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碳中和:可持续污水处理厂一个可以实现的目标

碳中和是一个使全球污水处理厂均实现可持续性的重要议题。欧洲和北美多年前便已已开始向着各自污水处理碳中和运行迈进,且已制定至2030年实现各自碳中和运行的目标。例如,荷兰应用水研究基金会(STOWA)在2008年已制定从污水处理厂回收资源与能源的路线图,并为未来污水处理厂勾勒出一种全新的概念:NEWs(Nutrient+ +Energy t Water factories)。许多研究与尝试已经被用于探索从污水中回收能源,以原位弥补运行能耗,从而实现能量中和之可行;这些举动实际上是支持污水处理厂全生命周期内减少温室气体排放的目标。确实,一些能量中和运行的污水处理厂在欧洲和美国已经出现,但面向着碳中和目标还没有取得太多进展。

 

实践中,碳中和常常被等同为能量中和(实质不同)。关于低能耗处理和污水能源回收的研究与发展具有广泛的研究与应用基础,包括从进水碳与剩余污泥中回收有机物化学能,有机质共消化,热量回收和生物质焚烧等等。然而,除了能量,处理过程自身(例如,N2O 和CH4逸散)和资源消耗(如,化学药剂和混凝剂)也会产生温室气体排放。因此,必须针对能量消耗、能量回收和其它直接与间接温室气体排放制定一揽子解决方案,将污水处理厂建为成碳中和运行实体。

 

在这种环境下,《Water Research》编辑委员会决定开辟以专研究碳中和为主题的窗口,特推出本期特刊。本刊旨在为开发高效能源处理技术,探讨新理念和观点,旨在污水处理厂运行节能与能源回收。从约50份投稿论文中,经同行评审最后录用其中13篇文章,内容涵盖了从能源回收与有机质共消化到新工艺与设计方法开发,再到量化和指导可持续性工艺发展等多个角度。

 

从剩余污泥或污水中回收热能潜力

 

剩余污泥是一种能够通过厌氧消化回收甲烷的基质。然而,剩余污泥量很大程度上取决于进水中有机物(碳源:COD)之浓度。在很多情况下,进水碳源不足,仅能勉强满足生物处理需要,甚至还不足以生物脱氮除磷,因此,污泥转化甲烷在更多情况下难以实现能量中和。换言之,能量中和与传统营养物去除难以兼得。在实际中,厌氧消化容量普遍过剩(德国约为20%),因此,可加以利用外源有机质与剩余污泥进行共消化(实为伪中和)。在奥地利一个工程案例中,向既有污泥厌氧消化池中投加有机废物(有机市政垃圾),以改善污水处理厂能量平衡,在沼气产生与固体减量方面达到了“1+1>2”的效果(Aichinger et al.)。结果显示,共消化中添加有机废弃物至25%,有机负荷增加了94%,而沼气产量可以增加2倍。该案例研究充分证明,发挥有机质共消化有助于污水处理实现能量中和。

 

另一方面,污水中余温热能可以通过水源热泵转化出热量,以平衡能量赤字,甚至达到碳中和。一项关于污水处理厂(普遍COD = 200 ~ 400 mg/L)能量平衡评估表明,中国剩余污泥厌氧消化产甲烷只能弥补约50%的运行能量消耗(Hao et al.)。进一步研究表明,水源热泵能够有效转化污水热能,用以加热污水处理厂及其周边建筑,可提供约0.20 kWh·m-3·℃-1净电当量。总的来说,中国有机物及热能能够有效供给充足的电当量,足以达到碳中和运行目标。

 

有机物与无机物(CO2)共消化

 

如上所述,剩余污泥与外源固体/液体有机物共消化是实现碳中和的一种潜在途径。而在厌氧消化中投加CO2也能刺激甲烷产生。一项小试研究证明,向厌氧消化池中投加浓缩有机废物,适当地提高有机负荷及缩短的停留时间,可以提高甲烷产量。因此,市政污水处理厂中可有效应用热电联产,以大大节省成本(Tandukar and Pavlostathis)。选择口香糖制造厂和脱水脂肪油脂液产生的工业废液作为外部有机物,与剩余污泥(初级﹕二级=40﹕60TS质量比)共消化。结果显示,沼气产量明显增加,剩余污泥额外降解1.1~30.7%。沼气和甲烷产量都非常接近能够弥补能量赤字之目标水平。此外,共消化出水水质与只投加剩余污泥控制组相近,说明共消化没有负面影响。

 

其它有机物与剩余污泥共消化机制相同。一项小试究以牛粪(MN)与外部有机废物(食品废物—FW、碱性水解液—AH和粗制甘油—GY)共消化与牛粪单独消化对比(Usack and Angenent; Regueiro et al.);运行900 d后,4组中温平行共消化反应器显示出比甲烷产量(SMY)信息,与GY共消化最适宜总有机负荷率(OLR)为3.2 gVS/L·d(MN : GY = 62:38),最佳SMY为549±25 ml CH4/gVS;FW与AH共消化SMY数值相近(约300 ml CH4/gVS,对应OLD =3.9 gVS/L·d,MN:FW = 51:49及OLD = 2.7 gVS/L·d,MN:AH=75:25)。

 

