1.2.4 碳源回收和儲存利用

溫室效應(yīng)是影響和威脅人類社會氣候變化的一個重要因素,CO2是全球溫室效應(yīng)的最大影響因素,因此,減少其排放成為當(dāng)務(wù)之急。CO2的收集、利用和儲存(CCUS)是主要的CO2減排措施。Wang等首次提出了一種將厭氧消化、裂解、催化重整和甲烷化(APRM)耦合在一起的新型生物能源使用與碳捕獲和儲存(BECCS)工藝,以城市固體廢物的有機部分(OFMSW)為原料,以負碳向的方式生產(chǎn)生物CH4,這種方式既可以處置多余沼液,也可以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。通過對西班牙加泰羅尼亞5個污水廠的能量平衡分析表明,污水中所含的67%的能量可以轉(zhuǎn)移到污泥中,通過將這些污泥轉(zhuǎn)化為沼氣,52%的能量可以被回收。厭氧工藝可從有機流中生產(chǎn)富CH4。厭氧的液體和固體殘渣被稱為消化渣,可用作肥料。生物質(zhì)是一種可再生能源,煤與生物質(zhì)共利用可以顯著降低碳排放。此外,化學(xué)循環(huán)燃燒(CLC)是一種不需要對煙氣進行任何后處理的固有捕獲CO2的技術(shù)。將混合燃燒過程與CLC技術(shù)相結(jié)合,如果捕獲的CO2能夠被適當(dāng)存儲,就可以形成一個有效的碳負系統(tǒng)。由于CLC體系中的氧化劑與燃料沒有直接接觸,顯著降低了熱NOx的生成。因此,CLC是一種可行的低能耗、高效實施碳捕捉和儲存的技術(shù)。HaldorTopsΦe的TREMPTM甲烷化技術(shù)可以將生物質(zhì)氣化的合成氣轉(zhuǎn)化為純度為95%～98%的CH4,該技術(shù)已成功應(yīng)用于GoBiGas 20 MW的工廠作為示范。污水處理廠生產(chǎn)的沼氣在減少CO2排放和水-能源關(guān)系背景下的能源需求方面起著決定性的作用。為了減少對化石燃料的依賴,Poblete等利用了沼氣聯(lián)合循環(huán)與碳捕獲和儲存技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)負碳排放。另外,生物電化學(xué)系統(tǒng)(BESs)可以直接將有機能轉(zhuǎn)化為電能或有價值的產(chǎn)品,如CH4或H2。雖然這有望實現(xiàn)更高效的轉(zhuǎn)化,但受限于反應(yīng)速率較低,要將其轉(zhuǎn)化為實用技術(shù)需要付出巨大的努力。例如,在我國哈爾濱運行的一個微生物燃料電池(MFC)試點表現(xiàn)很差,僅將有機物質(zhì)中7%的能量轉(zhuǎn)化為電能。

Huang等提出了基于現(xiàn)有工藝的碳能量線,這條路線包括有機碳捕獲、生物處理和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化階段,適合于通過厭氧發(fā)酵生物處理平臺進行生物能源生產(chǎn)和資源回收的流程,城市污水中的有機物可以被分離為化學(xué)富集沉淀物或污泥。具體路線如圖4所示。另外,經(jīng)過研究證明膜分離工藝能有效地提高碳分離、富集和生物處理效率,因此,膜分離可作為碳分離和回收途徑的一種很有前途的補充工藝。

1.3可持續(xù)處理新工藝的研究進展

前部的“碳捕捉”技術(shù),可以截留60%以上的碳源,而經(jīng)二級處理后的進水中CODCr濃度偏小,很難滿足常規(guī)脫氮除磷工藝對碳源的要求。短程硝化與常規(guī)的硝化法同時結(jié)合反硝化技術(shù)相比,短程硝化/反硝化處理減少了25%左右的耗氧量,以及40%左右的CO2消耗,達到了O2和CODCr的雙重節(jié)約,如圖5所示。

在這些新興技術(shù)中,厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝已成功應(yīng)用于實踐,ANAMMOX是一種不需要有機碳的新型脫氮技術(shù),它的消耗只有常規(guī)方法的1/3,能顯著減少曝氣的能耗和操作成本。根據(jù)理論計算,應(yīng)用ANAMMOX工藝對外部碳源的需求減少了100%。然而,該工藝主要用于側(cè)流處理,將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁鞴に嚾匀痪哂刑魬?zhàn)性。Ali 等提出了一種將MFC和ANAMMOX工藝相結(jié)合的污水綜合處理系統(tǒng),可以有效地回收能源,改善出水水質(zhì)。在較低的能源投入下,可獲得較好的出水水質(zhì)(CODCr去除率約為95%,氮去除率約為85%)。但是單一的ANAMMOX技術(shù)存在厭氧氨氧化菌(AAOB)生長緩慢且對環(huán)境敏感使反應(yīng)器難啟動的問題。所以在短程硝化的基礎(chǔ)上,出現(xiàn)了進一步與ANAMMOX耦合的典型工藝,工藝流程如圖6所示。SHARON-ANAMMOX聯(lián)合技術(shù)與常規(guī)硝化反硝化技術(shù)相比較,可節(jié)約50%的硝化曝氣,節(jié)約100%的附加碳資源,即降低CO2排放,并生產(chǎn)少量污泥。

