污水处理厂节能减排技术的应用

污水处理厂节能减排技术的应用

从宏观运行的角度来看，污水处理厂的节能减排应采取正确的通风、适当的回收率、适量的药物、减少废水和改善消化等技术措施。然而,这些宏观性的技术措施如果没有对微观机理的准确把握很难做到精确地优化运行。事实上,在可持续发展和循环经济概念的诠释下,污水完全可以被看作是能源与资源的载体,而不是一无是处的污染物。因此,只有从微观机理上把握回收污水中资源与能源的奥秘才能为低能耗、低消耗运用这些回收/处理工艺奠定节能减排的技术基础。目前,以脱氮除磷为目的的生物营养物处理(BNR)工艺已被大多数新建和改建污水处理厂采用。笔者首先从传统污水处理工艺能耗入手,剖析能耗与CO2排放总量的关系;其次,从污泥能量回收率及技术难易程度分析剩余污泥转化为能源的适用性技术;最后,以同步脱氮除磷机理为核心,通过实例以数学模拟方式着重说明实现反硝化除磷对污水处理厂节能减排的内在积极作用。1cod的自然归属传统(好氧)污水生物处理工艺以能(供氧)消能(有机物),并向大气释放大量CO2。从能量利用与控制温室气体排放角度综合衡量,这种方式有悖于可持续发展的战略。作为污水中主要污染物的COD最终稳定至CO2是它的自然归宿。然而,使COD最终稳定至CO2却存在着两种不同的技术途径:①传统方式,靠消耗外部能源供氧使COD直接生物氧化稳定至CO2;②可持续方式,先将COD转化成含能载体CH4或H2,利用其中化学能后再稳定至CO2。不论实施何种方式,污水中COD最终都会形成CO2,而经可持续途径则可大大减少外部能源的使用量,这就相当于减少了外部能源(煤等化石燃料)发电时产生的CO2排放量。换言之,以消耗大量外部能源消除污水中含能物质(COD)的最终结果实际上是一种污染的转嫁方式。2种方式的转化效率实际上,污水中COD含有大量化学能,产生的代谢热约为14MJ/kgCOD。因此,污水中潜在的有机能源回收与利用有着重要的现实意义。污水中COD转化能源一般以污泥形式实现,而污泥一般存在3种能源转化的技术途径。第一种途径是对污泥直接焚烧发电。虽然这种方式的能量转化效率高达80%左右,但污泥焚烧在工程实施时所需的设备较多,污泥焚烧厂的兴建规模也很大。具体地说,首先是要对高含水率(95%~97%)的污泥进行机械脱水处理或以堆肥方式蒸发水分;其次是投资焚烧、发电设备。第二种途径是对污泥厌氧消化,将COD转化为甲烷(CH4)后发电利用。这种方式的能源转化效率一般只有50%~60%,但是它所需要的技术和设备较为简单,非常容易实现工程化。第三种途径为产氢。近年来,人们对厌氧消化机理不断深入研究发现,通过控制反应所需条件可以得到较纯的氢气(H2)。然而,生物制氢完全是一种自然现象,即使通过人工强化,能量转化效率也难突破30%。从另一角度看,虽然H2本身属于一种清洁能源,用它发电不产生CO2,但是不可忽略的是这种H2的产生同样源于COD,在产生H2的同时也伴随着CO2的出现。3生化强化技术随着排放标准日趋严格,污水处理厂的能耗和CO2排放量显著增加。就环境综合效益而言,排放标准严格化可能会带来负面环境影响。如果BNR工艺所消耗的COD量减少,被节省的COD则可用于厌氧消化产生CH4,发电后供污水处理厂自身使用。这样,污水处理运行过程中的能耗以及CO2排放量均会显著降低。BNR工艺中所含聚磷菌(PAOs)中存在相当一部分可以进行反硝化除磷作用的菌种(DPB),这种DPB能够明显地减少同步脱氮除磷对COD的消耗。为了说明反硝化除磷对于污水处理厂节能减排的作用,以荷兰某污水处理厂为例,通过数学模拟技术计算并予以分析。3.1cod、bod5、tkn、tp值该污水处理厂采用BCFS®工艺,平均处理量为8500m3/d,原水COD为625mg/L、BOD5为250mg/L、TKN为60mg/L、TP为9.5mg/L。各反应器容积以及内、外回流量如图1所示。3.2模拟分析及计算能耗在模拟分析中,根据荷兰的污水特性描述指南中采用的标准方法,将进水COD划分为不同的特征形式(见表1)。依据表1划分水质成分及图1所示工艺流程进行初步模拟分析。