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 行業資訊 |
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| 城鎮污水處理(li)廠節能減碳實現(xian)路(lu)徑與技術探(tan)討 |
| 發(fa)表(biao)時間：2023-11-10 13:20:05 作者：admin |
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近年來(lai)，碳中(zhong)和(he)是一個熱(re)門話題(ti)，不斷增加的(de)CO2排放已經成為世界的(de)基本難(nan)題(ti)之一。2015年《巴(ba)黎氣(qi)候(hou)協(xie)定》規(gui)定將氣(qi)溫上升(sheng)限制(zhi)在2 ℃以內，為了達到這(zhe)個目標(biao)，我(wo)國(guo)采取(qu)(qu)了嚴(yan)格的(de)法規(gui)和(he)排放標(biao)準(zhun)(zhun)。現階段(duan)國(guo)內大部分的(de)污水處理(li)廠(chang)仍不能滿(man)足可持續發(fa)展的(de)要求，隨著國(guo)家和(he)地方采取(qu)(qu)越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)嚴(yan)格的(de)排污標(biao)準(zhun)(zhun)，我(wo)國(guo)現有老式污水處理(li)廠(chang)普遍暴露出達標(biao)難(nan)、不穩定、能耗高、污染治理(li)難(nan)等問(wen)題(ti)。
統計結果(guo)表明(ming)，2020年(nian)(nian)，我國共(gong)有4 496座(zuo)城(cheng)(cheng)鎮(zhen)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)(li)(li)廠(chang)(chang)，總處(chu)理(li)(li)(li)(li)規模為23 070萬(wan)m3/d。對于許多城(cheng)(cheng)鎮(zhen)而言，污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)(li)(li)廠(chang)(chang)是(shi)最大的(de)能源消耗者，如果(guo)采用常規技(ji)術處(chu)理(li)(li)(li)(li)，污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)(li)(li)能耗可占全球電力的(de)3%,如果(guo)不盡快優化目前和未來的(de)處(chu)理(li)(li)(li)(li)廠(chang)(chang)處(chu)理(li)(li)(li)(li)技(ji)術，污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)(li)(li)設(she)(she)施的(de)能源消耗將持續增加(jia)。依據2005年(nian)(nian)《關于嚴格(ge)執(zhi)行(xing)〈城(cheng)(cheng)鎮(zhen)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)(li)(li)廠(chang)(chang)污(wu)(wu)染物排放標(biao)準〉的(de)通知》及(ji)2006年(nian)(nian)修訂的(de)《城(cheng)(cheng)鎮(zhen)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)(li)(li)廠(chang)(chang)污(wu)(wu)染物排放標(biao)準》(GB 18918—2002)要求，城(cheng)(cheng)市污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)(li)(li)設(she)(she)施向國家(jia)、省(sheng)屬(shu)重(zhong)要河流、湖泊、水(shui)(shui)(shui)庫(ku)等封閉(bi)、半封閉(bi)的(de)水(shui)(shui)(shui)體進行(xing)排污(wu)(wu)時，要達(da)到一(yi)級A標(biao)準，開(kai)啟了(le)國內“提標(biao)改造”的(de)帷幕。
目前，國(guo)內大部分(fen)的(de)(de)城(cheng)市污廢水(shui)處(chu)理都是(shi)以生物(wu)法為主，在處(chu)理過程中(zhong)，為了(le)達到水(shui)質(zhi)凈化(hua)的(de)(de)目的(de)(de)，必須消耗很多化(hua)學物(wu)質(zhi)和能源，同時還會(hui)排放(fang)出許多的(de)(de)CO2、甲烷(wan)(CH4)等溫(wen)室氣(qi)體(GHG)。這種處(chu)理方式是(shi)“以能消能”的(de)(de)不可持續手段，如何(he)實(shi)現“零碳(tan)型”排放(fang)，是(shi)污水(shui)廠實(shi)現碳(tan)中(zhong)和運行的(de)(de)一個重要環節。
本文(wen)整合(he)了目前污(wu)水(shui)處理(li)廠的(de)部(bu)分主流(liu)處理(li)工藝(yi)及未(wei)來可突(tu)破的(de)技術，歸納優缺點，以期為我(wo)國污(wu)水(shui)處理(li)廠低碳綠色運行(xing)，實現碳中(zhong)和運行(xing)的(de)目標提供借鑒與參考。
1 污水(shui)處理廠節能(neng)減排的(de)實現途徑
污水(shui)處理是能源(yuan)密集(ji)型(xing)的高(gao)耗能產業。目前，我國污水(shui)處理規模大(da)，能耗高(gao)，CO2排放量始終位居世界(jie)第一位。通過采取節能措施和調整處理工藝，大(da)部分的污水(shui)處理廠可減少30%以上的能源(yuan)投入。
1.1污水處理綜合(he)能效的提升(sheng)分(fen)析
1.1.1 污水處理設備提質增效
電耗(hao)(hao)在(zai)污(wu)水(shui)處理(li)廠(chang)的(de)(de)能源消(xiao)耗(hao)(hao)中占(zhan)比較大，對(dui)污(wu)水(shui)處理(li)設(she)備進行合理(li)的(de)(de)改造優化，可以(yi)實現(xian)節能降耗(hao)(hao)、提高設(she)備能效(xiao)的(de)(de)目的(de)(de)。具體(ti)地說，在(zai)污(wu)水(shui)處理(li)廠(chang)中，曝(pu)氣(qi)系(xi)統(tong)、提升泵和污(wu)泥脫水(shui)裝置占(zhan)據(ju)總電力(li)消(xiao)耗(hao)(hao)的(de)(de)主要(yao)(yao)份額，鼓風(feng)曝(pu)氣(qi)機和污(wu)水(shui)提升泵等裝置的(de)(de)能源消(xiao)耗(hao)(hao)占(zhan)了69%。所以(yi)，研發曝(pu)氣(qi)系(xi)統(tong)、污(wu)水(shui)提升系(xi)統(tong)等節能技術是(shi)降低能源消(xiao)耗(hao)(hao)的(de)(de)重要(yao)(yao)措施。
在(zai)多(duo)種(zhong)污(wu)(wu)水(shui)(shui)處理(li)(li)(li)工(gong)藝中，氧化(hua)池作為(wei)一(yi)種(zhong)天然的(de)(de)(de)(de)污(wu)(wu)水(shui)(shui)處理(li)(li)(li)系統，其(qi)能(neng)源效(xiao)率最高，但其(qi)占地(di)面積大(da)、散發(fa)異味等(deng)(deng)缺點嚴重(zhong)限制了其(qi)應用。對于污(wu)(wu)水(shui)(shui)處理(li)(li)(li)廠(chang)來說，最實用的(de)(de)(de)(de)方法是(shi)升級陳舊的(de)(de)(de)(de)設備，并針(zhen)對污(wu)(wu)水(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)量(liang)和(he)水(shui)(shui)質總是(shi)波動(dong)的(de)(de)(de)(de)特點采(cai)用實時(shi)控制器(qi)，使設備在(zai)合適的(de)(de)(de)(de)工(gong)況運行。于洪波等(deng)(deng)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究結果(guo)表(biao)明，選用空氣(qi)(qi)懸(xuan)浮和(he)磁浮等(deng)(deng)高效(xiao)率的(de)(de)(de)(de)鼓風機(ji)(ji)與采(cai)用傳統的(de)(de)(de)(de)羅茨(ci)風機(ji)(ji)相比，可(ke)以節(jie)(jie)省30%左右的(de)(de)(de)(de)能(neng)源消耗。主體處理(li)(li)(li)工(gong)藝的(de)(de)(de)(de)選取對整個污(wu)(wu)水(shui)(shui)處理(li)(li)(li)廠(chang)的(de)(de)(de)(de)能(neng)源消耗總量(liang)也有一(yi)定的(de)(de)(de)(de)影響。蔣富海等(deng)(deng)采(cai)用低(di)氧曝(pu)氣(qi)(qi)等(deng)(deng)節(jie)(jie)能(neng)操作，改進后(hou)的(de)(de)(de)(de)Bardenpho懸(xuan)掛(gua)鏈曝(pu)氣(qi)(qi)器(qi)充(chong)氧動(dong)力效(xiao)率高、曝(pu)氣(qi)(qi)均勻(yun)性好，可(ke)有效(xiao)減少曝(pu)氣(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)能(neng)源消耗，使噸(dun)水(shui)(shui)電(dian)耗節(jie)(jie)能(neng)16%;噸(dun)水(shui)(shui)藥費同比節(jie)(jie)約28%,改造后(hou)節(jie)(jie)水(shui)(shui)節(jie)(jie)能(neng)降耗效(xiao)果(guo)顯著(zhu)。