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      污水處理行業如何實現碳中和?

      文章來源:本站 發布時間:2021.11.16 瀏覽數:

            全球變暖愈演愈烈,其主要原因在于大量的溫室氣體二氧化碳的排放。為此低碳生產、生活勢在必行,于是近年來許多學者提出了碳中和理念。在污水處理過程中污水中的COD被微生物消耗,卻產生了溫室氣體二氧化碳并排入了空氣當中,與此同時曝氣等過程中的動力消耗也產生了許多溫室氣體。水污染解決了卻將污染轉移到了空氣中。粗略估計,2030年中國整個污水處理行業的溫室氣體將達到全國溫室氣體排放量的2.95%,因此污水處理行業轉變方向,實現低碳甚至零碳污水處理勢在必行。

      一、 污水處理過程中的碳中和

            污水實際上是一種資源與能源的載體,污水中含有大量的有機物,有機物是一種含能物質,且污水中還含有大量的植物營養素(氮、磷、鉀)。污水處理實質是通過人工各種復雜技術手段,不惜消耗資源與能量,來分離、降解、轉化污水中的污染物(絕大多數為有機污染物)的復雜過程。換言之,污水處理是一種消耗能源的碳排放過程,或者是一種從水污染向大氣污染的逐漸演變過程。傳統的污水處理手段是利用細菌代謝污水中的有機物,為了使工作效率提高,還需大量的動力來曝氣,增加水中的DO (溶解氧) ,在此過程中,細菌代謝會產生大量的CO2,為提供曝氣所用的動力也會產生大量的CO2。
      抵消的碳排放包括哪些呢?
            首先是能耗,主要是電耗。從能量轉化的角度來說,傳統污水處理模式本質是以能耗換水質。我們使用大量電能以去除污水中的污染物,間接產生大量二氧化碳排放。其次是污水處理需要消耗大量燃料和藥劑,間接排放大量溫室氣體。另外,好氧段需要曝氣,大量曝氣需要大功率的鼓風機來提供高風量,其過程電耗較高。
            碩特環保通過不斷的技術創新,主要從節能減排、資源再利用等方式來實現碳中和。
        二、碩特環保處理技術
       
            如上述公式所示,有機物COD直接被氧化至CO2以這種”以能消能”方式去除,不如盡可能轉化為可再生的能源物質(如CH4),使之達到碳中和目的,這樣就可以大大減少對外部能源(化石燃料)的消耗,減少因發電而間接產生的碳排放。
      1.厭氧處理技術
            污水首先進入厭氧反應器底部的混合區,并與來自回流管的內循環泥水混合液充分混合后進入第一反應室進行污染物的生化降解,此處的COD容積負荷很高,大部分進水COD在此處被降解,并產生大量沼氣。沼氣由下層三相分離器收集,并沿著回流管上升。沼氣上升的同時把第一反應室的混合液提升至IC厭氧反應器頂部的氣液分離器,沼氣在此處與泥水分離并被導出反應器。泥水混合物則沿著回流管返回反應器底部,并與進水充分混合進入第一反應室,形成內循環。經過第一反應室處理過的污水,會自動進入第二反應室繼續處理。產生的沼氣由第二反應室的集氣罩收集,通過提升管進入氣水分離器。第二反應室中的混合液在沉淀區進行固液分離,處理過的上清液由出水管排出,沉淀的污泥可自動返回到第二反應室。