反应器受总悬浮固体(TSS)浓度≤5000mg/L的限制,通常以污泥龄(SRT)来控制反应器内TSS浓度。SRT由预期的TSS值确定之后,进水中可降解及惰性颗粒状COD(分别用XS和XI表示)可按比例去除(以设置初沉池方式实现,最大去除率约为95%),直至满足欧共体(EC)出水排放标准(TN≤10mg/L,TP≤1mg/L)。为研究DPB在同步脱氮除磷时对碳源(COD)的节省作用,将缺氧条件下磷吸收减少系数ηPNO3值从原先的0.8变为0。这一举措,关闭了模型中的反硝化脱氮除磷反应。因为工艺设定在最佳COD/N和COD/P比值下运行,此时出水中N、P含量必然超过排放标准,进入BCFS®系统的COD量顿显不足,难以完成充分脱氮除磷。在此情形下,再按比例增加进入BCFS®系统中颗粒状COD(XS和XI)量(仍维持ηPNO3=0),直至出水中N、P浓度满足排放标准为止。所增加的COD量(以COD/N、COD/P计)显然是由于DPB作用对N、P去除节省的COD量。模拟分析采用TUD模型,模型参数源于校准值。模拟分析中使用AQUASIM2.0计算机软件进行模拟运算。实例污水处理厂设计温度为12℃。为此,模拟分析中选用12℃作为基准温度,20℃作为对比温度。对于一座完整的污水处理厂,应具备污泥处理工艺,如消化、脱水和焚烧等。因此,必须从整体来衡量污水处理厂能耗与CO2排放的平衡关系。能耗(Econ)主要有4个方面:①曝气能耗(Eaer);②污泥脱水能耗(Edew);③污泥焚烧能耗(Einc);④污泥消化产甲烷产生能量(ECH4)。净能量消耗(Enet)可用下式描述:Enet=ECH4-Econ=ECH4-(Eaer+Edew+Einc)(1)计算CO2排放量必须考虑下述2个因素:①COD氧化生成CO2(∅CΟD-oxiCΟ2);②发电生成CO2(∅powCΟ2)。第一部分CO2排放因微生物氧化作用、污泥消化及焚烧产生,第二部分CO2则由CH4发电引起。因COD氧化而产生的CO2可假定1mol有机物(CH2O)予以计算。CO2的排放量可用下述方程式计算:∅CO2=CODCΟD-oxiCΟ2+∅powCΟ2=[(∅infCΟD-∅effCΟD)/CODCH2O]×MCO2+[-Enet/(ΔHCH4×η)]×(MCO2/MCH4)(2)式中CODCH2O=30gCOD/mol,MCO2=44gCO2/mol,ΔHCH4=50MJ/kg,η=0.4,MCH4=16gCH4/mol。初沉污泥与二沉污泥消化产生的CH4可用下述转化系数CHCΟDCΗ2Ο4=0.25gCH4/gCODCH2O计算。这一系数可通过如下化学计量反应式得出:2CΗ2Ο→CΗ4+CΟ2(3)本研究中假设,初沉所获得的可降解COD(XS)可以全部转化为CH4;剩余污泥微生物组成的COD(XAUT,XH,XPAO,XPHB和XGLY)中仅90%能转化为CH4;难降解的COD不能用于消化产生CH4。式(1)中的Eaer、Edew、Einc和ECH4计算方法源于vanLoosdrecht等人。假定污泥脱水选用离心法,污泥焚烧温度为250℃。为简化计算,假定污泥脱水所产生的高NH+4浓缩液不再回流至进水,而是采用单独处理方式。3.3结果表明，规划计算结果及分析3.3.1不同排放形式的bcfs系统的污水处理在温度为12、20℃时,反应器内达到期望的TSS浓度值(约为5000mg/L)时所对应的SRT分别为19和21.5d。模拟分析结果见表2。由表2可知,图1所示的BCFS®系统出水完全可以满足排放标准。在COD/N和COD/P较高(分别为7.3、45.8)时,出水Ntot<5mg/L,Ptot<0.5mg/L。由此可以设想,通过初沉池沉淀颗粒状COD(悬浮物形式)来减小COD/N和COD/P比值,将节省下来的COD(初沉污泥)用于消化产CH4。当然,这一措施的前提是需满足排放标准。对此问题,需进一步模拟分析。3.3.2颗粒cod的去除为了检验进入BCFS®系统COD可减少的可行性,假设进水中部分颗粒状COD(XS+XI)可在初沉池中被去除。第二组模拟分析采用与初次模拟完全相同的SRT。