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污水处理碳中和:奥地利Strass厂

作者:程慧芹,郝晓地等 发表时间:2021-11-26 09:00:08 来源:中国给水排水

  易水环保网讯:虽然污水处理厂依靠市政固体废弃物或厨余垃圾等外源有机物与剩余污泥共消化可能达到碳中和,但并非完全依靠自身有机物转化甲烷所实现,应是“伪中和”。进言之,只有进水含有高浓度COD的污水处理厂才可能依靠有机质能源转化与节能降耗措施实现碳中和目标,如前期介绍的德国Steinhof厂。在此方面,奥地利Strass污水处理厂藉自身进水水质以及特殊工艺不仅可实现108%的能源中和率(未必碳中和),亦可以借助其污泥处理富余空间转化外源有机固体废物,进而达到200%能源中和率(可以碳中和)。本期回溯2014年发表于《中国给水排水》的奥地利Strass污水处理厂能源中和案例,以显示外源有机物可以借助于市政污泥富余处理空间转化有机能源,形成一种“协同”能源中和、甚至碳中和的路径。

  碳中和运行是未来污水处理的一种国际趋势。奥地利Strass(史特劳斯)污水处理厂以主流传统工艺(AB法)与侧流现代工艺(厌氧氨氧化)相结合方式实现剩余污泥产量最大化,在2005年通过厌氧消化产甲烷并热电联产实现了108%的能源自给率,超过能源中和目标。同时,该厂进一步利用剩余污泥与厂外厨余垃圾厌氧共消化,能源自给率可提升至200%,不仅实现自身能源自给自足,而且还有一半所产生的能量可以向厂外供应,成为名副其实的“能源工厂”。在介绍该厂工艺流程的基础上,重点剖析其剩余污泥产生、厌氧转化生物气并热电联产供热、供电方面的做法与经验。

  

  01

  工艺流程

  Strass污水处理厂位于奥地利西南方向因斯布鲁克(Innsbruck)的东部,坐落在Achental和Zillertal山谷附近。该厂服务周边31个社区,主要承担居民及游客生活污水处理。由于污水处理厂所在地是著名的滑雪圣地,故该厂服务人口波动较大,夏季约60 000人,冬季则高达250 000人;污水流量也因此在17 000-38 000 m3/d之间波动,平均为26 500m3/d。该厂进、出水水质指标如下表所示。

  Strass污水处理厂全年进、出水平均水质

  

  Strass污水处理厂主流工艺采用较为传统的AB法,以最大限度回收污水中的有机物(COD),其工艺流程如图所示。

  

  Strass污水处理厂工艺流程

  A段与B段回收的剩余污泥经浓缩脱水后再厌氧消化产甲烷(CH4),不仅实现了能源回收,而且同时使污泥稳定化和减量化。消化污泥经机械脱水后一分为二:①消化液经侧流自养脱氮(DEMON)后回流至A段吸附池;②浓缩熟污泥则用于堆肥或被焚烧处置。

  02

  能源中和措施

  Strass污水处理厂实现能源中和运行目标的根本原因是产电量提高和运行能耗降低,使其最终实现能源自给率达108%,超额8%完成了能源自给自足的能源中和运行目标。

  

  Strass污水处理厂耗电量与产电量

  能源回收

  厌氧消化是该厂回收能量的唯一方法,所产生的CH4通过热电联产(CHP)加以利用:热能用于消化池加热;电能则弥补鼓风机和提升泵等运行电耗。

  CH4产量与热电联产效率对于实现能源中和运行目标至关重要,2001年Strass污水处理厂更换了热电联产机组,消化气转化电能效率由2.05 kW·h/m3增加至2.30 kW·h/m3,热电联产效率由原来的33%左右增至约40%(2005年实际为38.44%)。2005年,Strass污水处理厂日耗电量为7 869 kW·h/d,而CH4热电联产日产电量为8 490 kW·h/d,能源自给率达108%,并开始向厂外居民供电。

