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污水厂实现“碳中和”的途径分析

更新时间:2021-04-29 09:39 来源:惟创环境 作者: 杨智姬 阅读:1060 网友评论0

一、“碳中和”是右边等于(大于)左边

自从国家碳中和战略提上日程,各行各业都在探讨如何实现碳中和,作为环境治理行业排头兵的污水处理更是不例外。

然而,不看不知道,原来好多国家在迈向碳中和的路上已经走得好前好远,丹麦State Of Green还出了一份白皮书:《像丹麦那样思考,解锁污水的潜能》,介绍丹麦污水处理厂实现能量盈余的经验。

人家说,可怕的是比你优秀的人还比你努力。面对污水界学霸级的,比如丹麦,作为一惯享有“中国速度”美誉的咱们,相信一定能小步快跑,迎头赶上。

讨论碳中和,先得弄清楚什么是碳中和。

所谓碳中和(Carbon neutrality),是指组织或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳,通过植树造林、节能减排等方式全部抵销,实现碳的净“零排放”。

那么污水处理厂要抵销的碳排放包括哪些呢?

首先是能耗,即用电。从能量转化的角度来说,传统污水处理模式本质是以能耗换水质。我们使用大量电能以去除污水中的污染物,间接产生大量二氧化碳排放。其次是污水处理需要消耗大量燃料和药剂,间接排放大量温室气体。另外,好氧段需要曝气,活性污泥吸收氧气并释放二氧化碳,同时,工作人员呼吸也会释放二氧化碳。

当然,能耗是大头。如果污水厂使用的电能不是来自于燃煤发电(2020年仍占我国总发电量的60.8%),而是水电、风电、光伏、核能等清洁能源,或者自产再生能源,碳中和就基本实现了。至于处理过程中其他碳排放,那都不是大事,栽点树种点草,搞搞绿化中和一下也差不多了。

所以,污水处理厂最易达成的碳中和途径是什么?一个字:等!等到国家把所有燃煤电厂都替代了,就坐着顺风车哼着歌愉快的实现了。

2021年1月1日起,全国碳市场首个履约周期(截止到今年12月31日)正式启动,涉及2225家发电行业的重点排放单位。这是我国第一次从国家层面将二氧化碳控排责任压实到企业,通过市场倒逼机制,促进产业技术升级。(啥时候会跟咱们污水处理行业签履约周期不?图片)

看来,“等”字诀曙光在望啊!

但是,咱们环境产业的排头兵是靠等的吗?Of course no!

要中和,我们首先得搞清楚处理污水消耗的能量(左边)与污水中含有的能回收的能量(右边)之间的等式关系。然后想办法把右边搞得多多的,把左边搞得少少的,就能实现中和甚至盈余了。

据测算,污水中所含能量是污水处理本身所消耗能量的9-10倍之多。通过优化污水处理工艺,回收有机物能量,利用热电联产发电实现碳中和,理论上是可行的。

不过这个基本是国外的数据,我国城市污水处理厂进水COD浓度偏低,只有欧美国家的40%-70%。国内首座“未来再生水厂”—北京市东坝再生水厂经测算,处理1吨污水回收的能量是其消耗的能量的4倍。但这也是在北方,南方进水的能量值更低,一般只能达到2倍左右。

不过,既然能量守恒定律摆在那里,我们本着“把右边搞得多多的,左边搞得少少的”的原则,办法总是比问题多很多。

二、如何把右边搞得多多的?

