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   低碳运行技术在污水生物处理工艺中的应用分析

  作者:王勇 来源:科学与信息化

  摘 要 在生物处理的过程中如果能够使用低碳运行技术,不但可以有效降低污水处理过程对外部能源的需求,起到节能减排、降低成本的作用;也能够有效控制CO2、N2O等温室气体的排放,同时使污水处理厂的环保性能得到保证。本文通过对我国当前污水处理的现状进行分析,探讨如何应用低碳运行技术实现污水处理厂低碳运行的目的。

  关键词 低碳运行技术;污水生物处理工艺;现状;温室效应

  前言

  当前,污水处理问题已成为我国一个重要的问题。而温室效应是全球环境问题的首要问题,全国乃至全球都在倡导“节能减排”、“低碳生产”、“低碳生活”。

  就城市污水处理而言,二级生物处理是最成熟稳定应用最多的工艺,其利用微生物的代谢作用能够有效地去除有机物,对氮、磷等也有一定的去除效果。但由于现存处理工艺的局限性,在处理过程中往往需要耗费巨大的电能,同时还会形成“转嫁污染”等。本文主要对当前我国污水处理的现状进行分析,并且探讨如何实现污水处理低碳运行。

  1 污水处理现过程中碳排放与气候变暖(温室效应)的关系

  1.1 我国目前污水处理的现状

  截至2015年,我国已经建成并运行数千座污水处理厂,污水处理规模2.08亿立方米/日,污水的处理率、利用率也在逐渐上升。我国城市污水处理工艺主要以二级生物处理为主,而目前应用最多的二级生物处理工艺主要有活性污泥法与它的改进型如A/O、A2/O、氧化沟、SBR等[1-3]。

  随着污水排放标准的日趋严格,现有污水处理工艺已不能满足其要求;同时,由于全球变暖愈演愈烈,污水处理过程的高能耗与“低碳生产”、“节能减排”等背离。在这种情况下就需要对以往的污水处理工艺不断进行改善,从“节能低碳”的角度出发,这样才能更好地实现对污水的有效处理。

  1.2 污水处理与碳排放及气候变暖(温室效应)的关系

  在污水生物处理的过程中,鼓风曝气、外加碳源与化学药剂投加等运行耗能是CO2直接排放的主要原因。污水处理去除的主要对象是有机物(COD)与氮磷类水体富营养物,其中COD是一种潜在的含能物质。现有处理工艺对COD的去除主要通过鼓风曝气等方式供氧,利用微生物好氧代谢的将其转化为CO2释放到大气中。

  对氮的去除主要通过缺氧-好氧循环实现,在处理过程中不可避免的需要消耗电能(好氧硝化、回流)以及有机碳源(缺氧反硝化),大多数污水处理厂由于设计存在先天不足,加上污水水质变化较大,对于低C/N的进水,许多污水处理厂运行中常常需要投加外部碳源以保证反硝化对碳源的需求。且在反硝化过程中,通常伴随着N2O的释放,据研究,N2O排放产生的温室效应约是CO2的265倍,对温室效应的贡献率约为8%。

  对磷的去除,生物处理往往“力不从心”,因其去除机理为通过厌氧-好氧循环,利用微生物超量吸磷的特性,排放剩余污泥达到去除磷的目的。同样需要消耗碳源,且由于微生物脱氮“碳源竞争”等问题,除磷过程与脱氮过程往往存在着矛盾。通常情况,在日趋严格的排放标准下,污水处理运行以强化生物脱氮为主,化学除磷为辅。

  污水生物处理往往伴随着大量剩余污泥的产生,剩余污泥是一种绿色的能源,但现有的主要处理方式为进行脱水后卫生填埋或焚烧。污泥脱水使用的PAM与污泥的处理方式是CO2间接排放的主要原因。

  从能源利用和温室气体排放的角度上看,现有污水处理工艺存在“以能消能”、“碳排放”、“污染转嫁”。

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  2 节能减排——低碳运行途径

  2.1 淘汰低效设备、增加在线检测仪表进行过程控制

  低效设备能耗高且不能满足污水处理需求。淘汰低效率设备,更新重置节能环保设备如更换高效变频电机,不仅节能降耗,还能保证污水处理效果。

  目前大多数污水处理厂出水存在部分指标远低于出水标准的情况(如COD、NH3-N、TN),这主要是由于进水水量、水质不断发生变化,而运行参数如曝气、回流量等都是定值。增加在线检测仪表,开发过程控制技术,在满足出水达标的前提下控制处理工艺如曝气、回流等,不仅能优化运行效果,还能达到节能减排的目的。

  2.2 工艺优化技改,控制外部碳源与化学药剂的使用

  在脱氮除磷的污水处理工艺中,碳源是脱氮除磷效果的影响因素之一,在运行过程中尽可能地利用污水内部碳源通过微生物的作用进行脱氮除磷,避免外部碳源与化学药剂的投加。针对进水C/N值偏低的问题,可以优化或技改,使用节碳的生物营养去除工艺进行。

  2.3 剩余污泥资源化利用

  污水生物处理过程产生剩余污泥是由微生物组成的生物固体,含大量有機物以及丰富的氮、磷、钾等,是一种潜在的绿色能源。污泥水解酸化产VFA的过程是厌氧消化的一部分,控制反应条件将厌氧消化停留在水解酸化阶段,可将水解产物控制转化为VFA。

  从技术层面而言,将污泥转化成为能源的方式有两种,分别为生物产氢和传统的甲烷途径。但是目前,厌氧消化污泥转化沼气的量不多,转化率仅为30%~45%以下,一些新的、高效的厌氧污泥产沼气技术有待开发。

  由于缺少相关政策和补贴,在我国污泥资源化利用的推广和应用比较困难,影响了相关技术的开发和应用。

  3 低碳处理工艺及应用

  3.1 剩余污泥细胞裂解工艺

  因污泥中的有机物绝大部分存在于细菌细胞内,无论是厌氧发酵回收有效碳源,还是产氢、产甲烷途径回收能源,剩余污泥细胞裂解(细胞破壁)问题是制约其效率的瓶颈。采用污泥裂解技术预处理方式可破坏污泥絮体结构及细胞壁,释放出胞内物质,可为水解酸化创造有利条件。目前,剩余污泥细胞裂解工艺有碱法、ClO2氧化法、超声波法和高压均质法,不同的裂解方法处理的剩余污泥有各自相适宜的用途。

  剩余污泥细胞裂解可回收利污泥中易生物降解的有效碳源,解决污水C/N偏低问题,降低甚至避免使用外部碳源。

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