改向
    文章來源:陜西珂沅環保工程有限公司   更新時間:2017-04-10   閱讀:841

    在活性污泥法誕生100年后,人們開始重新梳理污水處理的發展歷程,展望下一個百年污水處理技術的發展方向,從物質循環、生態倫理學及社會學角度對傳統活性污泥技術的發展歷程進行思辨,污水處理過程的高能耗及高“碳足跡”是常規活性污泥工藝的技術缺欠,沿用百年的活性污泥法逐漸被一些耦合資源和能源回收的概念路線所取代。目前世界范圍內,對“污水”的認知已經從“廢物處理”對象轉向“資源及能源回收”的載體,一些發達國家、世界范圍內領先的環境公司已經制定了面向2030年甚至是2040年的技術發展路線圖,縱覽這些技術路線無一例外都是瞄準了對污水中資源回收、能耗自給與碳中和的未來可持續技術發展路線,國內外學者基于過往研究經歷,對基于碳源捕獲及碳源改向技術的新型A/B工藝進行了研究與開發,提出了具有獨特風格的面向未來的能量平衡或碳中和技術路線。

    未來污水處理能源自給新途徑

    作者簡介:劉智曉(1972-),山東莒縣人,工學博士,高級工程師,主要從事集團化環境及水務項目設計管理,水務項目方案設計、審核與把關、工藝與設備優化,水處理過程優化控制、革新污水生物處理新工藝研究與開發,高效低耗水廠/污水廠提標改造技術等相關領域的工程化應用研究與實踐。

    1 、污水中蘊含有機化學能潛力分析

    對于污水中蘊含的化學能,國外很多研究者進行了不同角度的研究及定量評估,評估基準是設定典型生活污水COD為500mg/L,所含的化學能有兩種表征方式,方式一以單位COD量所含的能量為基礎,根據HEIDRICH的研究結論,這個數值范圍為17.7~28.7kJ/gCOD,而對于該基準濃度污水,實際處理能耗約0.45kW·h/m3,相當于1620 kJ/m3,折合處理能耗平均為3.20 kJ/g COD。另一種方式是將COD化學潛能折合到噸水電耗,得到COD為500mg/L的污水“理論最大有機化學能”為22.55 kW·h /m3,理論最大有機化學能是指污水所含COD全部被提取并甲烷化,采用常規工藝只有很少部分COD被甲烷化,即使是提取這極少部分的COD用于甲烷化并產能,這部分能量也是非?捎^的,可提取化學能范圍是1.5~1.9kW·h /m3,這個數值也與McCarty等人的研究結果相近。

     

    兩種能量表征方式,結果都在表明污水中所蘊含的有機化學能是對其進行處理所需能耗的近5倍,污水中所蘊含的如此巨大的能量,如果捕獲提取其中部分COD化學能甚至是熱能并就地轉換為電能,理論上可以實現能耗的完全自給甚至可以變成能量輸出廠。有充分的理論依據表明,未來污水處理廠不是能源的消耗者而應該成為能源供應方。污水碳源常規處理工藝與能源化回收兩種途徑下COD物質流比較見圖1。

    未來污水處理能源自給新途徑

     圖1    污水碳源常規處理工藝與能源化回收兩種途徑下COD物質流對比


    2 、“碳源捕獲”工藝單元技術路線

    2.1“碳源捕獲”1.0→2.0→3.0版理念的提出

    在“預處理+活性污泥+厭氧消化”經典污水處理過程中,進水COD大部分被活性污泥段降解氧化以氣體形式釋放(這部分約占進水COD的30%~55%左右),還有相當一部分被以剩余污泥(WAS)形式排除系統(約占進水COD的15%~25%左右),甲烷化COD約占15%~20%,其余7%~10%隨出流排放。這種常規的利用初沉污泥和二沉污泥進行混合厭氧消化產甲烷并通過CHP進行能量提取的方式稱為“碳捕獲1.0版”。目前,這種“AD-CHP”聯用模式在歐洲等國家污水廠被普遍采用。新加坡烏魯班丹再生水廠(UluPandan WRP)也采用了此種模式,其工藝流程見圖2。

    未來污水處理能源自給新途徑

    圖2    “碳源捕獲1.0版”技術路線(以新加坡UluPandan廠為例)


