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污水廠實現“碳中和”的途徑

發(fā)布時間:2021年06月18日 17:57 作者:惟創(chuàng)環(huán)境 點擊數:

來源:中國水網



一、“碳中和”是右邊等于(大于)左邊

                                             

自從國家碳中和戰(zhàn)略提上日程,各行各業(yè)都在探討如何實現碳中和,作為環(huán)境治理行業(yè)排頭兵的污水處理更是不例外。 然而,不看不知道,原來好多國家在邁向碳中和的路上已經走得好前好遠,丹麥State Of Green還出了一份白皮書:《像丹麥那樣思考,解鎖污水的潛能》,介紹丹麥污水處理廠實現能量盈余的經驗。

人家說,可怕的是比你優(yōu)秀的人還比你努力。面對污水界學霸級的,比如丹麥,作為一慣享有“中國速度”美譽的咱們,相信一定能小步快跑,迎頭趕上。 討論碳中和,先得弄清楚什么是碳中和。 所謂碳中和(Carbon neutrality),是指組織或個人在一定時間內直接或間接產生的二氧化碳,通過植樹造林、節(jié)能減排等方式全部抵銷,實現碳的凈“零排放”。

那么污水處理廠要抵銷的碳排放包括哪些呢? 首先是能耗,即用電。從能量轉化的角度來說,傳統(tǒng)污水處理模式本質是以能耗換水質,需要使用大量電能以去除污水中的污染物,間接產生大量二氧化碳排放。其次是污水處理需要消耗大量燃料和藥劑,間接排放大量溫室氣體。另外,好氧段需要曝氣,活性污泥吸收氧氣并釋放二氧化碳,同時,工作人員呼吸也會釋放二氧化碳。 當然,能耗是大頭。如果污水廠使用的電能不是來自于燃煤發(fā)電(2020年仍占我國總發(fā)電量的60.8%),而是水電、風電、光伏、核能等清潔能源,或者自產再生能源,碳中和就基本實現了。至于處理過程中其他碳排放,那都不是大事,栽點樹種點草,搞搞綠化中和一下也差不多了。 所以,污水處理廠最易達成的碳中和途徑是什么?一個字:等!等到國家把所有燃煤電廠都替代了,就坐著順風車哼著歌愉快的實現了。

2021年1月1日起,全國碳市場首個履約周期(截止到今年12月31日)正式啟動,涉及2225家發(fā)電行業(yè)的重點排放單位。這是我國第一次從國家層面將二氧化碳控排責任壓實到企業(yè),通過市場倒逼機制,促進產業(yè)技術升級。(啥時候會跟咱們污水處理行業(yè)簽履約周期不?

看來,“等”字訣曙光在望啊! 但是,咱們環(huán)境產業(yè)的排頭兵是靠等的嗎?Of course not! 要中和,首先得搞清楚處理污水消耗的能量(左邊)與污水中含有的能回收的能量(右邊)之間的等式關系。然后想辦法把右邊搞得多多的,把左邊搞得少少的,就能實現中和甚至盈余了。

據測算,污水中所含能量是污水處理本身所消耗能量的9-10倍之多。通過優(yōu)化污水處理工藝,回收有機物能量,利用熱電聯產發(fā)電實現碳中和,理論上是可行的。 但這個基本是國外的數據,我國城市污水處理廠進水COD濃度偏低,只有歐美國家的40%-70%。國內首座“未來再生水廠”—北京市東壩再生水廠經測算,處理1噸污水回收的能量是其消耗的能量的4倍。但這也是在北方,南方進水的能量值更低,一般只能達到2倍左右。 不過,既然能量守恒定律擺在那里,本著“把右邊搞得多多的,左邊搞得少少的”的原則,辦法總是比問題多很多。

二、如何把右邊搞得多多的?

