低碳理念在污水處理中的應(yīng)用

低碳理念在污水處理中的應(yīng)用

2009年11月全球氣候高峰會議結(jié)束后，“低碳”成為各國政府制定經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)的重要指標(biāo)?！暗吞肌崩砟钜呀?jīng)滲透到人類生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面,在污水處理行業(yè)也引起一場不小的震動。在污水處理過程中,運(yùn)行耗能也是造成能源行業(yè)CO2直接排放的原因。傳統(tǒng)意義上的污水處理主要對象———有機(jī)物(COD)是一種潛在的含能物質(zhì),實(shí)際上是一種綠色能源。相反,通過曝氣、利用微生物代謝作用去除COD的做法無異于“以能消能”,是一種不可持續(xù)的處理方式。因此,將污水中的COD視為能源載體的嶄新理念將有可能改變這一傳統(tǒng)現(xiàn)狀。鑒于此,美國已在2009年提出至2030年污水處理廠的運(yùn)行將實(shí)現(xiàn)“碳中和(CarbonNeutral)”目標(biāo)。這就需要污水處理工藝在能源“開源節(jié)流”方面大做文章,不僅著眼于開發(fā)污水和剩余污泥中所蘊(yùn)藏的潛在能源,亦要從微觀角度入手,研發(fā)與應(yīng)用具有“低碳”功能的處理工藝。針對上述現(xiàn)狀,有必要從理論上首先明確污水處理與碳排放的關(guān)系,繼而弄清發(fā)掘污水COD能源并將其合理利用所產(chǎn)生的CO2綜合減排效果。在此前提下,從宏觀與微觀角度審視污水處理過程的低碳運(yùn)行策略,討論實(shí)現(xiàn)低碳運(yùn)行的技術(shù)途徑。最后,提出引導(dǎo)污水處理行業(yè)走向低碳運(yùn)行之路的技術(shù)導(dǎo)向。1cod的分類傳統(tǒng)(好氧)污水生物處理工藝以能(供氧)消能(有機(jī)物),并直接或間接地向大氣釋放大量的CO2。從能量利用與溫室氣體排放控制的角度綜合衡量,這種方式與可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略是相悖的。作為污水中的主要有機(jī)污染物COD最終穩(wěn)定至CO2是它的自然歸宿,然而使COD最終穩(wěn)定至CO2卻存在著兩種不同的技術(shù)途徑:①傳統(tǒng)方式,即依靠消耗外部能源供氧使COD直接生物氧化穩(wěn)定至CO2;②可持續(xù)方式,即先使COD形成含能物質(zhì)(CH4、H2等),待利用其中的化學(xué)能后再穩(wěn)定至CO2。不論通過何種方式,污水中的COD最終都會形成CO2,但通過可持續(xù)方式可大大減少對外部能源的使用量(甚至不用),也就相當(dāng)于減少了外部能源發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的CO2排放量。換言之,以消耗大量外部能源消除污水中含能物質(zhì)(COD或BOD)的最終結(jié)果實(shí)際上是形成了一種污染轉(zhuǎn)嫁方式,即在使污水得到凈化的同時(shí)卻因消耗大量外部能源產(chǎn)生了CO2而污染大氣。實(shí)際上,污水中的COD含有大量化學(xué)能,每千克COD約能產(chǎn)生0.14×108J的代謝熱[3、4]。因此,對污水中潛在的有機(jī)能源進(jìn)行回收與利用有著重要的現(xiàn)實(shí)意義,對污水處理工藝低碳運(yùn)行有著舉足輕重的作用。2運(yùn)行機(jī)理缺乏潛在節(jié)能環(huán)節(jié),導(dǎo)致部分群眾中小企業(yè)缺失運(yùn)行談及污水處理廠的節(jié)能降耗,人們往往關(guān)注的只是曝氣、回流、污水/污泥提升等主要耗能環(huán)節(jié)。事實(shí)上,剩余污泥中蘊(yùn)藏有大量可以開發(fā)的有機(jī)能源。