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这项研究的步骤主要分为了四步:
分析现有PWR的运行特点和能耗需求;
鉴定污水的能量潜能理论值并找出能源回收的机会;
为与能源回收相结合的PWR计划定义设计要求;
制定更节能的PWR方案战略。
现有的再生水回用于饮用的工艺
再生水回用于饮用(PWR)处理系统的具体构造各异,这是由于不同处理选项和地区的处理标准造成的。总的来说,在过去20年里随着更加严格的水质标准的出台,PWR工艺单元的改进成渐进式的发展趋势。
目前的解决方案大致可分为膜法和非膜法两种,下图总结了不同的饮用水回用方案。
膜法的优势明显,目前超过一半的PWR回用案例都是基于膜法的(RO反渗透),在美国加州地区RO膜法的使用比例更是超过80%。在沿海地区,例如澳洲和美国加州,还会与高级氧化工艺AOPs结合,例如UV-H2O2等,美国加州橙县水管区(OCWD)的再生水地下水回灌系統(GWRS)就采用了此工艺。而内陆地区的PWR项目则一般考虑低压膜过滤(如超滤)、碳吸附(颗粒活性炭GAC)、化学氧化(臭氧)和自然处理系统(土壤含水层、河床过滤和湿地处理等)。在下面的比较中,研究团队也采用了GWRS系统作为参照标准,其单位处理能耗为1.18 kWh/m³。除了能耗,研究团队也对不同系统的温室气体排放进行核算,主要是对厌氧消化和后续脱氮工艺中产生的N2O的排放情况作量化估算。
加州橙县地下水回灌(GWRS)系统工艺流程简图和能耗概况
另外,研究团队也专门前往德国Garching的污水厂采集数据,分析污水进水的潜在化学能,并得出下图的2.52kWh/m³的平均值。
潜在高能效平台
此处研究团队提到了主流厌氧处理、部分亚硝化/厌氧氨氧化和CANDO等新兴低能耗或者能回收能量的污水处理工艺。读者们可能对前两种工艺比较熟悉,至于CANDO工艺,它是耦合好氧-缺氧氮分解工艺(coupled aerobic-anoxic nitrous decomposition operation)的英文简称,我们在之前的微信推送《美国斯坦福大学研发全新脱氮工艺:CANDO》中曾做过介绍。
饮用水回用的替代方案
在制定最终的替代方案之前,Drewes教授的团队还对新方案的设计要求进行定义,考察因素包括水质特点、排放标准、运行表现等方面等。在以上前期研究的基础上,他们最终提出了三种替代方案(见下图),包括:
基于甲烷回收的碳处理
基于CANDO工艺的氮处理工艺
基于部分亚硝化/厌氧氨氧化(PN/A)的氮处理工艺
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