1、改善管網輸送體系

在城市污水處理系統(tǒng)中,污水的收集和輸送涉及大規(guī)模管網鋪設和長距離輸送,管網漏損、堵塞、覆蓋率不高是造成我國污水進水碳源不高的主要原因。 提高排水管網輸水性能和覆蓋率,實現污水100%收集,同時進行雨污分流改造,提高污水處理廠進水碳氮比,如此就能解決碳源不足問題,有效提高污水處理廠有機質到甲烷的轉化率,把污水處理廠變成發(fā)電廠,從根本上解決能耗問題。

2、外部碳源協同處理

廠內不足外源補。外源協同消化是很多國家污水廠實現能量自給所采取的方式。 美國希博伊根污水處理廠利用高濃度食品廢物與污泥共同厭氧消化,產生的甲烷進行熱電聯產,同時采取節(jié)能措施,實現產電量與耗電量比值達90%~115%。 荷蘭實現碳中和的策略是將污水處理廠改造或新建成能量工廠(NEWs),使污水處理廠與居民生活、工廠、資源回收、農業(yè)及大自然聯結成一個整體,達到一種區(qū)域循環(huán)共生的狀態(tài)。 荷蘭最大的污水處理廠之一,阿姆斯特丹西污水廠(WWTP Amsterdam West)通過傳統(tǒng)的污泥厭氧消化系統(tǒng)年產沼氣約1200萬立方米,共用給隔壁的廢物焚燒廠。污水廠的污泥也在此焚燒處理。焚燒廠的熱值利用率高達90%。除了處理污水廠的污泥,焚燒廠還為污水廠供應電力和熱水。此外,還有剩余的電力和余熱并入阿姆斯特丹的綠色電網和供暖系統(tǒng)??胺Q協同處理實現能量自給并盈余的典范。 我國睢縣、江蘇宜興城市水資源概念廠、北京東壩再生水廠、湖南先導洋湖再生水廠等均有此類嘗試,這些項目將為中國污水處理行業(yè)綠色低碳發(fā)展和產業(yè)升級帶來深遠影響。 惟創(chuàng)環(huán)境定位于“區(qū)域環(huán)境綜合治理服務商”,就是希望打通環(huán)境治理的“最后一公里”,進行區(qū)域綜合規(guī)劃,將環(huán)境治理設施打造成城市人居環(huán)境中最漂亮的地方,同時將污水、固廢、氣體等結合起來協同處理,實現區(qū)域綜合循環(huán),從而實現整體碳中和。

3、優(yōu)化工藝,提升能量回收能力

在污水處理碳中和的路上,丹麥可算領頭羊。Aarhus是丹麥的第二大城市,而Marselisborg是當地最大的污水廠。該廠在2016年名聲大噪,原因是它宣布無需協同消化,僅用污水自身蘊含的能量就實現了能量盈余。

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為了實現這一目標,Marselisborg的運營公司Aarhus水務從2006年就開始升級轉型,他們將當地14座污水處理廠合并為兩座,即Marselisborg污水廠和十幾公里外的另一座污水廠,以提高處理效率。并花了170萬歐元購入兩臺250kW和一臺355kW的熱電聯產電機,實現年產電量達4.8GWh。同時,通過一系列節(jié)能降耗措施,使污水廠年電耗從4.2GWh降至3.15GWh,降幅達25%。這意味著廠區(qū)的發(fā)電量比電耗多出1.65GWh,盈余達53%。這些多余的電能賣給國家電網,此外還有2.5GW的熱能直接用于地區(qū)供熱。

奧登塞(Odense)是丹麥第三大城市,該城最大的Ejby M?lle污水廠早在2013年就聲稱實現能量100%自給。2018年,他們甚至宣布:污水廠的能耗盈余率高達88%! 

如此驚人的能量回收率是因為他們極力改善污泥消化工藝。例如:他們使用延時消化的 Torpey工藝,將出泥固液分離后再回流到消化池,以此減少消化池中的水量,提高生物質濃度,SRT延長約10%,以提高消化池性能。另外,他們更換了柵渣沖洗壓榨機(Screening washing press),以便更好地將格柵截留的碳源導流到消化池。2020年,他們還對氯化鐵添加至污泥脫水工藝的效果進行測試,目的是減少殘留污泥量和鳥糞石的沉淀。此外,他們也在初沉池對新的聚合物進行測試。

總之,他們想盡各種辦法將進水中的碳送入消化池,力爭不漏掉一丁點兒。 而在國內的污泥處置領域,小紅門和高碑店污泥處理中心成功運行,污泥產氣率超出預期目標,除滿足熱水解能量平衡的需要外,還有余量。這充分表明,污泥高級厭氧消化技術已經比較可靠、穩(wěn)定,既為國內污泥處理探索出新思路,同時也為實現碳中和提供有力支撐。

4、自產清潔能源“加菜”

“加菜”是指通過太陽能光伏發(fā)電等做法提供一定的能源補給。 哥本哈根三大污水處理廠之一的Damhus?en污水廠,通過安裝光伏太陽能板覆蓋了廠區(qū)9%的電耗。荷蘭Rivierenland水委會也在污水廠旁建造光伏太陽能公園。 不過,這些措施看起來難以實現100%補給,只能做為“加菜”補充。

三、如何把左邊搞得少少的?