    從圖2可知,即便采用了污泥厭氧消化,被能源化利用的COD比例及效率仍較低,烏魯班丹廠進水中的COD只有17.9%被轉換為甲烷。因此,優化厭氧消化過程,提高污水中COD甲烷轉化率及產率,是“碳源捕獲1.0版”技術實施的關鍵步驟。近10~20年來,一些污泥厭氧消化預處理技術得到開發和應用,如污泥超聲破解技術、污泥熱水解技術(TH)。為了進一步提高厭氧消化過程的甲烷產量,提高污水廠運行能耗自給率,將有機廢物如食品、廚余廢物引入污泥厭氧消化過程,即厭氧協同消化。這種通過強化消化系統進泥的預處理,或通過引入外源有機廢物提高厭氧消化系統沼氣產率進而提高污水廠能耗自給程度的模式,可以稱為“碳源捕獲2.0版”,該模式已經具有了“污泥增量”的意義,這里所指的污泥增量不是指增加剩余污泥的數量,而是特指通過技術手段增加進入厭氧消化系統或者進一步提升厭氧消化池有機負荷率的方法和途徑,實現了“1+1>2”的效果。

    正是認識到了污水中蘊藏的巨大有機化學能,在傳統“預處理-活性污泥-厭氧消化”技術路線基礎上,進一步提升對進水中有機碳源的網捕截獲、提取效率,削減或者降低進水中有機碳源到后續活性污泥段,使COD在污水處理過程中的碳足跡由“污染物降解途徑”轉向到“能源化利用途徑”,最大程度實現能源化的同時又使得后續生化曝氣過程的能耗降至最低程度,實現了對常規污水處理中COD軌跡的轉移,即“碳源改向(Carbon Redirection)”,也可稱之為“碳源轉移”,提取后的COD進入后續“AD-CHP”,進一步能源化,目前這種模式逐漸成為國內外專家的研究熱點;谖勰嘣隽考疤几南虻奶荚刺崛∧J焦に嚰夹g路線總體上采用“A-B”構型,A段碳源濃縮提取工藝主要有以生物絮凝為主要作用的高負荷活性污泥工藝(HRAS)、化學強化一級處理(CEPT)、厭氧生物膜反應器(AnMBR)等;由于A段將污水中絕大部分COD通過“網捕截獲”轉移到能源化途徑,進入B段的污水呈現低碳高氮的特性,導致有機碳源嚴重缺乏,通過常規硝化-反硝化生物脫氮工藝已無法實現對TN的有效去除,因此B段未來的發展趨勢是采用自養生物脫氮技術,如短程硝化-厭氧氨氧化技術,也就是在主流采用厭氧氨氧化技術。將采用新型“A-B”工藝,即“高效碳捕獲+主流厭氧氨氧化+高效厭氧消化”的技術路線稱為污水處理“碳捕獲3.0版”,其工藝流程見圖3。

    未來污水處理能源自給新途徑

    圖3    “碳捕獲3.0版”技術路線(基于A/B工藝構型的碳捕獲+主流自養脫氮技術路線)

    2.2“碳源捕獲”技術路線及性能

    2.2.1 高負荷活性污泥工藝(HRAS)

    實際應用中HRAS工藝可選擇三種反應器形式實現碳源捕獲,分別是連續流完全混合式(CSTR)、接觸-穩定工藝(CS)、推流式反應器(PFR)。不同構型反應器形式對COD的捕獲率取決于活性污泥對COD的網捕、絮凝、吸附及儲存能力,實際上反應器形式還會影響“泥水”分離特性,并且上述因素互相影響;同時對COD不同組分的去除效率也有較大的差異。三種HRAS反應器見圖4,其中CS工藝對COD的捕獲效率高于其它反應器模式,泥水分離特性亦優于其它反應器,加之對COD的氧化礦化水平較低,從物料平衡角度看更能獲得較高的COD捕獲率。

    未來污水處理能源自給新途徑

    圖4    高負荷活性污泥工藝(HRAS)工藝構型及運行特性比較


    研究表明,生物絮凝(Bioflocculation)過程是影響活性污泥對顆粒性、膠體性及溶解性COD快速捕獲/吸附/儲存的關鍵影響因子,因此HRAS實現“碳源捕獲”及“碳源改向”功效的本質是要強化對進水有機碳源的“絮凝管理”,為了強化活性污泥的生物吸附效率,高負荷接觸-穩定工藝相對CSTR及PF構型具有更高的效率,尤其是對顆粒性與膠體狀COD的捕捉,這主要是因為CS工藝通過回流活性污泥(RAS)曝氣提供了使其處于“饑餓”(famine)狀態的“穩定段”,這種對RAS再曝氣過程可以強化其生物絮凝活性,到后續低DO濃度下“泥-水”混合反應器可實現對進水COD的快速捕捉、吸附進食(feast),強化了對進水COD的捕獲率。SRT是A段最重要的工藝參數,研究表明,當總SRT≤1.1d時,CS工藝對COD的總捕獲率可達59%,對應進水中COD約0.46~0.55 g COD/g COD 通過A段實現“碳改向”轉向厭氧產CH4能源化途徑。A段SRT對進水COD中不同組份的去除效率影響較為顯著;而de Graaff等人的研究結果表明,A段SRT只需要0.3d即可獲得最高的污泥產率,SRT延長將會導致COD的進一步礦化;A段HRT只需15min溶解性COD(SCOD)即可獲得理想的去除率。

