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【放眼國際 · 獨(dú)家連載】德國污水處理面臨的新挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施——降耗增產(chǎn)篇

發(fā)布日期：2015-05-28 瀏覽次數(shù)：120

核心提示：【放眼國際 · 獨(dú)家連載】德國污水處理面臨的新挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施——降耗增產(chǎn)篇

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【放眼國際 · 獨(dú)家連載】德國污水處理面臨的新挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施——降耗增產(chǎn)篇

2015-05-28 中宜環(huán)科環(huán)保產(chǎn)業(yè)研究

小編的話

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今天是《德國污水處理面臨的新挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施》5篇連載的第3篇——降耗增產(chǎn)篇。

作者：Michael Sturm, Prof. Dr.

翻譯：張婧怡

如何節(jié)省能耗

由于地球上燃料資源的日益消耗殆盡以及溫室氣體排放帶來的影響，污水處理廠如何降低能源消耗變得越來越重要。德國已經(jīng)決定在未來十年內(nèi)，關(guān)閉所有的核能工廠，這也將意味著德國要面對(duì)能耗更加緊缺的局面。德國所有的污水處理廠每年消耗4400GWh的電能，平均每個(gè)污水廠每年消耗電能35KWh/PE×y，即每天100Wh/PE×d。

在一個(gè)改良活性污泥工藝的污水處理廠內(nèi)，電能消耗如表3所示：

表3 不同工藝段的電能消耗占比

為了降低能源消耗，污水處理廠內(nèi)所有的耗能環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行改良優(yōu)化。對(duì)于耗能大戶“曝氣系統(tǒng)”而言，大部分污水廠采用的都是鼓風(fēng)曝氣，空氣直接壓送至曝氣池內(nèi)的曝氣頭，因此鼓風(fēng)機(jī)是整個(gè)水廠里最大的耗能設(shè)備。為了減少能源消耗，污水廠應(yīng)當(dāng)采用高效能的鼓風(fēng)機(jī)和氧利用率高的曝氣頭。同時(shí)，還應(yīng)采取“智能化曝氣過程控制”。針對(duì)水泵、攪拌機(jī)這類相對(duì)較小的耗能環(huán)節(jié)，通過設(shè)備改進(jìn)與優(yōu)化，可使污水廠每年減少20KWh/PE×y的電能消耗。

另外，厭氧氨氧化工藝可以為水廠節(jié)省更多的能源。1990年左右，專門針對(duì)處理高氨氮廢水提出了厭氧氨氧化工藝，該工藝也被稱為部分亞硝化工藝與厭氧氨氧化工藝的結(jié)合。該工藝包括以下兩個(gè)步驟：

（1）部分亞硝化反應(yīng)，大約有50%的氨氮被氧化為亞硝酸鹽。

NH4+ + 1.5 O2 → NO2– + H2O + 2 H+

（2）厭氧氨氧化反應(yīng)，在厭氧氨氧化菌的作用下，第一環(huán)節(jié)中未參與反應(yīng)的50%的氨氮和第一環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的亞硝酸鹽直接被氧化生成N2。

NH4+ + NO2– → N2 + 2 H2O

跟傳統(tǒng)硝化/反硝化脫氮工藝相比，厭氧氨氧化工藝中脫氮過程對(duì)氧的需求量可以減少50%，整體工藝對(duì)氧的需求量可以減少10%。目前該工藝僅被用作處理幾百ppm的高氨氮廢水。