吳軍偉等(deng)(deng)針(zhen)對某污(wu)(wu)水(shui)(shui)處理(li)(li)(li)廠(chang)，結合變頻調(diao)速電(dian)動(dong)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)節(jie)(jie)能(neng)技術，根據(ju)集(ji)水(shui)(shui)池水(shui)(shui)位的(de)(de)(de)(de)動(dong)態特性，提出了一(yi)種(zhong)基于智能(neng)節(jie)(jie)電(dian)裝(zhuang)置的(de)(de)(de)(de)污(wu)(wu)水(shui)(shui)提升泵變頻節(jie)(jie)能(neng)方案，經過變頻調(diao)速后(hou)，兩臺水(shui)(shui)泵的(de)(de)(de)(de)每月耗電(dian)量(liang)下降至(zhi)57 000 kW·h,節(jie)(jie)能(neng)效(xiao)果(guo)>22%。
1.1.2 更(geng)新污水處(chu)理(li)管理(li)方法(fa)
當(dang)前，我國污(wu)水廠的(de)(de)運(yun)營管理(li)過程(cheng)還面臨著(zhu)很多的(de)(de)問題(ti)，比(bi)如(ru)藥劑投加(jia)不(bu)精準、設備配置與實際(ji)荷(he)載不(bu)相匹配等。解決污(wu)水廠運(yun)營管理(li)方(fang)面的(de)(de)問題(ti)成(cheng)(cheng)為當(dang)務之急。重慶G污(wu)水處理(li)廠通過加(jia)入(ru)輔(fu)助碳(tan)(tan)源和除磷劑來保持(chi)生物化學(xue)體系(xi)的(de)(de)穩(wen)定(ding)運(yun)轉(zhuan)，但調節操作滯后、加(jia)入(ru)量不(bu)精確等情況造成(cheng)(cheng)污(wu)水質量不(bu)穩(wen)定(ding)。后期，該污(wu)水處理(li)廠安裝了(le)進水在(zai)線監(jian)測儀(yi)表(biao)，科學(xue)測算碳(tan)(tan)氮比(bi)、碳(tan)(tan)磷比(bi)的(de)(de)值(zhi)，合理(li)地(di)控(kong)制外加(jia)碳(tan)(tan)源或(huo)藥劑投加(jia)量，并(bing)對添加(jia)位置進行了(le)優選，確保調控(kong)措施及(ji)時、準確、高效，從而達(da)到(dao)節能減排的(de)(de)目(mu)的(de)(de)。
在污(wu)水(shui)(shui)處(chu)理(li)廠中應用自動控(kong)(kong)制，可實現多重效益，節省能源并(bing)減少高(gao)達9.6%的(de)(de)GHG排(pai)放(fang)。Baroni等在全尺(chi)寸操作過程中實現了(le)一(yi)個模(mo)糊的(de)(de)邏(luo)輯系(xi)統(tong)，意大(da)利(li)污(wu)水(shui)(shui)處(chu)理(li)廠的(de)(de)氨和溶(rong)解氧濃度的(de)(de)波動顯著(zhu)降(jiang)低(di)，通過對1/4的(de)(de)反應器應用模(mo)糊控(kong)(kong)制器，污(wu)水(shui)(shui)處(chu)理(li)廠的(de)(de)能耗降(jiang)低(di)了(le)4%。在我國(guo)廣(guang)西(xi)桂林市，陳俊(jun)江對城市排(pai)水(shui)(shui)生產運營管(guan)理(li)系(xi)統(tong)進行評價分(fen)析，該系(xi)統(tong)可以進一(yi)步(bu)提升(sheng)污(wu)廢水(shui)(shui)的(de)(de)綜合處(chu)理(li)能力，減少故障停機的(de)(de)次數，同時減少人(ren)力、材料、藥劑等費(fei)用。
為了降低污水廠(chang)的碳排(pai)放，要從工藝(yi)、設(she)備、管理、能(neng)源等多(duo)個(ge)環節(jie)入手(shou)，多(duo)措并(bing)舉，在(zai)確保水質達到要求的前(qian)提下，加強對(dui)污水處理廠(chang)日(ri)常運營的監督。
1.2加大(da)能源(yuan)回收力度的工藝措施
傳統的(de)(de)污(wu)水(shui)(shui)生物(wu)處理工(gong)藝是能(neng)源密集(ji)(ji)型的(de)(de)工(gong)作，回收的(de)(de)資源很少(shao)或根(gen)本沒有，通常需要大(da)量的(de)(de)外部化(hua)(hua)學(xue)物(wu)質投入。通過碳捕(bu)集(ji)(ji)技(ji)術，結(jie)合厭氧消化(hua)(hua)-熱(re)(re)電(dian)(dian)聯產、光伏(fu)發電(dian)(dian)、污(wu)水(shui)(shui)源熱(re)(re)泵(beng)等技(ji)術，實(shi)現污(wu)水(shui)(shui)處理的(de)(de)碳中和目的(de)(de)。
1.2.1 污水(shui)源熱泵技(ji)術
污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)含(han)有(you)大(da)量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)化(hua)學、熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)和(he)(he)水(shui)(shui)(shui)動力(li)能(neng)(neng)(neng)(neng)。據統(tong)(tong)(tong)計，城市社區產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)余熱(re)(re)(re)(re)有(you)40%包含(han)在(zai)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)中(zhong)。由于溫度存(cun)在(zai)差異，污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)中(zhong)所含(han)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)提供(gong)了(le)另一(yi)個間接(jie)抵消污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處理的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)需求(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量來源(yuan)，其(qi)中(zhong)可(ke)回(hui)(hui)收(shou)(shou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)比厭氧回(hui)(hui)收(shou)(shou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)化(hua)學能(neng)(neng)(neng)(neng)多6——8倍(bei)。因此，如果(guo)能(neng)(neng)(neng)(neng)將(jiang)回(hui)(hui)收(shou)(shou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)與(yu)城市熱(re)(re)(re)(re)網有(you)效地結合起來并(bing)充(chong)分利(li)用，水(shui)(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵技術在(zai)促進污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處理廠接(jie)近碳中(zhong)和(he)(he)目(mu)標方面具有(you)巨大(da)潛力(li)。污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵其(qi)中(zhong)一(yi)部分熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)可(ke)用于滿足污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處理廠的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)采(cai)暖需要，另外一(yi)部分則被送往城鎮(zhen)供(gong)熱(re)(re)(re)(re)系(xi)統(tong)(tong)(tong)。以北歐國家為(wei)例，據報道，在(zai)瑞士(shi)和(he)(he)德國，3%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)建(jian)筑可(ke)以通(tong)過污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵供(gong)暖或制(zhi)冷。