但是人們對此往往只是意會,并沒有付諸多少實(shí)際行動。進(jìn)言之,污水處理在運(yùn)行機(jī)理上亦存在著許多潛在節(jié)能環(huán)節(jié)與工藝。即使在曝氣、回流、污水/污泥提升等宏觀環(huán)節(jié),節(jié)能降耗大多也只停留在經(jīng)驗(yàn)層面,很少涉及水量、水質(zhì)動態(tài)變化下的優(yōu)化運(yùn)行能耗問題。更多的污水處理廠只設(shè)計(jì)水處理工藝,而將污泥視為一種負(fù)擔(dān),直接棄之。許多污水處理工藝在設(shè)計(jì)時(shí)便先天不足,幾乎沒有從機(jī)理上把握和運(yùn)用具有潛在節(jié)能效果的環(huán)節(jié)與工藝。因此,有必要從宏觀與微觀角度去深刻理解節(jié)能及低碳運(yùn)行問題,從而得出有關(guān)污水處理低碳運(yùn)行之策略。2.1污泥處理工藝運(yùn)行能耗及問題剩余污泥作為一種潛在的綠色能源已無爭議,在國外,將污泥中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可利用能源的策略已經(jīng)或正在實(shí)施。然而,在我國這一策略的推廣卻困難重重。這主要是政府部門在宏觀政策上存在認(rèn)識上的不足,以至于污水處理行業(yè)把污泥轉(zhuǎn)化能源看作是不劃算的虧本買賣,這就進(jìn)一步阻礙了相關(guān)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。為此,政府部門應(yīng)該向國外(特別是歐洲國家)學(xué)習(xí),制定出鼓勵從污泥中轉(zhuǎn)化能源的經(jīng)濟(jì)政策(如采用污泥能源發(fā)電予以政府補(bǔ)貼等行政手段)。在技術(shù)層面,污泥轉(zhuǎn)化能源有傳統(tǒng)產(chǎn)甲烷途徑與當(dāng)今生物產(chǎn)氫途徑。無論是產(chǎn)甲烷還是產(chǎn)氫途徑,剩余污泥細(xì)菌細(xì)胞裂解問題是制約能源轉(zhuǎn)化效率的瓶頸。如果細(xì)胞不能有效裂解,胞內(nèi)有機(jī)物便不能完全釋放,必然導(dǎo)致厭氧消化效率較低。因此,污泥轉(zhuǎn)化能源的技術(shù)關(guān)鍵實(shí)際上集中在“細(xì)胞裂解”之上。換言之,對污泥厭氧消化的預(yù)處理研究將是污泥能源轉(zhuǎn)化的技術(shù)所在。污水處理工藝運(yùn)行能耗主要是指在污水處理過程中直接消耗的電能,主要用于污水/污泥的提升、生物處理單元的曝氣/混合/推進(jìn)、污泥濃縮/脫水、污泥/混合液的回流等環(huán)節(jié)。其中,污水生物處理和污泥處理單元能耗約占污水處理廠直接能耗的60%~90%。因此,污水處理工藝要想實(shí)現(xiàn)低碳運(yùn)行,確實(shí)需要在污水生物處理和污泥處理這兩個(gè)單元進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。一般的污水處理工藝設(shè)計(jì)在曝氣、回流等運(yùn)行環(huán)節(jié)往往采用定值運(yùn)行,而實(shí)際污水無論水量還是水質(zhì)均在時(shí)刻變化,恒定的曝氣與回流運(yùn)行控制與其不相匹配,從而造成能量浪費(fèi)或出水水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)。這就需要一種能應(yīng)對動態(tài)水量、水質(zhì)變化的運(yùn)行控制技術(shù),使曝氣量、回流量與水量、水質(zhì)實(shí)時(shí)匹配。在此方面,已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用的在線檢測技術(shù)與數(shù)學(xué)模擬技術(shù)相結(jié)合可發(fā)揮巨大的應(yīng)用潛力。此外,污水處理過程中外加碳源與化學(xué)藥劑也會造成一種間接能耗。