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王洪臣:污水处理行业如何实现碳减排?
更新时间:2017-01-13 来源:水工业市场杂志 作者:王洪臣

  全球变暖导致的自然灾害频发、生态系统退化,是当今人类可持续发展面临的最大挑战。在全球变暖的严峻形势下,国际社会积极采取应对措施。2016年4月22日,170多个国家在纽约签署了全球性的气候新协议《巴黎协定》,承诺将全球气温升高幅度控制在2℃之内。2016年9月3日,中国加入《巴黎协定》,与各国一道积极应对全球气候变化,承诺到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40-45%,到2030年下降60-65%。

  按照主要发达国家的统计,污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的1-2%,位居前十大碳排放行业,是不可忽视的减排领域。据美国EPA2016年温室气体历年排放清单统计,2014年美国污水处理行业N2O的碳排放当量和CH4的碳排放当量分别占全社会相应碳排放当量的1.2%和2.0%。据欧洲统计办公室(Eurostat)2014年欧洲统计报告,污水处理与固体废弃物处理组成的废物处理行业是第五大碳排放行业,占全社会总碳排放量的3.3%。

  发达国家污水处理行业的碳减排

  1.美国

  美国对污水处理厂出水水质及达标有严格要求,在运营管理方面有一套九步骤的能源管理系统方案,并且非常注重高效设备的使用,这使得美国污水处理厂能量效率大大提高,总体能耗下降了大约10%,每年节省电耗100多亿kWh,也即每年节约了将近75亿美元的花费。具体来说,美国EPA主要通过使用高效的机电设备,配合控制策略和管理手段来实现。EPA还提出了污水处理厂提高能效的多项技术,内容主要涉及泵、曝气、搅拌等高能耗单元,这些新型设备的应用可以为污水处理厂的运行节省大量投资成本与能耗。美国EPA预测在下一个15年里,污水处理厂的电能消耗将增加20%。

  2.加拿大

  加拿大污水处理厂强调全厂控制,对于目前我国污水处理厂处于粗放调控的现状具有很强的指导作用。目前正在广泛应用的CCP综合校正技术严格地分为两个阶段四个步骤,重点在于对污水处理厂设备的自我评估、性能短板和存在问题的识别、处理性能的改善和提高,内容涵盖了预处理、一级处理、二级处理和某些具体单元运行过程的优化技术与建议,重视运行优化调试过程中指标的监测和控制设备的使用。该技术已在北美污水处理厂运行优化中大量采用,并已渐成技术体系。

  3.欧盟

  欧盟在污水处理方面强调应用先进的控制技术,提倡各方广泛地研究与交流。针对污水处理的精确控制,欧盟开展了各国间的科技合作,为污水处理厂提标或新建厂提供技术支持。应用精确的数学模型控制化学混凝,实现了污水处理厂可以根据进水水质及水量按比例精确加药,达到了节省絮凝剂消耗、提升自动化控制水平、提高出水水质和降低污泥管理成本的目的。欧洲已经成功的污水处理厂案例显示,采用智能加药控制系统能成功地优化加药剂量,每年药剂节约量可达18%,污泥产量减少33%,在稳定出水水质的前提下,大大减少了碳排放量,减少了药剂购买以及污泥处理的费用。

  4.日本

  日本应对污水处理碳减排采取了一系列综合的措施,首先是高效设备的应用,例如在曝气环节采用微孔曝气器,可减少20%的曝气能耗;在污泥处理环节采用带涡轮增压的流化床焚化炉,可降低85%的N2O产生量,降低4%的CO2排放量;其次是能源的回收和新型能源的利用,例如污泥厌氧消化产气的回收、太阳能的利用、污泥生物质能的利用等等;另外,日本强调加强与学术机构和其他企业的合作,研发新的管理方式和处理技术,实现污水处理的低碳运行。

  中国污水处理行业碳排放状况

  我国城镇污水处理设施经过“十一五”和“十二五”时期的高速建设,已经形成规模化的处理能力。污水处理过程造成了大量的碳排放,据估算,2003-2009年我国污水处理过程的直接排放类温室气体量均呈逐年增加趋势,自2003年的0.53亿吨CO2当量增加到2009年的0.75亿吨CO2当量,年平均增加5.95%。2015年,我国污水处理行业总电耗高达140亿kWh,单位电耗为0.275kWh/m³。

  随着各地提标改造的实施,我国污水处理能耗将进一步增大。面对巨大的能耗物耗,污水处理领域的碳减排工作已迫在眉睫。由国外污水处理行业发展现状来看,“以高能耗高物耗为基础的优质出水”以及由此带来的“减排水污染物、增排温室气体”局面不利于我国污水处理行业的健康发展,低碳污水处理应是未来的发展方向。

  对全国3830座污水处理厂进行了数据整理与统计,对华北地区、华东地区、华南地区、东北地区和西北地区共计26座污水处理厂进行了实地调研工作。基于各地区代表性污水处理厂典型工艺运行数据分析及实际监测,按照IPCC方法学以及相关方法学研究,2015年全国污水处理逸散CH4和N2O产生的直接碳排放量为2512.2万吨CO2当量,电耗产生的间接碳排放量为1401.6万吨CO2当量,絮凝剂消耗产生的间接碳排放量为70.9万吨CO2当量。综上,2015年中国污水处理行业碳排放量为3984.7万吨CO2当量,单位水量的碳排放当量(碳排放强度)为0.78kg/m³。

  如何实现中国污水处理行业的碳减排?

