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污水处理厂=资/能源工厂:荷兰早期实践

北极星水处理网  来源:水业碳中和资讯  作者:金铭 郝晓地等  2021/10/22 9:59:37  我要投稿  

北极星水处理网讯:自上世纪90年代可持续污水处理技术理念率先在荷兰提出后,节能降耗、资/能源回收便已成为污水处理工艺研发的目标,因此在荷兰出现不少革命性的工艺,如,反硝化除磷/侧流磷回收、厌氧氨氧化、好氧颗粒污泥等等。荷兰水研究基金会(STOWA)更是早在2008年便制定出以资源、能源回收为目标的未来污水处理新框架(NEWs),将以往仅关注污水再生(中水)的资源回收做法蜕变为以磷回收和能源转化为主题的新理念,由此提出未来污水处理NEWs框架。在目前国内“双碳”目标下,荷兰理念和做法值得回味。为此,公众号本期开始将7年前发表文章介绍过的NEWs概念以及欧美在碳中和污水处理方面的实践以“挖箱底”方式飨食给大家。

01 NEWs框架与意义

NEWs是英文Nutrient(营养物)+Energy(能源)+Water(水)factories(工厂)词组的缩写,表示可持续理念之下的污水处理厂其实是营养物、能源和再生水三位一体的生产工厂,概括如下图。在NEWs框架下,污水中几乎没有传统意义上的废物: ①有机物为能量的载体,转化后可用于弥补运行能耗,实现碳中和运行目的;污水本身所含热量亦可通过水源热泵转换出大量热/冷能,不仅可贡献于碳中和运行,还能向社会输出热/冷量。②污水中的营养物质,特别是磷,在处理过程中可有效回收,以最大限度延缓磷资源的匮乏速度。③有机物及营养物回收完成后,也即完成了传统污水处理的主要目标,水也即得到净化而成为可以回用的中水。在NEWs理念下,“主产品”为有机物、营养物及能源,而中水不过是“副产品”。此外,污水中的无机砂砾、纤维素一类的难降解物质、污泥中的重金属、污泥中的PHA、EPS等亦可列入回收清单。

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02 NEWs技术路线图

荷兰STOWA早在2008年便制定出到2030年污水处理厂要实现NEWs框架目标计划。但是全荷兰350座污水处理厂之中,它们并没有一窝蜂地都去选择NEWs框架下的概念厂,而是因地制宜地选择适合自己的可行技术。

荷兰将污水处理工艺步骤分为如图2所示的6个过程,每一工艺步骤背后均有许多可选择、研发中的技术予以支持。2030年前一些技术将寿终正寝,而一些新技术也将涌现。

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03 NEWs框架下的概念工厂

荷兰专家提出了几个具有代表性、亦能引领2030年NEWs框架目标的营养物回收、能量回收、再生水概念工艺,如下图。营养物工厂、能源工厂和再生水工厂的框架已经形成,未来要做的不是将污水处理厂改造为单一的营养物、能源或再生水厂,而是要尽可能更多地发掘污水资源/能源化潜力,在同一污水厂实现营养物、能源和再生水三位一体的生产工厂(NEWs)。

未来16年,将按NEWs技术路线图逐步形成实体NEWs工艺。在实践NEWs过程中,最应该明确的应该是处理水是直排还是回用。最佳的NEWs工艺应该是因地制宜的工艺,同时NEWs工艺应朝模块化方向进行发展,使得各个模块能够单独进行升级改造。NEWs能够成为现实的根本条件在于其产品——营养物、能源和再生水可否成为下游企业愿意接受的产品。这就需要管理技术人员在技术研发的同时也要积极寻求产品的潜在市场。

04 NEWs实践与案例

营养工厂

Geestmerambacht污水处理厂已开始在侧流中采用结晶反应器从剩余污泥中回收颗粒状磷酸钙,用于磷酸盐工业原料。Steenderen污水处理厂处理来自于土豆加工厂废水和当地市政污水。该厂以投加MgO方式生产鸟粪石,并实现污泥减量。在荷兰南部SNB地区,污水处理厂污泥采用焚烧处理(400000 t/a),磷酸盐(PO43-)被浓缩后残留于灰烬中,其含量可达80 Gp/kg灰分。从污泥灰烬中回收磷,可生产PO43-达3100 Tp/a,并被销售至磷酸盐工业。Deventer污水厂采用BCFS工艺,该工艺厌氧池侧流上清液中含有高浓度的PO43-(30~50 mgP/L),可使用化学结晶方法投加金属盐予以分离、回收。

能源工厂

2015年建成12个能源工厂。在此方面,荷兰已经取得一些积极成果,一些污水处理厂利用污泥厌氧消化产CH4,CH4热电联产(CHP)发电/产热反哺污水处理厂运行或供应社会。Dokhaven 污水处理厂主流工艺采用AB法,A、B两段剩余污泥以不同脱水方式脱水再进入后续消化池厌氧消化产CH4,并用于CHP发电和产热:电用于污水处理厂运行,余热用于消化系统加热和冬季办公室取暖等。Apeldoorn污水处理厂引入厌氧共消化技术同步处理剩余污泥和厨余垃圾,同时对污泥厌氧消化液采用侧流自养脱氮(DEMON)工艺处理,以减少碳源消耗,增加更多剩余污泥量供厌氧消化转化沼气后用于CHP发电。Garmerwolde污水处理厂采用AB法中的A段将COD作为污泥(生物吸附)分离,并利用2个连续厌氧消化池处理这些污泥以及临近的污水处理厂的剩余污泥。消化污泥脱水上清液采用节能型中温亚硝化SHARON工艺处理,沼气CHP发电可以满足60%~70%的运行能耗,余热则用于加热消化池。阿姆斯特丹西区(AmsterdamWest)污水处理厂目前是荷兰最大的污水处理厂之一,该厂采用传统污泥消化工艺。沼气和消化后污泥送至附近垃圾焚烧厂使用和最终处置并生产能量。

再生水厂

在再生水回用方面,荷兰Terneuzen污水处理厂中兴建了膜生物反应器,并用其出水生产工业用去矿物质水。Emmen污水处理厂出水升级至锅炉用水标准。Kaatsheuvel污水处理厂将出水作为再生水,用于附近埃夫特林游乐园池塘补充水。1999年,Aa & Maas 水务局在Land vanCuijk污水厂引入芦苇湿地系统,以生产更接近于天然水的出水。

综合应用案例

NEWs发展的终极目标是在同一污水处理厂内实现营养物、能源和水三位一体生产。Vallei & Eem 水务局计划以Amersfoort污水处理厂为案例,探求新技术与新工艺,以使污水厂至少能达到能量自给自足的水平。具体目标是2014年Amersfoort污水厂将以能量工厂方式运行,除能量回收外,营养物(N、P)也予以回收利用。同时Vallei&Eem水务局与荷兰应用水研究基金会(STOWA)已开始执行Omzet-Amersfoort合作计划(2011——2016),这一计划主要在Amersfoort污水厂中实施,将其转化为能源与资源回收工厂。其预期结果见下表。

05 结语

视污水为资源与能源载体的认识转变使荷兰自20 世纪末起对污水处理目标追求不仅是满足单一出水标准的需要,完全明确了污水处理的首要目标不是“去除”而是“回收”。

NEWs框架便是对这一理念的高度的概括。但NEWs 框架的建立也并不预示着既有污水处理设施被推倒重来,也没有平地新建示范厂的打算,而是强调既有污水厂根据自身情况、因地制宜地向着 NEWs 框架的部分或全部逐渐逼近。


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