為此,應(yīng)該盡量避免在污水處理過程中投加碳源和使用化學(xué)藥劑。這對于強(qiáng)調(diào)脫氮除磷的污水處理工藝來說尤為重要,應(yīng)盡量利用生物作用進(jìn)行脫氮除磷,而非主動采取化學(xué)方式;低碳源污水中COD/P值偏低的問題可以采用厭氧上清液側(cè)流磷回收的方式加以解決。2.2生物營養(yǎng)物凈化目前,污水處理已從單一對有機(jī)物(COD)的去除轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘⒘诪橹饕娜コ繕?biāo)。所以,生物營養(yǎng)物去除(BNR)工藝已成為日益盛行的處理工藝。在BNR工藝中,短程硝化/反硝化、反硝化除磷及厭氧氨氧化等工藝均具有巨大的低碳運(yùn)行潛力。2.2.1nh4+-2-氧代丁酸亞硝酸氮no2-和硝酸鹽氮no3-的硝化過程在傳統(tǒng)脫氮途徑中,硝化/反硝化生物脫氮途徑存在大量的能耗問題。事實(shí)上,硝化過程分為兩步,即氨氮(NH4+)轉(zhuǎn)化為亞硝酸氮(NO2-)的亞硝化過程與亞硝酸氮(NO2-)轉(zhuǎn)化為硝酸氮(NO3-)的硝化過程。若硝化能停留在亞硝化階段,并從NO2-開始反硝化,則可以節(jié)省25%的O2和40%的COD(見圖1)?？梢?穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)亞硝化成為短程硝化/反硝化即低碳脫氮途徑的技術(shù)關(guān)鍵。2.2.2反硝化除磷細(xì)菌傳統(tǒng)觀念認(rèn)為,生物脫氮與除磷是彼此獨(dú)立、互不相關(guān)的兩個(gè)過程,即脫氮與除磷是在兩類完全不同細(xì)菌作用下完成的生物過程。然而,工程實(shí)踐中卻發(fā)現(xiàn)自然界存在一類可以在缺氧環(huán)境下過量攝磷的細(xì)菌,在攝磷的同時(shí)將NO3-/NO2-還原為N2(反硝化),這類細(xì)菌被稱為反硝化除磷菌(DPB)(見圖2)。實(shí)際上,將傳統(tǒng)反硝化脫氮與生物除磷有機(jī)結(jié)合在一起,可以節(jié)省約50%的COD和30%的O2。可見,DPB細(xì)菌在低碳運(yùn)行方面有著舉足輕重的作用。2.2.3生物脫氮mmof20世紀(jì)80年代末發(fā)現(xiàn)的一種氨氮轉(zhuǎn)化新途徑——厭氧氨氧化(ANAMMOX),將生物脫氮過程提升為可持續(xù)方式。因?yàn)檫@一途徑是在厭(缺)氧環(huán)境下以NO2-作為電子受體直接氧化到N2的過程,并不涉及供氧及碳源消耗問題,所以這是一個(gè)典型的氨氮低碳轉(zhuǎn)化途徑(見圖3)。3低碳排放運(yùn)行途徑污水處理低碳運(yùn)行策略可概括為能源上的“開源”與“節(jié)流”兩個(gè)方面。通過發(fā)掘污水/污泥中的有機(jī)能源,妥善利用太陽能甚至風(fēng)能這樣的“開源”方式,再加上應(yīng)用具有低碳潛能的工藝過程和工藝優(yōu)化運(yùn)行、提高設(shè)備能效等“節(jié)流”措施,將構(gòu)成污水處理低碳運(yùn)行的主要技術(shù)途徑。3.1能源廢物和利用3.1.1污泥厭氧預(yù)處理的技術(shù)研發(fā)剩余污泥一般存在3種能源轉(zhuǎn)化技術(shù)途徑:①污泥直接焚燒發(fā)電。這種方式能量轉(zhuǎn)化效率雖然高達(dá)80%,但污泥焚燒所需設(shè)備較多、成本很高,所以實(shí)際應(yīng)用的工程實(shí)例并不多見。②污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷。污泥中蘊(yùn)藏的有機(jī)能源轉(zhuǎn)化為甲烷(CH4)后發(fā)電的能源轉(zhuǎn)化效率一般雖只有50%~60%,但是所需技術(shù)和設(shè)備較為簡單,容易工程化。③生物制氫。