與(yu)傳統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)調系(xi)統(tong)(tong)(tong)相比，應用污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)央空(kong)調系(xi)統(tong)(tong)(tong)，CO2的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)排(pai)(pai)放(fang)(fang)減(jian)少(shao)40%——51%,NOx的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)排(pai)(pai)放(fang)(fang)減(jian)少(shao)36%——49%;污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵分布(bu)式空(kong)調系(xi)統(tong)(tong)(tong)減(jian)少(shao)了(le)13%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)CO2排(pai)(pai)放(fang)(fang)，以及(ji)13%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)NOx排(pai)(pai)放(fang)(fang)。郝曉地等(deng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究結果(guo)顯示，采(cai)用朗肯循(xun)環，能(neng)(neng)(neng)(neng)夠充(chong)分利(li)用余熱(re)(re)(re)(re)供(gong)電，使污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處理廠達到碳中(zhong)和(he)(he)86%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量要求(qiu)，并(bing)能(neng)(neng)(neng)(neng)進一(yi)步降低CO2的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)排(pai)(pai)放(fang)(fang)。青島市團島污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵利(li)用低品位(wei)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)，實現了(le)傳統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)節(jie)能(neng)(neng)(neng)(neng)減(jian)排(pai)(pai)，年節(jie)電量為(wei)5.2×104 MW·h,標煤節(jie)約1.91×104 t,并(bing)減(jian)少(shao)50 042 t/a的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)CO2、162.4 t/a的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)SO2和(he)(he)141.3 t/a NOx-排(pai)(pai)放(fang)(fang)。
Zhang等提出一種新型組合(he)型污水熱(re)泵供(gong)暖(nuan)方式，其節能(neng)性、經濟性、適用性強，能(neng)夠(gou)將大(da)量的熱(re)能(neng)通(tong)過管網向(xiang)集中供(gong)暖(nuan)系統輸送(song)，有助于降(jiang)低燃煤和大(da)氣污染。
在設定(ding)的(de)(de)條件下，與(yu)傳統的(de)(de)加熱(re)方法(fa)相(xiang)(xiang)比，污(wu)水(shui)(shui)源(yuan)(yuan)熱(re)泵(beng)可(ke)以充分利用污(wu)水(shui)(shui)熱(re)能(neng)(neng)資源(yuan)(yuan)，能(neng)(neng)夠減小對環境的(de)(de)影響。與(yu)傳統集中(zhong)(zhong)供熱(re)方式相(xiang)(xiang)比，在相(xiang)(xiang)同(tong)典型工(gong)況下，污(wu)水(shui)(shui)源(yuan)(yuan)熱(re)泵(beng)組合(he)式集中(zhong)(zhong)供熱(re)方式一次能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)效率(lv)提高(gao)了14%。而且，污(wu)水(shui)(shui)源(yuan)(yuan)熱(re)泵(beng)是一種環境友好型技術，不排放(fang)空(kong)氣污(wu)染物。因此，借助(zhu)污(wu)水(shui)(shui)源(yuan)(yuan)熱(re)泵(beng)提取熱(re)量是一種節(jie)能(neng)(neng)的(de)(de)有效途徑，既可(ke)以節(jie)省污(wu)水(shui)(shui)廠(chang)的(de)(de)運行熱(re)能(neng)(neng)，又可(ke)以達到“碳中(zhong)(zhong)和”的(de)(de)目(mu)的(de)(de)，從而達到間接(jie)減少碳的(de)(de)排放(fang)量。
1.2.2 光伏發電(dian)
在(zai)環境保護壓(ya)力和國(guo)家(jia)政(zheng)策(ce)的(de)(de)雙(shuang)重推動下，太陽能光伏(fu)技術作為一種低碳(tan)排放的(de)(de)方法，成(cheng)為了(le)當(dang)前眾多新建污水處(chu)(chu)理(li)廠的(de)(de)選擇。由(you)于工藝流(liu)程的(de)(de)需(xu)要，大(da)多數污水處(chu)(chu)理(li)廠的(de)(de)結構較(jiao)大(da)，如(ru)生物反應(ying)池(chi)、二沉池(chi)等，光伏(fu)系(xi)統(tong)的(de)(de)安裝空間(jian)通常較(jiao)大(da)。同時，相(xiang)關政(zheng)策(ce)指出，要大(da)力支持污水處(chu)(chu)理(li)廠對土地(di)進行(xing)充分(fen)地(di)利用(yong)來進行(xing)光伏(fu)發(fa)電(dian)建設。
劉揚等分析(xi)了首都某污水處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)，發現(xian)利用光(guang)伏發電(dian)(dian)系統(tong)一年生產(chan)(chan)的(de)電(dian)(dian)能(neng)為1.5×104 kW·h左右，其(qi)生產(chan)(chan)的(de)電(dian)(dian)能(neng)可(ke)以(yi)(yi)節省5.4 t煤，同時還(huan)可(ke)以(yi)(yi)降低12.2 t左右的(de)CO2排放量，降低碳氧化合物排放量0.06 t左右。河(he)南鄭州(zhou)馬頭崗污水處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)開發的(de)“光(guang)伏+水務(wu)”新的(de)運行(xing)方(fang)式(shi)，已經(jing)在(zai)亞(ya)洲形成(cheng)了“智能(neng)化+高效太陽(yang)能(neng)回用系統(tong)”的(de)典(dian)范，該模式(shi)節能(neng)減排效果顯著(zhu)。安(an)裝4 000 m2光(guang)伏電(dian)(dian)池板的(de)法國戛納Aquaviva污水處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)已經(jing)實現(xian)了碳中和(he)。賓夕(xi)法尼亞(ya)州(zhou)污水處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)完成(cheng)了一個3 MW的(de)太陽(yang)能(neng)項(xiang)目(mu)，該項(xiang)目(mu)預(yu)計每年生產(chan)(chan)超過(guo)300萬(wan)kW·h的(de)電(dian)(dian)力(li)，足以(yi)(yi)減少(shao)3 515 t的(de)CO2排放。
這種單(dan)一(yi)的光伏-污水(shui)(shui)廠雖然可(ke)(ke)以達(da)到節能(neng)(neng)(neng)的目的，但是也存在電(dian)力(li)供應(ying)不穩定的問題。為了(le)解決這個(ge)問題，姜放提出可(ke)(ke)以引(yin)進一(yi)種新(xin)型的鋰(li)離子蓄能(neng)(neng)(neng)發(fa)電(dian)裝置(zhi)，組成一(yi)個(ge)太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)-蓄能(neng)(neng)(neng)裝置(zhi)-污水(shui)(shui)處理廠，其電(dian)力(li)供應(ying)流程如圖(tu)3所示。采用儲(chu)能(neng)(neng)(neng)器技術對提高(gao)太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)光伏發(fa)電(dian)的性能(neng)(neng)(neng)和降低能(neng)(neng)(neng)耗具有重要意(yi)義。除了(le)采用太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)外，還可(ke)(ke)以引(yin)入風能(neng)(neng)(neng)、污水(shui)(shui)熱能(neng)(neng)(neng)、生物質(zhi)能(neng)(neng)(neng)等(deng)新(xin)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)，從(cong)而(er)實現多種能(neng)(neng)(neng)源(yuan)的補(bu)充。近年來，許多污廢水(shui)(shui)處理廠都(dou)在積極地研究多能(neng)(neng)(neng)補(bu)充的系統(tong)。
