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            中國水務行業觀察者!

            碳中和趨勢下污水處理節能降耗技術淺析
            更新時間:2021-09-14 來源:北水教育

              污水處理行業一切創新的來源是發現問題,只有能發現問題才可能創新!在碳中和趨勢下,現有的污水處理技術和方法存在哪些問題?未來的污水處理技術應解決哪些痛點?北控水務集團運營管理中心污水管理部魏彬經理在“北控水務杯“第四屆”互聯網+“生態環境創新創業大賽“產業前沿”系列講座(第二講)中做了題為“碳中和趨勢下污水處理節能降耗技術需求解讀”的分享,對污水運營管理方向的發展歷史、趨勢和前景,碳中和背景下的技術需求,典型節能降耗與資源回收技術等進行了詳細闡述。

              污水的來源

              對污水處理廠來說,處理的污水來源于三個方面,包括生活污水、工業廢水以及被污染的雨水。簡單的講,生活污水是人們在日常生活中產生的廢水;工業廢水是在工業生產過程中產生的水,對于工業廢水需要關注的指標除常規污水指標外,還涵蓋熱污染及其他有毒有害物質指標;被污染的雨水主要指初期雨水,是在雨污分流制排水體制下產生,對污水廠水量均影響較大。

              低碳節能與資源利用是碳中和背景下的新需求

              魏彬老師以某一級A標準污水處理廠為例對污水處理技術進行了總體介紹,概括了物理、化學、生物處理技術①在多級水處理中的功能,落實到具體處理工藝②和工程,各級各類技術需針對不同污染物和不同污染情況,依據實際情況進行應用和改進。在碳中和背景下,不但要追求低碳,更要建立碳生態,實現富余碳源的利用,同時,也要關注N2O等溫室氣體產生情況,為碳中和的目標實現進行技術改進和革新。

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              機理研究和管理邏輯優化是滿足碳中和背景下技術需求的關鍵

              問題的解決離不開正確精準的認知。通過不同過程中關鍵因素的識別,探究和深化不同反應過程中的控制機理,從而實現碳源利用的目標。魏老師介紹了脫氮除磷過程中實現的共用碳源的例子:生物除磷的本質是能量的轉化,碳源只是產生能量的燃料,氧化劑可以多樣化,因此可以與脫氮過程共用碳源,實現低碳節能。此項工藝提出離不開對反應機理過程的準確把握,這也是技術創新的關鍵。同時,技術發展需要不斷深化對處理過程的理解,例如傳統教科書對一些水處理過程中厭氧條件的定義,已不符合實際工藝和內在機理。實現碳中和的技術升級,需要準確把握反應過程,不斷深化機理認知。縱觀污水處理技術的發展,其實也是對內在反應機理的一步步探究,往往對一個關鍵因素的改變就可以推動一種工藝的快速發展。

              除了技術創新,管理創新也是極為重要的部分,污水運營管理不再是隨意性的“讀讀書、看看報、曝曝氣、排排泥”,已經到了智能控制和精準管理的階段,管理目標從低成本低標準轉變為低成本高標準,通過管理實現技術效益的最大化,向著碳中和、資源化、智慧化的方向前進。

              污水處理廠實現碳中和面臨的痛點

              1、總氮總磷的高標準排放與碳源的嚴重不足

              中國的污水水質特點與排放標準存在一定程度的不協調。總氮總磷的標準很高,但是碳源很缺乏。污水中碳源總量,連實現脫氮除磷都尚顯不足,再分出碳源進行厭氧消化或產生能量是不現實的。

              2、排水系統中化糞池產生大量溫室氣體同時消耗碳源

              生活污水進廠前在化糞池中停留了過長時間(10余天至1個月),導致厭氧產甲烷等反應充分進行,大量碳源消耗,并產生大量溫室氣體,進一步導致進場水碳源不足,致使后端處理需補加碳源,與碳中和理念矛盾。但由于政策原因及配套排水管網問題,這一矛盾并不容易解決。

              工業水進末端污水處理設施前,由于工業水排放標準對COD要求較高,對TN要求較低甚至不要求,導致上游大量采用好氧曝氣工藝,浪費大量能源同時把最好的碳源消除掉了,把難降解COD和TN留給了末端污水處理設施,到了末端污水廠還要再外加碳源解決TN,采用高級氧化解決難降解COD。這也是上下游不協同帶來的雙重浪費,也非常不利于實現污水處理行業的碳中和。

              3、重金屬問題帶來的污泥資源化利用困惑

              從生態循環角度出發,植物通過吸收土壤中的氮磷元素合成有機物進入食物鏈循環,通過人類消耗,最終回到污水廠,進入污泥中。一個完整的循環需要污泥中的氮磷重新回歸農田、土壤,成為肥料。而實際處理過程中,大量污泥中的氮磷無法得到有效利用,只能填埋或焚燒,而不得不通過向農田中施加化肥以補充循環中損失的氮磷,也造成了雙重浪費。