当温度为12、20℃时,对颗粒状COD(XS+XI)的去除率分别为80%和95%,出水水质可以满足排放标准。模拟分析结果见表2。由于进入BCFS®系统中颗粒状COD减少,反应器内TSS浓度也迅速减小,如温度为12、20℃时分别减小至1666和953mg/L。虽然较长的SRT有助于增加反应器内的TSS浓度,但容易限制聚磷菌对多聚磷酸盐的积聚。为此,在第二组模拟分析中维持SRT不变。模拟结果显示,在初沉池中将大部分颗粒状COD沉淀去除后,可以得到所需最佳的COD/N和COD/P比值。当温度为12、20℃时,最佳CODbioinf/N比值分别为4.5和3.9,最佳CODbioinf/P比值分别为35.2和32.2。3.3.3dpb处理后cod量的变化在最佳COD/N和COD/P条件下,为了抑制DPB活性,将缺氧条件下磷吸收减少系数(ηPNO3)从正常值(0.8)变为0(仅限模拟分析,非实际情况)。这也就意味着磷的吸收仅仅发生在好氧反应器内。模拟分析结果见表2。由表2可知,此时的出水水质已不能满足排放标准,出水中的N、P均已超标。反硝化脱氮细菌仅为常规异养菌,此种情形下进水中COD量不足,不能使常规异养菌实现完全反硝化和PAOs好氧吸磷作用。显然,在此情形下要满足出水排放标准就需要增加进入BCFS®系统中COD含量。当温度分别为12、20℃时,进入BCFS®系统中颗粒状COD含量分别增加到原水中颗粒状COD含量的87%和65%时,出水水质刚好达到排放标准,结果见表2。此时,又可以得到一组COD/N和COD/P比值。在温度为12、20℃时,CODbioinf/N比值分别为6.9和6.2,而CODbioinf/P比值分别为44.4和42.5。显然,这些比值要大于最佳工况时所对应的COD/N和COD/P,这充分说明DPB在同步脱氮除磷过程中对COD节约有着相当积极的作用。根据上述两种情况下所得到的COD/N和COD/P比值,可以计算出DPB在同步脱氮除磷过程中所节约的COD量。在温度为12℃时,每去除1gN节约2.4gCOD;每去除1gP节约9.2gCOD;而在温度为20℃时,每去除1gN或P节约的COD量分别为2.3g和10.3g。这样,因DPB作用COD需求量被减小了53%~59%,这一结果与Kuba等人在1996年的研究报道值(50%)非常接近。3.3.4设置初沉池对cod释放的影响在表2所示的两种情形基础上计算能耗和CO2排放量:①不设初沉池;②设置初沉池。计算结果见表3。由表3可知,氧化COD所排放的CO2量为6800~6900kg/d。CO2的实际排放量应为氧化进水的全部COD所排放的CO2量,包括微生物氧化COD产生的或是消化产甲烷后燃烧产生的(COD→CH4→CO2)或是不可降解COD在焚烧时产生的全部CO2。由于设置初沉池与否使出水水质稍有不同,所以氧化COD所释放的CO2量略有差别。设置初沉池后氧化COD所释放CO2的量增加了1%。能耗与其释放的CO2存在明显差别。如表3所示,当温度分别为12、20℃时,初沉池内COD去除率分别为80%和95%,污泥有机物转化为CH4发电而导致CO2的排放量分别减少了104%和119%。换句话说,设置初沉池后净能耗分别减少了104%和119%。这一结论产生的原因有2个:①曝气能耗分别减少了35%和44%;②设置初沉池后,因甲烷燃烧带来的能量分别增加了154%和271%。此外,污泥脱水和焚烧能耗也减少了8%。总之,在12和20℃时,初沉池内COD去除率分别为80%和95%情形下,CO2净排放量分别减少了16%和21%。值得注意的是设置初沉池时导致净能量为正值(12和20℃时分别为411和2052MJ/d)。这意味着所产生的甲烷能量足以满足曝气之需要。4污水处理厂初沉池后能量平衡分析传统污水处理工艺以能消能,在某种程度上说是一种污染转嫁的技术形式,不符合可持续发展的目标需要。污水中所含的潜在有机能源——COD在满足脱氮除磷需要之后,多余的COD应尽可能以污泥形式将其转化为能源加以利用,以减少污水处理厂外发电造成CO2过多排放的问题。污泥转化能源的技术形式以厌氧消化产甲烷(CH4)方式较为适宜,不仅投资、运行、管理程度不高,而且从COD中所转化