            污水經厭氧反應器處理后產生大量沼氣,厭氧產生的沼氣的主要成分是甲烷,甲烷是最清潔的能源物質,沼氣經凈化后可作為能源利用,從而將水中的有機物污染物最終轉化為電能,不僅減少了外部能源(化石燃料)的消耗,而且避免了有機物轉化為二氧化碳排放到大氣中。
      2.短程硝化反硝化工藝處理技術
      1)基本原理
           傳統的生物脫氮工藝都需要經過硝化與反硝化兩個完整的過程,而短程硝化反硝化是將氨氮的硝化過程控制在亞硝態氮階段,實現系統內亞硝態氮的大量積累,然后在一定的條件下,系統中的反硝化細菌以有機物基質作為電子供體,將亞硝態氮還原為氮氣,從而達到脫氮的目的。反應方程式如式(1-1)、式(1-2)所示:
      亞硝化:NH4+−N + 1.5O2 → NO2‾−N + H+ + H2O              (1-1)
      反硝化:6NO2‾−N + 3CH3OH + 3CO2 → 3N2 + 6HCO3‾ + 3H2O  (1-2)
            由上式可知,短程硝化反硝化是按照NH4+−N→NO2‾−N→N2的途徑進行脫氮,本技術充分利用這一反應機理,將硝化反硝化系統進水有機物濃度控制的盡可能的低(即將大量有機物盡可能用于前端厭氧系統產甲烷)的情況下,控制溶解氧在1mg/L以下(常規的硝化過程溶解氧在2mg/L以下),將高氨氮的垃圾滲濾液進行短程硝化反硝化脫氮,不僅減少了碳排放,而且降低了生化過程中的風機能耗。
      2)技術特點
      本技術為碳中和所作出的貢獻主要有以下三點:
      1.能耗降低。有數據表明,我國污水處理廠噸水電耗一般在0.15~0.28kWh范圍。其中,曝氣鼓風機電耗所占比例為56.2%。雖然不同處理工藝能耗有所不同,但曝氣系統總體能耗占比最大是事實。因此,污水處理工藝節能降耗關鍵點在升級改造曝氣系統。曝氣系統主要是提供微生物所需的溶解氧,因此節能的核心是精準掌控微生物的生長過程,防止過度曝氣,也要防止曝氣不足。使噸水電耗較傳統工藝大幅降低。短程硝化過程中將NH4+-N的氧化控制在NO2‾-N階段,此過程中的溶解氧較低。普通AO工藝的溶解氧≥2mg/L,我司將溶解氧控制在1mg/L以內,降低風機能耗50%左右,明顯節省運行費用。
      2.能源再利用。反硝化過程中NO2‾-N直接還原為氮氣,所需有機碳源較NO3‾-N還原氮氣的低,本技術所消耗的C/N在2.5左右,而常規的硝化反硝化的C/N需大于4,至少可節省30%以上的碳源,節省的這部分碳源可以用于前端厭氧系統產生沼氣,用于發電,實現“變廢為寶”,避免生化過程大量碳源消耗。
      3.碳減排。污水通過生化工藝處理后,水中的部分有機物在微生物的作用下,生成了微生物自身的細胞物質和產生污泥,污泥進行填埋,從而避免了這部分有機物轉化為二氧化碳排放到大氣中,實現碳中和的目的。

      三、 中原地區滲濾液處理實際案例
      1.工藝流程圖

      2.工藝流程說明
      1)厭氧硝化:滲濾液經厭氧硝化產生生物氣體(沼氣),其中厭氧產生的沼氣的主要成分是甲烷,厭氧硝化產生可再生能源一CH4可焚燒發電,從而實現碳中和目的。
      2)生物處理:兩段式AO工藝,A段是充分吸附轉化原污水中的有機物,氮和磷也會因細菌合成或化學沉淀而明顯減少;O段通過曝氣池生物降解去除污水中的有機物,普通的NH4+通過硝化作用被氧化成NO3-,NO3-通過反硝化作用生成N2被去除,該藝中溶解氧≥2mg/L,本項目我公司采用短程硝化反硝化技術,可將溶解氧控制在1mg/L以內,降低鼓風機能耗。
      3)污泥濃縮:在將AO段產生的剩余污泥,首先要濃縮污泥,減少剩余污泥的體積。
      4)為節省碳源,充分利用滲濾液中的BOD為反硝化提供碳源,提高能源回收效率,最大程度上降低外加化學品的消耗,在更廣意義上減少對社會總體資源與能源消耗,并降低化學品的引入對污水處理廠出水、出泥帶來的環境風險。

      四、 未來工廠

            未來要做的不是將污水處理站/廠改造為單一的營養物、能源或再生水工廠,而是要盡可能更多地發掘污水資源/能源化潛力,在同一污水處理站/廠內實現營養物、能源和再生水三位一體的生產廠(NEWs) 。
            就目前來看碳中和已有一些國內外實踐成功的經驗,我們有理由相信,中國污水處理行業將很快為碳中和戰略做出積極貢獻。碩特環保將系統全面地開展碳減排工作,不折不扣地緊隨國家“十四五”規劃,在不斷提升污水處理效果的前提下,挖掘所有潛力降低能耗、物耗,最大程度地減少碳排放,堅持低碳污水處理。

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