1、改善管网输送体系

在城市污水处理系统中,污水的收集和输送涉及大规模管网铺设和长距离输送,管网漏损、堵塞、覆盖率不高是造成我国污水进水碳源不高的主要原因。

提高排水管网输水性能和覆盖率,实现污水100%收集,同时进行雨污分流改造,提高污水处理厂进水碳氮比,如此就能解决碳源不足问题,有效提高污水处理厂有机质到甲烷的转化率,把污水处理厂变成发电厂,从根本上解决能耗问题。

2、外部碳源协同处理

厂内不足外源补。外源协同消化是很多国家污水厂实现能量自给所采取的方式。

美国希博伊根污水处理厂利用高浓度食品废物与污泥共同厌氧消化,产生的甲烷进行热电联产,同时采取节能措施,实现产电量与耗电量比值达90%~115%。

荷兰实现碳中和的策略是将污水处理厂改造或新建成能量工厂(NEWs),使污水处理厂与居民生活、工厂、资源回收、农业及大自然联结成一个整体,达到一种区域循环共生的状态。

荷兰最大的污水处理厂之一,阿姆斯特丹西污水厂(WWTP Amsterdam West)通过传统的污泥厌氧消化系统年产沼气约1200万立方米,共用给隔壁的废物焚烧厂。污水厂的污泥也在此焚烧处理。焚烧厂的热值利用率高达90%。除了处理污水厂的污泥,焚烧厂还为污水厂供应电力和热水。此外,还有剩余的电力和余热并入阿姆斯特丹的绿色电网和供暖系统。堪称协同处理实现能量自给并盈余的典范。

我国睢县、江苏宜兴城市水资源概念厂、北京东坝再生水厂、湖南先导洋湖再生水厂等均有此类尝试,这些项目将为中国污水处理行业绿色低碳发展和产业升级带来深远影响。

惟创环境定位于“区域环境综合治理服务商”,就是希望打通环境治理的“最后一公里”,进行区域综合规划,将环境治理设施打造成城市人居环境中最漂亮的地方,同时将污水、固废、气体等结合起来协同处理,实现区域综合循环,从而实现整体碳中和。

3、优化工艺,提升能量回收能力

在污水处理碳中和的路上,丹麦可算领头羊。Aarhus是丹麦的第二大城市,而Marselisborg是当地最大的污水厂。该厂在2016年名声大噪,原因是它宣布无需协同消化,仅用污水自身蕴含的能量就实现了能量盈余。

为了实现这一目标,Marselisborg的运营公司Aarhus水务从2006年就开始升级转型,他们将当地14座污水处理厂合并为两座,即Marselisborg污水厂和十几公里外的另一座污水厂,以提高处理效率。并花了170万欧元购入两台250kW和一台355kW的热电联产电机,实现年产电量达4.8GWh。同时,通过一系列节能降耗措施,使污水厂年电耗从4.2GWh降至3.15GWh,降幅达25%。这意味着厂区的发电量比电耗多出1.65GWh,盈余达53%。这些多余的电能卖给国家电网,此外还有2.5GW的热能直接用于地区供热。

奥登塞(Odense)是丹麦第三大城市,该城最大的Ejby Mølle污水厂早在2013年就声称实现能量100%自给。2018年,他们甚至宣布:污水厂的能耗盈余率高达88%!

如此惊人的能量回收率是因为他们极力改善污泥消化工艺。例如:他们使用延时消化的 Torpey工艺,将出泥固液分离后再回流到消化池,以此减少消化池中的水量,提高生物质浓度,SRT延长约10%,以提高消化池性能。另外,他们更换了栅渣冲洗压榨机(Screening washing press),以便更好地将格栅截留的碳源导流到消化池。2020年,他们还对氯化铁添加至污泥脱水工艺的效果进行测试,目的是减少残留污泥量和鸟粪石的沉淀。此外,他们也在初沉池对新的聚合物进行测试。

总之,他们想尽各种办法将进水中的碳送入消化池,力争不漏掉一丁点儿。

而在国内的污泥处置领域,小红门和高碑店污泥处理中心成功运行,污泥产气率超出预期目标,除满足热水解能量平衡的需要外,还有余量。这充分表明,污泥高级厌氧消化技术已经比较可靠、稳定,既为国内污泥处理探索出新思路,同时也为实现碳中和提供有力支撑。

4、自产清洁能源“加菜”

“加菜”是指通过太阳能光伏发电等做法提供一定的能源补给。

哥本哈根三大污水处理厂之一的Damhusåen污水厂,通过安装光伏太阳能板覆盖了厂区9%的电耗。荷兰Rivierenland水委会也在污水厂旁建造光伏太阳能公园。

不过,这些措施看起来难以实现100%补给,只能做为“加菜”补充。

三、如何把左边搞得少少的?

