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                碳中和:可持續污水處理廠一個可以實現的目標

                來源:水業碳中和資訊  作者:于文波 郝曉地等
                 
                碳中和是一個使全球污水處理廠均實現可持續性的重要議題。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行邁進,且已制定至2030年實現各自碳中和運行的目標。例如,荷蘭應用水研究基金會(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被用于探索從污水中回收能源,以原位彌補運行能耗,從而實現能量中和之可行;這些舉動實際上是支持污水處理廠全生命周期內減少溫室氣體排放的目標。確實,一些能量中和運行的污水處理廠在歐洲和美國已經出現,但面向著碳中和目標還沒有取得太多進展。
                 
                實踐中,碳中和常常被等同為能量中和(實質不同)。關于低能耗處理和污水能源回收的研究與發展具有廣泛的研究與應用基礎,包括從進水碳與剩余污泥中回收有機物化學能,有機質共消化,熱量回收和生物質焚燒等等。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,化學藥劑和混凝劑)也會產生溫室氣體排放。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行實體。
                 
                在這種環境下,《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。本刊旨在為開發高效能源處理技術,探討新理念和觀點,旨在污水處理廠運行節能與能源回收。從約50份投稿論文中,經同行評審最后錄用其中13篇文章,內容涵蓋了從能源回收與有機質共消化到新工藝與設計方法開發,再到量化和指導可持續性工藝發展等多個角度。
                 
                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。然而,剩余污泥量很大程度上取決于進水中有機物(碳源:COD)之濃度。在很多情況下,進水碳源不足,僅能勉強滿足生物處理需要,甚至還不足以生物脫氮除磷,因此,污泥轉化甲烷在更多情況下難以實現能量中和。換言之,能量中和與傳統營養物去除難以兼得。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質與剩余污泥進行共消化(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廢物(有機市政垃圾),以改善污水處理廠能量平衡,在沼氣產生與固體減量方面達到了“1+1>2”的效果(Aichinger et al.)。結果顯示,共消化中添加有機廢棄物至25%,有機負荷增加了94%,而沼氣產量可以增加2倍。該案例研究充分證明,發揮有機質共消化有助于污水處理實現能量中和。
                 
                另一方面,污水中余溫熱能可以通過水源熱泵轉化出熱量,以平衡能量赤字,甚至達到碳中和。一項關于污水處理廠(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甲烷只能彌補約50%的運行能量消耗(Hao et al.)。進一步研究表明,水源熱泵能夠有效轉化污水熱能,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凈電當量。總的來說,中國有機物及熱能能夠有效供給充足的電當量,足以達到碳中和運行目標。
                 
                有機物與無機物(CO2)共消化
                 
                如上所述,剩余污泥與外源固體/液體有機物共消化是實現碳中和的一種潛在途徑。而在厭氧消化中投加CO2也能刺激甲烷產生。一項小試研究證明,向厭氧消化池中投加濃縮有機廢物,適當地提高有機負荷及縮短的停留時間,可以提高甲烷產量。因此,市政污水處理廠中可有效應用熱電聯產,以大大節省成本(Tandukar and Pavlostathis)。選擇口香糖制造廠和脫水脂肪油脂液產生的工業廢液作為外部有機物,與剩余污泥(初級﹕二級=40﹕60TS質量比)共消化。結果顯示,沼氣產量明顯增加,剩余污泥額外降解1.1~30.7%。沼氣和甲烷產量都非常接近能夠彌補能量赤字之目標水平。此外,共消化出水水質與只投加剩余污泥控制組相近,說明共消化沒有負面影響。
                 
                其它有機物與剩余污泥共消化機制相同。一項小試究以牛糞(MN)與外部有機廢物(食品廢物—FW、堿性水解液—AH和粗制甘油—GY)共消化與牛糞單獨消化對比(Usack and Angenent; Regueiro et al.);運行900 d后,4組中溫平行共消化反應器顯示出比甲烷產量(SMY)信息,與GY共消化最適宜總有機負荷率(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數值相近(約300 ml CH4/gVS,對應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生的產物。而另一方面,利用厭氧消化進行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行了225 d監測,實驗組定期使用氣泡柱充入CO2(Fernandez et al.)。實驗組測試CH4產率為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溶解以及酸化與產氫途徑改變。
                 
