污水处理碳中和运行需要污泥增量

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污水处理碳中和运行已成为未来污水处理的核心内容,这就使得剩余污泥将成为潜在的能源载体物质,需要以增量方式去获得,从而彻底改变污泥是污水处理过程中的一种“负担”、需以减量方式消灭之的现行观念。为此,欧美等国家通过COD内源截留与外源挖潜方式最大限度地去实现“污泥增量”。对我国市政污水COD普遍偏低的情况,应寻求与厨余垃圾等市政有机固体废弃物共消化之机会方能实现“污泥”增量的目的。

郝晓地(1960-),山西柳林人,教授,从事市政与环境工程专业教学与科研工作,主要研究方向为污水生物脱氮除磷技术;污水处理数学模拟技术;可持续环境生物技术,现为国际水协期刊《WaterResearch》区域主编。
污水处理朝着碳中和运行方向迈进早已成为欧美国家污水处理今后的发展方向。如果以碳中和运行为目标,剩余污泥显然将不再成为污水处理的“负担”,转而变成碳中和运行的紧俏原料。为此,污水处理行业不再需要去一味追求污泥减量化,转而期盼污泥增量化,以增加污水处理能源自给自足的原料份额。
然而,剩余污泥的多寡完全取决于进水COD负荷的高低,低的COD负荷必然导致较少的剩余污泥产量,也就意味碳中和运行能量需求可能会出现赤字。因此,以碳中和运行为目标的污泥增量近年来已在国际上悄然兴起,在常规剩余污泥之外还会寻求内源和外源其它途径的污泥增量,如,前端筛分COD技术、后端厌氧共消化技术等。
国外剩余污泥能源转化现状
污水处理碳中和运行的实质就实现整个污水处理过程能源自给自足,为实现这一目标,欧美、甚至周边一些亚洲国家相继颁布了面向21世纪污水处理碳中和运行的路线图,并付诸实践。例如:
荷兰早在2008年便提出了污水处理的NEWs概念,将未来污水处理厂描述为“营养物(Nutrient)”、“能源(Energy)”、“再生水(Water)”三厂(Factories)合一的运行模式。

美国推行的“Carbon-freeWater”,期望实现在人们对水的取用、分配、处理、排放全过程达到碳中和。

日本有关部门发布“SewerageVision2100”,指出到本世纪末将完全实现污水处理能源自给自足。

SewageSludgetoProvideElectricityforHouseholdsandHydrogentoPowerVehicles
目前,欧美国家一些污水处理厂以剩余污泥为主要能源载体,同时结合前端筛分COD(进水COD负荷高时)技术,或后端厌氧共消化(厨余垃圾、食品加工废料、粪便等)技术,以最大化“污泥增量”方式从污水或外源有机物中通过厌氧消化获取能源(CH4),并已完全或部分实现碳中和运行目标。
污泥能源转化碳中和运行潜力
欧美等国家一些实施碳中和运行目标的污水处理厂也大都以剩余污泥厌氧消化转化能源为主要手段。欧洲等国家因生活习惯、无化粪池、雨污分流、食物破碎等原因往往会形成较高进水COD浓度(600~1000mg/L)。一些欧美以碳中和为运行目标的污水处理实例表明,如果进水中COD<600mg/L,采用传统处理工艺(如A2/O等脱氮除磷工艺)所产生的剩余污泥量通过厌氧消化转化能源很难完全满足(100%)碳中和运行目标,一般能达到70%碳中和运行率就已足矣。
我国污水中有机物含量较欧美等国家要低得多,因而仅靠产生的剩余污泥难以实现碳中和运行目标。图1绘出了能量平衡计算中剩余污泥(初沉+二沉)COD截留率(污泥中总COD与进水COD之比)与碳中和率的关系曲线。图1趋势表明,要想获得更大的碳中和运行率便需要有更多的污泥相对应,即,所谓的“污泥增量”概念。污泥增量从内源COD来源角度看,意味着进水中的COD除满足脱氮除磷对碳源的需求外,应避免COD无目的的直接氧化。

图1污泥COD截留率与碳中和运行率关系
污泥增量方法与措施
A/B法A段浓缩COD
早在15年前,针对定位于能源与磷回收的可持续市政污水处理,与荷兰代尔夫特理工大学(TUDelft)MarkvanLoosdrecht教授合作,我们便提出了如图2所示的概念工艺。为有效截留污水多余(脱氮除磷所需碳源之外)COD并厌氧消化转化为甲烷,利用早年德国A/B法中的A段用于浓缩悬浮状与溶解状COD。与二沉污泥相比,A段截留污泥可消化性较好,可产生甲烷含量较高的生物气。

图2定位于能源与磷回收的市政污水处理概念工艺前端筛分COD技术
为最大程度截留进水中COD,欧洲学者还提出通过絮凝后微滤方式截留胶体状与溶解状COD,使之用于厌氧消化转化甲烷的设想并付诸行动。例如,德国柏林某水务集团融资并联合德国KWB组织已经启动旨在回收污水中能源的应用研究项目—CARISMO(Carbonismoney,即,碳即是钱),工艺流程如图3所示。

图3德国CARISMO前端COD筛分及后续污水、污泥处理工艺污泥共消化技术
污泥共消化发挥了基质间的协同作用,提高了底物的降解速率和降解程度,使能源转化效率显著提高。表1列出了几种不同外源有机废弃物与剩余污泥共消化后呈现出的能量转化效果,剩余污泥与其它有机废弃物共消化潜力可见一斑。
表1不同种类/比例外源基质与污泥共消化能源转化效果

如果今后能将厨余垃圾、绿化草木、旱厕粪便与剩余污泥一并共消化,将会形成出现2种以上底物共消化情形。在研究与应用实践中,33种有机底物共消化案例目前还十分罕见。这一课题应该成为今后厌氧共消化的研发方向,不仅可探明多基质协同消化的机理与作用,而且也为综合处置市政有机固体废弃物开辟一条可持续发展之路。
从技术角度来说,污水处理碳中和运行并不存在障碍,主要受限于政府的宏观环境政策。只要政府高瞻远瞩,予以政策支持、甚至是财政补贴,触动污水处理行业朝着碳中和方向迈进,从而获得被普遍看好的综合环境效益。

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