    2.2.2 CEPT工藝

    對于COD捕獲3.0技術路線,A段除了要將顆粒性及膠體狀COD最大限度捕獲外,還要考慮采取物化手段輔助生化工藝增強SCOD向pCOD或者cCOD的轉化,進一步捕獲、濃縮、與富集;瘜W強化一級處理工藝作為二級處理的預處理工序,旨在通過混合絮凝過程強化對進水中COD、SS及營養鹽的去除。CEPT工藝對SS、COD、TP、TN去除率可達80%~90%、30%~70%、80%~95%、20%~25%,這要顯著高于初沉池效率,CEPT尤其是可以強化對顆粒性有機物(pCOD)的捕獲和去除,去除率可達85%,CEPT的主要缺點是對溶解性COD去除能力有限。因此,CEPT工藝與A/B工藝的A段的HARS結合,會進一步提升A段的COD捕獲率。根據荷蘭四個A/B工藝污水廠A段的COD捕獲效率分析,發現A段可以捕獲進水COD可達53%~74%,其中有24%~48%形式以A段WAS形式排出,而另外一部分19%~50%的COD以污泥形式進入B段,可見,A段除了提高進水COD向活性污泥的轉化率,更要重視裹挾COD的“飽食”后這部分污泥的分離效率,這是影響后續COD甲烷化能源化的重要影響因素。A段泥水分離不佳,這主要是A段形成的絮體結構松散稀疏、沉淀性能欠佳導致沉淀池泥水分離特性較弱所致,因此,投加混凝劑不但可以提高對COD的捕獲效率,而且可以提高絮凝體在沉淀池內的沉速,有助于提高A段對COD最大程度上的濃縮與富集;A段沉淀池的水力學性能保證設計也是重要因素。

    2.2.3精密篩分過濾工藝

    為最大程度截留進水中COD,德國KWB組織聯合Hydrotech、威立雅等水務公司啟動旨在回收污水中能源的應用研究項目,提出了面向2030年“碳中和技術路線”,即“CARISMO”概念工藝,也就是“Carbon is money(碳就是錢)”理念,主要技術路線是“絮凝+微篩+后續生物膜過濾”,所采用的精細過濾裝置為轉鼓式篩網過濾機(micro-screen),孔隙100微米;前段通過“化學絮凝+微篩”方式,Al鹽投加量為15~20mg/L,微篩過程可大幅截留原污水中顆粒性、膠體性與溶解態COD,“CARISMO”技術可以從污水中總共“榨取”82%的COD進行能源化過程,遠遠高于常規模式。

    3、 以“碳源捕獲”為基礎的能耗自給工藝評析

    以“碳濃縮”為基礎的能耗自給污水處理工藝以其可持續的“碳中和”運行特性,近幾年引發了國內外眾多研究機構、學者及水務公司的關注并為此進行了大量研究。繼1997年Mark Van Loosdrecht教授團隊系統提出了基于A/B工藝構型的“A段污泥增量+自養脫氮+污泥能源化”理念及技術路線后,國內學者北京建筑大學郝曉地教授于2003年提出了基于A/B工藝的旨在實現COD及磷回收的可持續技術路線,明確提出了在A段實現污泥產率最大化(maximal sludge production)也就是“污泥增量”理念,B段采用BCFS工藝或者CANON工藝,這是目前所看到的國內學者最早在國際上提出的基于未來可持續污水處理技術路線圖。

     

    位于荷蘭的歐盟卓越可持續水技術中心、荷蘭瓦根寧根大學(Wageningen University)Khiewwijit R.博士、比利時根特大學(Ghent University)SchaubroeckT.博士、奧地利ARAconsult的WettB. 博士等學者,近幾年紛紛了提出基于能量最大化、P回收及處理過程最低碳排放為基準的“未來新型污水處理廠”、“能量自給污水處理廠”概念構型,概念路線也是采用A/B工藝構型(見圖5),A段采用碳捕獲工藝通過生物絮凝或者CEPT等工藝濃縮進水碳源,提取的碳源通過厭氧消化生產甲烷轉入能源化CHP途徑,或者進一步厭氧發酵工藝生產生物塑料、生物柴油或者制取其它中等鏈脂肪酸;B段工藝采用主流PN/A(短程亞硝化-厭氧氨氧化)工藝、或者“藻菌共生系統”通過微藻(Microalgae)的快速生長來吸收N、P,并將微藻用于能源化或者生物肥料的制取,實現了碳源的能源化、N、P資源的回收及閉環利用。