孫(sun)振宇等將污水(shui)源(yuan)熱泵和(he)(he)分布式太陽能(neng)(neng)-市(shi)電系統聯(lian)合(he)使用，使污水(shui)處理廠(chang)年可節省387.1 t的(de)(de)標準煤，減(jian)少483.9 t CO2排放量，減(jian)少了(le)(le)大(da)氣(qi)中的(de)(de)其他污染，取得了(le)(le)良好的(de)(de)環保和(he)(he)經(jing)濟效(xiao)益(yi)。Buller等研(yan)究了(le)(le)一個(ge)基于光伏能(neng)(neng)源(yuan)、生物質氣(qi)化爐和(he)(he)電網的(de)(de)混合(he)系統，與沼(zhao)氣(qi)燃燒(shao)的(de)(de)混合(he)組合(he)可作(zuo)為中型污水(shui)處理廠(chang)的(de)(de)替代方案，可以增(zeng)加經(jing)濟效(xiao)益(yi)和(he)(he)環保效(xiao)益(yi)。
但是，因(yin)為太陽(yang)能板使(shi)用氫(qing)氟酸、硝(xiao)酸、三氯氧磷、異丙(bing)醇等化(hua)學成分對環境造成的危害不容忽視(shi)。太陽(yang)能產業帶(dai)來的相關污染問題還(huan)需要認(ren)真(zhen)對待并(bing)采取積(ji)極措施加以解決。
1.2.3 污泥(ni)厭氧消(xiao)化與熱電聯產
文(wen)獻統計表明，運行一個污(wu)(wu)(wu)水處(chu)理(li)廠(chang)所需(xu)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)量(liang)通常(chang)為0.3——0.6 kW·h/m3。污(wu)(wu)(wu)水中有機化合物(wu)的(de)(de)(de)(de)燃燒熱能為該(gai)值的(de)(de)(de)(de)9——10倍，因(yin)此，回(hui)收污(wu)(wu)(wu)水中含有的(de)(de)(de)(de)化學(xue)能具有經濟(ji)效益。最可行的(de)(de)(de)(de)方法是利用厭氧消(xiao)化產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)沼(zhao)氣發電(dian)(dian)和(he)(he)供熱。污(wu)(wu)(wu)泥是污(wu)(wu)(wu)水處(chu)理(li)廠(chang)生(sheng)(sheng)產(chan)中必然產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)副產(chan)物(wu)，由于其數量(liang)不斷增加和(he)(he)處(chu)理(li)不完(wan)全，污(wu)(wu)(wu)泥自身穩(wen)定性和(he)(he)無害化處(chu)置的(de)(de)(de)(de)結果(guo)與預期(qi)的(de)(de)(de)(de)目標(biao)有很大的(de)(de)(de)(de)差距。污(wu)(wu)(wu)泥的(de)(de)(de)(de)處(chu)理(li)需(xu)要耗費很多的(de)(de)(de)(de)化學(xue)物(wu)質(zhi)和(he)(he)能量(liang)，而采(cai)用填埋(mai)法進行處(chu)理(li)會加劇溫室效應，所以在污(wu)(wu)(wu)水處(chu)理(li)廠(chang)中，對污(wu)(wu)(wu)泥處(chu)理(li)過程碳減(jian)排的(de)(de)(de)(de)控制有著十分(fen)關(guan)鍵的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用。
戴曉虎等歸納(na)分(fen)析我國典(dian)型的(de)(de)(de)污泥(ni)(ni)(ni)處理(li)處置工(gong)藝碳排放如表1所示，目前已有(you)的(de)(de)(de)污泥(ni)(ni)(ni)處理(li)工(gong)藝流(liu)程(cheng)碳排放量排序為(wei)：深度脫水-應(ying)急(ji)掩埋最多;干化焚燒-建材利用(yong)次之;好氧發酵-土地(di)利用(yong)較少(shao)(shao);厭(yan)氧消化-土地(di)利用(yong)最少(shao)(shao)。由(you)表1可知，污泥(ni)(ni)(ni)的(de)(de)(de)處置主要碳排放來源于設備的(de)(de)(de)電(dian)耗(hao)、油(you)耗(hao)以及藥物消耗(hao)，相應(ying)碳補償措施也較易實現。趙(zhao)陽悅等在吉林某公司改造擴建后的(de)(de)(de)污泥(ni)(ni)(ni)厭(yan)氧化工(gong)程(cheng)中，提出一種將污泥(ni)(ni)(ni)和有(you)機助劑混在一起進行的(de)(de)(de)厭(yan)氧消化技術，能(neng)夠達到回收(shou)能(neng)源的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)，并且(qie)減(jian)少(shao)(shao)9 414 t CO2-eq的(de)(de)(de)GHG排放。
污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)(li)廠(chang)有(you)大量的(de)(de)污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)泥(ni)，經過(guo)厭(yan)氧法處(chu)理(li)(li)(li)后(hou)得到的(de)(de)沼(zhao)氣(qi)(qi)(qi)是(shi)一種非常潔凈的(de)(de)能源，其(qi)中(zhong)以沼(zhao)氣(qi)(qi)(qi)的(de)(de)熱電(dian)聯(lian)產(chan)(chan)在污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)廠(chang)中(zhong)最為(wei)普遍。為(wei)了(le)促進CH4生產(chan)(chan)，增強過(guo)程穩定性，可以添加共基質，如城市固(gu)體廢物的(de)(de)有(you)機組分;或(huo)污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)泥(ni)預處(chu)理(li)(li)(li)方法，如應用(yong)熱水(shui)(shui)解(jie)工(gong)藝(yi)(yi)。我國大力推廣(guang)采用(yong)中(zhong)溫(wen)發(fa)酵的(de)(de)污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)泥(ni)厭(yan)氧法，其(qi)中(zhong)青島(dao)麥島(dao)和北京高碑店(dian)等污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)(li)廠(chang)的(de)(de)工(gong)藝(yi)(yi)效果最好(hao)。崔濡(ru)川等根據(ju)能源階梯利用(yong)原理(li)(li)(li)，結合沼(zhao)氣(qi)(qi)(qi)熱電(dian)聯(lian)產(chan)(chan)技(ji)術對現(xian)有(you)的(de)(de)發(fa)電(dian)設備進行了(le)改造，與傳(chuan)統的(de)(de)燃煤工(gong)藝(yi)(yi)比較(jiao)，本工(gong)藝(yi)(yi)可節省558 t標準煤炭(tan)，降低了(le)SO2和NO2對大氣(qi)(qi)(qi)的(de)(de)污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)染，并(bing)取得了(le)明顯的(de)(de)環保和經濟(ji)效益。邵彥(yan)青等考察馬來西亞Pantai污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)(li)廠(chang)，該(gai)污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)廠(chang)采用(yong)熱電(dian)聯(lian)產(chan)(chan)技(ji)術，降低了(le)60%的(de)(de)污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)泥(ni)含(han)量，年節約標煤19.85 Mt。
污(wu)泥(ni)的(de)厭(yan)氧(yang)消(xiao)化使污(wu)水(shui)(shui)廠實現了剩(sheng)余污(wu)泥(ni)的(de)穩定化和資(zi)源化處理。污(wu)水(shui)(shui)廠設置的(de)厭(yan)氧(yang)消(xiao)化裝置可為污(wu)水(shui)(shui)廠提供40%——60%的(de)運行(xing)電耗。綜(zong)上(shang)(shang)，污(wu)水(shui)(shui)污(wu)染物的(de)主要(yao)厭(yan)氧(yang)降解(jie)在經(jing)濟上(shang)(shang)和技術(shu)上(shang)(shang)看來可行(xing)，而且(qie)就GHG的(de)產生而言，對(dui)環境(jing)有重大好處。
