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[碳中和] 碳中和下污水厂的模样
来源: | 作者:惟创环境 | 发布时间: 81天前 | 87 次浏览 | 分享到:

2021年9月10日,由我司和湖大环境院聚焦 “碳达峰碳中和” (简称“双碳”)战略和生态环保产业的首届春泥论坛在长沙举行,其中多位专家学者提到碳中和污水处理厂这个概念,尤其美国的Sheboygan(希博伊根)污水处理厂被当成美国碳中和运行的典型案例被多次提及,不禁让人好奇该水厂是如何逼近碳中和运行目标的,真正实现能源自给自足的污水厂究竟是什么样子的?让我们一起来探讨一下吧!



概况与处理效果

希博伊根污水处理厂始建于1982年,采用传统活性污泥法工艺。1997年至1999年该厂进行了工艺升级改造,在原有活性污泥法的基础上增加了生物营养物去除(BNR)单元,以实现生物除磷。


至此,该厂形成了一套以A/O工艺为蓝本结合初沉淀、剩余污泥水解-酸化、污泥浓缩于一体的创新工艺,具体流程如图。

Fig.1  Schematic flow-sheet of the Sheboygan WWTP


污水依次流经格栅、旋流沉砂池、初沉/水解-酸化池、厌氧池、好氧池和二沉池,出水经消毒后排入密执根湖。同时,部分回流污泥回流至初沉/水解-酸化池,并在此与初沉污泥水解-酸化,释放出较多挥发性有机酸(VFAs)后沉淀形成剩余污泥;剩余污泥再与外源高浓度食品废物(HSW)混合实施厌氧共消化(Co-digestion),以提高生物气体中的CH4产量。产生的生物气经微型燃气轮机进行热电联产(CHP),为厂区供热、供电。


该厂初始设计流量规模为7万 m³/d,服务人口为86500 人,2012年至2013年平均进、出水水质见表1,两年的平均流量分别为3.7 万m³/d和4万 m³/d


Tab.1  Average influent and effluent qualities between 2012 and 2013


一级处理


原污水经集水井收集后由6台(2×150 kW、3×186 kW、1×373 kW)额定流量均为2680 m³/h(扬程不同)的离心泵提升进入两个自动排污格栅,导致污水提升耗电量为0.077 kW·h/m³污水。


污水经格栅去除较大漂浮物后进入1座直径为6.1 m的旋流沉砂池,以去除污水中的无机砂粒。格栅截留的漂浮物经压缩后与旋流沉砂池中排出的泥砂一同被收集后进行土地填埋处置。


最后,污水进入4座直径为27.4 m、水力停留时间(HRT)为5.67 h的初沉/水解–酸化池。在此处,初沉污泥与部分二沉回流污泥一同进行水解–酸化,释放大部分VFAs后形成供厌氧消化的剩余污泥。



二级处理


二级处理为A/O工艺。污水经历初沉池水解-酸化、沉淀后与回流污泥一起进入2座设有N型廊道的厌氧池(HRT=3.75 h)。每座厌氧池中各安装了8个射流搅拌器,以防止污泥沉淀。


污水经2座厌氧池后各自分别进入2座各安装有1500个微孔曝气头的好氧池(HRT =7.5 h),曝气由2台261 kW的鼓风机(1用1备)提供,由此而导致的曝气耗电量为1943000 kW·h/a。


好氧池混合液最后进入4座直径为32 m的二沉池(HRT =7.25 h),实施泥水分离。其中95%的二沉污泥回流至厌氧池,其余回流至初沉池与初沉污泥一道水解-酸化,同时,借微生物絮凝作用提高初沉池沉淀效果。二沉池出水经氯消毒后排放至距离为480 m的密执根湖中。



污泥处理


剩余污泥(3785 m³/d,含水率为97.5%)连同HSW直接进入3座一级厌氧消化池(体积为4595 m³,SRT =16 d),随后进入1座二级消化池(体积为4 595 m³,SRT = 14 d)。经2级厌氧消化后产生总量为14158 m³/d的生物气体,其中,CH4、CO2、H2S及其他气体含量分别为65% 、30% 、5%。污泥在厌氧消化池中的总固体停留时间为30 d。


消化后形成的熟污泥经机械脱水将含水率从97.5%降至94%,以减少体积。脱水后熟污泥贮存于2个储泥罐中,经充分稳定后用作农业生产肥料,可为农民节省5335 美元/hm²的施肥费用。污泥脱水后形成的上清液被回流至主流工艺的初沉池中,继续循环处理。



