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城市污水及污泥的低碳處理技術(shù)

（同濟(jì)大學(xué)  楊殿海）

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本文看點(diǎn)

1、節(jié)能減排是全球各行業(yè)共同職責(zé)；

2、傳統(tǒng)污水處理系統(tǒng)低碳技術(shù)；

3、未來(lái)污水處理技術(shù)低碳發(fā)展方向；

4、污泥處理的生物質(zhì)能回收與低碳排放

節(jié)能減排是全球各行業(yè)共同職責(zé)

工業(yè)化生產(chǎn)帶來(lái)豐富的物質(zhì)條件，城市化進(jìn)程給人類(lèi)生產(chǎn)生活帶來(lái)高效與便捷，醫(yī)療衛(wèi)生水平的提高人的期望壽命不斷增長(zhǎng)，工業(yè)革命促進(jìn)了人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步與繁榮。

工業(yè)革命以后生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益凸顯

保護(hù)人類(lèi)和自然系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展是世界范圍的責(zé)任和義務(wù)，它超越于各種文化上的、思想意識(shí)上的、以及地理上的界限。

2017年全球碳排放國(guó)家排名

（2014年開(kāi)始中國(guó)碳排放>美國(guó)+歐洲碳排放）

全球能源消耗排放的CO₂70%以上在城市，中國(guó)55%在城市。我國(guó)污水處理廠電耗約占全社會(huì)總電耗的0.25%，污水處理行業(yè)年產(chǎn)生二氧化碳、氧化亞氮、甲烷等碳直接排放量0.75億噸，平均增加5.95%，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)增加，第三產(chǎn)業(yè)比重加大，污水處理系統(tǒng)的電耗和碳排放比重會(huì)不斷增加。

傳統(tǒng)污水處理系統(tǒng)低碳技術(shù)

100多年來(lái)活性污泥法為環(huán)境保護(hù)發(fā)揮了巨大作用，但城市排水系統(tǒng)既是污染物減排行業(yè)，又是碳排放行業(yè)。傳統(tǒng)污水處理廠主要處理手段是以能消能，作為環(huán)保設(shè)施與可持續(xù)發(fā)展理念不符。

隨著城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量的不斷增多，日處理規(guī)模的不斷擴(kuò)大，出水標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，升級(jí)改造不斷繼續(xù)……

更好的出水水質(zhì)是污水處理廠不懈的追求

l 1980年—二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：COD<100，BOD<30，SS<20，氨氮<25，TP<3；

l 2002年—一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)：COD<60，BOD<20，SS<20，氨氮<8，TN<20，TP<1；

l 2007年—一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)：COD<50，BOD<10，SS<10，氨氮<5，TN<15；TP<0.5；

l 2010年—準(zhǔn)地表IV標(biāo)準(zhǔn)：COD<30，BOD<6，氨氮<1.5，TN<5-10，TP<0.3；

l 2018年—滇池雙5標(biāo)準(zhǔn)：TN<5，TP<0.05。

1、傳統(tǒng)污水處理存在問(wèn)題

傳統(tǒng)污水處理僅關(guān)注水資源的恢復(fù)、以能消能，消耗能源、忽視了污水作為資源性的一面，不重視物質(zhì)循環(huán)，浪費(fèi)資源、漠視氮磷回收。

我國(guó)5000余座污水處理廠，處理規(guī)模近2億m³/d，位居世界第一；污水量的收集率很多城市已經(jīng)超過(guò)90%；但從污染負(fù)荷來(lái)計(jì)算，污染物的收集率很多城市不足50%；為什么中國(guó)的污水排放執(zhí)行的是全球最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)之一，但是中國(guó)的黑臭水體治理任務(wù)還是如此的艱巨？