再(zai)生(sheng)(sheng)水(shui)源(yuan)(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵比污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)泥(ni)厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)消(xiao)化(hua)(hua)技術(shu)結合(he)沼氣(qi)熱(re)(re)(re)(re)電(dian)聯產(chan)(chan)具(ju)有(you)(you)更高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)和效(xiao)果(guo)(guo)，再(zai)生(sheng)(sheng)水(shui)源(yuan)(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵可產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)74.22 t標(biao)準煤(mei)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)，而污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)泥(ni)厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)消(xiao)化(hua)(hua)僅能(neng)(neng)(neng)回(hui)(hui)收3.03 t標(biao)準煤(mei)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)和2.97 t標(biao)準煤(mei)電(dian)。隨(sui)著污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)廠處理(li)負(fu)荷的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加，再(zai)生(sheng)(sheng)水(shui)源(yuan)(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵可以(yi)達(da)到更高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)和效(xiao)果(guo)(guo)。光伏(fu)發電(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)需要考慮地(di)理(li)位置，在太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)資源(yuan)(yuan)豐富(fu)的(de)(de)(de)(de)(de)地(di)區，光伏(fu)發電(dian)體(ti)系(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)和率(lv)可以(yi)接近厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)消(xiao)化(hua)(hua)體(ti)系(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)和率(lv)。以(yi)5萬m3/d的(de)(de)(de)(de)(de)污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)廠為例，拉薩碳(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)和率(lv)為35%,長春(chun)為24%,貴陽(yang)(yang)為13%。不同太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)光強(qiang)的(de)(de)(de)(de)(de)城(cheng)市碳(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)和率(lv)差(cha)異可達(da)2——3倍。在太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)豐富(fu)的(de)(de)(de)(de)(de)地(di)區，可以(yi)回(hui)(hui)收和利用(yong)更多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)，這(zhe)更有(you)(you)利于光伏(fu)發電(dian)系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)功率(lv)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)，并可獲(huo)得(de)更高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)和。但是在構(gou)筑物(wu)頂部安(an)裝(zhuang)太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)池板工(gong)程太過(guo)復雜，也(ye)(ye)使得(de)該技術(shu)沒有(you)(you)得(de)到廣泛(fan)應用(yong)。污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)泥(ni)厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)消(xiao)化(hua)(hua)技術(shu)可以(yi)處理(li)有(you)(you)機(ji)物(wu)含(han)量較高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)泥(ni)，并且可通過(guo)沼氣(qi)熱(re)(re)(re)(re)電(dian)聯產(chan)(chan)系(xi)(xi)統(tong)提供熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)和動(dong)力(li)。隨(sui)著污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)廠規(gui)模(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加，污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)源(yuan)(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵可以(yi)從污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)中(zhong)(zhong)(zhong)回(hui)(hui)收更多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)廢熱(re)(re)(re)(re)，其(qi)碳(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)和率(lv)將顯著提高(gao)(gao)(gao)。同樣，隨(sui)著污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)廠規(gui)模(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加，光伏(fu)板的(de)(de)(de)(de)(de)可鋪設面積也(ye)(ye)會變(bian)大(da)，光伏(fu)發電(dian)系(xi)(xi)統(tong)回(hui)(hui)收的(de)(de)(de)(de)(de)太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)也(ye)(ye)會更多(duo)，碳(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)和率(lv)也(ye)(ye)會更高(gao)(gao)(gao)。然而，污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)廠規(gui)模(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)對污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)泥(ni)厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)消(xiao)化(hua)(hua)系(xi)(xi)統(tong)影響(xiang)不大(da)。
1.2.4 碳源回收和儲存利用(yong)
