1.2.4 碳源回收和儲(chǔ)存利用

溫室效應(yīng)是影響和威脅人類(lèi)社會(huì)氣候變化的一個(gè)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(chǔ)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(chǔ)存(BECCS)工藝,以城市固體廢物的有機(jī)部分(OFMSW)為原料,以負(fù)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(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。通過(guò)對(duì)西班牙加泰羅尼亞5個(gè)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(guò)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(jī)流中生產(chǎn)富CH4。厭氧的液體和固體殘?jiān)环Q(chēng)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(duì)煙氣進(jìn)行任何后處理的固有捕獲CO2的技術(shù)。將混合燃燒過(guò)程與CLC技術(shù)相結(jié)合,如果捕獲的CO2能夠被適當(dāng)存儲(chǔ),就可以形成一個(gè)有效的碳負(fù)系統(tǒng)。由于CLC體系中的氧化劑與燃料沒(méi)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(shí)施碳捕捉和儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)存技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)碳排放。另外,生物電化學(xué)系統(tǒng)(BESs)可以直接將有機(jī)能轉(zhuǎn)化為電能或有價(jià)值的產(chǎn)品,如CH4或H2。雖然這有望實(shí)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(shí)用技術(shù)需要付出巨大的努力。例如,在我國(guó)哈爾濱運(yùn)行的一個(gè)微生物燃料電池(MFC)試點(diǎn)表現(xiàn)很差,僅將有機(jī)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(jī)碳捕獲、生物處理和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化階段,適合于通過(guò)厭氧發(fā)酵生物處理平臺(tái)進(jìn)行生物能源生產(chǎn)和資源回收的流程,城市污水中的有機(jī)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(guò)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(bǔ)充工藝。

1.3可持續(xù)處理新工藝的研究進(jìn)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(jí)處理后的進(jìn)水中CODCr濃度偏小,很難滿足常規(guī)脫氮除磷工藝對(duì)碳源的要求。短程硝化與常規(guī)的硝化法同時(shí)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(dá)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(shí)踐,ANAMMOX是一種不需要有機(jī)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(jì)算,應(yīng)用ANAMMOX工藝對(duì)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(zhǎng)緩慢且對(duì)環(huán)境敏感使反應(yīng)器難啟動(dòng)的問(wèn)題。所以在短程硝化的基礎(chǔ)上,出現(xiàn)了進(jìn)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(duì)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(lái),厭氧膜生物反應(yīng)器(AnMBR)得到了發(fā)展。在厭氧過(guò)程中,耦合膜可以保留懸浮物,而不是讓它們流失。通過(guò)延長(zhǎng)材料的降解時(shí)間,AnMBR為低強(qiáng)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(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),新興的處理工藝已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái),以捕獲這些有價(jià)值的資源,并將其轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)品如鳥(niǎo)糞石、藍(lán)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(shí)現(xiàn)碳中和方面發(fā)揮著重要作用。例如,鳥(niǎo)糞石降水過(guò)程對(duì)全球變暖的減緩效應(yīng)模擬為3%～38%。對(duì)于有機(jī)碳來(lái)說(shuō),生物塑料合成是從城市污水中提取有機(jī)碳并將其升級(jí)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(guó)城市碳中和作業(yè)實(shí)踐中,已經(jīng)有很多城市的污水處理廠進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用的實(shí)踐,表3為國(guó)內(nèi)及國(guó)外典型的低碳運(yùn)行案例。

美國(guó)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(shí)施了一套節(jié)能方案,到2013年該技術(shù)已基本達(dá)到了自供。奧地利Strass污水處理廠作為一個(gè)比較成功的案例表明,回收的化學(xué)能可以彌補(bǔ)2003年全年總能耗的80%;通過(guò)其他改進(jìn),包括添加有機(jī)廢物,2012年Strass污水處理廠實(shí)現(xiàn)了158%～178%的能源自給自足。以上兩個(gè)污水廠的經(jīng)驗(yàn)對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)非常有借鑒意義,在我國(guó),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(jìn)行共消化。德國(guó)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(shí)現(xiàn)96.9%的能量自給,經(jīng)過(guò)核算,可以實(shí)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(shí)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(guò)控制廢氣的排放,可以有效降低工廠的能源消耗,同時(shí)也可以有效地減少煙塵對(duì)周?chē)沫h(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(lái)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(guò)研究印度北部不同城市的7個(gè)污水處理廠的運(yùn)行性能,結(jié)果表明UASBs和簡(jiǎn)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(dá)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(jià)值的熱源。Bruno等使用吸收式制冷機(jī)來(lái)幫助提高位于污水廠的沼氣驅(qū)動(dòng)的微型燃?xì)廨啓C(jī)(MGT)熱電聯(lián)產(chǎn)廠的性能。

3 結(jié)論與展望

我國(guó)作為全球最大的能源消費(fèi)國(guó)和CO2排放國(guó),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(yùn)行現(xiàn)狀而言,仍然有許多瓶頸問(wèn)題成為了污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和的阻礙。

(1)針對(duì)污水廠設(shè)備與管理存在的不足,在未來(lái)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(jìn)節(jié)能、用能技術(shù)降低污水處理領(lǐng)域碳排放,同時(shí)通過(guò)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(lái)的碳排放。

(2)用于采暖的污水源熱泵對(duì)熱量?jī)r(jià)格變化比較敏感,城市熱水管網(wǎng)建設(shè)滯后嚴(yán)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?jī)?chǔ)存技術(shù)。污泥厭氧消化過(guò)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(shì),該技術(shù)現(xiàn)在的痛點(diǎn)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(guó)今后的發(fā)展中,要充分吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的污水碳中和技術(shù),以發(fā)展污水中的有機(jī)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(dá)到低碳運(yùn)行的目的。