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王洪臣:當污水處理面對碳減排——我國城鎮污水處理行業碳減排路徑及潛力

作者:王洪臣 來源:網絡來源 關注: 時間:2017-3-15 9:50:00

             全球變暖導致極端天氣事件頻發、生態系統退化,是人類當今面臨的最大挑戰之一。在這樣的背景下,國際社會積極采取行動,應對氣候變化。污水處理是重要的碳排放行業,亟需系統全面地開展碳減排工作。

    污水處理碳排放包括間接排放和直接排放。污水處理是社會中較小的行業,但屬于能源密集型行業,美國、德國、日本等國家污水處理行業電耗占全社會總電耗的1%左右,高能耗導致大量間接碳排放。污水處理過程會產生并逸散大量CH4和N2O,是重要的直接碳排放源。據歐洲統計辦公室2014年歐洲統計報告,污水處理與固體廢棄物處理組成的廢物處理行業是第五大碳排放行業,占全社會總碳排放量的3.3%。美國EPA統計預測,全球污水行業2015年CH4和N2O逸散量分別為5.4億t 和0.9億t CO2當量,預測2020年將分別達到5.65億t和0.94億t CO2當量,2030年將分別超過6億t 和1億t CO2當量,約占非CO2總排放量的4.5%。總體上,污水處理行業碳排放量占全社會總排放量的1%~2%。

 

1我國城鎮污水處理行業的總體碳排放水平及趨勢

 

    經過“十一五”和“十二五”時期的高速建設,中國城鎮污水處理設施已經形成規模化的處理能力。截至2015年底,全國設市城市和縣城建成并投入運行污水處理廠共3830座,日處理能力達1.62億m³,超過了美國1.25億m³(33240MGD)的處理能力。2015年全年實際處理污水511億m³。

    基于各地區代表性污水處理廠典型工藝運行數據分析及實際監測,按照IPCC方法學以及相關方法學研究,初步計算,2015年全國污水處理逸散CH4和N2O產生的直接碳排放量為2 512.2萬tCO2當量,電耗產生的間接碳排放量為1 401.6萬t CO2當量,絮凝劑消耗產生的間接碳排放量為70.9萬t CO2當量。綜上,2015年中國污水處理行業碳排放量為3 984.7萬t CO2當量,單位水量的碳排放當量(碳排放強度)為0.78 kg/m³。

    2015年,中國污水處理行業總電耗為140億kW˙h,僅占全社會總電耗的0.26%,遠低于西方國家1%的比例。主要原因有:污水收集系統不完善導致污水收集處理率較低、污水濃度也較低、處理標準總體不高以及污泥處理處置滯后等。隨著收集系統的完善、提標改造的實施以及污泥處理處置率的提高,污水處理電耗將逐年升高。“十二五”期間,污水處理電耗年平均增加 12.9%。隨著城鎮化率、污水處理率、污泥處理處置率不斷提高以及排放標準的提高,污水處理電耗還將進一步增加,應及早采取措施提高行業能效,降低間接碳排放。

 

2我國污水處理行業碳減排路徑

 

    與能源、建筑、交通等行業相比,污水處理減排成本低,減碳效益大。發達國家意識到污水處理行業蘊含的高效減排潛力,將其列入碳減排重點領域,并探索出了一些可行的碳減排路徑。美國和日本強調通過高效機電裝備和高級控制對策節能降耗,同時加大污水污泥蘊含能源的開發回收力度。加拿大著力開發運營優化技術,目前已形成較完善的污水處理運營優化技術體系。歐洲重視低碳處理新工藝研發,在可持續污水處理工藝研究方面居于領先水平。西方國家的經驗為尋找我國污水處理行業的碳減排路徑提供了很好的借鑒。

 

2.1提高污水處理綜合能效

 

    美國在供水和污水處理行業提出三個層面的能效提高路徑:一是采用高效機電設備,新建設施直接采購高效設備,已有設施逐步更新成高效設備;二是加強負載管理,滿足工藝要求的前提下要使負載降至最低,同時,設備配置要與實際荷載相匹配,避免“大馬拉小車”;三是建立需求響應機制,根據實際工況的需求及其變化,動態調整設備的運行狀態。

 

2.1.1采用高效機電設備

 

    污水處理機電設備主要包括水力輸送、混合攪拌和鼓風曝氣三大類。采用高效電機是這些設備具有較高機械效率的前提,目前污水行業的水力輸送和攪拌設備均已經出現具備IE4能效水平的高效電機,采用高效電機通常可實現5%~10%的效率提高。