廠網(wǎng)一體，提質(zhì)增效，控源截污是水環(huán)境治理的關(guān)鍵措施！

2、污水處理系統(tǒng)的碳排放

（1）直接碳排放：污水中污染物降解。

? 污水處理過(guò)程（CH₄ 、CO₂、N₂O）；

? 尾水排放（N₂O）；

? 輸送過(guò)程降解（CH₄ 、CO₂）；

? 有機(jī)物氧化降解過(guò)程（CH₄、CO₂、N₂O）；

? 營(yíng)養(yǎng)物去除過(guò)程（CO₂、N₂O）；

? 污泥厭氧消化過(guò)程（CH₄）；

? 污泥運(yùn)輸和處置過(guò)程（CH₄ 、CO₂、N₂O）

（2）間接碳排放：污水收集、提升系統(tǒng)、處理過(guò)程以及污泥處理處置過(guò)程的能耗。

? 處理設(shè)備電能和熱能的消耗（CO₂）；

? 藥劑消耗（CO₂）

（3）碳減排（碳匯）

? 資源回收；

? 污水源熱泵；

? 厭氧消化能源回收。

（4）其他涉碳方面（二氧化碳排放）

? 運(yùn)營(yíng)期能源消耗；

? 運(yùn)營(yíng)期動(dòng)態(tài)碳排放；

? 設(shè)施維護(hù)；

? 設(shè)施拆建；

? 綠色碳匯；

? 原材料生產(chǎn)和制造；

? 建設(shè)期能源消耗。

3、減排途徑

? 生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化：碳源轉(zhuǎn)化、氮源回收；

? 采用新能源：清潔能源、再生能源；

? 降低消耗：節(jié)約原料、節(jié)省能耗；

? 減少排放：溫室氣體、其他污染。

基于模型的優(yōu)化運(yùn)行控制是傳統(tǒng)污水處理工藝節(jié)能降耗減排的重要措施

未來(lái)污水處理技術(shù)低碳發(fā)展方向

1、污水生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化與資源回收

污水生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化與資源回收目標(biāo)：

1.短時(shí)高效低能耗；

2.生物質(zhì)能輸出；

3.氮、磷最大化回收。

活性污泥何以歷經(jīng)百年滄桑而不衰？有人說(shuō)因?yàn)楹?jiǎn)單，有人說(shuō)道法自然，基于能源危機(jī)、資源短缺和溫室氣體減排，人們對(duì)活性污泥法的變革是何等的期待？

污水中氮素的去除途徑分析

高濃度的氨氮回收已經(jīng)在實(shí)際工程中得到成功應(yīng)用

2、污水厭氧產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷

低濃度污水直接進(jìn)行厭氧微生物的作用，把有機(jī)物轉(zhuǎn)化為資源。如厭氧CH₄、厭氧H₂、MFC產(chǎn)電、H₂ /CH₄等聯(lián)合技術(shù)。3、污水產(chǎn)藻制油工藝

污水產(chǎn)藻制油工藝的優(yōu)勢(shì)

ü 經(jīng)濟(jì)附加值高（生物燃料的產(chǎn)量高）

ü 產(chǎn)物除生產(chǎn)生物燃料外，可作為多用途的原料

ü 不需占用耕地

ü 不受環(huán)境因素影響

ü 可實(shí)現(xiàn)連續(xù)性生產(chǎn)

ü 無(wú)二次環(huán)境污染

4、污水生態(tài)處理技術(shù)

（1）自然生態(tài)系統(tǒng)的凈化作用為核心，生態(tài)因子的優(yōu)化調(diào)控

（2）污水污染成分利用與轉(zhuǎn)化結(jié)合

p 植物－微生物共存體系的相互關(guān)系

p 處理環(huán)境或介質(zhì)的相互關(guān)系

（3）不涉及能源投入與化學(xué)品的消耗

p 植物吸收無(wú)機(jī)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

p 利用光合作用

（4）污水處理與水資源利用結(jié)合

5、污水燃料電池(MFC)

MFC是利用微生物將污水中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的理想產(chǎn)電裝置。

利用MFC不僅可以直接將水中或者污泥中的有機(jī)物降解，而且同時(shí)可以將有機(jī)物在微生物代謝過(guò)程中產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)化成電流，從而獲得電能。

污泥處理的生物質(zhì)能回收與低碳排放

目前全國(guó)污水處理廠5000余座，污水處理規(guī)模2億m ³ /d，年污泥產(chǎn)量超過(guò)4000萬(wàn)噸，至2020年，污泥產(chǎn)量將達(dá)到6000萬(wàn)噸。

剩余污泥是污水處理過(guò)程的必然副產(chǎn)物

我國(guó)污泥處理的主要技術(shù)路線

l 厭氧消化+土地利用；

l 好氧發(fā)酵+土地利用；

l 熱解碳化+資源利用；

l 干化焚燒+建材利用；

l 深度脫水+臨時(shí)填埋。

1、污泥處理的生物質(zhì)能回收與低碳排放的必要性

（1）符合全球綠色低碳循環(huán)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都在提高可再生能源尤其是生物質(zhì)能源的比重；

