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COD捕集:通往市政污水處理能源自給的可行途徑

2021-03-17信息來源 : 環境縱橫

編者按:隨著城市可持續發展要求的不斷提高,以及污水資源化和碳減排等具體政策措施的落實,市政污水的綠色高效處理及回用引起了廣泛的關注和討論。傳統以活性污泥法為核心的處理工藝在市政污水處理應用百年之后,其污染物去除的單一功能與污水處理廠日益提高的能源自給、污泥減量、資源回收、碳減排等復合目標漸行漸遠。對此,世界各國都在積極尋求行之有效的解決方案。來自新加坡南洋理工大學的劉雨教授團隊認為,未來市政污水處理廠的定位不應僅僅被限于污染物去除,而應作為能源廠、資源廠、水廠和碳減排廠等發揮更顯著的作用?;诖?,團隊進一步提出了新A-B工藝的理念,該理念可具象為一系列的工藝形式,如以COD捕集為核心的能源回收和碳減排工藝、以新型膜處理為核心的資源回收和水回用工藝等。工藝之間相互交叉、融合、支撐、發展,最終實現最大化污水能量回收、資源回用、溫室氣體減排、水循環回用等復合目標。


本研究聚焦以COD捕集為核心的新A-B工藝,并對部分不同的工藝組合形式及其能耗情況進行討論和分析,以期為市政污水處理能源自給和碳減排提供可行的技術方案。


研究背景


活性污泥法是一種廣泛應用于市政污水處理的傳統生物技術,其主要通過在曝氣情況下將有機物轉化為生物污泥和二氧化碳以實現污染物降解。在實際應用過程中,活性污泥法被改進和拓展以進一步實現對污水中氮、磷等污染物的去除。在過去100多年的應用過程中,活性污泥法一直承擔著市政污水處理的重任,降污成效顯著。


然而,隨著環境和經濟可持續要求的不斷提高,活性污泥法在能源消耗、剩余污泥等方面的問題凸顯。具體來說,活性污泥法對污染物的去除以消耗大量能源為代價,如在美國市政用水相關能耗可占到國家年電能消耗的3%。另一方面,活性污泥法產泥量大,污泥產率可達0.3-0.5 g/g COD,如在中國2019年污泥產量已超過6000萬噸(以含水率80%計)。為應對上述問題,目前污水處理廠多采用厭氧發酵處理剩余污泥的方法,不僅可產生沼氣以產電回收能源,而且可實現污泥減量。但應該看到,該方法通常僅可使污水處理廠的能源效率達到20-50%,遠未達到能源自給的最終目標。除此之外,由于污泥組成的復雜性和難降解性,傳統厭氧發酵對污泥的減量效率僅為30-50%,即仍有大量的剩余污泥亟待解決。


基于上述活性污泥法的現狀和問題,來自新加坡南洋理工大學的研究團隊提出了新的研究思路:污水中的有機物在進行好氧處理轉化為剩余污泥前應盡可能的被捕集用于厭氧處理。該思路具有一石三鳥的作用,1)強化能源回收;2)減少用于氧化有機物的能源消耗;3)減少剩余污泥產量。在該思路的基礎上,研究團隊進一步提出未來污水處理的設計理念,即新A-B工藝(圖1)。本研究將就目前不同類型的碳捕集技術進行介紹,同時對基于其耦合的新A-B工藝及其能耗情況進行討論和分析,以期為市政污水處理能源自給提供可行的技術方案。



圖1新A-B工藝理念圖


污水處理廠的能源現狀


目前,以活性污泥法為核心的市政污水處理工藝能耗為0.3-0.6 kWh/m3,平均0.45 kWh/m3,即1620 kJ/m3。以COD濃度為500 mg/L的市政污水為例,污水處理的單位污染物能耗可計算為3.20 kJ/g COD。據報道,典型市政污水中蘊含的能量可達14.7-17.8 kJ自由能/g COD,即5倍于污水處理所需能耗。上述計算表明,市政污水處理實現能源自給具有極大的潛力。


圖2顯示了傳統活性污泥法的工藝流程及有機物物質流情況。分析表明,通過污泥厭氧發酵轉化為甲烷進行能量回收的有機物占比為35%(初沉污泥26%+二沉污泥7%),即4.58 kJ/g COD??紤]到熱電聯產的電能轉化效率35%,該部分能量可轉化為電能1.60 kJ/g COD,即污水處理廠能源效率僅為1.60/3.20×100%=50%。進一步分析用于能源回收的有機物來源可知,初沉污泥的貢獻率達78%,進一步驗證了在生物氧化工藝單元前進行碳捕集對提高污水處理廠能源效率的重要性。