    水力輸送設備的水力端設計是關鍵,水力端需具備無堵塞、持續高效的特點,無堵塞技術可避免通道容量減少降低效率或長期超負荷運行燒毀電機。持續高效可確保電機長期高效運行,先進的水力端設計可以實現水力輸送設備全生命周期節省7%~25%的能耗,而且介質條件越惡劣,其節能效果相對會越明顯。

    混合攪拌設備的水力端設計同樣關鍵,采用后掠式葉片設計可以提供額外的自清潔功能,使攪拌器具有良好的抗纏繞性能,從而避免攪拌效率降低甚至燒毀電機的風險。

    鼓風曝氣包括鼓風機和曝氣器兩部分。容積式鼓風機雖然購置費用較低,但機械效率很低,應盡量避免采用。單級高速離心式鼓風機效率很高,且技術進步很快,采用空氣懸浮或磁懸浮等高速無齒技術,可使電機與風機實現“零摩擦”驅動,實現超高速運行,顯著提高機械綜合效率及效益。不同材質不同結構形式的曝氣器氧傳質性能差別很大,采用抗撕裂、抗老化、壽命長的新型高分子聚氨酯材料以及超微孔結構設計的曝氣產品具有充氧性能高、運行穩定和調節品質好的特征。另外,混合曝氣、逆流曝氣、限制性曝氣、全布曝氣都是可以采用的高效曝氣形式。在進行曝氣器數量的選擇時應綜合考慮水廠水質水量波動情況和鼓風機性能參數,使其在最優單頭通氣量范圍內工作,也可明顯提高充氧性能。

 

2.1.2加強負載管理

 

    污水提升以及污泥回流等單元的水力輸送設備常由于流量級配不合理、揚程選擇偏大,使設備絕大部分時段在低效工況運行,應予以改造。

    由于擔心污泥沉積,混合攪拌設備的設計攪拌功率同樣普遍偏大,實際處于過度攪拌狀態,導致電耗增加,準確把握攪拌器與介質之間力和能量的傳遞非常關鍵,而采用推力作為攪拌器的選型依據,可以準確衡量實際工況所需攪拌器的大小,有效避免此類電耗的浪費。

    隨著脫氮除磷要求的日益嚴格,污水處理過程需要攪拌器數量也越來越多,成為不容忽視的耗電環節。當設置潛流推進器時,優化推進器和曝氣系統的位置和距離,可以使系統的能量損失最小。當推進器距離上游曝氣器不小于一倍水深,并且推進器距離下游曝氣器不小于水深和廊道寬度的最大值時,推進器和曝氣系統最為穩定,能耗最低。高效的潛水推進器配合好氧池的池型優化設計,可以降低池內阻力損失、減少推進器的功率需求,實現能耗降低。曝氣系統的電耗占污水處理總電耗的50%~70%,是加強負載管理的重點。設計基于穩妥的目的,常使鼓風機風量級配不合理、出風壓力選擇偏大,使之絕大部分時段在低效工況運行。鼓風氣量偏大或曝氣器數量偏少都將導致單位曝氣器氣量過大,造成充氧轉移效率降低、阻力增大,降低能效。另外,曝氣器堵塞后如不能及時清洗,也會增加阻力損失,增大能耗。

 

2.1.3建立需求響應機制

 

    建立需求響應機制就是實現各單元以及全流程的優化運行。目前,污水行業已經出現感應式調速和線性調速的水力輸送和攪拌設備,此類設備內置智能控制系統,可以有效優化水力輸送和攪拌系統的整體運行情況,實現節能降耗。

    高效的水力輸送設備內置專業為水力輸送系統設計的智能控制系統,可以自動進行設備自清洗,泵坑自清洗和管路自清洗,可以自動調節設備運行頻率達到系統的能耗最低點。額外的控制系統甚至可以優先啟動效率最高的水泵,可以根據整個輸送管網的波峰波谷自動切換控制模式,從而發揮泵站的蓄水能力,減少對管網的沖擊,使輸送泵站與水廠協同運行。

    混合攪拌設備內置智能控制系統可實現攪拌器推力可調,當由于工況變化所需推力降低時,攪拌器通過降低轉速滿足工況需求,同時節省能耗;當所需推力升高時,攪拌器通過提高轉速滿足工況需求,避免設備增加或更換。