1、采用能耗更低的污水工藝

目前,污水界主要的低能耗生物工藝包括厭氧氨氧化工藝、好氧顆粒污泥工藝等。以及惟創(chuàng)的VFL垂直流迷宮技術,也屬于低能耗工藝。 

丹麥的Marselisborg污水廠于2014年引進了側流厭氧氨氧化工藝,每年能節(jié)省約8萬歐的污水稅(相當于排污費)和50000kWh的電耗。 

荷蘭的污水處理廠則多采用好氧顆粒污泥工藝降低能耗。雖然《NEWs:荷蘭2030年污水廠路線圖》的報告里,專家們推薦A-B工藝,但各地水委會并沒有一窩蜂地采納。事實上,在過去十年里,好氧顆粒污泥有后來者居上的勢頭。

2011年,荷蘭第一座好氧顆粒污泥污水廠在Epe污水廠投產使用。采用新工藝后,該污水廠立即成為荷蘭能耗最低的市政污水廠。

荷蘭北部格羅寧根市的Garmerwolde污水廠于2013年引進好氧顆粒污泥,不但占地面積遠小于原來A-B工藝,能耗也由原來的0.33kWh/m3降至0.17 kWh/m3。此外好氧顆粒污泥在脫氮除磷以及污泥產量等方面都有顯著優(yōu)勢。

咱們VFL工藝的垂直流迷宮格形成的高徑比、間歇式曝氣及多點氣提回流系統(tǒng)正是有利于顆粒污泥的大量形成,相當于一個強化的好氧顆粒污泥法??磥恚琕FL工藝不但是污水廠提質增效的優(yōu)良選擇,在碳中和升級轉型中也將大有用途啊。

2、改造升級曝氣系統(tǒng)

有數據表明,我國污水處理廠噸水電耗一般在0.15~0.28kWh范圍。其中,曝氣鼓風機電耗所占比例為56.2%。雖然不同處理工藝能耗有所不同,但曝氣系統(tǒng)總體能耗占比最大是事實。因此,污水處理廠節(jié)能降耗關鍵點在升級改造曝氣系統(tǒng)。

曝氣系統(tǒng)主要是提供微生物所需的溶解氧,因此節(jié)能的核心是精準掌控微生物的活動過程,防止過度曝氣,也要防止曝氣不足。這就對系統(tǒng)的智能化、數字化控制提出很高的要求。

咱們VFL工藝正是通過ORP控制實施間歇式精準曝氣,使噸水電耗較傳統(tǒng)工藝大幅降低。

另外,曝氣的方式也在很大程度上影響能耗。丹麥哥本哈根的BIOFOS水務將其管理的污水廠由表面曝氣升級為微孔曝氣,使曝氣能耗降低約57%。

3、優(yōu)化原料投入環(huán)節(jié)

污水處理工藝多種多樣,但本質是通過生化反應來去除水中污染物。因此,在處理環(huán)節(jié)需要投加碳源和多種化學藥劑。這些原材料在生產和運輸過程中消耗能源,在投加過程中也消耗一定能源。因此,優(yōu)化投料環(huán)節(jié),有助于節(jié)能降耗減少碳排放。

如何優(yōu)化原料投入環(huán)節(jié)呢?目前,市場上主要是對加藥系統(tǒng)進行配置升級。由常用的變頻計量泵升級為數字泵,加藥量有不同程度減少。另外,運用AI技術對污水水量、水質等參數和加藥系統(tǒng)運行數據等進行大數據分析,形成最優(yōu)算法模型,從而實現加藥系統(tǒng)精細化控制,也能有效降低藥品消耗以及設備運行能耗。

北京市東壩再生水廠采用超磁工藝實現磷回收和碳源回用,基本省去了藥劑費用。中國城市污水處理概念廠專家委員會王洪臣教授說:“物理技術尤其是各種清潔分離技術,在未來的污水處理中有可能發(fā)揮更大的作用,而不再只是預處理角色”。看來有些道理。

