1.2.4 碳源回收和储存利用

温室效应是影响和威胁人类社会气候变化的一个重要因素,CO2是全球温室效应的最大影响因素,因此,减少其排放成为当务之急。CO2的收集、利用和储存(CCUS)是主要的CO2减排措施。Wang等首次提出了一种将厌氧消化、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与碳捕获和储存(BECCS)工艺,以城市固体废物的有机部分(OFMSW)为原料,以负碳向的方式生产生物CH4,这种方式既可以处置多余沼液,也可以实现可持续发展目标。通过对西班牙加泰罗尼亚5个污水厂的能量平衡分析表明,污水中所含的67%的能量可以转移到污泥中,通过将这些污泥转化为沼气,52%的能量可以被回收。厌氧工艺可从有机流中生产富CH4。厌氧的液体和固体残渣被称为消化渣,可用作肥料。生物质是一种可再生能源,煤与生物质共利用可以显著降低碳排放。此外,化学循环燃烧(CLC)是一种不需要对烟气进行任何后处理的固有捕获CO2的技术。将混合燃烧过程与CLC技术相结合,如果捕获的CO2能够被适当存储,就可以形成一个有效的碳负系统。由于CLC体系中的氧化剂与燃料没有直接接触,显著降低了热NOx的生成。因此,CLC是一种可行的低能耗、高效实施碳捕捉和储存的技术。HaldorTopsΦe的TREMPTM甲烷化技术可以将生物质气化的合成气转化为纯度为95%～98%的CH4,该技术已成功应用于GoBiGas 20 MW的工厂作为示范。污水处理厂生产的沼气在减少CO2排放和水-能源关系背景下的能源需求方面起着决定性的作用。为了减少对化石燃料的依赖,Poblete等利用了沼气联合循环与碳捕获和储存技术能够实现负碳排放。另外,生物电化学系统(BESs)可以直接将有机能转化为电能或有价值的产品,如CH4或H2。虽然这有望实现更高效的转化,但受限于反应速率较低,要将其转化为实用技术需要付出巨大的努力。例如,在我国哈尔滨运行的一个微生物燃料电池(MFC)试点表现很差,仅将有机物质中7%的能量转化为电能。

Huang等提出了基于现有工艺的碳能量线,这条路线包括有机碳捕获、生物处理和热化学转化阶段,适合于通过厌氧发酵生物处理平台进行生物能源生产和资源回收的流程,城市污水中的有机物可以被分离为化学富集沉淀物或污泥。具体路线如图4所示。另外,经过研究证明膜分离工艺能有效地提高碳分离、富集和生物处理效率,因此,膜分离可作为碳分离和回收途径的一种很有前途的补充工艺。

1.3可持续处理新工艺的研究进展

前部的“碳捕捉”技术,可以截留60%以上的碳源,而经二级处理后的进水中CODCr浓度偏小,很难满足常规脱氮除磷工艺对碳源的要求。短程硝化与常规的硝化法同时结合反硝化技术相比,短程硝化/反硝化处理减少了25%左右的耗氧量,以及40%左右的CO2消耗,达到了O2和CODCr的双重节约,如图5所示。

在这些新兴技术中,厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺已成功应用于实践,ANAMMOX是一种不需要有机碳的新型脱氮技术,它的消耗只有常规方法的1/3,能显著减少曝气的能耗和操作成本。根据理论计算,应用ANAMMOX工艺对外部碳源的需求减少了100%。然而,该工艺主要用于侧流处理,将其转变为主流工艺仍然具有挑战性。Ali 等提出了一种将MFC和ANAMMOX工艺相结合的污水综合处理系统,可以有效地回收能源,改善出水水质。在较低的能源投入下,可获得较好的出水水质(CODCr去除率约为95%,氮去除率约为85%)。但是单一的ANAMMOX技术存在厌氧氨氧化菌(AAOB)生长缓慢且对环境敏感使反应器难启动的问题。所以在短程硝化的基础上,出现了进一步与ANAMMOX耦合的典型工艺,工艺流程如图6所示。SHARON-ANAMMOX联合技术与常规硝化反硝化技术相比较,可节约50%的硝化曝气,节约100%的附加碳资源,即降低CO2排放,并生产少量污泥。