能源回收与节能


能源回收


希博伊根污水处理厂,通过剩余污泥与食品废物厌氧共消化产生可再生能源——CH4产生的CH4通过热电联产(CHP)技术产电、产热,电能供污水处理运行使用,热能一方面为消化池维持中温(35℃)提供热量,另一方面可用于冬季污水厂内建筑物取暖。



热电联产技术


CHP技术凭借其高效、清洁、可靠的优点获得了希博伊根污水厂的青睐,该厂将10台30 kW微型燃气轮机和2台热回收处理设备投入使用能源回收项目,达到最大7200 kW·h/d的产电量、最大7032 kW·h/d的产热量之能源生产能力。剩余污泥作为能源载体,产电当量为1.9 kW·h/m³污泥(含水率为97.5%),产热当量为1.86 kW·h/m³污泥(含水率为97.5%),足以为60户家庭供暖。


至此,希博伊根污水处理厂产电量已经能弥补其37%的耗电量,产热量已基本可以满足厌氧消化加热和为厂区冬季办公供暖。


为充分利用污泥厌氧消化所产生的生物气,希博伊根污水处理厂增设了2台200 kW的微型燃气轮机和2台热回收处理设备,使产电能力增加了9600  kW·h/d。产热能力增加了9840 kW·h/d。到2012年,该厂可利用CHP技术产电16800 kW·h/d、产热16120 kW·h/d,约能抵消污水厂耗电量的90%、需热量的85%,基本上实现了能源自给自足。该污水厂CHP技术的实际产能情况如表2所示。


Tab.2  Energy recovery from CHP between 2006 and 2011

共消化技术


该厂首先以奶酪制造废弃物作为HSW,与剩余污泥一起尝试共消化试验。该厂因投加HSW而使产气量增加了200%。为后续CHP技术提供了充足的燃料,使该厂产生的电能和热能基本可以满足其全部能源消耗。



节能措施


污水提升、回流及曝气设备能耗在污水处理总能耗中所占比例最大(68.9%),因此,为了从节流角度提高该厂能源自给自足率,该厂依次将2台水泵电机更换为高效变频电机,每年可节省20%耗电量;通过升级PLC实现实时精准曝气,曝气能耗降低30%;建立了完备的SCADA (监视控制和数据采集)自动化控制体系不仅缩减了人工费用,还降低了化学药剂的投加量和耗电量。



总结

希博伊根污水处理厂能源使用逼近自给自足的经验虽不可复制,但它向进水有机物浓度较低、剩余污泥产量较少的污水处理厂展示,剩余污泥与其他有机废物共消化完全可以弥补污水厂自身有机能源不足的问题。


对于崇尚“民以食为天”的我国来说,居家有机垃圾与餐馆厨余垃圾完全可以收集后送到污水处理厂与剩余污泥一同共消化,从而实现我国污水处理厂的碳中和运行目标。


纵观我国碳中和污水处理厂的建设进程,首座城市污水资源概念厂由中国工程院院士曲久辉等6位水污染控制领域专家提出建设,以“水质永续、能量自给、资源回收、环境友好”作为建设目标。其主要污水处理工艺路线为污泥内碳源原位利用+SADeNTM技术[强化污水碳、氮、磷精处理];污泥路线为:外源生物质补充+高效厌氧消化+资源化+热点联产+消化液侧流厌氧氨氧化。


全过程碳平衡计算得出58.1%转化为沼气,29.3%进入沼渣资源化,9.5%经生物反应去除,3.1%随出水排出。由此可见,厌氧消化+热电联产能为污水处理厂提供优化的能量回收途径,对污水处理厂能源回收技术改造的规划具有重要实践意义。

 


参考文献:

[1]  Rla, B. ,  Rha, B. ,  Zs, C. ,  Hwa, B. , & Jin, X. A. 2021. Optimizing the recovery pathway of a net-zero energy wastewater treatment model by balancing energy recovery and eco-efficiency. Applied Energy, 298.

[2] 郝晓地. 可持续污水-废物处理技术[M]. 北京: 中国建筑工业出版社,2006.

[3] Sheboygan Regional Wastewater Treatment Facility. Treatment plant brochure[EB/OL]. http: / /www. Sheboyganwwtp. com/files /2012 /pdf /Treatment% 20Plant%20Brochure%202012. Pdf, 2012-10-21.

[4] 郝晓地, 魏静, 曹亚莉. 美国碳中和运行成功案例——Sheboygan污水处理厂[J]. 中国给水排水, 2014(24):1-6.