溫室效(xiao)應(ying)(ying)是(shi)影(ying)響和(he)(he)威脅(xie)人類社會(hui)氣(qi)候變化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)個重要(yao)因素，CO2是(shi)全球溫室效(xiao)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)最大(da)影(ying)響因素，因此，減(jian)(jian)少其排放(fang)(fang)成(cheng)(cheng)為(wei)(wei)當務之急(ji)。CO2的(de)(de)(de)(de)收集、利用(yong)和(he)(he)儲存(cun)(cun)(CCUS)是(shi)主要(yao)的(de)(de)(de)(de)CO2減(jian)(jian)排措施。Wang等首次(ci)提出了(le)(le)一(yi)(yi)種(zhong)將(jiang)(jiang)厭氧消化(hua)(hua)、裂解(jie)、催化(hua)(hua)重整和(he)(he)甲(jia)烷化(hua)(hua)(APRM)耦(ou)合(he)在(zai)一(yi)(yi)起(qi)的(de)(de)(de)(de)新型(xing)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)使用(yong)與(yu)碳(tan)(tan)(tan)捕(bu)獲(huo)和(he)(he)儲存(cun)(cun)(BECCS)工(gong)藝(yi)，以(yi)(yi)(yi)城市固體(ti)廢物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)有機(ji)部分(fen)(OFMSW)為(wei)(wei)原料(liao)，以(yi)(yi)(yi)負碳(tan)(tan)(tan)向的(de)(de)(de)(de)方(fang)式生(sheng)(sheng)產(chan)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)CH4,這種(zhong)方(fang)式既可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)處置(zhi)多余沼液(ye)，也可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)實現可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)持續發展目標。通(tong)(tong)過(guo)對西班(ban)牙加泰(tai)羅(luo)尼亞5個污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)廠的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)平衡(heng)分(fen)析表(biao)明，污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)中(zhong)所含的(de)(de)(de)(de)67%的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)到污(wu)(wu)(wu)泥中(zhong)，通(tong)(tong)過(guo)將(jiang)(jiang)這些污(wu)(wu)(wu)泥轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)為(wei)(wei)沼氣(qi)，52%的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)被回收。厭氧工(gong)藝(yi)可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)從有機(ji)流中(zhong)生(sheng)(sheng)產(chan)富CH4。厭氧的(de)(de)(de)(de)液(ye)體(ti)和(he)(he)固體(ti)殘渣被稱為(wei)(wei)消化(hua)(hua)渣，可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)用(yong)作(zuo)肥料(liao)。生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)是(shi)一(yi)(yi)種(zhong)可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)再生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)，煤與(yu)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)共利用(yong)可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)顯著降低(di)碳(tan)(tan)(tan)排放(fang)(fang)。此外，化(hua)(hua)學循環燃(ran)燒(shao)(CLC)是(shi)一(yi)(yi)種(zhong)不需要(yao)對煙氣(qi)進行任何后處理(li)的(de)(de)(de)(de)固有捕(bu)獲(huo)CO2的(de)(de)(de)(de)技(ji)術。將(jiang)(jiang)混合(he)燃(ran)燒(shao)過(guo)程與(yu)CLC技(ji)術相結合(he)，如果捕(bu)獲(huo)的(de)(de)(de)(de)CO2能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)夠(gou)被適當存(cun)(cun)儲，就可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)形成(cheng)(cheng)一(yi)(yi)個有效(xiao)的(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)負系統。由于CLC體(ti)系中(zhong)的(de)(de)(de)(de)氧化(hua)(hua)劑與(yu)燃(ran)料(liao)沒(mei)有直接(jie)(jie)接(jie)(jie)觸，顯著降低(di)了(le)(le)熱NOx的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)。因此，CLC是(shi)一(yi)(yi)種(zhong)可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)行的(de)(de)(de)(de)低(di)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)耗、高效(xiao)實施碳(tan)(tan)(tan)捕(bu)捉和(he)(he)儲存(cun)(cun)的(de)(de)(de)(de)技(ji)術。Haldor TopsΦe的(de)(de)(de)(de)TREMPTM甲(jia)烷化(hua)(hua)技(ji)術可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)將(jiang)(jiang)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)氣(qi)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)合(he)成(cheng)(cheng)氣(qi)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)為(wei)(wei)純度為(wei)(wei)95%——98%的(de)(de)(de)(de)CH4,該(gai)技(ji)術已成(cheng)(cheng)功(gong)應(ying)(ying)用(yong)于GoBiGas 20 MW的(de)(de)(de)(de)工(gong)廠作(zuo)為(wei)(wei)示范。污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處理(li)廠生(sheng)(sheng)產(chan)的(de)(de)(de)(de)沼氣(qi)在(zai)減(jian)(jian)少CO2排放(fang)(fang)和(he)(he)水(shui)(shui)-能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)關系背(bei)景下的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)需求方(fang)面(mian)起(qi)著決定性的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)。為(wei)(wei)了(le)(le)減(jian)(jian)少對化(hua)(hua)石燃(ran)料(liao)的(de)(de)(de)(de)依賴(lai)，Poblete等利用(yong)了(le)(le)沼氣(qi)聯(lian)合(he)循環與(yu)碳(tan)(tan)(tan)捕(bu)獲(huo)和(he)(he)儲存(cun)(cun)技(ji)術能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)夠(gou)實現負碳(tan)(tan)(tan)排放(fang)(fang)。另外，生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)電化(hua)(hua)學系統(BESs)可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)直接(jie)(jie)將(jiang)(jiang)有機(ji)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)為(wei)(wei)電能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)或有價值的(de)(de)(de)(de)產(chan)品，如CH4或H2。雖然這有望實現更高效(xiao)的(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)，但受限(xian)于反應(ying)(ying)速率較低(di)，要(yao)將(jiang)(jiang)其轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)為(wei)(wei)實用(yong)技(ji)術需要(yao)付(fu)出巨大(da)的(de)(de)(de)(de)努(nu)力。例(li)如，在(zai)我(wo)國哈爾濱運行的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)個微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)燃(ran)料(liao)電池(MFC)試點表(biao)現很差，僅將(jiang)(jiang)有機(ji)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)中(zhong)7%的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)為(wei)(wei)電能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)。