（2）符合中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)和美麗中國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略；

（3）助推我國(guó)二氧化碳減排控制溫室效應(yīng)；

（4）彌補(bǔ)中國(guó)高速發(fā)展的能源不足需求；

（5）碳土回田改善中國(guó)土壤環(huán)境條件。

2、發(fā)達(dá)國(guó)家污泥厭氧消化設(shè)施何以良好運(yùn)行？

先來(lái)看一下部分發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)污泥厭氧消化處理的比例：

美國(guó)：58%；歐盟：50%；德國(guó)：60%；英國(guó)：66%。

在發(fā)達(dá)國(guó)家，大小規(guī)模的污水處理廠幾乎都設(shè)置污泥厭氧消化裝置，主要對(duì)廠內(nèi)產(chǎn)生的污泥進(jìn)行資源化利用處理，污水廠電耗40%~60%由沼氣提供，某些污水處理廠能夠?qū)崿F(xiàn)能源100%自給，污泥減量30%~50%。

（1）確立污水是資源而非廢棄的污染物，從以無(wú)害化為目標(biāo)，上升為資源化為主導(dǎo)的戰(zhàn)略；

（2）發(fā)達(dá)國(guó)家都在提高可再生能源尤其是生物質(zhì)能源的比重，鼓勵(lì)生物質(zhì)能的生產(chǎn)；

（3）污泥處理與污水處理同時(shí)考慮，處理成本一并計(jì)算；

（4）終端的高額填埋處置費(fèi)用促進(jìn)了其它處理處置的發(fā)展，而厭氧消化因?yàn)槲勰喾€(wěn)定的同時(shí)能源得到回收利用使其成為一支獨(dú)秀；

（5）發(fā)達(dá)國(guó)家的源污泥或剩余污泥的有機(jī)質(zhì)含量較高。

3、厭氧消化為何在國(guó)內(nèi)發(fā)展步履蹣跚？

國(guó)內(nèi)污泥厭氧消化現(xiàn)狀：在過(guò)去幾十年間，中國(guó)建造的污泥厭氧消化設(shè)施共有60余座，但僅有三分之一左右在正常運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)污泥消化系統(tǒng)運(yùn)行不正常甚至停運(yùn)是政策、技術(shù)、成本和管理方面諸多問(wèn)題所導(dǎo)致。

（1）技術(shù)層面：

l 進(jìn)泥含固率低，有機(jī)質(zhì)含量低，造成單位池容產(chǎn)氣率低；

l 缺乏污泥厭氧消化的配套國(guó)產(chǎn)化裝備，關(guān)鍵設(shè)備故障率高；

l 行業(yè)從業(yè)人員認(rèn)為工藝操作復(fù)雜，運(yùn)行操作要求高；

l 攪拌，浮渣，泡沫、沉砂，以及鳥(niǎo)糞石結(jié)晶沉淀結(jié)垢等問(wèn)題嚴(yán)重困擾系統(tǒng)的運(yùn)行；

l 產(chǎn)氣量波動(dòng)大，沼氣利用效率普遍較低，產(chǎn)氣少，發(fā)電少；

l 脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選型及運(yùn)營(yíng)管理問(wèn)題，造成設(shè)備腐蝕嚴(yán)重。

舉例說(shuō)明：傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)的不足

a.含砂量高，有機(jī)質(zhì)低；

b.投資高、容積利用率低；

c.沼氣含硫高，產(chǎn)量低；

d.致病菌數(shù)量高，安全性低。

（2）經(jīng)濟(jì)層面

l 基建和設(shè)備投資高，投入、產(chǎn)出和傳統(tǒng)消化運(yùn)行成本問(wèn)題；

l 資金來(lái)源問(wèn)題，缺少財(cái)政配套。

（3）政策和管理層面

l 操作人員素質(zhì)和漠視安全操作規(guī)范等管理問(wèn)題，導(dǎo)致存在安全隱患

l 缺乏技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，缺少約束性指標(biāo)，監(jiān)管體系，污泥處置責(zé)任主體不明確，最終處置途徑迷茫。