通過控制厭氧消化過程可能獲得氫氣(H2),但是生物產(chǎn)氫能量轉(zhuǎn)化效率較低,難以突破30%。加之從COD中產(chǎn)氫的同時(shí)必然伴隨著CO2的釋放,以至于這種產(chǎn)氫方式實(shí)際上并非清潔能源。綜合3種污泥能量轉(zhuǎn)化方式,污泥厭氧消化產(chǎn)CH4方式顯得適中,因此已成為目前污泥能源轉(zhuǎn)化的主要方式。然而,剩余污泥中微生物細(xì)胞在傳統(tǒng)厭氧方式下難以完全裂解而釋放胞內(nèi)有機(jī)質(zhì),這就限制了CH4的轉(zhuǎn)化效率,以至于“細(xì)胞破壁”(即細(xì)胞裂解)成為污泥厭氧消化預(yù)處理的技術(shù)關(guān)鍵。有關(guān)污泥消化預(yù)處理技術(shù)目前研究較多,主要?dú)w納為物理/機(jī)械、化學(xué)、生物以及聯(lián)合處理等幾大類。物理方法有超聲波、微波、聚焦脈沖、熱解[11、12]和凍/融等技術(shù);機(jī)械方法包括旋轉(zhuǎn)球磨預(yù)處理、高壓均質(zhì)機(jī)預(yù)處理、文丘里管系統(tǒng)預(yù)處理、溶胞離心預(yù)處理等;化學(xué)方法中研究較多的是堿和臭氧處理方法,還有氯氣、過氧化氫、POMS(過硫酸鹽)和DMDO(二甲基過氧化酮)等[20、21]方法;生物方法主要是生物酶和生物強(qiáng)化預(yù)處理技術(shù)[22、23];聯(lián)合處理主要是指物理/機(jī)械與化學(xué)方法的聯(lián)合使用,包括微波與H2O2聯(lián)合處理、熱與H2O2聯(lián)合處理、微波與堿聯(lián)合處理、熱與堿聯(lián)合預(yù)處理等。3.1.2污水回用排水污水中的物理熱能一般并不被人們注意而大量流失,這顯然與低碳運(yùn)行策略相悖。當(dāng)前,污水中的物理熱能利用主要有兩種方式:①將污水的物理熱能直接應(yīng)用于處理工藝之中。SHARON(中溫亞硝化)和BABE(生物強(qiáng)化/間歇富集)技術(shù)便是利用污泥消化液中的余溫(30℃左右),不僅為生物處理提供了最佳的環(huán)境條件,亦避免了外加能源的消耗。②利用熱泵技術(shù)回收低位熱能。污水四季溫度變化小、流量大而穩(wěn)定、貯存熱量大,因此,污水中蘊(yùn)含的低位物理熱能被公認(rèn)是可開發(fā)利用的清潔能源,已成為國內(nèi)外應(yīng)用的熱點(diǎn)。目前,挪威、瑞典、日本等國非常重視對這一能源的利用;挪威奧斯陸早在1980年便開始利用城市污水作為低溫?zé)嵩椿厥瘴鬯械奈锢頍崮?第一臺熱泵機(jī)組于1983年投入使用。我國在利用熱泵技術(shù)回收低位熱能方面尚處于起步階段,發(fā)展?jié)摿薮蟆?.1.3太陽能發(fā)電系統(tǒng)除污泥有機(jī)能源、污水物理熱能等開源途徑外,美國、歐洲等國家已提出了在污水處理曝氣池上鋪設(shè)太陽能板收集太陽能的設(shè)想。在曝氣池上鋪設(shè)太陽能板不僅可以利用太陽能,亦可以起到密閉保溫與收集有毒、有害氣體(如硫化氫、氮氧化物)進(jìn)行集中處理的作用。為達(dá)到污水處理“碳中和”的目的,美國、歐洲等國家甚至提出建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大膽設(shè)想。在適合建立風(fēng)機(jī)的風(fēng)場發(fā)電,以“碳信用(Carboncredit)”方式可以就近按“碳權(quán)”交易獲取等量當(dāng)?shù)啬茉础?.2低碳處理技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用3.2.1dpb細(xì)菌生長的動態(tài)環(huán)境反硝化除磷可以將生物脫氮與除磷合二為一,不僅節(jié)省碳源,而且可將多余的COD轉(zhuǎn)化為CH4能源。