Huang等(deng)提出了(le)基于(yu)現(xian)有(you)工藝的碳能(neng)(neng)量(liang)線(xian)，這條(tiao)路線(xian)包(bao)括有(you)機碳捕獲、生(sheng)物(wu)處理(li)和熱化(hua)學轉化(hua)階段，適合于(yu)通過(guo)厭氧(yang)發酵生(sheng)物(wu)處理(li)平臺(tai)進行(xing)生(sheng)物(wu)能(neng)(neng)源生(sheng)產和資源回收(shou)的流(liu)程，城市污水(shui)中(zhong)的有(you)機物(wu)可以被分(fen)(fen)離為化(hua)學富集(ji)沉淀(dian)物(wu)或(huo)污泥。具體路線(xian)如圖4所示。另(ling)外(wai)，經過(guo)研究證明膜(mo)分(fen)(fen)離工藝能(neng)(neng)有(you)效地提高碳分(fen)(fen)離、富集(ji)和生(sheng)物(wu)處理(li)效率，因(yin)此，膜(mo)分(fen)(fen)離可作為碳分(fen)(fen)離和回收(shou)途徑的一種很有(you)前途的補充工藝。
1.3可持續(xu)處理新工藝(yi)的研究進(jin)展
前部的(de)“碳捕捉”技(ji)術(shu)，可以截留60%以上的(de)碳源，而經二(er)級處理后的(de)進水中CODCr濃度偏小，很難滿足常(chang)規脫(tuo)氮(dan)除(chu)磷工藝對碳源的(de)要求。短程硝化(hua)與常(chang)規的(de)硝化(hua)法(fa)同時結合反(fan)硝化(hua)技(ji)術(shu)相比，短程硝化(hua)/反(fan)硝化(hua)處理減少了25%左右的(de)耗氧(yang)量，以及(ji)40%左右的(de)CO2消耗，達到了O2和(he)CODCr的(de)雙重節約。
在這些新(xin)興技(ji)(ji)術中，厭(yan)氧(yang)氨(an)氧(yang)化(ANAMMOX)工(gong)藝已成功應用(yong)于(yu)實踐(jian)，ANAMMOX是(shi)一(yi)(yi)種(zhong)不(bu)需要(yao)有(you)機碳的(de)(de)新(xin)型脫氮技(ji)(ji)術，它的(de)(de)消耗只有(you)常(chang)規方法的(de)(de)1/3,能顯著減(jian)少(shao)曝(pu)氣(qi)的(de)(de)能耗和操作成本。根據(ju)理論計算，應用(yong)ANAMMOX工(gong)藝對(dui)外部碳源(yuan)(yuan)(yuan)的(de)(de)需求減(jian)少(shao)了(le)100%。然而，該工(gong)藝主(zhu)要(yao)用(yong)于(yu)側(ce)流處理，將其(qi)轉變為(wei)主(zhu)流工(gong)藝仍(reng)然具有(you)挑戰性。Ali 等提出了(le)一(yi)(yi)種(zhong)將MFC和ANAMMOX工(gong)藝相結合的(de)(de)污水綜合處理系統，可以(yi)有(you)效地回收(shou)能源(yuan)(yuan)(yuan)，改善出水水質(zhi)。在較低(di)的(de)(de)能源(yuan)(yuan)(yuan)投入(ru)下(xia)，可獲得較好的(de)(de)出水水質(zhi)(CODCr去(qu)除率約為(wei)95%,氮去(qu)除率約為(wei)85%)。但是(shi)單一(yi)(yi)的(de)(de)ANAMMOX技(ji)(ji)術存在厭(yan)氧(yang)氨(an)氧(yang)化菌(jun)(AAOB)生(sheng)長緩慢且對(dui)環(huan)境敏(min)感使反應器難啟(qi)動的(de)(de)問題(ti)。所以(yi)在短程硝化的(de)(de)基礎上(shang)，出現了(le)進一(yi)(yi)步與ANAMMOX耦合的(de)(de)典(dian)型工(gong)藝。SHARON-ANAMMOX聯合技(ji)(ji)術與常(chang)規硝化反硝化技(ji)(ji)術相比較，可節(jie)約50%的(de)(de)硝化曝(pu)氣(qi)，節(jie)約100%的(de)(de)附加碳資源(yuan)(yuan)(yuan)，即降低(di)CO2排放(fang)，并生(sheng)產少(shao)量污泥。
對于(yu)(yu)節能回收技術的(de)創新(xin)，應用上流式(shi)厭(yan)氧污(wu)泥床(UASBs)和膨脹顆粒污(wu)泥床(EGSBs)等厭(yan)氧污(wu)水(shui)(shui)處理是另(ling)一種有前(qian)途的(de)能源回收選擇。近年來，厭(yan)氧膜(mo)(mo)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)反應器(qi)(AnMBR)得到了(le)(le)發展。在厭(yan)氧過程中(zhong)，耦合(he)膜(mo)(mo)可(ke)(ke)以(yi)(yi)保留懸浮(fu)物(wu)(wu)(wu)，而(er)不是讓(rang)它(ta)們(men)流失。通過延長(chang)材(cai)料(liao)的(de)降解時(shi)間，AnMBR為低強(qiang)度城(cheng)市(shi)污(wu)水(shui)(shui)處理提供了(le)(le)可(ke)(ke)能。然而(er)，膜(mo)(mo)污(wu)染成(cheng)為阻(zu)礙該技術結(jie)垢的(de)最大挑戰。由于(yu)(yu)污(wu)水(shui)(shui)中(zhong)含有大量(liang)的(de)有機物(wu)(wu)(wu)和營養物(wu)(wu)(wu)質，新(xin)興的(de)處理工藝已經(jing)被開(kai)發出(chu)來，以(yi)(yi)捕獲(huo)這些(xie)有價值(zhi)的(de)資源，并(bing)將其(qi)轉(zhuan)化為增值(zhi)產(chan)品如鳥糞石、藍鐵礦、生(sheng)物(wu)(wu)(wu)柴油、生(sheng)物(wu)(wu)(wu)塑(su)料(liao)、生(sheng)物(wu)(wu)(wu)炭(tan)和蛋白質。此外，已經(jing)證明(ming)資源回收內部(bu)污(wu)水(shui)(shui)處理廠在實現碳(tan)中(zhong)和方(fang)面發揮(hui)著重要作用。例如，鳥糞石降水(shui)(shui)過程對全球變暖(nuan)的(de)減緩(huan)效(xiao)應模擬為3%——38%。對于(yu)(yu)有機碳(tan)來說，生(sheng)物(wu)(wu)(wu)塑(su)料(liao)合(he)成(cheng)是從(cong)城(cheng)市(shi)污(wu)水(shui)(shui)中(zhong)提取有機碳(tan)并(bing)將其(qi)升級為化工商(shang)品的(de)最有前(qian)途的(de)途徑(jing)之一，也具(ju)有廣闊的(de)應用前(qian)景。
2 節能減排技術工藝應用案例
在我國城市碳中(zhong)和(he)作業實踐(jian)中(zhong)，已經有很多(duo)城市的污水處理廠(chang)進行了實際應用的實踐(jian)。
美國Sheboygan污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)初步(bu)建立(li)了(le)一(yi)套以(yi)(yi)AO為(wei)主要生產流(liu)程的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)案，將污(wu)(wu)(wu)泥(ni)水(shui)(shui)(shui)解-酸(suan)化(hua)(hua)、混合基質厭(yan)氧共消化(hua)(hua)和污(wu)(wu)(wu)泥(ni)濃縮等(deng)新技(ji)術相融合，并實施了(le)一(yi)套節(jie)能(neng)(neng)(neng)方(fang)案，到2013年(nian)(nian)該技(ji)術已基本達到了(le)自(zi)供。奧地利(li)Strass污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)作(zuo)為(wei)一(yi)個(ge)比較(jiao)成(cheng)功的(de)(de)(de)(de)(de)案例(li)表(biao)明，回(hui)收(shou)的(de)(de)(de)(de)(de)化(hua)(hua)學能(neng)(neng)(neng)可(ke)(ke)以(yi)(yi)彌補(bu)2003年(nian)(nian)全年(nian)(nian)總(zong)能(neng)(neng)(neng)耗(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)80%;通過其他改進，包括添加有(you)機廢物，2012年(nian)(nian)Strass污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)實現了(le)158%——178%的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)自(zi)給自(zi)足。