1、采用能耗更低的污水工艺

目前,污水界主要的低能耗生物工艺包括厌氧氨氧化工艺、好氧颗粒污泥工艺等。当然,还有咱们的VFL垂直流迷宫技术,也属于低能耗工艺啦图片。

丹麦的Marselisborg污水厂于2014年引进了侧流厌氧氨氧化工艺,每年能节省约8万欧的污水税(相当于排污费)和50000kWh的电耗。

荷兰的污水处理厂则多采用好氧颗粒污泥工艺降低能耗。虽然《NEWs:荷兰2030年污水厂路线图》的报告里,专家们推荐A-B工艺,但各地水委会并没有一窝蜂地采纳。事实上,在过去十年里,好氧颗粒污泥有后来者居上的势头。

2011年,荷兰第一座好氧颗粒污泥污水厂在Epe污水厂投产使用。采用新工艺后,该污水厂立即成为荷兰能耗最低的市政污水厂。

荷兰北部格罗宁根市的Garmerwolde污水厂于2013年引进好氧颗粒污泥,不但占地面积远小于原来A-B工艺,能耗也由原来的0.33kWh/m³降至0.17 kWh/m³。此外好氧颗粒污泥在脱氮除磷以及污泥产量等方面都有显著优势。

咱们VFL工艺的垂直流迷宫格形成的高径比、间歇式曝气及多点气提回流系统正是有利于颗粒污泥的大量形成,相当于一个强化的好氧颗粒污泥法。看来,VFL工艺不但是污水厂提质增效的优良选择,在碳中和升级转型中也将大有用途啊图片。

2、改造升级曝气系统

有数据表明,我国污水处理厂吨水电耗一般在0.15~0.28kWh范围。其中,曝气鼓风机电耗所占比例为56.2%。虽然不同处理工艺能耗有所不同,但曝气系统总体能耗占比最大是事实。因此,污水处理厂节能降耗关键点在升级改造曝气系统。

曝气系统主要是提供微生物所需的溶解氧,因此节能的核心是精准掌控微生物的活动过程,防止过度曝气,也要防止曝气不足。这就对系统的智能化、数字化控制提出很高的要求。

咱们VFL工艺正是通过ORP控制实施间歇式精准曝气,使吨水电耗较传统工艺大幅降低。

另外,曝气的方式也在很大程度上影响能耗。丹麦哥本哈根的BIOFOS水务将其管理的污水厂由表面曝气升级为微孔曝气,使曝气能耗降低约57%。

3、优化原料投入环节

污水处理工艺多种多样,但本质是通过生化反应来去除水中污染物。因此,在处理环节需要投加碳源和多种化学药剂。这些原材料在生产和运输过程中消耗能源,在投加过程中也消耗一定能源。因此,优化投料环节,有助于节能降耗减少碳排放。

如何优化原料投入环节呢?目前,市场上主要是对加药系统进行配置升级。由常用的变频计量泵升级为数字泵,加药量有不同程度减少。另外,运用AI技术对污水水量、水质等参数和加药系统运行数据等进行大数据分析,形成最优算法模型,从而实现加药系统精细化控制,也能有效降低药品消耗以及设备运行能耗。

北京市东坝再生水厂采用超磁工艺实现磷回收和碳源回用,基本省去了药剂费用。中国城市污水处理概念厂专家委员会王洪臣教授说:“物理技术尤其是各种清洁分离技术,在未来的污水处理中有可能发挥更大的作用,而不再只是预处理角色”。看来有些道理。

