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蓝色水工厂之框架及相关技术解析
更新时间:2022-08-31 来源:水业碳中和资讯 作者:郝晓地 李季

  人类目前面临的环境压力迫使我们不得不发展循环经济,而强调纳入生态循环的蓝色发展则突显人类回归自然的属性,也是对我们祖先“天人合一”信念的坚守。传统污水处理固然可以清洁污水,但高能耗、高物耗摧毁其中资源/能源的作法难以持续维系。鉴于此,经过多年务实国内外合作,我们特意打造了旨在物质/能量循环、碳中和运行、智慧控制多重目标的“蓝色水工厂(Blue Water Factories, BWFs)”。蓝色水工厂核心技术是好氧颗粒污泥(AGS)及其高值类藻酸盐(ALE)回收工艺,辅以前端纤维素筛分与后续污泥焚烧电/热、磷、金属回收工艺,出水作为副产品被提取热/冷量后回用。总之,蓝色水工厂在最大程度获取资源、能源的同时可实现对环境的“净零(Net-zero)”影响。本期详述蓝色水工厂之框架与涉及相关技术。

  01 蓝色水工厂框架

  蓝色水工厂基于生态循环理念,强调低能耗、少药耗、小空间处理技术,以回收污水中重要资源与能源为追求目标,把工艺过程碳中和运行与智慧控制同时作为目标方向。为此,蓝色水工厂核心技术是好氧颗粒污泥(AGS)及其高值类藻酸盐(ALE)回收工艺,辅以前端纤维素筛分与后续污泥焚烧电/热回收工艺,出水作为副产品被提取热/冷量后回用。顺便,焚烧灰分磷回收同时获得的金属离子可与海水淡化卤水(阴离子)耦合生产混凝剂,残余灰分用则用作建材。

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  蓝色水工厂框架与核心技术被集成于图1,形成以营养物、生物材料、热/电和水回用4个循环。所涉及关键技术为4个单元:

  1)进水纤维素筛分;

  2)好氧颗粒污泥脱氮除磷工艺及其高值类藻酸盐(ALE)回收;

  3)污泥干化焚烧电/热、磷、金属回收工艺与混凝剂制造;

  4)水源热泵提取出水热能后回用。蓝色水工厂全系统可在智慧控制下可实现碳中和运行。

  02 涉及技术/工艺

  2.1 资源化预处理:纤维素回收

  污水生物处理过程中纤维素物质非但难以降解,还会增加曝气量、影响污泥沉淀效果。倒不如在生物处理前端将其筛分出来用作混凝土、沥青添加剂等,既减负污水处理又实现其资源化利用。其实,纤维素筛分非常简单,容易实现,可在沉砂池后安装筛网分离。例如,0.35mm筛网孔径旋转带式过滤机(RBF)即可分离约80%纤维素。

  2.2 生物脱氮除磷与污泥高值资源化

  好氧颗粒污泥技术(AGS)

  AGS技术自它2005年底首先于荷兰奶酪加工废水处理厂落地后,全球范围内趋之若鹜的研究及研发遍地开花。到目前为止,AGS在全球工程应用案例已多达70余例,在我国的工程应用业已开始,且我们自主研发工程示范项目已落地河南淅川(南水北调源头)。AGS技术对缺地新建或既有设施扩容的工业废水、甚至市政污水处理都是一种有效解决方案,可同步实现低碳源生物脱氮除磷。

  目前运行的AGS污水处理工艺都是序批式(SBR),连续式可通过多个SBR反应器协同运行得以实现,亦可开发新型连续流工艺。

  高值类藻酸盐(ALE)物质回收

  AGS剩余污泥中ALE含量高达20%~35%VSS(絮状污泥仅为9%~19%VSS),其性能可与大型天然海藻(海带)形成的藻酸盐相媲美。ALE是污泥具有凝胶特性的重要结构,回收后可用作各类防水/防火材料、增稠剂、乳化剂、稳定剂、粘合剂、上浆剂、种子包衣等。如今,荷兰已兴建了两座提取AGS中ALE的工厂,产品被命名为“Kaumera”(来自新西兰毛利语,“变色龙”之意)。目前ALE年产量已达400t/a,且有望在2030年前突破85000t/a。