圖2傳統活性污泥法中有機物物質流


基于COD捕集的新A-B工藝類型及其能耗分析


如圖1所示,新A-B工藝的核心在于盡可能的實現能源回收(A段)同時減少營養物去除/回收(B段)的能源消耗。目前,用于碳捕集的A段技術有化學強化一級處理(chemically enhanced primary treatment,CEPT)、高速率活性污泥法(high rate activated sludge,HRAS)、厭氧處理(anaerobic treatment)。由于污水中大部分有機物被捕集,B段應選取可在低C/N比下進行營養物去除的工藝,如短程硝化-反硝化、短程硝化-厭氧氨氧化等(圖3)。



圖3部分潛在的新A-B工藝類型


CEPT+短程硝化-反硝化工藝


一般來說,CEPT工藝通過化學藥劑的投加可實現顯著的顆粒性有機物去除,但溶解性有機物去除效果差強人意。因此,污水中部分有機物會進入B段??紤]到厭氧氨氧化工藝對有機物的敏感性,選取短程硝化-反硝化與CEPT進行工藝耦合。對工藝的有機物物質流進行分析(圖4),該工藝組合可捕集污水中43%的有機物用于能量回收,產生電能2.09 kJ/g COD,污水處理廠能源效率為2.09/3.20×100%=65.31%。



圖4 CEPT+短程硝化-反硝化工藝中有機物物質流


HRAS+短程硝化-反硝化工藝


HRAS工藝是活性污泥法的升級工藝,通過控制較短的水力停留時間和污泥停留時間實現對有機物的快速捕集。HRAS工藝對有機物的去除效率為55-65%,即仍有可觀的有機物進入B段。因此,研究選取短程硝化-反硝化工藝與HRAS工藝進行耦合。對工藝的有機物物質流進行分析(圖5),該工藝組合可捕集污水中47%的有機物用于能量回收,產生電能2.29 kJ/g COD,污水處理廠能源效率為2.29/3.20×100%=71.56%。



圖5 HRAS+短程硝化-反硝化工藝中有機物物質流


厭氧+短程硝化-厭氧氨氧化工藝


主流厭氧處理是目前市政污水處理的研究熱點,其主要通過厭氧微生物實現對污水中有機物的直接轉化產生甲烷。已有研究表明,厭氧處理對有機物的捕集效率可達80%以上?;诖?,進入B段的污水具有較低的C/N比,因此可選用更為節能的短程硝化-厭氧氨氧化與其耦合。對工藝的有機物物質流進行分析(圖6),該工藝組合中65%的有機物可通過厭氧處理直接從污水中回收甲烷,8%的有機物通過厭氧發酵進行產甲烷,即最終可捕集污水中73%的有機物用于能量回收,產生電能3.55 kJ/g COD,污水處理廠能源效率為3.55/3.20×100%=110.94%。



圖6厭氧+短程硝化-厭氧氨氧化工藝中有機物物質流


小結及展望


綜上分析,以厭氧處理為A段的新A-B工藝可實現污水處理廠的能源自給。除此之外,由于厭氧生物過程具有較低細胞產率,使得厭氧處理可顯著降低污水處理過程的污泥產量,據報道該減量幅度可達60%以上。因此,該耦合工藝具有較大的發展潛力。但在實際應用過程中,仍有諸多問題亟待攻克,如溶解性甲烷、反應溫度等。


在主流厭氧處理方面,厭氧膜生物反應器(anaerobic membrane reactor,AnMBR)日益受到關注。一方面,AnMBR可在低能耗情況下實現較高的有機物捕集/去除效率(可達90%以上),強化能源回收;另一方面,AnMBR出水富含氮、磷等,為營養物的分離和回收創造了先決條件;再者,膜處理對污水中的病原體等具有較好的去除效果,因此富含氮、磷等營養物的AnMBR出水亦可用于農業灌溉等實現水回用。因此,以AnMBR為碳捕集技術的新A-B工藝在未來污水處理過程中具有較高的發展潛力,亟待探索和應用。



圖7 AnMBR(A段)-營養物回收(B段)耦合工藝示意


作者簡介


萬俊鋒,博士,鄭州大學生態與環境學院副教授。


2009年博士畢業于法國國立應用科學學院圖盧茲分院(INSA-Toulouse)。2015-2016年新加坡南洋理工大學國家公派訪問學者。主要研究領域為好氧顆粒污泥技術應用以及污水營養物的去除與資源化回收,以第一或者通訊作者在Water Res. Sci. Total Environ. Bioresour. Technol.等國內外期刊發表論文30余篇,擔任十余種國際知名學術期刊的審稿人。


張萌,博士,現為新加坡南洋理工大學研究員。


2010年和2015年分別獲浙江大學環境工程專業學士學位和博士學位。主要研究領域為水污染控制與廢物資源化。在Water Res. Bioresour. Technol.等國內外期刊上發表學術論文20余篇。擔任《中國給水排水》青年編委、國際水協(IWA)會員、中國生物工程協會會員、十余種國際主流SCI期刊特邀審稿人等。