    未來污水處理能源自給新途徑

    圖5   基于新型A/B構型能量/資源耦合回收理念的未來污水處理工藝概念路線


    挪威科技大學Ødegaard教授2016年提出了基于MBBR技術為主體的面向未來的“能量中和”污水處理廠技術路線圖(見圖6),此工藝是Ødegaard教授基于中國概念廠理念而“量身定做”的,Ødegaard-MBBR路線主要特點是“A段+B段+側流段”都是采用了基于MBBR為基礎的生物反應器,其中A段為高負荷MBBR,A段高負荷MBBR對BOD的去除率可達85%,這遠高于CEPT工藝對COD的去除率。B段及側流段采用ANITATMMox工藝,中試結果表明,夏季(23℃)B段IFAS ANITATMMox對TN的平均去除率1.4gN/(m2·d),冬季(17℃)去除率為0.5~0.8gN/(m2·d)。Ødegaard-MBBR路線也采取了側流段富集的Anammox對主流的補充,是通過氣提泵實現MBBR懸浮載體在“主流-側流”之間循環,進而達到生物強化的目的。

    未來污水處理能源自給新途徑

    圖6   以MBBR為基礎的COD捕獲-主流自養脫氮工藝路線


    實踐層面,奧地利斯特拉斯(Strass)污水處理廠以主流傳統工藝(AB法)與側流現代工藝(厭氧氨氧化)相結合方式最大化剩余污泥產量,通過厭氧消化產甲烷并熱電聯產,早在2005年便實現了能源自給率108%,完全達到碳中和運行目標。目前,該廠利用剩余污泥與廠外廚余垃圾厭氧共消化,使得能源自給率高達200%,不僅實現能源自給自足,而且還有一半的能量可以向廠外供應,已成為名副其實的“能源工廠”。

     

    丹麥Aarhus市近些年提出了使整個城市變成碳平衡地區,目前Aarhus市已經成為世界上第一個利用從污水處理中回收的能源,實現覆蓋本市大部分污水處理和自來水供給的能耗需求的城市。AarhusVand公司最近提出了“污水廠150%能量”概念,并對該市Egaa該廠進行技術改造,所采用的主要技術路線及流程見圖7。

    未來污水處理能源自給新途徑

    圖7   丹麥Egaa WWTP邁向“正能量”污水廠提標改造技術路線


    4、問題及討論

    新型A/B工藝被賦予了“捕捉榨取碳源/強化自養脫氮”新的歷史使命,目前研究與開發的A段“碳源捕獲”技術旨在最大程度上將污水廠進水中的有機碳源分離,本質上是通過技術手段“碳源挪移”實現COD“改向”,并避免或減少被后續生化過程礦化降解,A段強化對COD的捕獲率可達進水總COD的60%~80%,因此進入B段的污水呈現高氮低碳特性,這種水質特性通過常規脫氮途徑通常無法滿足TN排放標準,因此各種碳源需求度較低的生化工藝或自養脫氮工藝對被開發,如短程硝化反硝化、部分亞硝化/厭氧氨氧化(PN/A)等,但是目前技術層面尚存下述問題有待研究解決:

     

    ①進一步優化A段工藝,深入研究A段高負荷活性污泥工藝條件對進水中不同性質的COD(VFAs及溶解性COD、顆;蛘邞腋BCOD、膠體狀COD)的捕捉特性及影響因子,以及上述不同性質的COD混合狀態下在厭氧消化過程特性、甲烷化轉化潛能。此外A段高負荷活性污泥形成的污泥絮體(floc)特性與厭氧消化過程具有關聯性,但目前不同來源文獻參數差異較大,需對上述工藝過程進行優化設計并確定合適的運行控制參數。另外,突發性進水水質沖擊對HARS系統運行特性的影響會導致A段出水水質波動,進而對后續工藝的影響對此還需進一步研究;

    ②賦予能量回收理念的新型A/B工藝,工藝原理及參數已經完全不同于過去常規A/B法,新型B段工藝技術尚不成熟、關鍵技術瓶頸亟待突破。如低溫低濃度條件下主流自養脫氮技術的運行穩定性、厭氧氨氧化活性及效率保持,尤其是水溫(≦15℃)條件下Anammox活性及工程尺度反應器的持續運行穩定性。研究顯示,當水溫由30℃降低到10℃,Anammox菌活性降低10倍。我國很多地域冬季水溫低于13~15℃,短期寒冷天氣水溫甚至低于11℃,這種水溫條件下,主流反應器內Anammox菌的活性被快速抑制,工程尺度層面如何實現穩定達標,目前看技術瓶頸尚未突破。