                污水有機能源轉化新工藝
                 
                高負荷活性污泥法(High-rate activatedsludge, HRAS)(如A/B工藝中的A段)經常用于從污水中高效分離有機物,繼而將之用于能源再生。一座HRAS試驗裝置運行于寒冷溫度下。通過最大化提高污泥量、細菌量和生物絮凝作用,可以以最少能量輸入將進水中顆粒、膠體和溶解性COD集于廢物固體流中(Jimenez et al.)。結果表明,SRT、HRT和DO等重要的設計參數對去除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,是碳重新定向之關鍵。在較SRT和HRT下運行時,產量接近其最大值,因而可在接近最大污泥產率情況下,可最優地利用COD產出生物質。在這些運行條件下,與傳統HRAS工藝相比,其去除大部分(50~80%)進水COD時所需求的曝氣量減少近60%。
                 
                從污水中物理分離有機物(細篩分—FSF:主要為廁紙)被提議為用于產能。一項小試SBR研究表明,市政污水處理廠進水中的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周期可以改善消化性能,特別是高溫消化反應,可縮短遲滯期并降低VFAs峰值(Ghasimi et al.)。
                 
                厭氧消化中甲烷產量通常與溫度關系密切。反其道行之,可以通過傳統初級澄清池沉淀的有機物直接與低溫厭氧消化結合產生甲烷。一項小試規模厭氧折板反應器(ABR)運行兩年有余,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)產出。此外,兩年多運行中反應器沒有產生廢棄底泥。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處理,即可在室溫下達到同樣處理效果。
                 
                亦可以通過微生物燃料電池(MEC)等創新技術刺激反應器中甲烷產生。應用電輔助消化(EAD:裝備有MEC生物陽極和陰極)和控制消化技術,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,同時低乙酸濃度強化氧化的間接貢獻。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負荷率影響,而導電性和乙酸濃度對其影響則微乎其微。
                 
                實現碳中和與可持續性多種途徑
                 
                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碳中和。其中,包括熱源管理和尿液養分回收。最具溫室氣體減排之處在家庭層面(即,分散管理系統),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,進行能量優化潛力巨大,可通過改善機電驅動設備和污泥處理,以及采用更加高效節能處理工藝,例如,主流厭氧氨氧化或從尿液回收營養物。能否實現碳中和,不僅取決于實際凈電當量,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分回收結合起來具有極高的碳中和潛力。
                 
                以碳中和為目標,改善污水處理廠能量平衡可減少碳排放量并有利于環境。然而還需要對經濟、環境與社會影響進行更加廣泛的討論。因為可持續性是由這些因素和指標組成的一個復雜,多維度概念。在這方面,“碳中和”或“能量中和”并不意味著實現可持續運行,因為它們只涉及到可持續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性(Sweetapple et al.)。在該項研究中,可持續性指標包括運行成本,凈能量消耗和多種環境指標。這利于權衡可持續中的各項構成,在實施節能措施前必須加以考慮。最終主要結論是,改善能量平衡(被認為是能夠達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。
                 
                一項以可持續碳中和運行為目標的積極分析表明,淹沒式厭氧膜生物反應器(AnMBR)可能是凈能量明顯的,有利于形成碳負污水管理(Pretel et al.)。在該分析中,利用定量可持續設計過程,使用技術、環境和經濟標準評估了全部可行的設計方案,來完善AnMBR詳細設計。其中,集成了跨季節溫度穩態性能建模(使用中試實驗數據和模擬軟 DESASS)、生命周期成本分析(LCC)和生命周期評價(LCA)。
                 
                綜上所述,這些文章促進了我們對如何實現污水處理廠碳中和運行的初步理解。這一令人贊嘆的目標無疑需要一系列解決方案,需要學術界和工業界多方面共同協力。這不僅是在保護當地水生態環境,更是在保護我們共同地球。


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