碳中和是一個使全球污水處理廠均實現(xiàn)可持續(xù)性的重要議題。歐洲和北美多年前便已已開始向著各自污水處理碳中和運(yùn)行邁進(jìn),且已制定至2030年實現(xiàn)各自碳中和運(yùn)行的目標(biāo)。例如,荷蘭應(yīng)用水研究基金會(stowa)在2008年已制定從污水處理廠回收資源與能源的路線圖,并為未來污水處理廠勾勒出一種全新的概念:news(nutrient+ +energy t water factories)。許多研究與嘗試已經(jīng)被用于探索從污水中回收能源,以原位彌補(bǔ)運(yùn)行能耗,從而實現(xiàn)能量中和之可行;這些舉動實際上是支持污水處理廠全生命周期內(nèi)減少溫室氣體排放的目標(biāo)。確實,一些能量中和運(yùn)行的污水處理廠在歐洲和美國已經(jīng)出現(xiàn),但面向著碳中和目標(biāo)還沒有取得太多進(jìn)展。
實踐中,碳中和常常被等同為能量中和(實質(zhì)不同)。關(guān)于低能耗處理和污水能源回收的研究與發(fā)展具有廣泛的研究與應(yīng)用基礎(chǔ),包括從進(jìn)水碳與剩余污泥中回收有機(jī)物化學(xué)能,有機(jī)質(zhì)共消化,熱量回收和生物質(zhì)焚燒等等。然而,除了能量,處理過程自身(例如,n2o 和ch4逸散)和資源消耗(如,化學(xué)藥劑和混凝劑)也會產(chǎn)生溫室氣體排放。因此,必須針對能量消耗、能量回收和其它直接與間接溫室氣體排放制定一攬子解決方案,將污水處理廠建為成碳中和運(yùn)行實體。
在這種環(huán)境下,《water research》編輯委員會決定開辟以專研究碳中和為主題的窗口,特推出本期特刊。本刊旨在為開發(fā)高效能源處理技術(shù),探討新理念和觀點,旨在污水處理廠運(yùn)行節(jié)能與能源回收。從約50份投稿論文中,經(jīng)同行評審最后錄用其中13篇文章,內(nèi)容涵蓋了從能源回收與有機(jī)質(zhì)共消化到新工藝與設(shè)計方法開發(fā),再到量化和指導(dǎo)可持續(xù)性工藝發(fā)展等多個角度。
從剩余污泥或污水中回收熱能潛力
剩余污泥是一種能夠通過厭氧消化回收甲烷的基質(zhì)。然而,剩余污泥量很大程度上取決于進(jìn)水中有機(jī)物(碳源:cod)之濃度。在很多情況下,進(jìn)水碳源不足,僅能勉強(qiáng)滿足生物處理需要,甚至還不足以生物脫氮除磷,因此,污泥轉(zhuǎn)化甲烷在更多情況下難以實現(xiàn)能量中和。換言之,能量中和與傳統(tǒng)營養(yǎng)物去除難以兼得。在實際中,厭氧消化容量普遍過剩(德國約為20%),因此,可加以利用外源有機(jī)質(zhì)與剩余污泥進(jìn)行共消化(實為偽中和)。在奧地利一個工程案例中,向既有污泥厭氧消化池中投加有機(jī)廢物(有機(jī)市政垃圾),以改善污水處理廠能量平衡,在沼氣產(chǎn)生與固體減量方面達(dá)到了“1+1>2”的效果(aichinger et al.)。結(jié)果顯示,共消化中添加有機(jī)廢棄物至25%,有機(jī)負(fù)荷增加了94%,而沼氣產(chǎn)量可以增加2倍。該案例研究充分證明,發(fā)揮有機(jī)質(zhì)共消化有助于污水處理實現(xiàn)能量中和。
另一方面,污水中余溫?zé)崮芸梢酝ㄟ^水源熱泵轉(zhuǎn)化出熱量,以平衡能量赤字,甚至達(dá)到碳中和。一項關(guān)于污水處理廠(普遍cod = 200 ~ 400 mg/l)能量平衡評估表明,中國剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷只能彌補(bǔ)約50%的運(yùn)行能量消耗(hao et al.)。進(jìn)一步研究表明,水源熱泵能夠有效轉(zhuǎn)化污水熱能,用以加熱污水處理廠及其周邊建筑,可提供約0.20 kwh·m-3·℃-1凈電當(dāng)量??偟膩碚f,中國有機(jī)物及熱能能夠有效供給充足的電當(dāng)量,足以達(dá)到碳中和運(yùn)行目標(biāo)。
有機(jī)物與無機(jī)物(co2)共消化