              而導致污泥無法再利用的主因,是大量工業廢水排放使污水中重金屬含量增高,進而導致污泥重金屬含量過高而無法進行農業利用。若可通過政策實現工業廢水與生活污水的有效分離,則有望解決上述問題。

              碳中和背景下的技術創新需求

              1.高效脫氮除磷新工藝或新裝備

              基于同步/短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷等先進理論的新型污水處理工藝或運行控制方法、裝備;

              基于傳統硝化反硝化的運行優化控制方法(傳統的A2/O工藝在實際應用中占比較高,而新工藝推廣較難,針對常規工藝的提升優化是較好的方向);

              基于提升原水碳源利用率、降低系統總氮放棄率的新型工藝或裝備(以提升碳源利用率及降低總氮放棄率為目標③,深度探究挖掘現有處理工藝流程細節,在細微之處如進水過程中跌水帶來的溶氧碳消耗等角度,實現方法創新);

              新型三級處理深度脫氮或深度除磷工藝或裝備(研究高密度沉淀池、濾池、磁混凝或其他方法,更經濟更高效的解決深度處理問題);

              碳捕獲、磷回收;新型快速水質監測技術(包括在線監測手段);

              氧化亞氮(N2O)產生的抑制技術和捕捉、分解技術等(技術儲備,未來需求)。

              2.節能降耗新裝備集成應用

              水泵:提升泵運行能效,降低管道損失和局部損失;

              風機:提升風機運行能效,降低風管道損失和曝氣頭局部損失(風機控制技術,曝氣頭清洗技術,降低曝氣頭水頭損失等);

              攪拌器:合理的池型及流態模擬,獲得更低的容積功率(攪拌器的形態、布置方式、攪拌器與池型的配合等);

              脫水機:獲得更低的單方脫泥能耗,藥耗和更低的出泥含水率(脫水機的運行控制,新型的脫水機設備等);

              空調系統:利用水中余熱或太陽能等新能源,獲得較低的供熱能耗。

              3.資源回收利用解決方案

              能源:有機污染物化學能、污水內能等能源的回收利用工藝或裝備(有機物的回收利用,高能效比的水源熱泵設備技術);

              污泥:污泥資源化利用整體解決方案或裝備(污泥干化焚燒,碳化,協同焚燒,資源化及利用的解決方案);

              磷:磷回收利用整體解決方案或裝備;

              太陽能和風能:利用場地優勢,低成本、高品質、低維護光伏發電裝備或技術;

              再生水:新型低成本、高品質再生水處理工藝或裝備。

              一切創新的來源是發現問題,發現痛點,而深入理解原理才能觸及到創新工作的根本,才能實現有效的創新。

              典型建議選題方向

              目前針對不同級的處理區,已有一些正在應用的節能降耗與資源回收技術,包括:針對一級處理區的管網調度模式(廠網一體化)、雜物無機砂粒去除碳源保留技術、跌水控制、碳源的溯源損失控制等;針對二級處理工藝的精細化過程控制,關鍵工藝環節工藝參數的控制方法,泥水分離裝備等。針對三級處理區的精細化控制方法,各池的運行控制邏輯,藻類控制方法,環境友好性強的藥劑等。

              實際上,深入到每一個工藝環節,都有其進一步精細化管理的方法。用優秀的控制手段、邏輯、算法實現自動化和智能化控制,將對處理效果和節能降耗起到強有力的支撐作用。

              問答

              資源回收技術,將是碳中和背景下重要的創新方向。單從碳的角度,做到碳中和難度較高,但是通過回收利用資源,可以在一定程度上平衡碳中和的需求。技術革新和運行管理邏輯優化哪個在現在的水處理中更為重要?

              魏彬:二者同樣重要,往往大家會關注技術的革新,實際上管理優化對于整個污水處理是非常有價值的,可以避免很多的能源損失,降低成本;具體到大賽而言,還是要看技術的成熟度,能否落地,這是比較不同方向技術的重要指標。

              三級處理可以用哪些綠色技術?

              魏彬:各個工藝細節的精細化控制都能夠帶來節能降耗的效果,都可以說是綠色技術,比如高密池精確加藥,泥位的精確控制,回流量的控制,攪拌強度的控制等,濾池的反洗周期控制,反洗強度控制等。新型的深度處理工藝,如果比現有的成本更低,效果更好,比如磁混凝就是最近幾年涌現出來的新型綠色工藝。對于脫色、難降解COD等常規深度處理較難解決的問題也可以探索低成本、高效率的處理方法,也算是綠色工藝。污水處理小知識

              典型污水處理方法

              傳統的污水處理方法主要是物理法、化學法、生物法及其組合。物理法主要應用于預處理及深度處理過程中,包括沉淀、過濾、氣浮等手段。化學法包括氧化、還原、中和、絮凝等方法,在污水廠應用最多的是絮凝法,用化學藥劑去除水中的膠體、懸浮物、磷酸鹽等。生物法在國內起步較晚,最初用于去除污水中的COD,隨著國家標準的提高,生物法核心內容逐漸向生物脫氮和生物除磷轉變。

