污水處理行業(yè)一切創(chuàng)新的來源是發(fā)現問題,只有能發(fā)現問題才可能創(chuàng)新!在碳中和趨勢下,現有的污水處理技術和方法存在哪些問題?未來的污水處理技術應解決哪些痛點?北控水務集團運營管理中心污水管理部魏彬經理在“北控水務杯“第四屆”互聯(lián)網+“生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽“產業(yè)前沿”系列講座(第二講)中做了題為“碳中和趨勢下污水處理節(jié)能降耗技術需求解讀”的分享,對污水運營管理方向的發(fā)展歷史、趨勢和前景,碳中和背景下的技術需求,典型節(jié)能降耗與資源回收技術等進行了詳細闡述。
污水的來源
對污水處理廠來說,處理的污水來源于三個方面,包括生活污水、工業(yè)廢水以及被污染的雨水。簡單的講,生活污水是人們在日常生活中產生的廢水;工業(yè)廢水是在工業(yè)生產過程中產生的水,對于工業(yè)廢水需要關注的指標除常規(guī)污水指標外,還涵蓋熱污染及其他有毒有害物質指標;被污染的雨水主要指初期雨水,是在雨污分流制排水體制下產生,對污水廠水量均影響較大。
低碳節(jié)能與資源利用是碳中和背景下的新需求
魏彬老師以某一級a標準污水處理廠為例對污水處理技術進行了總體介紹,概括了物理、化學、生物處理技術①在多級水處理中的功能,落實到具體處理工藝②和工程,各級各類技術需針對不同污染物和不同污染情況,依據實際情況進行應用和改進。在碳中和背景下,不但要追求低碳,更要建立碳生態(tài),實現富余碳源的利用,同時,也要關注n2o等溫室氣體產生情況,為碳中和的目標實現進行技術改進和革新。
機理研究和管理邏輯優(yōu)化是滿足碳中和背景下技術需求的關鍵
問題的解決離不開正確精準的認知。通過不同過程中關鍵因素的識別,探究和深化不同反應過程中的控制機理,從而實現碳源利用的目標。魏老師介紹了脫氮除磷過程中實現的共用碳源的例子:生物除磷的本質是能量的轉化,碳源只是產生能量的燃料,氧化劑可以多樣化,因此可以與脫氮過程共用碳源,實現低碳節(jié)能。此項工藝提出離不開對反應機理過程的準確把握,這也是技術創(chuàng)新的關鍵。同時,技術發(fā)展需要不斷深化對處理過程的理解,例如傳統(tǒng)教科書對一些水處理過程中厭氧條件的定義,已不符合實際工藝和內在機理。實現碳中和的技術升級,需要準確把握反應過程,不斷深化機理認知。縱觀污水處理技術的發(fā)展,其實也是對內在反應機理的一步步探究,往往對一個關鍵因素的改變就可以推動一種工藝的快速發(fā)展。
除了技術創(chuàng)新,管理創(chuàng)新也是極為重要的部分,污水運營管理不再是隨意性的“讀讀書、看看報、曝曝氣、排排泥”,已經到了智能控制和精準管理的階段, 管理目標從低成本低標準轉變?yōu)榈统杀靖邩藴?,通過管理實現技術效益的最大化,向著碳中和、資源化、智慧化的方向前進。
污水處理廠實現碳中和面臨的痛點
1、總氮總磷的高標準排放與碳源的嚴重不足
中國的污水水質特點與排放標準存在一定程度的不協(xié)調??偟偭椎臉藴屎芨撸翘荚春苋狈?。污水中碳源總量,連實現脫氮除磷都尚顯不足,再分出碳源進行厭氧消化或產生能量是不現實的。
2、排水系統(tǒng)中化糞池產生大量溫室氣體同時消耗碳源
生活污水進廠前在化糞池中停留了過長時間(10余天至1個月),導致厭氧產甲烷等反應充分進行,大量碳源消耗,并產生大量溫室氣體,進一步導致進場水碳源不足,致使后端處理需補加碳源,與碳中和理念矛盾。但由于政策原因及配套排水管網問題,這一矛盾并不容易解決。
工業(yè)水進末端污水處理設施前,由于工業(yè)水排放標準對cod要求較高,對tn要求較低甚至不要求,導致上游大量采用好氧曝氣工藝,浪費大量能源同時把最好的碳源消除掉了,把難降解cod和tn留給了末端污水處理設施,到了末端污水廠還要再外加碳源解決tn,采用高級氧化解決難降解cod。這也是上下游不協(xié)同帶來的雙重浪費,也非常不利于實現污水處理行業(yè)的碳中和。
3、重金屬問題帶來的污泥資源化利用困惑
從生態(tài)循環(huán)角度出發(fā),植物通過吸收土壤中的氮磷元素合成有機物進入食物鏈循環(huán),通過人類消耗,最終回到污水廠,進入污泥中。一個完整的循環(huán)需要污泥中的氮磷重新回歸農田、土壤,成為肥料。而實際處理過程中,大量污泥中的氮磷無法得到有效利用,只能填埋或焚燒,而不得不通過向農田中施加化肥以補充循環(huán)中損失的氮磷,也造成了雙重浪費。