較早的南非UCT工藝及目前盛行的A2/O工藝雖然在研發(fā)時(shí)并沒有意識到DPB細(xì)菌的存在,但是這種厭氧※缺氧※好氧動態(tài)循環(huán)的工藝流程恰恰是DPB細(xì)菌繁殖、生長的必要動態(tài)環(huán)境。實(shí)際上,對DPB細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)與認(rèn)識便是源于UCT與A2/O工藝。目前,已經(jīng)十分成熟的反硝化除磷工藝——BCFS·,極大地改進(jìn)了UCT工藝性能,將DPB細(xì)菌的生存環(huán)境與運(yùn)行控制做到了極致。一種演示反硝化除磷能力的雙污泥工藝——A2N已向人們充分展示了DPB細(xì)菌在同步脫氮除磷中的巨大能力與潛力。然而,這種工藝需要設(shè)置高效中間沉淀池,且在實(shí)際應(yīng)用中很難保證充足的NO3-電子受體。所以,A2N難以成為工程應(yīng)用的實(shí)際工藝。3.2.2年生時(shí)人工實(shí)現(xiàn)了“在污水中的”厭氧氨氧化(ANAMMOX)過程實(shí)現(xiàn)的前提是需有足夠的NO2-作為電子受體。因此,這種自養(yǎng)脫氮技術(shù)的核心是首先實(shí)現(xiàn)短程硝化。當(dāng)前,工程上實(shí)現(xiàn)短程硝化的技術(shù)有中溫亞硝化(SHARON)和生物膜內(nèi)亞硝化(CANON)兩種。荷蘭鹿特丹Dokhaven污水廠已將SHARON與ANAMMOX成功用于污泥消化液的高氮處理,其他工程應(yīng)用也陸續(xù)在荷蘭、日本、中國等國家開展。與傳統(tǒng)硝化/反硝化過程相比,SHARON與ANAM-MOX的組合工藝可使CO2排放量減少88%、運(yùn)行費(fèi)用減少90%。繼SHARON與ANAMMOX的組合自養(yǎng)脫氮工藝之后,2007年起在荷蘭已有兩處CANON工程應(yīng)用實(shí)例,分別用于土豆加工和制革廢水的高氨氮處理[27、28]。目前,由同一荷蘭公司承建的2座CAN-ON反應(yīng)器(用于玉米淀粉等高氮廢水的處理)正在或?qū)⒃谖覈\(yùn)行,其中一座處理能力為11tN/d,它是迄今為止全球氮處理能力最大的CANON裝置。3.3在線監(jiān)測、實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)污水處理廠進(jìn)水量和水質(zhì)隨時(shí)間、季節(jié)變化而時(shí)刻波動,所以污水/污泥提升泵、回流泵和鼓風(fēng)機(jī)等動力設(shè)備并非時(shí)刻處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。為此,有必要采取技術(shù)措施來消除不必要的能量浪費(fèi)。采用交流變頻調(diào)速技術(shù)[29、30]可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)曝氣、合理控制回流量,從而保證設(shè)備處于高效運(yùn)行狀態(tài),使處理工藝處在最佳運(yùn)行工況。然而,運(yùn)用交流變頻調(diào)速技術(shù)的前提是需對實(shí)際水質(zhì)、水量變化特性及時(shí)了解。在此方面,水質(zhì)、水量在線監(jiān)測技術(shù)可以起到在線信息實(shí)時(shí)傳遞的作用。其實(shí),在線監(jiān)測儀表不僅能實(shí)時(shí)解讀水質(zhì)、水量信息,更為重要的是還可以與數(shù)學(xué)模擬技術(shù)相結(jié)合,優(yōu)化工藝運(yùn)行,從而實(shí)時(shí)提供變化水量、水質(zhì)情況下對應(yīng)的曝氣量、回流量等控制參數(shù),為變頻調(diào)速設(shè)備提供準(zhǔn)確的調(diào)控指令。曝氣設(shè)備動力效率與氧轉(zhuǎn)移效率的提高顯然有助于污水處理廠的低碳運(yùn)行。所以,研發(fā)新型的曝氣設(shè)備