10年以前，在德國的Hattingen建造了第一座采用厭氧氨氧化工藝的污水處理廠，該廠的消化污泥脫水液采用厭氧氨氧化工藝進(jìn)行處理，并成功得以應(yīng)用。但是直到今天，相比處理消化污泥脫水液而言，由于污水本身的氨氮含量較低，所以厭氧氨氧化工藝一直沒有得到直接處理污水的主流應(yīng)用。如果主流應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)工藝中反硝化過程需要額外補(bǔ)充碳源的問題將被徹底解決。同時(shí)，傳統(tǒng)工藝中反硝化反應(yīng)是異養(yǎng)反應(yīng)，要想維持異養(yǎng)反應(yīng)的正常運(yùn)行，BOD/N不能低于4，正因?yàn)槿绱�，預(yù)處理工藝中揮發(fā)性懸浮固體（VSS）的去除率就受到了一定限制，大約只有50%的VSS可以被去除。如果不是因?yàn)檫@個(gè)局限，預(yù)處理工藝可以就去除更多的有機(jī)物，這樣以來，消化污泥脫水液中的有機(jī)物含量就會(huì)越高，也意味著產(chǎn)生的可利用沼氣就越多。另外，還有一個(gè)關(guān)鍵問題依然處在研究階段：部分亞硝化工藝需要在低氧濃度條件下進(jìn)行，以避免氧濃度較高發(fā)生全程硝化，全程硝化會(huì)產(chǎn)生大量硝酸鹽，但是在這種條件下，如果控制不好，氧濃度過低，又會(huì)產(chǎn)生反硝化脫氮，直接導(dǎo)致N2O大量產(chǎn)生，而N2O本身也是一種溫室氣體，所以如何穩(wěn)定控制低氧濃度依然是個(gè)關(guān)鍵問題。

如何增加產(chǎn)能

廢水中含有兩種能源：有機(jī)物和氨氮。在厭氧條件下，有機(jī)物可以被降解形成沼氣、二氧化碳和氨等終極產(chǎn)物，其中沼氣則可以用來發(fā)電、產(chǎn)熱。污水處理過程去除污染物的同時(shí)，也意味著將這兩種能源去除掉，并且曝氣和硝化過程還需要消耗大量的能量，比如耗電。

相比好氧反應(yīng)而言，厭氧反應(yīng)耗能更少而產(chǎn)能更多。但是迄今為止，仍然沒有主流厭氧工藝進(jìn)行污水脫氮的技術(shù)實(shí)例。這就是為什么好氧工藝在污水處理廠中依然處于主導(dǎo)位置，而目前也只有預(yù)處理和二沉池的污泥可以被用來產(chǎn)生沼氣和發(fā)電。

以下增加電能產(chǎn)量的方法可以供參考：

——增加污泥產(chǎn)量，尤其是有機(jī)污泥產(chǎn)量；

——增加消化池的沼氣產(chǎn)量；

——增加電能的產(chǎn)率。

增加污泥產(chǎn)量

圖9展示了傳統(tǒng)硝化/反硝化活性污泥工藝中沼氣的產(chǎn)生過程。進(jìn)水中總揮發(fā)固體TVS含量為90g/PE，其中40g是揮發(fā)性懸浮固體（VSS），50g是揮發(fā)性溶解固體（VDS）。為了保證反硝化過程有足夠的有機(jī)物，預(yù)處理工藝中初沉池的停留時(shí)間只有0.5~1小時(shí)，在這個(gè)工況下，大約有20g的TVS將會(huì)被沉淀并作為初沉污泥排至消化池，而剩余的70gTVS將會(huì)送往活性污泥反應(yīng)器。假設(shè)70gTVS中有50%將被礦化，而剩余50%將留在水中，被礦化的TVS中包括30g的VSS和5g的VDS。在二級(jí)生物反應(yīng)器中，30g的VSS經(jīng)過3小時(shí)的沉淀將全部得以去除，并作為二沉污泥送往中溫厭氧消化罐。這樣一來，消化罐將接收50gVSS，其中20g來自初沉污泥，30g來自二沉污泥。消化罐的反應(yīng)時(shí)間設(shè)置為20~30天，消化率大約為50%。25g有機(jī)物將產(chǎn)生25L沼氣，而其中甲烷含量是60%左右，也就是說甲烷產(chǎn)量是15L。15L甲烷將產(chǎn)生150Wh的熱值。

圖9 傳統(tǒng)活性污泥工藝與厭氧氨氧化工藝中污泥和沼氣的產(chǎn)量分布比對(duì)