     

    ③不同的研究顯示B段反應器內有機物的存在尤其是隨著SCOD/N比值(≥0.5)的提高會有助于異養反硝化過程從而抑制Anammox,但是最近有研究發現常規硝化反硝化脫氮(N/DN)過程與厭氧氨氧化過程可以有效共存,最近Cao Ye-shi等人在新加坡樟宜(Changi)再生水廠的試驗研究結果及污水廠實地檢測結果顯示,厭氧氨氧化菌與普通異養反硝化菌可以共存同一個反應器/生物池內,且對TN的去除有各自貢獻,樟宜再生水廠TN的去除率89%,其中傳統途徑N/DN貢獻率為50%,而Anammox途徑貢獻率達38%,最近五年的運行數據顯示N/DN與PN/A過程對TN的去除貢獻幾乎接近。顯然,這個結論顯然與許多學者研究和追求的方向不同,目前學界努力方向都是設法盡最大程度上削減進入B段的COD,追求完整意義上的主流厭氧氨氧化,樟宜再生水廠的生產尺度的驗證數據顯然顛覆了傳統觀點,樟宜項目運行結論為兩種過程協同存在提供了實踐層面的支撐,但上述兩種過程在同一個反應器內不同菌群(AOB、NOB、AnAOB及HB)協同發揮作用的機制、影響因子、優化運行調控策略及對其它地域的適應性(新加坡常年污水溫度28-32℃),現在結論尚不明確。但是,這無疑為未來繼續深入和開發新型“異養N/DN-自養AMX”混合共存反應器提供了嶄新的研究方向。

    5、結論

    展望基于資源回收與碳平衡理念的未來污水處理廠,中國要因地制宜、構建符合國情的未來污水處理發展技術路線圖。要認真梳理和反思過往常規污水處理路徑存在的不可持續特性,污水處理過程高耗能并排放大量溫室氣體(GHG),與此同時,污水中COD蘊含的巨大有機化學能(約1.5~1.9kW·h/m3)遠遠未被挖掘及利用,未來污水處理的發展方向是朝著營養物、能源及再生水“三廠合一”模式轉變。研究與開發進水碳源轉向及污泥增量技術,對污水中有機碳源實現高效網捕截獲、濃縮及分離并轉向能源化途徑,是提高能量自給效率、最終實現能量平衡及碳平衡運行的物質基礎。

     

    對于中國,要首先考慮管網系統完善,如試點取消化糞池、進行雨污分流、完善污水管網系統的建設,提高進水COD濃度同時,有條件地區逐步恢復和普及厭氧消化系統的建設及運行(行業指導政策、經濟補貼要予以支持),為實現“碳源捕獲1.0版”提供有效碳源基礎。在“1.0版”運營基礎上,逐步考慮向“2.0版”邁進,2.0版基礎是基于“污泥增量”理念,可采用熱水解(THP)或引入外源有機物實現厭氧協同消化,進一步提高污水廠能量自給水平,實現能量平衡、甚至邁向“正能量”污水廠,對于城市有機廢物引進污水廠與污泥協同厭氧消化,涉及到跨部門協作,實現“1+1>2”效果,這方面國家要給予政策支持(有機物儲運及自產電能聯網等)。特別強調的是,未來排放標準的制定與修訂要考慮碳源轉向能源化途徑后對后續脫氮工藝的影響,高排放標準要與“碳平衡”運行要實現目標解耦,“魚和熊掌不可兼得”,要優先鼓勵碳源的能源化、資源化途徑!碳捕獲“3.0版”技術路線是國際公認未來污水處理的發展方向,但“3.0版”實現基礎是有賴于后續“B段”低溫條件下自養脫氮工藝技術瓶頸的解決及工程尺度上穩定性、可靠性驗證,需要自主完成從小試→中試→生產規模不同尺度上的驗證,目前看,“3.0版”還面臨諸多技術挑戰需要克服,為此,針對“B段”技術瓶頸開發出新型反應器(懸浮、載體及復合式)、及新型生物活性刺激載體,進而進一步提高Anammox的數量及活性是未來的技術發展方向。

    (更詳細內容參見《中國給水排水》第8期:未來污水處理能源自給新途徑——碳源捕獲及碳源改向;作者:北京首創股份有限公司/首創愛華天津市政環境工程有限公司劉智曉)

     

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