1.2.4 碳源回收和儲存利用

溫室效應是影響和威脅人類社會氣候變化的一個重要因素,CO2是全球溫室效應的最大影響因素,因此,減少其排放成為當務之急。CO2的收集、利用和儲存(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存(BECCS)工藝,以城市固體廢物的有機部分(OFMSW)為原料,以負碳向的方式生產生物CH4,這種方式既可以處置多余沼液,也可以實現可持續發展目標。通過對西班牙加泰羅尼亞5個污水廠的能量平衡分析表明,污水中所含的67%的能量可以轉移到污泥中,通過將這些污泥轉化為沼氣,52%的能量可以被回收。厭氧工藝可從有機流中生產富CH4。厭氧的液體和固體殘渣被稱為消化渣,可用作肥料。生物質是一種可再生能源,煤與生物質共利用可以顯著降低碳排放。此外,化學循環燃燒(CLC)是一種不需要對煙氣進行任何后處理的固有捕獲CO2的技術。將混合燃燒過程與CLC技術相結合,如果捕獲的CO2能夠被適當存儲,就可以形成一個有效的碳負系統。由于CLC體系中的氧化劑與燃料沒有直接接觸,顯著降低了熱NOx的生成。因此,CLC是一種可行的低能耗、高效實施碳捕捉和儲存的技術。HaldorTopsΦe的TREMPTM甲烷化技術可以將生物質氣化的合成氣轉化為純度為95%～98%的CH4,該技術已成功應用于GoBiGas 20 MW的工廠作為示范。污水處理廠生產的沼氣在減少CO2排放和水-能源關系背景下的能源需求方面起著決定性的作用。為了減少對化石燃料的依賴,Poblete等利用了沼氣聯合循環與碳捕獲和儲存技術能夠實現負碳排放。另外,生物電化學系統(BESs)可以直接將有機能轉化為電能或有價值的產品,如CH4或H2。雖然這有望實現更高效的轉化,但受限于反應速率較低,要將其轉化為實用技術需要付出巨大的努力。例如,在我國哈爾濱運行的一個微生物燃料電池(MFC)試點表現很差,僅將有機物質中7%的能量轉化為電能。

Huang等提出了基于現有工藝的碳能量線,這條路線包括有機碳捕獲、生物處理和熱化學轉化階段,適合于通過厭氧發酵生物處理平臺進行生物能源生產和資源回收的流程,城市污水中的有機物可以被分離為化學富集沉淀物或污泥。具體路線如圖4所示。另外,經過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充工藝。

1.3可持續處理新工藝的研究進展

前部的“碳捕捉”技術,可以截留60%以上的碳源,而經二級處理后的進水中CODCr濃度偏小,很難滿足常規脫氮除磷工藝對碳源的要求。短程硝化與常規的硝化法同時結合反硝化技術相比,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,達到了O2和CODCr的雙重節約,如圖5所示。

在這些新興技術中,厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝已成功應用于實踐,ANAMMOX是一種不需要有機碳的新型脫氮技術,它的消耗只有常規方法的1/3,能顯著減少曝氣的能耗和操作成本。根據理論計算,應用ANAMMOX工藝對外部碳源的需求減少了100%。然而,該工藝主要用于側流處理,將其轉變為主流工藝仍然具有挑戰性。Ali 等提出了一種將MFC和ANAMMOX工藝相結合的污水綜合處理系統,可以有效地回收能源,改善出水水質。在較低的能源投入下,可獲得較好的出水水質(CODCr去除率約為95%,氮去除率約為85%)。但是單一的ANAMMOX技術存在厭氧氨氧化菌(AAOB)生長緩慢且對環境敏感使反應器難啟動的問題。所以在短程硝化的基礎上,出現了進一步與ANAMMOX耦合的典型工藝,工藝流程如圖6所示。SHARON-ANAMMOX聯合技術與常規硝化反硝化技術相比較,可節約50%的硝化曝氣,節約100%的附加碳資源,即降低CO2排放,并生產少量污泥。