  污水处理厂是削减水中污染物最主要的环节,但在此过程中也产生了大量的碳排放。国际上,节能减排已是城镇污水处理系统的发展方向,而发展的核心是将成熟的节能技术和高效的机电设备在系统上进行集成,并且提高现有的运营管理水平。如美国重视高效机电设备的应用,加拿大重视全厂的优化运营,欧盟强调药剂投加的科学控制,日本通过新型曝气设备和新式污泥处理系统,减少了系统能耗和N2O的排放。

  按照国际经验,采用高效的设备,对水厂运行过程进行优化控制,电耗可降低20-50%,则进行水厂的提效改造可节省耗电量为28-70亿kWh,相当于减少排放CO2e 279-698万t/a,产生效益约为22.4-56亿元人民币。

  目前我国污水处理厂在运行过程中,既有由于运行调控的不合理以及管理不当所导致的能源浪费,也有各处理单元设备效率低下造成的碳排放量过高。对于中国污水处理厂的低碳运行有两个方面需要重视:一是基于全生命周期的碳排放量低,主要面向污水处理过程中所用的构筑物、产品或服务;另一种是终端消耗的碳排放量低,需要关注处理电耗、药耗以及运营过程中的节能减排。

  1.提高污水处理综合能效

  第一,采用高效机电设备,新建设施直接采购高效设备,已有设施逐步更新成高效设备。污水处理机电设备主要包括水力输送、混合搅拌和鼓风曝气三大类。采用高效电机通常可实现5-10%的效率提高。

  第二,加强负载管理,满足工艺要求的前提下要使负载降至最低,同时,设备配置要与实际荷载相匹配,避免“大马拉小车”。主要包括以下几个方面:①污水提升以及污泥回流等单元的水力输送设备绝大部分时段在低效工况运行,应予以改造。②污泥混合搅拌设备的设计搅拌功率普遍偏大,处于过度搅拌状态,准确把握搅拌器与介质之间力和能量的传递关系,可以准确衡量实际工况所需搅拌器的大小,有效避免电耗浪费。③优化推进器和曝气系统的位置和距离,可以使系统的能量损失最小。④曝气系统的电耗约占污水处理总电耗的50-70%,是加强负载管理的重点。

  第三,建立需求响应机制,根据实际工况的需求及其变化,动态调整设备的运行状态。目前污水行业已经出现感应式调速和线性调速的水力输送和搅拌设备,此类设备可以有效优化水力输送和搅拌系统的整体运行情况,实现节能降耗。采用内置智能控制系统的水力输送设备和搅拌器,在特定工况条件下,与传统设备相比,甚至可以节省50%以上的能耗。

  2.大力回收能源

  污水中蕴含着大量的能量,理论上是处理污水所需能量的很多倍。污水经处理后,其中的能量大部分转移到了污泥中,因此开发回收污泥中的能量具有极大的潜力。污泥能源化主要集中在厌氧方向,污泥厌氧能源化包括厌氧发酵产乙醇、厌氧发酵产氢和厌氧消化产甲烷三个技术路径。

  传统厌氧消化技术能源转化率在30-40%,而高级厌氧消化技术可提高到50-60%。高级厌氧消化技术包括高温厌氧消化、温度分级厌氧消化(TPAD)、酸—气两相厌氧消化和延时厌氧消化。

  采用传统厌氧消化技术可使污水处理厂实现20-30%的能源自给率,预处理、高级厌氧消化、涡轮发动机或燃料电池以及热电联产(CHP)等技术的耦合使用,有望使污水处理实现30-50%的能源自给率,及大大降低间接碳排放量,又降低甲烷产生并逸散导致的直接排放。

  3.探索可持续新工艺

  (1)针对有机物去除的工艺

  基于有机污染物去除的可持续污水处理新工艺主要是厌氧处理技术,能耗低,且可回收能源。高浓度有机废水的厌氧技术已成熟,但城市污水有机物浓度低,厌氧处理存在投资大和占地大等障碍。目前,城镇污水厌氧处理方向研究的热点是厌氧膜生物反应器AnMBR,与传统厌氧工艺相比,可大幅度减少占地,但技术成熟度离生产性应用尚存在差距。

  (2)针对脱氮的低能耗、低药耗工艺

  低能耗、低碳源消耗的脱氮工艺主要包括基于短程反硝化原理的SHARON工艺和基于厌氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工艺。与传统的AAO工艺相比,SHARON可节约25%的能耗、40%的碳源消耗,而ANNAMOX工艺可节约60%的能耗、90%的碳源消耗。目前,SHARON和ANNAMOX在高浓度氨氮污水处理中已较成熟。ANNAMOX工艺在典型城镇污水处理上虽有进展,但离实际应用仍有差距。

  (3)碳氮两段法工艺

  未来革命性的可持续污水处理工艺方向是碳氮两段法:首先对污水中的有机物进行分离,分离出的污泥通过厌氧消化产生CH4,或对污水直接进行厌氧处理产能,分离后含有氨氮的污水通过主流厌氧氨氧化进行脱氮。根据理论估算,采用上述碳氮两段法,处理1人口当量的污染物将产生24瓦时能量,使污水处理厂真正成为“能源工厂”,且污泥产量仅为活性污泥法的四分之一。

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