咱們VFL技術也僅在必要時或在特定情況下才使用后清潔化學品,能有效降低藥品消耗。應該不管是在現下的提質增效時代,還是在未來的碳中和時代,均有很好的用武之地。

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4、其他設備節(jié)能降耗

有數據表明,排水泵站也是耗能大戶,占城市水務總能耗的35%。因此,對排水泵站進行升級改造,或采用智能化運營模式,能有效降低能耗。 總之,污水處理的節(jié)能降耗需要進行系統(tǒng)性的思考和優(yōu)化,才能取得良好效果。丹麥的Marselisborg污水廠通過SCADA系統(tǒng)(數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng))對氨氮、磷濃度進行監(jiān)控,并對鼓風機、提升泵、攪拌設備和脫水泵實施變頻器控制,靈活適應每日變化的進水負荷,從而大幅降低了電耗。還通過使用能效更高的污泥脫水離心機使每年電耗節(jié)省50000kWh。各項措施的綜合使用,使該電廠總電耗降低25%。節(jié)流與開源雙管齊下,是該廠實現能量盈余的法寶。

四、碳中和是一項系統(tǒng)性的長期工程

其一,污水處理行業(yè)實現碳中和是一項系統(tǒng)性工程。 從前沿國家的實踐經驗來看,實現碳中和甚至能量盈余均非某個單點的突破,甚至不是依靠前沿性的工藝技術,而是要全流程進行系統(tǒng)優(yōu)化。 像丹麥的Marselisborg污水廠和Ejby M?lle污水廠,無不是通過一系列升級改造,從工藝和設備選擇等各方面挖掘潛能,提高能量回收效率,降低能耗,很難說是哪個單項的技術突破所帶來的成果。 Marselisborg污水廠引進側流厭氧氨氧化后年電耗降低50000kWh,只相當于其總盈余1.65GWh的一個零頭尾數。 這也說明,碳中和不是不可跨越的鴻溝,而是需要我們改變以往粗放型考慮問題的方式,系統(tǒng)設計,深入細節(jié),一定會有很好的成果。

其二,實現碳中和是一項長期持續(xù)的工程。 為了實現污水廠的能量自給,Aarhus水務努力了10年,從2006年開始對旗下的14座污水廠進行合并,至2016年宣布其管理的Marselisborg污水廠實現能量自給并盈余53%。目前Aarhus水務仍在探索,他們在管理的另一個廠--Egaa污水廠測試碳捕獲、主流厭氧氨氧化和ORC廢氣能量回收等工藝。讓人想起一個公司的Slogan:為環(huán)境,無止境。 因此,實現碳中和不是等待前沿的技術出現,也不是單靠研發(fā)突破,而是公司的各部門、各職能共同努力:運營廠持續(xù)探索節(jié)能降耗的途徑,制造與供應鏈不斷尋找性能更優(yōu)的設備,技術部門了解成功的技術經驗,產品部門創(chuàng)新業(yè)務模式等等。

其三,實現碳中和要跳出污水處理行業(yè),站在生態(tài)文明建設、城鄉(xiāng)融合發(fā)展、污水資源化、能量自給、環(huán)境友好等更多層面綜合考量。 這可能不單是整個行業(yè)技術和理念的更新,也是整個社會思想和認知的革命。例如,要實現碳中和,我們個人的工作和生活也要逐步低碳化。通過詢問湖南的污水廠得知,升級到日處理規(guī)模30萬噸后覆蓋50萬人口當量,中國的理論設計值是人均每天0.45-0.5m3污水。而荷蘭的阿姆斯特丹西污水廠處理人口當量約100萬人。荷蘭北部的Garmerwolde污水廠日處理規(guī)模7萬噸,覆蓋人口當量37.5萬,人均每天0.186 m3水,相比少很多,這是因為我們的居民用水確實多些,還是因為管網與規(guī)劃問題? 另外,從污水廠出水到地表水和居民用水要實現再生循環(huán),其間仍有較大的水質差別需要解決?,F有的污水處理運管模式也讓污水廠本身缺乏升級動力等。碳中和下的水環(huán)境治理是一個多層面整體規(guī)劃、綜合考量、系統(tǒng)性解決問題的過程。 而讓人欣喜的是,碳中和理論上可行,又要這么多成功的實踐經驗。有理由相信,中國污水處理行業(yè)將很快為碳中和戰(zhàn)略做出積極貢獻。

 




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