  为最大程度提高厌氧消化生物气产量,2008年起该厂通过添加外源有机废物(厨余垃圾)来增加厌氧消化过程中所需的有机底物,进而增加CH₄的产量。2008年,实现产能/耗能比达到123%,到2009年高达144%。目前,剩余污泥与厨余垃圾厌氧共消化已可实现产能/耗能比接近200%,不仅实现了能源中和运行目标,还可将多余的电能对外输出,并获得一定的经济效益。

  节能降耗

  (1)采用AB法作为主流工艺,剩余污泥量大,工艺能耗低。

  进水中60.7%的COD在A段以颗粒COD和生物污泥形式沉淀而形成剩余污泥(碳转向),再加上B段剩余污泥,进水COD中74.3%最终以剩余污泥形式进入后续污泥处理单元。这一污泥产量较其他常规处理工艺(如,A2/O、氧化沟等仅为40%~60%)要高出许多。因大部分COD在A段已经被去除,使得进入B段的有机物含量大为降低,因此,B段曝气耗能明显减少。

  

  Strass污水处理厂COD平衡

  (2)改革脱氮工艺,降低碳源使用量

  该厂2004年之前采用SBR工艺对污泥消化液进行侧流异养生物脱氮,这就需要对SBR工艺投入碳源,导致A段部分剩余污泥用于SBR脱氮,其结果是使得进入厌氧消化阶段的剩余污泥量相应减少,CH₄产量降低。2005年,该厂以DEMON自养脱氮工艺(厌氧氨氧化)取代SBR工艺,不再使用剩余污泥碳源,剩余污泥被全部用于厌氧消化产CH₄。改造前厌氧消化产CH₄获得的电能最多只能满足该厂约80%的用电量。2005年脱氮工艺改造(DEMON)后,CH₄发电量已超过耗电量(108%)。此外,DEMON工艺仅短程硝化需要供氧,理论上可以减少25%曝气量。该厂应用DEMON工艺后,脱氮过程处理能耗已由350 kW·h/d降低至196 kW·h/d。

  (3)曝气、浓缩、脱水设备的改进

  经12~15年左右运行,原有曝气设备已经老化,曝气效率降低,耗电量增大。2001~2004年该厂逐渐更新原有曝气设备,相应降低了曝气能耗。此外,污泥浓缩设备的改进导致能耗减少50%,脱水设备改进也减少了约33%的能耗。

  03

  结果与启示

  Strass污水处理厂规模虽小,但通过主流工艺AB法可以获得较多剩余污泥,与外源厨余垃圾一同实施厌氧共消化所产生的生物气(CH₄)热电联产(CHP)后完全可以满足其运行能耗(热、电),早在2005年便实现了“能源中和”运行目标,成为污水处理能源中和运行典范。Strass污水处理厂运行经验表明,污水处理规模不在大小,只要处理工艺选择得当,便能最大化剩余污泥产量,使之在厌氧消化中转化为可用能源。这与我国视污泥为负担,想方设法进行污泥减量的做法截然相反。因此,污水处理厂依靠有机质能实现能源中和目标的法宝是“开源”(提高有机质厌氧消化份额和能源转化效率)与“节流”(节能降耗)。但即便如此,在进水高COD=605 mg/L情况下,也仅仅能实现108%的能源自给率;而对我国低碳源进水污水处理厂,仅仅依靠“开源节流”方式显然无法实现能源中和与碳中和目标。


污水处理碳中和:奥地利Strass厂
虽然污水处理厂依靠市政固体废弃物或厨余垃圾等外源有机物与剩余污泥共消化可能达到碳中和,但并非完全依靠自身有机物转化甲烷所实现,应是“伪中和”。进言之,只有进水含有高浓度COD的污水处理厂才可能依靠有机质能源转化与节能降耗措施实现碳中和目标,如前期介绍的德国Steinhof厂。在此方面,奥地利Strass污水处理厂藉自身进水水质以及特殊工艺不仅可实现108%的能源中和率(未必碳中和),亦可以借助其污
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