以(yi)(yi)上兩個(ge)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)廠(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)經驗對(dui)(dui)于(yu)(yu)我(wo)國來說(shuo)非常有(you)借鑒意義，在(zai)我(wo)國，餐廳及家庭的(de)(de)(de)(de)(de)剩菜剩飯(fan)可(ke)(ke)以(yi)(yi)一(yi)同(tong)送往污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)與剩余污(wu)(wu)(wu)泥(ni)進行(xing)(xing)共消化(hua)(hua)。德國Bochum-lbachtal污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)為(wei)三階段入水(shui)(shui)(shui)預脫氮，生物處理(li)(li)部分(fen)為(wei)化(hua)(hua)學除磷，利(li)用(yong)(yong)厭(yan)氧法與熱(re)電聯(lian)產相結(jie)合的(de)(de)(de)(de)(de)技(ji)術，可(ke)(ke)以(yi)(yi)實現96.9%的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量自(zi)給，經過核算，可(ke)(ke)以(yi)(yi)實現63.2%的(de)(de)(de)(de)(de)碳中和率。青(qing)島(dao)市海泊(bo)河污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)利(li)用(yong)(yong)熱(re)電聯(lian)產，在(zai)一(yi)年(nian)(nian)多的(de)(de)(de)(de)(de)時間里，其發電效(xiao)(xiao)率已接近30%,節(jie)能(neng)(neng)(neng)效(xiao)(xiao)益顯著，而采用(yong)(yong)該系(xi)統(tong)(tong)可(ke)(ke)降低(di)(di)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)脫硫耗(hao)水(shui)(shui)(shui)7×104 t,降低(di)(di)燃煤12 670 t,降低(di)(di)1 383 m3 CO2,通過控(kong)制(zhi)廢氣的(de)(de)(de)(de)(de)排放，可(ke)(ke)以(yi)(yi)有(you)效(xiao)(xiao)降低(di)(di)工(gong)廠(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)消耗(hao)，同(tong)時也可(ke)(ke)以(yi)(yi)有(you)效(xiao)(xiao)地減(jian)少煙塵對(dui)(dui)周圍的(de)(de)(de)(de)(de)環境的(de)(de)(de)(de)(de)影響。關于(yu)(yu)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)管理(li)(li)、設備革新的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)情況，Khatri等(deng)使(shi)用(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)力(li)旋流(liu)器(qi)和智能(neng)(neng)(neng)曝氣控(kong)制(zhi)來降低(di)(di)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)耗(hao)，采用(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)力(li)旋流(liu)器(qi)作(zuo)為(wei)一(yi)次污(wu)(wu)(wu)泥(ni)分(fen)離器(qi)可(ke)(ke)節(jie)省曝氣電量71.46%。通過研(yan)究印(yin)度(du)北部不(bu)同(tong)城市的(de)(de)(de)(de)(de)7個(ge)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)運行(xing)(xing)性(xing)能(neng)(neng)(neng)，結(jie)果表(biao)明UASBs和簡單(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)有(you)氧系(xi)統(tong)(tong)是(shi)一(yi)種(zhong)有(you)前途的(de)(de)(de)(de)(de)技(ji)術，特別(bie)是(shi)在(zai)印(yin)度(du)，可(ke)(ke)以(yi)(yi)以(yi)(yi)低(di)(di)成(cheng)本達到回(hui)用(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)所需的(de)(de)(de)(de)(de)BOD水(shui)(shui)(shui)平。Alekseiko等(deng)研(yan)究了(le)符(fu)拉迪(di)沃斯托克一(yi)座污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)廠(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)使(shi)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)泵(beng)，并證明該工(gong)廠(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)產生的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)源(yuan)是(shi)一(yi)種(zhong)有(you)價值的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)源(yuan)。Bruno等(deng)使(shi)用(yong)(yong)吸(xi)收(shou)式制(zhi)冷機來幫助提高位于(yu)(yu)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)廠(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)沼氣驅動的(de)(de)(de)(de)(de)微型燃氣輪機(MGT)熱(re)電聯(lian)產廠(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)(neng)。
3 結(jie)論與展望(wang)
我國(guo)作(zuo)為全(quan)球最大(da)的(de)能源消費國(guo)和(he)CO2排(pai)放國(guo)，具有巨(ju)大(da)的(de)碳(tan)減排(pai)潛力(li)(li)和(he)綠(lv)色發(fa)展潛力(li)(li)，然(ran)而(er)，就當前污水(shui)處理技(ji)術的(de)低碳(tan)運行現狀而(er)言，仍(reng)然(ran)有許多瓶(ping)頸問題成為了污水(shui)處理廠實(shi)現碳(tan)中(zhong)和(he)的(de)阻礙。
(1)針對(dui)污水(shui)廠(chang)設備與管理(li)存在的不足，在未來(lai)污水(shui)處理(li)廠(chang)可(ke)以利用(yong)互聯網(wang)+、大數據、人工智(zhi)能等前沿信息(xi)(xi)通(tong)信技(ji)術耦合先(xian)進節能、用(yong)能技(ji)術降低污水(shui)處理(li)領域(yu)碳排放(fang)(fang)，同時通(tong)過信息(xi)(xi)通(tong)信技(ji)術優化或重塑污水(shui)處理(li)行業技(ji)術環節，從源(yuan)(yuan)頭減少能源(yuan)(yuan)、資源(yuan)(yuan)、信息(xi)(xi)領域(yu)消(xiao)耗(hao)帶來(lai)的碳排放(fang)(fang)。
(2)用于采暖的(de)污水(shui)源熱(re)泵對熱(re)量(liang)價格變化(hua)比較敏感，城市熱(re)水(shui)管網(wang)建設滯后(hou)(hou)嚴(yan)重阻礙了該(gai)(gai)技(ji)術的(de)大(da)規模應用。光伏發電產生(sheng)的(de)電量(liang)有限，僅占總能(neng)耗的(de)10%左右。在今后(hou)(hou)的(de)研究中，應該(gai)(gai)將目(mu)前(qian)的(de)研究結果與(yu)之相(xiang)融(rong)合，發展(zhan)出(chu)更穩定的(de)能(neng)量(liang)儲存(cun)技(ji)術。污泥厭氧消(xiao)化(hua)過(guo)程易受環境條件的(de)影響，消(xiao)化(hua)污泥不易沉淀。碳捕捉目(mu)前(qian)存(cun)在投(tou)資大(da)、要求高(gao)(gao)等(deng)劣勢，該(gai)(gai)技(ji)術現在的(de)痛點是如何(he)將捕捉到的(de)CO2安(an)全、大(da)規模、高(gao)(gao)效地資源化(hua)。
(3)在我國今后的(de)發展中，要充分吸收(shou)國內(nei)外先進的(de)污水碳(tan)(tan)中和技(ji)術，以發展污水中的(de)有(you)機(ji)潛(qian)力以及新的(de)低碳(tan)(tan)技(ji)術為中心(xin)，從提(ti)高(gao)裝置節能、改善生產操作方式(shi)等方面著手，達(da)到低碳(tan)(tan)運行(xing)的(de)目的(de)。
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