對于節(jié)能回收技術(shù)的創(chuàng)新,應(yīng)用上流式厭氧污泥床(UASBs)和膨脹顆粒污泥床(EGSBs)等厭氧污水處理是另一種有前途的能源回收選擇。近年來,厭氧膜生物反應(yīng)器(AnMBR)得到了發(fā)展。在厭氧過程中,耦合膜可以保留懸浮物,而不是讓它們流失。通過延長材料的降解時間,AnMBR為低強度城市污水處理提供了可能。然而,膜污染成為阻礙該技術(shù)結(jié)垢的最大挑戰(zhàn)。由于污水中含有大量的有機物和營養(yǎng)物質(zhì),新興的處理工藝已經(jīng)被開發(fā)出來,以捕獲這些有價值的資源,并將其轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)品如鳥糞石、藍鐵礦、生物柴油、生物塑料、生物炭和蛋白質(zhì)。此外,已經(jīng)證明資源回收內(nèi)部污水處理廠在實現(xiàn)碳中和方面發(fā)揮著重要作用。例如,鳥糞石降水過程對全球變暖的減緩效應(yīng)模擬為3%～38%。對于有機碳來說,生物塑料合成是從城市污水中提取有機碳并將其升級為化工商品的最有前途的途徑之一,也具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 節(jié)能減排技術(shù)工藝應(yīng)用案例

在我國城市碳中和作業(yè)實踐中,已經(jīng)有很多城市的污水處理廠進行了實際應(yīng)用的實踐,表3為國內(nèi)及國外典型的低碳運行案例。

美國Sheboygan污水處理廠初步建立了一套以AO為主要生產(chǎn)流程的方案,將污泥水解-酸化、混合基質(zhì)厭氧共消化和污泥濃縮等新技術(shù)相融合,并實施了一套節(jié)能方案,到2013年該技術(shù)已基本達到了自供。奧地利Strass污水處理廠作為一個比較成功的案例表明,回收的化學(xué)能可以彌補2003年全年總能耗的80%;通過其他改進,包括添加有機廢物,2012年Strass污水處理廠實現(xiàn)了158%～178%的能源自給自足。以上兩個污水廠的經(jīng)驗對于我國來說非常有借鑒意義,在我國,餐廳及家庭的剩菜剩飯可以一同送往污水處理廠與剩余污泥進行共消化。德國Bochum-lbachtal污水處理廠為三階段入水預(yù)脫氮,生物處理部分為化學(xué)除磷,利用厭氧法與熱電聯(lián)產(chǎn)相結(jié)合的技術(shù),可以實現(xiàn)96.9%的能量自給,經(jīng)過核算,可以實現(xiàn)63.2%的碳中和率。青島市海泊河污水處理廠利用熱電聯(lián)產(chǎn),在一年多的時間里,其發(fā)電效率已接近30%,節(jié)能效益顯著,而采用該系統(tǒng)可降低污水處理廠的脫硫耗水7×104t,降低燃煤12 670 t,降低1 383 m3CO2,通過控制廢氣的排放,可以有效降低工廠的能源消耗,同時也可以有效地減少煙塵對周圍的環(huán)境的影響。關(guān)于污水處理管理、設(shè)備革新的應(yīng)用情況,Khatri等使用水力旋流器和智能曝氣控制來降低污水處理的能耗,采用水力旋流器作為一次污泥分離器可節(jié)省曝氣電量71.46%。通過研究印度北部不同城市的7個污水處理廠的運行性能,結(jié)果表明UASBs和簡單的有氧系統(tǒng)是一種有前途的技術(shù),特別是在印度,可以以低成本達到回用水所需的BOD水平。Alekseiko等研究了符拉迪沃斯托克一座污水廠使用的熱泵,并證明該工廠產(chǎn)生的熱源是一種有價值的熱源。Bruno等使用吸收式制冷機來幫助提高位于污水廠的沼氣驅(qū)動的微型燃氣輪機(MGT)熱電聯(lián)產(chǎn)廠的性能。

3 結(jié)論與展望

我國作為全球最大的能源消費國和CO2排放國,具有巨大的碳減排潛力和綠色發(fā)展?jié)摿?然而,就當(dāng)前污水處理技術(shù)的低碳運行現(xiàn)狀而言,仍然有許多瓶頸問題成為了污水處理廠實現(xiàn)碳中和的阻礙。

(1)針對污水廠設(shè)備與管理存在的不足,在未來污水處理廠可以利用互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿信息通信技術(shù)耦合先進節(jié)能、用能技術(shù)降低污水處理領(lǐng)域碳排放,同時通過信息通信技術(shù)優(yōu)化或重塑污水處理行業(yè)技術(shù)環(huán)節(jié),從源頭減少能源、資源、信息領(lǐng)域消耗帶來的碳排放。

(2)用于采暖的污水源熱泵對熱量價格變化比較敏感,城市熱水管網(wǎng)建設(shè)滯后嚴重阻礙了該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。光伏發(fā)電產(chǎn)生的電量有限,僅占總能耗的10%左右。在今后的研究中,應(yīng)該將目前的研究結(jié)果與之相融合,發(fā)展出更穩(wěn)定的能量儲存技術(shù)。污泥厭氧消化過程易受環(huán)境條件的影響,消化污泥不易沉淀。碳捕捉目前存在投資大、要求高等劣勢,該技術(shù)現(xiàn)在的痛點是如何將捕捉到的CO2安全、大規(guī)模、高效地資源化。

(3)在我國今后的發(fā)展中,要充分吸收國內(nèi)外先進的污水碳中和技術(shù),以發(fā)展污水中的有機潛力以及新的低碳技術(shù)為中心,從提高裝置節(jié)能、改善生產(chǎn)操作方式等方面著手,達到低碳運行的目的。