众所周知,CO2是在消化过程中伴随着甲烷产生的产物。而另一方面,利用厌氧消化进行CO2捕集固定是一种潜力十足的碳减排策略。两个处理食品垃圾的厌氧消化试验进行了225 d监测,实验组定期使用气泡柱充入CO2(Fernandez et al.)。实验组测试CH4产率为0.56±0.13 m3CH4/kgVS·d(对照组为0.45±0.05 )沼气中CH4浓度为68%,额外摄取了外源CO20.55 kg,H2浓度增加了2.5 倍,这归因于CO2溶解以及酸化与产氢途径改变。

 

污水有机能源转化新工艺

 

高负荷活性污泥法(High-rate activatedsludge, HRAS)(如A/B工艺中的A段)经常用于从污水中高效分离有机物,继而将之用于能源再生。一座HRAS试验装置运行于寒冷温度下。通过最大化提高污泥量、细菌量和生物絮凝作用,可以以最少能量输入将进水中颗粒、胶体和溶解性COD集于废物固体流中(Jimenez et al.)。结果表明,SRT、HRT和DO等重要的设计参数对去除COD影响不大。因此,控制并最大程度地去除胶体和颗粒COD,尽量减慢生物降解COD的矿化和水解作用,是碳重新定向之关键。在较SRT和HRT下运行时,产量接近其最大值,因而可在接近最大污泥产率情况下,可最优地利用COD产出生物质。在这些运行条件下,与传统HRAS工艺相比,其去除大部分(50~80%)进水COD时所需求的曝气量减少近60%。

 

从污水中物理分离有机物(细筛分—FSF:主要为厕纸)被提议为用于产能。一项小试SBR研究表明,市政污水处理厂进水中的FSF在高温(55 ℃)消化和中温(35 ℃)消化中均易于消化。减少厌氧消化间歇循环周期可以改善消化性能,特别是高温消化反应,可缩短迟滞期并降低VFAs峰值(Ghasimi et al.)。

 

厌氧消化中甲烷产量通常与温度关系密切。反其道行之,可以通过传统初级澄清池沉淀的有机物直接与低温厌氧消化结合产生甲烷。一项小试规模厌氧折板反应器(ABR)运行两年有余,在12~23 ℃水温下处理原污水(Hahn and Figueroa)。ABR不仅超过了传统初级澄清池(TSS =83±10%,COD =43±15%,BOD5=47±15%)的要求,而且还获得了沼气(平均为0.45 kWh/m3)产出。此外,两年多运行中反应器没有产生废弃底泥。因此,ABR可以取代初级澄清池与中温厌氧消化组合,无需投入能量或化学处理,即可在室温下达到同样处理效果。

 

亦可以通过微生物燃料电池(MEC)等创新技术刺激反应器中甲烷产生。应用电辅助消化(EAD:装备有MEC生物阳极和阴极)和控制消化技术,在室温(22~23℃)和3个SRT(7、10、14 d)条件下,处理来自于市政污水处理厂的活性污泥(Asztalos and Kim)。EAD 显示乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸浓度减少,认为这是由于在生物阳极直接氧化短链脂肪酸,同时低乙酸浓度强化氧化的间接贡献。在所有条件下,EAD中VSS和COD的去除率均比对照组高5 ~10%。此外,EAD中电流的大小受有机负荷率影响,而导电性和乙酸浓度对其影响则微乎其微。

 

实现碳中和与可持续性多种途径

 

如上所述,碳中和通常被等同于能量中和。然而,还有许多其它途径可以实现碳中和。其中,包括热源管理和尿液养分回收。最具温室气体减排之处在家庭层面(即,分散管理系统),因此,有效原位利用温度的分散式污水管理十分重要(Larsen)。

 

在污水处理厂中,进行能量优化潜力巨大,可通过改善机电驱动设备和污泥处理,以及采用更加高效节能处理工艺,例如,主流厌氧氨氧化或从尿液回收营养物。能否实现碳中和,不仅取决于实际净电当量,也取决于其取代的电力类型。将热能回收与在家庭层面上的尿液养分回收结合起来具有极高的碳中和潜力。

 

以碳中和为目标,改善污水处理厂能量平衡可减少碳排放量并有利于环境。然而还需要对经济、环境与社会影响进行更加广泛的讨论。因为可持续性是由这些因素和指标组成的一个复杂,多维度概念。在这方面,“碳中和”或“能量中和”并不意味着实现可持续运行,因为它们只涉及到可持续概念中诸多要素其中之一。一项评价研究表明,减少能量使用或增加能量回收,以减少净能量消耗,反而可能不利于可持续性(Sweetapple et al.)。在该项研究中,可持续性指标包括运行成本,净能量消耗和多种环境指标。这利于权衡可持续中的各项构成,在实施节能措施前必须加以考虑。最终主要结论是,改善能量平衡(被认为是能够达成碳中和的一种途径)并非是减少温室气体总排放量的可靠方法。

 

一项以可持续碳中和运行为目标的积极分析表明,淹没式厌氧膜生物反应器(AnMBR)可能是净能量明显的,有利于形成碳负污水管理(Pretel et al.)。在该分析中,利用定量可持续设计过程,使用技术、环境和经济标准评估了全部可行的设计方案,来完善AnMBR详细设计。其中,集成了跨季节温度稳态性能建模(使用中试实验数据和模拟软 DESASS)、生命周期成本分析(LCC)和生命周期评价(LCA)。

 

综上所述,这些文章促进了我们对如何实现污水处理厂碳中和运行的初步理解。这一令人赞叹的目标无疑需要一系列解决方案,需要学术界和工业界多方面共同协力。这不仅是在保护当地水生态环境,更是在保护我们共同地球。

 

文章来源:水业碳中和资讯 作者:于文波 郝晓地等

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