    采用內置智能控制系統的水力輸送設備和攪拌器,在特定工況條件下,與傳統設備相比,甚至可以節省50%以上的能耗。

    目前,前饋、反饋、前饋、反饋耦合等各種不同控制品質的曝氣控制器和控制策略已較成熟,可以實現按需供氧,避免不必要的電耗。目前,基于SOUR和OTR在線實時測定的先進曝氣控制系統(BIOS)可在滿足處理要求的前提下將鼓風曝氣量動態降至最低,大幅度降低能耗,同時還能提高曝氣器的氧利用率。設置高效潛流推進器,使池內介質保持一定的流速,可在滿足工藝實際需要的前提下進一步降低鼓風曝氣量時,避免混合液發生沉積。另外,介質保持一定的流速,可使氣泡在水中有更長的停留時間,進一步提高系統的氧轉移效率。應定期調節污泥回流比,在滿足污泥回流量的前提下,使之降至最低,在實現節能降耗的同時提高出水水質。通過微波含固量在線測定技術,可以實現污泥脫水單元加藥量的前饋或反饋控制,降低絮凝劑的消耗量,減少間接碳排放。

 

2.2大力回收能源

 

    污水中蘊含著大量的能量,理論上是處理污水所需能量的很多倍。污水經處理后,其中的能量大部分轉移到了污泥中,因此開發回收污泥中的能量具有極大的潛力。污泥能源化主要集中在厭氧方向,污泥厭氧能源化包括厭氧發酵產乙醇、厭氧發酵產氫和厭氧消化產甲烷三個技術路徑。產乙醇技術雖然成熟,但能源轉化率較低。產氫技術目前仍存在反應器放大的困難,制約生產性應用。實踐中普遍采用的是厭氧消化技術。傳統厭氧消化技術能源轉化率在30%~40%,而高級厭氧消化技術可提高到50%~60%。高級厭氧消化技術包括高溫厭氧消化、溫度分級厭氧消化和酸氣兩相厭氧消化。污泥預處理技術近年來進展較快,具體包括熱水解、超聲細胞破碎、微波細胞破碎、生物酶水解、聚焦電脈沖和化學細胞破碎等技術,目前應用較多的是熱水解技術,這些預處理技術可使厭氧消化的能源轉化率進一步提高。傳統厭氧消化技術可使污水處理實現20%~30%的能源自給率,預處理、高級厭氧消化、渦輪發動機或燃料電池以及熱電聯產等技術的耦合使用,有望使污水處理實現30%~50%的能源自給率,及大大降低間接碳排放量,又降低甲烷產生并逸散導致的直接排放。

 

2.3探索可持續新工藝

 

    基于有機污染物去除的可持續污水處理新工藝主要是厭氧處理技術,能耗低,且可回收能源。高濃度有機廢水的厭氧技術已成熟,但城市污水有機物濃度低,厭氧處理存在投資大和占地大等障礙。 目前,城鎮污水厭氧處理方向研究的熱點是厭氧膜生物反應器AnMBR,與傳統厭氧工藝相比,可大幅度減少占地,但技術成熟度離生產性應用尚存在差距。

 

    另一類可持續污水處理工藝是低能耗、低碳源消耗的脫氮工藝,有很多種類,但主要包括基于短程反硝化原理的SHARON工藝和基于厭氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工藝。與傳統的AAO工藝相比,SHARON工藝可節約25%的能耗、40%的碳源消耗,而ANNAMOX工藝可節約60%的能耗、90%的碳源消耗。目前,SHARON和ANNAMOX在高濃度氨氮污水處理中已較成熟,在污泥回流液處理中已有一批成功案例。在典型城鎮污水處理上雖有進展,但離實際應用仍有差距。

    未來革命性的可持續污水處理工藝方向是碳氮兩段法:首先對污水中的有機物進行分離,分離出的污泥通過厭氧消化產生CH4,或對污水直接進行厭氧處理產能,分離后含有氨氮的污水通過主流厭氧氨氧化進行脫氮。按照Kartal等人的理論估算,采用現在的活性污泥法,處理1人口當量的污染物需要耗電44 W˙h,而采用上述碳氮兩段法,處理1人口當量的污染物將產生24 W˙h能量,從而使污水處理廠真正成為“能源工廠”,且污泥產量僅為活性污泥法的四分之一。

 