              生物脫氮

              在污水處理中,生物脫氮主要包含氨化、硝化以及反硝化三個步驟。污水,尤其生活污水,氮元素主要以有機氮的形式存在。首先通過水解作用,將有機氮轉化為氨氮(部分水廠進水氨氮很高是由于水解作用已于管網和化糞池中進行),此為氨化過程。隨后進行亞硝化及亞硝酸鹽的兩步硝化反應。厭氧硝化過程中,會生成一定量的甲烷(溫室氣體)。隨后反硝化反應過程中氮元素的化合價逐步降低,從+5價的硝態氮轉化為0價的氮氣單質,過程中會產生低價態的氮氧化物,例如氧化亞氮N2O(笑氣、溫室氣體)。在碳中和的前提下,未來的污水處理工藝中應當重視減少溫室氣體的產生、逃逸及排放。

              生物脫氮過程中,各個環節的影響因子有很多。例如硝化反應中主要是微生物的酶在發揮作用,而微生物的數量決定了酶的數量,因此硝化細菌數量就成為了硝化反應速率和方向的重要影響因子。與此類似的,還有溶解氧(DO)、水力停留時間(HRT)、水溫、堿度等等。各影響因子在硝化反應中是同時發揮作用的,改變任何一個條件都會影響到硝化反應的速率。在實際處理過程中,應當明確每一個反應的影響因素,對可控因素進行分析,就可以確定促進反應的操作,也即改進的方向。

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              生物除磷

              生物脫氮和生物除磷都需要碳源,普遍認為脫氮和除磷是爭奪碳源的關系。但是在生物脫氮除磷工藝中,存在一個窗口可以實現利用一份碳源,同時脫氮和除磷,也即反硝化除磷。

              磷常以磷酸鹽(H2PO4-、HPO42-和PO43-)、聚磷酸鹽和有機磷的形式存在于廢水中,生物除磷就是利用聚磷菌一類的細菌,在厭氧狀態釋放磷,在好氧狀態(具有氧化劑的環境,不一定是氧氣,也可以是硝氮或者亞硝氮)從外部攝取磷,并將其以聚合形態貯藏在體內,形成高磷污泥,排出系統,達到從廢水中除磷的效果。除磷的本質是一個能量轉化過程,聚磷菌的初心是獲取更多的能量,而不是獲取更多的磷,磷僅僅是能量的載體。通過在好氧段只提供充足的硝氮、亞硝氮,以及一段時間的馴化,就可以實現一份碳源既還原了氮,又供給了聚磷菌能量,實現了反硝化除磷。

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              工藝優劣的判斷

              在生物脫氮環節,工藝的優劣主要通過碳源利用率和總氮放棄率來判斷。

              碳源利用率,即原水中的碳源及外加碳源總量中,和硝態氮反應的碳源所占比率。一個好的工藝中,應盡量滿足碳源都和硝態氮反應。在碳中和的思路引導下,應當控制同化反應中碳源的消耗比率(或實現同化后碳源的再利用),抑制碳源與氧氣的直接反應(減少碳源消耗,以及CO2的生成),富裕碳源用于厭氧硝化及能量產生。將COD不再看成污染物,而看成一種資源。

              總氮放棄率,即傳統工藝中,假設碳源充足,僅通過工藝仍無法去除的總氮。總氮去除率,是通過內外回流比決定的氮的去除率的上限。

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              在設計處理工藝、工藝選型及創新時,需要想辦法降低總氮放棄率,提升碳源利用率。典型污水處理工藝

              典型的污水廠處理工藝流程是上述方法的組合。以某一級A標準污水處理廠為例,從進水到出水主要分三級處理區,一級處理區主要應用物理法(包括攔截、沉淀、除砂等)及一定的化學法(初沉池前絮凝);二級處理區是污水處理工藝核心,主要是以活性污泥為主的生化反應(酶促反應);三級處理區主要應用物理化學法,通過混凝、過濾、消毒等工藝手段對污水進行深度處理。落實到具體處理工程中,各級各類技術需針對不同污染物和污染情況進行應用和改進。

              典型的二級處理工藝主要包括懸浮性活性污泥法污水處理工藝,及固著性生物膜法工藝如BAF、膜生物反應器MBR等。懸浮性活性污泥法污水處理工藝主要有三個系列:(1)氧化溝系列;(2)A/O及A2/O系列;(3)序批式反應器(SBR)系列。各個系列不斷的發展、改進,形成了目前比較典型的工藝有:A2/O工藝、改良A2/O工藝、SF-AO工藝、UCT工藝、卡魯塞爾-2000氧化溝工藝、奧貝爾氧化溝工藝、SBR工藝、CASS工藝等。

              三級處理工藝中最常用的就是高密度沉淀池。其對總磷和懸浮物的去除效果較好,運行穩定。此外還有濾池(砂濾池、纖維轉盤濾池、反硝化濾池等),磁混凝、高級氧化工藝等。

              各種處理工藝各具特色,各有優劣勢,需結合實際情況進行選擇。


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