如上所述,剩余污泥與外源固體/液體有機(jī)物共消化是實現(xiàn)碳中和的一種潛在途徑。而在厭氧消化中投加co2也能刺激甲烷產(chǎn)生。一項小試研究證明,向厭氧消化池中投加濃縮有機(jī)廢物,適當(dāng)?shù)靥岣哂袡C(jī)負(fù)荷及縮短的停留時間,可以提高甲烷產(chǎn)量。因此,市政污水處理廠中可有效應(yīng)用熱電聯(lián)產(chǎn),以大大節(jié)省成本(tandukar and pavlostathis)。選擇口香糖制造廠和脫水脂肪油脂液產(chǎn)生的工業(yè)廢液作為外部有機(jī)物,與剩余污泥(初級﹕二級=40﹕60ts質(zhì)量比)共消化。結(jié)果顯示,沼氣產(chǎn)量明顯增加,剩余污泥額外降解1.1~30.7%。沼氣和甲烷產(chǎn)量都非常接近能夠彌補(bǔ)能量赤字之目標(biāo)水平。此外,共消化出水水質(zhì)與只投加剩余污泥控制組相近,說明共消化沒有負(fù)面影響。
其它有機(jī)物與剩余污泥共消化機(jī)制相同。一項小試究以牛糞(mn)與外部有機(jī)廢物(食品廢物—fw、堿性水解液—ah和粗制甘油—gy)共消化與牛糞單獨(dú)消化對比(usack and angenent; regueiro et al.);運(yùn)行900 d后,4組中溫平行共消化反應(yīng)器顯示出比甲烷產(chǎn)量(smy)信息,與gy共消化最適宜總有機(jī)負(fù)荷率(olr)為3.2 gvs/l·d(mn : gy = 62:38),最佳smy為549±25 ml ch4/gvs;fw與ah共消化smy數(shù)值相近(約300 ml ch4/gvs,對應(yīng)old =3.9 gvs/l·d,mn:fw = 51:49及old = 2.7 gvs/l·d,mn:ah=75:25)。
眾所周知,co2是在消化過程中伴隨著甲烷產(chǎn)生的產(chǎn)物。而另一方面,利用厭氧消化進(jìn)行co2捕集固定是一種潛力十足的碳減排策略。兩個處理食品垃圾的厭氧消化試驗進(jìn)行了225 d監(jiān)測,實驗組定期使用氣泡柱充入co2(fernandez et al.)。實驗組測試ch4產(chǎn)率為0.56±0.13 m3ch4/kgvs·d(對照組為0.45±0.05 )沼氣中ch4濃度為68%,額外攝取了外源co20.55 kg,h2濃度增加了2.5 倍,這歸因于co2溶解以及酸化與產(chǎn)氫途徑改變。
污水有機(jī)能源轉(zhuǎn)化新工藝
高負(fù)荷活性污泥法(high-rate activatedsludge, hras)(如a/b工藝中的a段)經(jīng)常用于從污水中高效分離有機(jī)物,繼而將之用于能源再生。一座hras試驗裝置運(yùn)行于寒冷溫度下。通過最大化提高污泥量、細(xì)菌量和生物絮凝作用,可以以最少能量輸入將進(jìn)水中顆粒、膠體和溶解性cod集于廢物固體流中(jimenez et al.)。結(jié)果表明,srt、hrt和do等重要的設(shè)計參數(shù)對去除cod影響不大。因此,控制并最大程度地去除膠體和顆粒cod,盡量減慢生物降解cod的礦化和水解作用,是碳重新定向之關(guān)鍵。在較srt和hrt下運(yùn)行時,產(chǎn)量接近其最大值,因而可在接近最大污泥產(chǎn)率情況下,可最優(yōu)地利用cod產(chǎn)出生物質(zhì)。在這些運(yùn)行條件下,與傳統(tǒng)hras工藝相比,其去除大部分(50~80%)進(jìn)水cod時所需求的曝氣量減少近60%。
從污水中物理分離有機(jī)物(細(xì)篩分—fsf:主要為廁紙)被提議為用于產(chǎn)能。一項小試sbr研究表明,市政污水處理廠進(jìn)水中的fsf在高溫(55 ℃)消化和中溫(35 ℃)消化中均易于消化。減少厭氧消化間歇循環(huán)周期可以改善消化性能,特別是高溫消化反應(yīng),可縮短遲滯期并降低vfas峰值(ghasimi et al.)。
厭氧消化中甲烷產(chǎn)量通常與溫度關(guān)系密切。反其道行之,可以通過傳統(tǒng)初級澄清池沉淀的有機(jī)物直接與低溫厭氧消化結(jié)合產(chǎn)生甲烷。一項小試規(guī)模厭氧折板反應(yīng)器(abr)運(yùn)行兩年有余,在12~23 ℃水溫下處理原污水(hahn and figueroa)。abr不僅超過了傳統(tǒng)初級澄清池(tss =83±10%,cod =43±15%,bod5=47±15%)的要求,而且還獲得了沼氣(平均為0.45 kwh/m3)產(chǎn)出。此外,兩年多運(yùn)行中反應(yīng)器沒有產(chǎn)生廢棄底泥。因此,abr可以取代初級澄清池與中溫厭氧消化組合,無需投入能量或化學(xué)處理,即可在室溫下達(dá)到同樣處理效果。
