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2.3探索可持续新工艺
基于有机污染物去除的可持续污水处理新工艺主要是厌氧处理技术,能耗低,且可回收能源。高浓度有机废水的厌氧技术已成熟,但城市污水有机物浓度低,厌氧处理存在投资大和占地大等障碍。 目前,城镇污水厌氧处理方向研究的热点是厌氧膜生物反应器AnMBR,与传统厌氧工艺相比,可大幅度减少占地,但技术成熟度离生产性应用尚存在差距。
另一类可持续污水处理工艺是低能耗、低碳源消耗的脱氮工艺,有很多种类,但主要包括基于短程反硝化原理的SHARON工艺和基于厌氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工艺。与传统的AAO工艺相比,SHARON工艺可节约25%的能耗、40%的碳源消耗,而ANNAMOX工艺可节约60%的能耗、90%的碳源消耗。目前,SHARON和ANNAMOX在高浓度氨氮污水处理中已较成熟,在污泥回流液处理中已有一批成功案例。在典型城镇污水处理上虽有进展,但离实际应用仍有差距。
未来革命性的可持续污水处理工艺方向是碳氮两段法:首先对污水中的有机物进行分离,分离出的污泥通过厌氧消化产生CH4,或对污水直接进行厌氧处理产能,分离后含有氨氮的污水通过主流厌氧氨氧化进行脱氮。按照Kartal等人的理论估算,采用现在的活性污泥法,处理1人口当量的污染物需要耗电44 W˙h,而采用上述碳氮两段法,处理1人口当量的污染物将产生24 W˙h能量,从而使污水处理厂真正成为“能源工厂”,且污泥产量仅为活性污泥法的四分之一。
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我国城镇污水处理行业碳减排潜力
碳减排潜力包括现实可得潜力和最大可得潜力,前者是指在现有的技术经济条件下可以挖掘的潜力,后者是通过可预见的技术经济进步未来能够挖掘的潜力。
3.1我国城镇污水处理行业碳减排现实可得潜力(RAP)
提高污水处理综合能效可以挖掘第一部分现实可得潜力。目前,我国污水提升泵站水泵普遍存在级配不合理、扬程偏大、没有变频装置及自动编组控制等现象,按照国际经验及国内已有成功改造案例,通过采用高效机电设备、加强负载管理和建立需求响应机制等路径,可实现20%~50%的减排潜力。对于混合搅拌单元,普遍存在搅拌器机械效率低、功率输入大、过度搅拌等现象,按照国际经验及国内已有成功改造案例,通过采用高效机电设备、加强负载管理和建立需求响应机制等路径,可实现20%~40%的减排潜力。对于曝气系统,普遍存在鼓风机出口压力过大、曝气器效率低、未设置曝气控制系统等状况,按照国际经验及国内已有成功改造经验,通过采用高效机电设备、加强负载管理和建立需求响应机制等路径,可实现20%~30%的减排潜力。对于污泥脱水单元,只有自控溶药装置,目前还没有投药量控制系统,按照国际经验及国内已有成功改造经验,通过采用高效机电设备、加强负载管理和建立需求响应机制等路径,可实现20%~30%的减排潜力。综上,在2015年基础上,通过提高污水处理综合能效,每处理万立方米污水可挖掘的现实可得潜力为284.9~509.2 t CO2当量。
大力回收能源可以挖掘第二部分现实可得潜力。美国年产污泥750万干吨,建设了650座集中厌氧消化设施,将58%的污泥进行了厌氧消化。设置76套热电联供系统(CHP),总装机装机容量220 MW,且正在迅速增加。欧盟国家年产污泥800万干吨,50%以上进行了厌氧消化,英国厌氧消化率达到66%,总体能源自给率约20%。目前,我国年产污泥约540万干吨,仅有不到五十座消化设施,厌氧消化率不足5%,存在较大能量开发与回收空间,由此可挖掘的碳减排潜力很大。通过采用预处理、高级厌氧消化以及热电联产(CHP)等技术,将污泥厌氧消化比例提高到55%,可实现15%~25%的能源自给,实现间接减排量210.0~350.4万t CO2当量。目前,全行业污泥总体以填埋为主,
如不进行厌氧消化,厌氧消化产生的甲烷将逸散产生直接排放。将污泥厌氧消化比例提高到55%,减少的直接碳排放为425.2万~708.7万t CO2当量。综上,回收能源的现实可得潜力为635.2万~1 059.1万t CO2当量。
综合提高能效和能源回收的减排潜力,全行业全年可实现间接碳减排494.9万~859.6万t CO2当量,为2015年间接碳排放量的33.6%~58.4%。加上厌氧消化同步实现的直接碳减排量,全行业全年碳减排现实可得潜力为920.1万~1 568.3万t CO2当量,为2015年总碳排放量的23.1%~39.4%。
3.2我国城镇污水处理行业碳减排最大可得潜力(MAP)
选择新型的节碳工艺,降低能耗、避免外加碳源,是减少生物处理过程碳排放的关键。短程硝化反硝化、厌氧氨氧化和反硝化除磷技术是广受关注的节碳工艺。短程硝化反硝化技术可节约25%左右的需氧量和40%左右的碳源,减少50%左右的污泥量;厌氧氨氧化可节省60%的需氧量,不需额外投加碳源,并且高负荷,低污泥产量;反硝化脱氮除磷可节省30%左右的需氧量和50%左右的碳源,减少50%左右的污泥产量。未来,如厌氧氨氧化工艺获得突破并得以普遍应用,能耗将在现有基础上进一步降低30%,全部碳源将用于高效厌氧消化,产生的能量足以覆盖能耗,污水处理将不再产生间接碳排放,成为名副其实的“能源工厂”,这是污水处理行业碳减排最大可得潜力(MAP)。
原文标题:我国城镇污水处理行业碳减排路径及潜力,作者:王洪臣,刊登在《给水排水》2017年03期水业导航栏目
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