咱们VFL技术也仅在必要时或在特定情况下才使用后清洁化学品,能有效降低药品消耗。应该不管是在现下的提质增效时代,还是在未来的碳中和时代,均有很好的用武之地。

3、其他设备节能降耗

有数据表明,排水泵站也是耗能大户,占城市水务总能耗的35%。因此,对排水泵站进行升级改造,或采用智能化运营模式,能有效降低能耗。

总之,污水处理的节能降耗需要进行系统性的思考和优化,才能取得良好效果。丹麦的Marselisborg污水厂通过SCADA系统(数据采集与监视控制系统)对氨氮、磷浓度进行监控,并对鼓风机、提升泵、搅拌设备和脱水泵实施变频器控制,灵活适应每日变化的进水负荷,从而大幅降低了电耗。还通过使用能效更高的污泥脱水离心机使每年电耗节省50000kWh。各项措施的综合使用,使该电厂总电耗降低25%。节流与开源双管齐下,是该厂实现能量盈余的法宝。

四、碳中和是一项系统性的长期工程

总的来说,其一,污水处理行业实现碳中和是一项系统性工程。

从前沿国家的实践经验来看,实现碳中和甚至能量盈余均非某个单点的突破,甚至不是依靠前沿性的工艺技术,而是要全流程进行系统优化。

像丹麦的Marselisborg污水厂和Ejby Mølle污水厂,无不是通过一系列升级改造,从工艺和设备选择等各方面挖掘潜能,提高能量回收效率,降低能耗,很难说是哪个单项的技术突破所带来的成果。

Marselisborg污水厂引进侧流厌氧氨氧化后年电耗降低50000kWh,只相当于其总盈余1.65GWh的一个零头尾数。

这也说明,碳中和不是不可跨越的鸿沟,而是需要我们改变以往粗放型考虑问题的方式,系统设计,深入细节,一定会有很好的成果。

其二,实现碳中和是一项长期持续的工程。

为了实现污水厂的能量自给,Aarhus水务努力了10年,从2006年开始对旗下的14座污水厂进行合并,至2016年宣布其管理的Marselisborg污水厂实现能量自给并盈余53%。目前Aarhus水务仍在探索,他们在管理的另一个厂--Egaa污水厂测试碳捕获、主流厌氧氨氧化和ORC废气能量回收等工艺。让人想起一个公司的Slogan:为环境,无止境。

因此,实现碳中和不是等待前沿的技术出现,也不是单靠研发突破,而是公司的各部门、各职能共同努力:运营厂持续探索节能降耗的途径,制造与供应链不断寻找性能更优的设备,技术部门了解成功的技术经验,产品部门创新业务模式等等。

其三,实现碳中和要跳出污水处理行业,站在生态文明建设、城乡融合发展、污水资源化、能量自给、环境友好等更多层面综合考量。

这可能不单是整个行业技术和理念的更新,也是整个社会思想和认知的革命。例如,要实现碳中和,我们个人的工作和生活也要逐步低碳化。我们询问湖南的污水厂,升级到日处理规模30万吨后覆盖50万人口当量,中国的理论设计值是人均每天0.45-0.5m³污水。而荷兰的阿姆斯特丹西污水厂处理人口当量约100万人。荷兰北部的Garmerwolde污水厂日处理规模7万吨,覆盖人口当量37.5万,人均每天0.186 m³水。少很多啊,是因为我们的居民用水确实多些,还是因为管网与规划问题?

另外,从污水厂出水到地表水和居民用水要实现再生循环,其间仍有较大的水质差别需要解决。现有的污水处理运管模式也让污水厂本身缺乏升级动力等。碳中和下的水环境治理是一个多层面整体规划、综合考量、系统性解决问题的过程。

而让人欣喜的是,碳中和理论上可行,又要这么多成功的实践经验。我们有理由相信,中国污水处理行业将很快为碳中和战略做出积极贡献。

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