亦可以通過微生物燃料電池(mec)等創(chuàng)新技術(shù)刺激反應(yīng)器中甲烷產(chǎn)生。應(yīng)用電輔助消化(ead:裝備有mec生物陽極和陰極)和控制消化技術(shù),在室溫(22~23℃)和3個srt(7、10、14 d)條件下,處理來自于市政污水處理廠的活性污泥(asztalos and kim)。ead 顯示乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸濃度減少,認(rèn)為這是由于在生物陽極直接氧化短鏈脂肪酸,同時低乙酸濃度強(qiáng)化氧化的間接貢獻(xiàn)。在所有條件下,ead中vss和cod的去除率均比對照組高5 ~10%。此外,ead中電流的大小受有機(jī)負(fù)荷率影響,而導(dǎo)電性和乙酸濃度對其影響則微乎其微。
實現(xiàn)碳中和與可持續(xù)性多種途徑
如上所述,碳中和通常被等同于能量中和。然而,還有許多其它途徑可以實現(xiàn)碳中和。其中,包括熱源管理和尿液養(yǎng)分回收。最具溫室氣體減排之處在家庭層面(即,分散管理系統(tǒng)),因此,有效原位利用溫度的分散式污水管理十分重要(larsen)。
在污水處理廠中,進(jìn)行能量優(yōu)化潛力巨大,可通過改善機(jī)電驅(qū)動設(shè)備和污泥處理,以及采用更加高效節(jié)能處理工藝,例如,主流厭氧氨氧化或從尿液回收營養(yǎng)物。能否實現(xiàn)碳中和,不僅取決于實際凈電當(dāng)量,也取決于其取代的電力類型。將熱能回收與在家庭層面上的尿液養(yǎng)分回收結(jié)合起來具有極高的碳中和潛力。
以碳中和為目標(biāo),改善污水處理廠能量平衡可減少碳排放量并有利于環(huán)境。然而還需要對經(jīng)濟(jì)、環(huán)境與社會影響進(jìn)行更加廣泛的討論。因為可持續(xù)性是由這些因素和指標(biāo)組成的一個復(fù)雜,多維度概念。在這方面,“碳中和”或“能量中和”并不意味著實現(xiàn)可持續(xù)運(yùn)行,因為它們只涉及到可持續(xù)概念中諸多要素其中之一。一項評價研究表明,減少能量使用或增加能量回收,以減少凈能量消耗,反而可能不利于可持續(xù)性(sweetapple et al.)。在該項研究中,可持續(xù)性指標(biāo)包括運(yùn)行成本,凈能量消耗和多種環(huán)境指標(biāo)。這利于權(quán)衡可持續(xù)中的各項構(gòu)成,在實施節(jié)能措施前必須加以考慮。最終主要結(jié)論是,改善能量平衡(被認(rèn)為是能夠達(dá)成碳中和的一種途徑)并非是減少溫室氣體總排放量的可靠方法。
一項以可持續(xù)碳中和運(yùn)行為目標(biāo)的積極分析表明,淹沒式厭氧膜生物反應(yīng)器(anmbr)可能是凈能量明顯的,有利于形成碳負(fù)污水管理(pretel et al.)。在該分析中,利用定量可持續(xù)設(shè)計過程,使用技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)評估了全部可行的設(shè)計方案,來完善anmbr詳細(xì)設(shè)計。其中,集成了跨季節(jié)溫度穩(wěn)態(tài)性能建模(使用中試實驗數(shù)據(jù)和模擬軟 desass)、生命周期成本分析(lcc)和生命周期評價(lca)。
綜上所述,這些文章促進(jìn)了我們對如何實現(xiàn)污水處理廠碳中和運(yùn)行的初步理解。這一令人贊嘆的目標(biāo)無疑需要一系列解決方案,需要學(xué)術(shù)界和工業(yè)界多方面共同協(xié)力。這不僅是在保護(hù)當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)環(huán)境,更是在保護(hù)我們共同地球。
文章來源:水業(yè)碳中和資訊 作者:于文波 郝曉地等