對于節能回收技術的創新,應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,厭氧膜生物反應器(AnMBR)得到了發展。在厭氧過程中,耦合膜可以保留懸浮物,而不是讓它們流失。通過延長材料的降解時間,AnMBR為低強度城市污水處理提供了可能。然而,膜污染成為阻礙該技術結垢的最大挑戰。由于污水中含有大量的有機物和營養物質,新興的處理工藝已經被開發出來,以捕獲這些有價值的資源,并將其轉化為增值產品如鳥糞石、藍鐵礦、生物柴油、生物塑料、生物炭和蛋白質。此外,已經證明資源回收內部污水處理廠在實現碳中和方面發揮著重要作用。例如,鳥糞石降水過程對全球變暖的減緩效應模擬為3%～38%。對于有機碳來說,生物塑料合成是從城市污水中提取有機碳并將其升級為化工商品的最有前途的途徑之一,也具有廣闊的應用前景。

2 節能減排技術工藝應用案例

在我國城市碳中和作業實踐中,已經有很多城市的污水處理廠進行了實際應用的實踐,表3為國內及國外典型的低碳運行案例。

美國Sheboygan污水處理廠初步建立了一套以AO為主要生產流程的方案,將污泥水解-酸化、混合基質厭氧共消化和污泥濃縮等新技術相融合,并實施了一套節能方案,到2013年該技術已基本達到了自供。奧地利Strass污水處理廠作為一個比較成功的案例表明,回收的化學能可以彌補2003年全年總能耗的80%;通過其他改進,包括添加有機廢物,2012年Strass污水處理廠實現了158%～178%的能源自給自足。以上兩個污水廠的經驗對于我國來說非常有借鑒意義,在我國,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行共消化。德國Bochum-lbachtal污水處理廠為三階段入水預脫氮,生物處理部分為化學除磷,利用厭氧法與熱電聯產相結合的技術,可以實現96.9%的能量自給,經過核算,可以實現63.2%的碳中和率。青島市海泊河污水處理廠利用熱電聯產,在一年多的時間里,其發電效率已接近30%,節能效益顯著,而采用該系統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,通過控制廢氣的排放,可以有效降低工廠的能源消耗,同時也可以有效地減少煙塵對周圍的環境的影響。關于污水處理管理、設備革新的應用情況,Khatri等使用水力旋流器和智能曝氣控制來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省曝氣電量71.46%。通過研究印度北部不同城市的7個污水處理廠的運行性能,結果表明UASBs和簡單的有氧系統是一種有前途的技術,特別是在印度,可以以低成本達到回用水所需的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,并證明該工廠產生的熱源是一種有價值的熱源。Bruno等使用吸收式制冷機來幫助提高位于污水廠的沼氣驅動的微型燃氣輪機(MGT)熱電聯產廠的性能。

3 結論與展望

我國作為全球最大的能源消費國和CO2排放國,具有巨大的碳減排潛力和綠色發展潛力,然而,就當前污水處理技術的低碳運行現狀而言,仍然有許多瓶頸問題成為了污水處理廠實現碳中和的阻礙。

(1)針對污水廠設備與管理存在的不足,在未來污水處理廠可以利用互聯網+、大數據、人工智能等前沿信息通信技術耦合先進節能、用能技術降低污水處理領域碳排放,同時通過信息通信技術優化或重塑污水處理行業技術環節,從源頭減少能源、資源、信息領域消耗帶來的碳排放。

(2)用于采暖的污水源熱泵對熱量價格變化比較敏感,城市熱水管網建設滯后嚴重阻礙了該技術的大規模應用。光伏發電產生的電量有限,僅占總能耗的10%左右。在今后的研究中,應該將目前的研究結果與之相融合,發展出更穩定的能量儲存技術。污泥厭氧消化過程易受環境條件的影響,消化污泥不易沉淀。碳捕捉目前存在投資大、要求高等劣勢,該技術現在的痛點是如何將捕捉到的CO2安全、大規模、高效地資源化。

(3)在我國今后的發展中,要充分吸收國內外先進的污水碳中和技術,以發展污水中的有機潛力以及新的低碳技術為中心,從提高裝置節能、改善生產操作方式等方面著手,達到低碳運行的目的。