  2.3 污泥干化焚烧与磷及金属回收

  污泥干化焚烧

  污泥焚烧已被确定为终极处置方式,AGS污泥在提取ALE后亦可直接焚烧,以最大化有机质能源转化。然而,焚烧前的干化是必不可少步骤,手段多为脱水后(80%含水率)热干化,需要耗能。利用出水余温热能热交换产生的原位热源(50~60 ℃)进行污泥低温干化不失为一种热能有效利用方式。建议厂内分散干化、邻避效应集中焚烧方式实施,从而将不能发电的低品位热能可间接转化为可以发电的高品位热能(800~1 000 ℃)。污泥高温焚烧后完全变为无机灰分,污泥体积可减少至5%~10%,不含任何有机质与致病菌,可以提磷回收金属后用作建筑材料。

  灰分磷回收

  在各种污水磷回收方法中,污泥焚烧灰分磷回收最为直接和有效,因为进水中90%的磷负荷最终都进入了污泥。进言之,焚烧灰分磷回收成本仅相当于从污水和污泥中回收磷成本的80%和24%,而磷回收效率却高达90%。可见,与污泥终极处置路线相一致的灰分磷回收则是未来可持续污水处理发展的必然趋势。

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  2.4 出水余温热能交换与出水利用

  出水余温热能潜能巨大,是化学能的9倍。因水源热泵经济出水温度一般为50~60 ℃,是低品位能源,不能发电,只能直接利用。因此,热/冷就近(3~5 km)直接纳入市政热网是最佳利用方式。在外输供热受阻情况下,可以将热原位低温干化脱水污泥,亦可在北方寒冷地区冬季加热进水等等。

  热量交换后的出水或作为“副产品”形式的中水回用,或排放水环境,特别在冬季接近水体环境温度的排放属于生态排水的范畴。

  2.5 碳足迹与碳中和

  降低碳足迹并实现碳中和运行是蓝色水工厂的内涵之一。所以,建立准确的碳核算方法,摸清污水处理“碳家底”非常重要。以此为基础,通过挖掘污水中潜在有机能和热能完全可以实现碳中和、甚至负碳运行。

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  2.6 基于工艺模拟的智慧控制

  区别于仪表自控,蓝色水工厂以生物处理工艺过程数学模拟心构建智慧控制,且智慧控制系统还可以进一步融入碳中和评价模型,识别碳概念下最佳运行参数与工况。

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  03 “3E”评价

  3.1 能量平衡(Energy)

  我国进水有机物浓度较低,很难通过污泥厌氧消化并热电联产实现能量平衡,只有出水余温热能利用方能弥补能量赤字。基于北方一大型污水处理厂水质、水量(COD=400 mg/L;Q=60万m3/d)数据,获得如图6所示的有机能与热能平衡。该图揭示出,污泥焚烧有机化学能回收与水源热泵余温热能回收结合完全可以实现污水处理厂能量平衡,且有盈余能量可以外输使用。

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  3.2 环境效益(Environment)

  蓝色水工厂以实现污染物零排放,实现环境净零(Net zero)影响作为最高目标,涵盖零能耗、净零碳、零固废与零水耗等4个方面。

  零能耗在图6中已展示无遗,同时净零碳亦可以实现(图7)。副产品中水回用还可以形成零水耗,污泥焚烧及其灰分资源回收利用可以实现零固废。结果,蓝色水工厂可全面实现环境净零影响。蓝色水工厂对环境产生的综合影响总结于图8。

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  3.3 经济效益(Economy)

  蓝色水工厂应用低碳高效的好氧颗粒污泥技术节能、降耗、节地;高值等资源回收可直接创造经济价值;智慧控制可以显著降低运营成本。蓝色水工厂好氧颗粒污泥技术可降低运行成本(按最低30%计),前端纤维素回收与智慧控制措施能降低运行成本约10%。蓝色水工厂资源与能源回收可获得的经济效益有多个方面,包括:

  化学能与热能经济效益,分别为0.25元/m3和1.06元/m3

  ALE回收经济效益,折合0.30元/m3

  磷回收经济效益,折合吨水磷回收效益为0.05元/m3

  水回用经济效益,仍取目前的1.10元/m3

  碳交易经济效益,约为0.02元/m3

  计算可知蓝色水工厂可实现的净利润为2.33元/m3,远远高于CAS污水处理厂的0.15元/m3

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  04 结语

  蓝色水工厂以生态循环为依据,强调营养物、生物材料、热/电和水回用4个循环,对潜在环境危机涉及的两大要素——温室气体和磷短缺现象可以起到有效缓解作用。

  蓝色水工厂所涉及的关键技术分别已分别研发成熟,系统集成为蓝色水工厂已无悬念。蓝色水工厂绝不是梦想,而是可以预见的未来。


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