4、熱水解-高含固厭氧消化工藝

（1）熱水解對(duì)污泥物理性質(zhì)影響

l 大大降低污泥的粘度，顯著改善污泥輸送性能；

l 加快污泥水解過(guò)程，加速厭氧消化穩(wěn)定速率；

l 有效提高溶解COD比例，提高污泥產(chǎn)氣效率；

l 提高消化含固率，節(jié)約消化池容，減少占地；

l 減少投資和運(yùn)行成本；

l 實(shí)現(xiàn)徹底的衛(wèi)生化，殺滅致病菌；

l 改善沼氣品質(zhì)，降低硫化氫含量

（2）熱水解對(duì)污泥化學(xué)性質(zhì)影響

l 高含固污泥熱水解過(guò)程中有機(jī)物轉(zhuǎn)化規(guī)律；

l 熱水解前、后高含固污泥厭氧消化過(guò)程中有機(jī)物轉(zhuǎn)化規(guī)律；

l 熱水解預(yù)處理污泥在產(chǎn)酸相中組分轉(zhuǎn)化。

（3）熱水解-高含固厭氧消化工藝

傳統(tǒng)消化與高含固厭氧消化工藝比較

5、污泥與城市有機(jī)質(zhì)的協(xié)同厭氧消化

國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)：每萬(wàn)人每天產(chǎn)污泥約為700kgSS、有機(jī)垃圾1500kg；產(chǎn)生物燃?xì)猓?/span>CH₄）135立方+200立方=350立方；

提高系統(tǒng)穩(wěn)定性：降低抑制物濃度，緩沖能力提升，協(xié)同互補(bǔ)；

提高厭氧消化系統(tǒng)效率、容積產(chǎn)氣率，彌補(bǔ)污泥厭氧投資成本：負(fù)荷從1.5-2.0提高到6-10kgVSS/m³d，容積產(chǎn)氣率提高3-5倍。

案例：

6、綠色低碳特色

  

7、高效產(chǎn)品特色

a. LTHP 預(yù)處理污泥產(chǎn)氣量前15天得到提高，但總產(chǎn)氣量變化不大；

b.120℃-160℃ HTHP預(yù)處理污泥產(chǎn)氣量不僅前15天得到提高，總產(chǎn)氣量提高6%-16%；SRT由18-20 d降低到12-14 d。

傳統(tǒng)污泥厭氧消化沼氣硫化氫含量：>1000ppm;

高含固污泥厭氧消化沼氣硫化氫含量：<150ppm

8、安全衛(wèi)生特色

幾種熱水解裝備技術(shù)性能比較

9、循環(huán)利用特色

10、熱水解在污泥處理流程中的位置選擇

（1）前置熱水解預(yù)處理：

? 熱水解系統(tǒng)部分能量和體積浪費(fèi)在易降解有機(jī)質(zhì)；

? 熱水解對(duì)污泥脫水的改善作用可能被消化過(guò)程減弱；

? 厭氧消化污泥后處理能夠繼續(xù)降解（沒(méi)有完全穩(wěn)定）。

（2）基于后置熱水解的兩相消化強(qiáng)化工藝

（3）傳統(tǒng)、前置及后置熱水解的比較

本文小結(jié)

1.傳統(tǒng)污水處理廠的減排有效辦法是實(shí)現(xiàn)污泥生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化、新能源采用和依靠自動(dòng)控制系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)營(yíng)。

2.熱水解-高含固厭氧消化可以減少基建投資，提高單位產(chǎn)能，縮短運(yùn)行時(shí)間，降低運(yùn)行費(fèi)用，提高沼氣品質(zhì)，減少溫室氣體排放。污泥漿化預(yù)處理也可以提高厭氧消化的含固率和容積負(fù)荷。

3.對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量較低的污泥，可以采用后置熱水解工藝，提高系統(tǒng)的沼氣產(chǎn)量，同時(shí)改善污泥的脫水性能，可以無(wú)需脫水藥劑投加。

4.協(xié)同厭氧消化：中國(guó)污泥的有機(jī)質(zhì)大多數(shù)含量偏低，可考慮協(xié)同厭氧消化處理，如污泥與餐廚、畜禽糞便、工業(yè)有機(jī)廢棄物、過(guò)期有機(jī)食品、園林廢棄物等城市有機(jī)質(zhì)協(xié)同處理。

（感謝郭恰博士論文提供的不同污泥處理途徑的碳減排計(jì)算案例）