如果用厭氧氨氧化工藝替代傳統(tǒng)的硝化/反硝化工藝來脫氮，就不存在反硝化過程對(duì)有機(jī)物的最低需求，那么初沉污泥中有機(jī)物含量將會(huì)更多，也就會(huì)產(chǎn)生更多的沼氣。如果初沉階段加以絮凝工藝并適當(dāng)延長停留時(shí)間，基本上所有的懸浮固體在此階段都將被去除，儲(chǔ)存在初沉污泥中。這個(gè)過程在圖9中用綠色路線表示。工藝替代之后，將會(huì)有60g的VSS產(chǎn)生（其中40g來自初沉污泥，20g來自二沉污泥）并送往消化罐。在相同的消化率下，將會(huì)有30L沼氣產(chǎn)生，這些沼氣將產(chǎn)生180Wh的熱值。活性污泥階段需要被降解的有機(jī)物將從70g降至50g，也就意味著可以節(jié)省降解20%有機(jī)物所需要的曝氣耗電量。然而，消化污泥總量將從25g升至30g，意味著污泥處理的費(fèi)用將會(huì)增加，當(dāng)然從能量回收利用的角度分析，如果可以將污泥回用至農(nóng)田利用，那么污泥處理費(fèi)增加的問題也不再是什么缺陷。

增加消化池的沼氣產(chǎn)量：

一般情況下，消化池的消化率是50%左右。在污泥進(jìn)入消化罐以前，可以通過對(duì)污泥進(jìn)行破碎，來提高污泥消化率。

破碎污泥有以下四種方法：

——熱處理；

——利用超聲波、碾磨以及均質(zhì)器進(jìn)行機(jī)械粉碎；

——利用酸、臭氧以及過氧化氫進(jìn)行化學(xué)處理；

——用生物酶進(jìn)行生物分解；

以上這些方法都是生物降解之前的預(yù)處理方法，預(yù)處理的目的是通過對(duì)污泥固體進(jìn)行破碎而將污泥及有機(jī)物中的細(xì)胞成分釋放出來，這樣會(huì)使得消化速度和消化率都有所提高。熱處理和機(jī)械粉碎都會(huì)耗能，所以能量平衡將會(huì)是負(fù)值�；瘜W(xué)處理和利用生物酶的生物處理相對(duì)要好一些，研究發(fā)現(xiàn)只需要使用很少劑量的生物酶就可以將污泥降解率提高10~15%。

增加電能產(chǎn)率：

內(nèi)燃機(jī)、蒸汽渦輪機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)以及燃料電池都可以利用沼氣進(jìn)行發(fā)電。在大多數(shù)工程實(shí)例中，改良后的柴油機(jī)使用效率大概是30%左右，而新型發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效率可以達(dá)到40%，并且該發(fā)電機(jī)可以適用于不同處理規(guī)模的水廠。對(duì)于人口當(dāng)量大于1000000的大水廠而言，效率可達(dá)40%的蒸汽渦輪機(jī)是一個(gè)比較合適的選擇。微型燃?xì)廨啓C(jī)的產(chǎn)能相對(duì)低一點(diǎn)，最大產(chǎn)能為300KW，并且效率也略低，只有30%，但是它的優(yōu)點(diǎn)是可以使用未經(jīng)處理的沼氣以及甲烷含量較低的沼氣作為原料。燃料電池的產(chǎn)能效率高達(dá)50%以上，但是其費(fèi)用也是最高的。

產(chǎn)電和耗電的平衡：

一臺(tái)效率為30%的新型內(nèi)燃機(jī)以每天25L沼氣為原料，可以產(chǎn)能50 Wh/PE×d。如之前所述，一個(gè)污水廠每天的電能消耗是100Wh，所以沼氣利用將可以節(jié)省50%的電能。

如果對(duì)傳統(tǒng)硝化/反硝化工藝進(jìn)行優(yōu)化，水廠的單日耗電量可以降低至60 Wh/PE×d（方法如前所述），同時(shí)，通過對(duì)污泥消化過程的優(yōu)化以及高效發(fā)電機(jī)或者渦輪機(jī)的使用，可以使水廠的單日產(chǎn)電量達(dá)到60 Wh/PE×d，這就意味著水廠的產(chǎn)能與耗能可以達(dá)到平衡狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)100%能量自給。

如果可以用其他工藝替代傳統(tǒng)硝化/反硝化工藝，那么將會(huì)有更多的污泥用來產(chǎn)生沼氣，其產(chǎn)能甚至可以達(dá)到80 Wh/PE×d，也就是說污水廠將徹底由耗能大戶轉(zhuǎn)換為產(chǎn)能大戶。

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