对于节能回收技术的创新,应用上流式厌氧污泥床(UASBs)和膨胀颗粒污泥床(EGSBs)等厌氧污水处理是另一种有前途的能源回收选择。近年来,厌氧膜生物反应器(AnMBR)得到了发展。在厌氧过程中,耦合膜可以保留悬浮物,而不是让它们流失。通过延长材料的降解时间,AnMBR为低强度城市污水处理提供了可能。然而,膜污染成为阻碍该技术结垢的最大挑战。由于污水中含有大量的有机物和营养物质,新兴的处理工艺已经被开发出来,以捕获这些有价值的资源,并将其转化为增值产品如鸟粪石、蓝铁矿、生物柴油、生物塑料、生物炭和蛋白质。此外,已经证明资源回收内部污水处理厂在实现碳中和方面发挥着重要作用。例如,鸟粪石降水过程对全球变暖的减缓效应模拟为3%～38%。对于有机碳来说,生物塑料合成是从城市污水中提取有机碳并将其升级为化工商品的最有前途的途径之一,也具有广阔的应用前景。

2 节能减排技术工艺应用案例

在我国城市碳中和作业实践中,已经有很多城市的污水处理厂进行了实际应用的实践,表3为国内及国外典型的低碳运行案例。

美国Sheboygan污水处理厂初步建立了一套以AO为主要生产流程的方案,将污泥水解-酸化、混合基质厌氧共消化和污泥浓缩等新技术相融合,并实施了一套节能方案,到2013年该技术已基本达到了自供。奥地利Strass污水处理厂作为一个比较成功的案例表明,回收的化学能可以弥补2003年全年总能耗的80%;通过其他改进,包括添加有机废物,2012年Strass污水处理厂实现了158%～178%的能源自给自足。以上两个污水厂的经验对于我国来说非常有借鉴意义,在我国,餐厅及家庭的剩菜剩饭可以一同送往污水处理厂与剩余污泥进行共消化。德国Bochum-lbachtal污水处理厂为三阶段入水预脱氮,生物处理部分为化学除磷,利用厌氧法与热电联产相结合的技术,可以实现96.9%的能量自给,经过核算,可以实现63.2%的碳中和率。青岛市海泊河污水处理厂利用热电联产,在一年多的时间里,其发电效率已接近30%,节能效益显著,而采用该系统可降低污水处理厂的脱硫耗水7×104t,降低燃煤12 670 t,降低1 383 m3CO2,通过控制废气的排放,可以有效降低工厂的能源消耗,同时也可以有效地减少烟尘对周围的环境的影响。关于污水处理管理、设备革新的应用情况,Khatri等使用水力旋流器和智能曝气控制来降低污水处理的能耗,采用水力旋流器作为一次污泥分离器可节省曝气电量71.46%。通过研究印度北部不同城市的7个污水处理厂的运行性能,结果表明UASBs和简单的有氧系统是一种有前途的技术,特别是在印度,可以以低成本达到回用水所需的BOD水平。Alekseiko等研究了符拉迪沃斯托克一座污水厂使用的热泵,并证明该工厂产生的热源是一种有价值的热源。Bruno等使用吸收式制冷机来帮助提高位于污水厂的沼气驱动的微型燃气轮机(MGT)热电联产厂的性能。

3 结论与展望

我国作为全球最大的能源消费国和CO2排放国,具有巨大的碳减排潜力和绿色发展潜力,然而,就当前污水处理技术的低碳运行现状而言,仍然有许多瓶颈问题成为了污水处理厂实现碳中和的阻碍。

(1)针对污水厂设备与管理存在的不足,在未来污水处理厂可以利用互联网+、大数据、人工智能等前沿信息通信技术耦合先进节能、用能技术降低污水处理领域碳排放,同时通过信息通信技术优化或重塑污水处理行业技术环节,从源头减少能源、资源、信息领域消耗带来的碳排放。

(2)用于采暖的污水源热泵对热量价格变化比较敏感,城市热水管网建设滞后严重阻碍了该技术的大规模应用。光伏发电产生的电量有限,仅占总能耗的10%左右。在今后的研究中,应该将目前的研究结果与之相融合,发展出更稳定的能量储存技术。污泥厌氧消化过程易受环境条件的影响,消化污泥不易沉淀。碳捕捉目前存在投资大、要求高等劣势,该技术现在的痛点是如何将捕捉到的CO2安全、大规模、高效地资源化。

(3)在我国今后的发展中,要充分吸收国内外先进的污水碳中和技术,以发展污水中的有机潜力以及新的低碳技术为中心,从提高装置节能、改善生产操作方式等方面着手,达到低碳运行的目的。