3我國城鎮污水處理行業碳減排潛力

 

    碳減排潛力包括現實可得潛力和最大可得潛力,前者是指在現有的技術經濟條件下可以挖掘的潛力,后者是通過可預見的技術經濟進步未來能夠挖掘的潛力。

 

3.1我國城鎮污水處理行業碳減排現實可得潛力(RAP)

 

    提高污水處理綜合能效可以挖掘第一部分現實可得潛力。目前,我國污水提升泵站水泵普遍存在級配不合理、揚程偏大、沒有變頻裝置及自動編組控制等現象,按照國際經驗及國內已有成功改造案例,通過采用高效機電設備、加強負載管理和建立需求響應機制等路徑,可實現20%~50%的減排潛力。對于混合攪拌單元,普遍存在攪拌器機械效率低、功率輸入大、過度攪拌等現象,按照國際經驗及國內已有成功改造案例,通過采用高效機電設備、加強負載管理和建立需求響應機制等路徑,可實現20%~40%的減排潛力。對于曝氣系統,普遍存在鼓風機出口壓力過大、曝氣器效率低、未設置曝氣控制系統等狀況,按照國際經驗及國內已有成功改造經驗,通過采用高效機電設備、加強負載管理和建立需求響應機制等路徑,可實現20%~30%的減排潛力。對于污泥脫水單元,只有自控溶藥裝置,目前還沒有投藥量控制系統,按照國際經驗及國內已有成功改造經驗,通過采用高效機電設備、加強負載管理和建立需求響應機制等路徑,可實現20%~30%的減排潛力。綜上,在2015年基礎上,通過提高污水處理綜合能效,每處理萬立方米污水可挖掘的現實可得潛力為284.9~509.2 t CO2當量。

    大力回收能源可以挖掘第二部分現實可得潛力。美國年產污泥750萬干噸,建設了650座集中厭氧消化設施,將58%的污泥進行了厭氧消化。設置76套熱電聯供系統(CHP),總裝機裝機容量220 MW,且正在迅速增加。歐盟國家年產污泥800萬干噸,50%以上進行了厭氧消化,英國厭氧消化率達到66%,總體能源自給率約20%。目前,我國年產污泥約540萬干噸,僅有不到五十座消化設施,厭氧消化率不足5%,存在較大能量開發與回收空間,由此可挖掘的碳減排潛力很大。通過采用預處理、高級厭氧消化以及熱電聯產(CHP)等技術,將污泥厭氧消化比例提高到55%,可實現15%~25%的能源自給,實現間接減排量210.0~350.4萬t CO2當量。目前,全行業污泥總體以填埋為主,

    如不進行厭氧消化,厭氧消化產生的甲烷將逸散產生直接排放。將污泥厭氧消化比例提高到55%,減少的直接碳排放為425.2萬~708.7萬t CO2當量。綜上,回收能源的現實可得潛力為635.2萬~1 059.1萬t CO2當量。

    綜合提高能效和能源回收的減排潛力,全行業全年可實現間接碳減排494.9萬~859.6萬t CO2當量,為2015年間接碳排放量的33.6%~58.4%。加上厭氧消化同步實現的直接碳減排量,全行業全年碳減排現實可得潛力為920.1萬~1 568.3萬t CO2當量,為2015年總碳排放量的23.1%~39.4%。

 

3.2我國城鎮污水處理行業碳減排最大可得潛力(MAP)

 

    選擇新型的節碳工藝,降低能耗、避免外加碳源,是減少生物處理過程碳排放的關鍵。短程硝化反硝化、厭氧氨氧化和反硝化除磷技術是廣受關注的節碳工藝。短程硝化反硝化技術可節約25%左右的需氧量和40%左右的碳源,減少50%左右的污泥量;厭氧氨氧化可節省60%的需氧量,不需額外投加碳源,并且高負荷,低污泥產量;反硝化脫氮除磷可節省30%左右的需氧量和50%左右的碳源,減少50%左右的污泥產量。未來,如厭氧氨氧化工藝獲得突破并得以普遍應用,能耗將在現有基礎上進一步降低30%,全部碳源將用于高效厭氧消化,產生的能量足以覆蓋能耗,污水處理將不再產生間接碳排放,成為名副其實的“能源工廠”,這是污水處理行業碳減排最大可得潛力(MAP)。

 

(來源:給水排水 作者:王洪臣 中國人民大學教授 博導 環境學院副院長)  

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