而導致污泥無法再利用的主因,是大量工業(yè)廢水排放使污水中重金屬含量增高,進而導致污泥重金屬含量過高而無法進行農業(yè)利用。若可通過政策實現工業(yè)廢水與生活污水的有效分離,則有望解決上述問題。
碳中和背景下的技術創(chuàng)新需求1. 高效脫氮除磷新工藝或新裝備
基于同步/短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷等先進理論的新型污水處理工藝或運行控制方法、裝備;
基于傳統(tǒng)硝化反硝化的運行優(yōu)化控制方法(傳統(tǒng)的a2/o工藝在實際應用中占比較高,而新工藝推廣較難,針對常規(guī)工藝的提升優(yōu)化是較好的方向);
基于提升原水碳源利用率、降低系統(tǒng)總氮放棄率的新型工藝或裝備(以提升碳源利用率及降低總氮放棄率為目標③,深度探究挖掘現有處理工藝流程細節(jié),在細微之處如進水過程中跌水帶來的溶氧碳消耗等角度,實現方法創(chuàng)新);
新型三級處理深度脫氮或深度除磷工藝或裝備(研究高密度沉淀池、濾池、磁混凝或其他方法,更經濟更高效的解決深度處理問題);
碳捕獲、磷回收;新型快速水質監(jiān)測技術(包括在線監(jiān)測手段);
氧化亞氮(n2o)產生的抑制技術和捕捉、分解技術等(技術儲備,未來需求)。
2. 節(jié)能降耗新裝備集成應用
水泵:提升泵運行能效,降低管道損失和局部損失;
風機:提升風機運行能效,降低風管道損失和曝氣頭局部損失(風機控制技術,曝氣頭清洗技術,降低曝氣頭水頭損失等);
攪拌器:合理的池型及流態(tài)模擬,獲得更低的容積功率(攪拌器的形態(tài)、布置方式、攪拌器與池型的配合等);
脫水機:獲得更低的單方脫泥能耗,藥耗和更低的出泥含水率(脫水機的運行控制,新型的脫水機設備等);
空調系統(tǒng):利用水中余熱或太陽能等新能源,獲得較低的供熱能耗。
3. 資源回收利用解決方案
能源:有機污染物化學能、污水內能等能源的回收利用工藝或裝備(有機物的回收利用,高能效比的水源熱泵設備技術);
污泥:污泥資源化利用整體解決方案或裝備(污泥干化焚燒,碳化,協(xié)同焚燒,資源化及利用的解決方案);
磷:磷回收利用整體解決方案或裝備;
太陽能和風能:利用場地優(yōu)勢,低成本、高品質、低維護光伏發(fā)電裝備或技術;
再生水:新型低成本、高品質再生水處理工藝或裝備。
一切創(chuàng)新的來源是發(fā)現問題,發(fā)現痛點,而深入理解原理才能觸及到創(chuàng)新工作的根本,才能實現有效的創(chuàng)新。
目前針對不同級的處理區(qū),已有一些正在應用的節(jié)能降耗與資源回收技術,包括:針對一級處理區(qū)的管網調度模式(廠網一體化)、雜物無機砂粒去除碳源保留技術、跌水控制、碳源的溯源損失控制等;針對二級處理工藝的精細化過程控制,關鍵工藝環(huán)節(jié)工藝參數的控制方法,泥水分離裝備等。針對三級處理區(qū)的精細化控制方法,各池的運行控制邏輯,藻類控制方法,環(huán)境友好性強的藥劑等。
實際上,深入到每一個工藝環(huán)節(jié),都有其進一步精細化管理的方法。用優(yōu)秀的控制手段、邏輯、算法實現自動化和智能化控制,將對處理效果和節(jié)能降耗起到強有力的支撐作用。
問答
資源回收技術,將是碳中和背景下重要的創(chuàng)新方向。單從碳的角度,做到碳中和難度較高,但是通過回收利用資源,可以在一定程度上平衡碳中和的需求。技術革新和運行管理邏輯優(yōu)化哪個在現在的水處理中更為重要?
魏彬:二者同樣重要,往往大家會關注技術的革新,實際上管理優(yōu)化對于整個污水處理是非常有價值的,可以避免很多的能源損失,降低成本;具體到大賽而言,還是要看技術的成熟度,能否落地,這是比較不同方向技術的重要指標。
三級處理可以用哪些綠色技術?
魏彬:各個工藝細節(jié)的精細化控制都能夠帶來節(jié)能降耗的效果,都可以說是綠色技術,比如高密池精確加藥,泥位的精確控制,回流量的控制,攪拌強度的控制等,濾池的反洗周期控制,反洗強度控制等。新型的深度處理工藝,如果比現有的成本更低,效果更好,比如磁混凝就是最近幾年涌現出來的新型綠色工藝。對于脫色、難降解cod等常規(guī)深度處理較難解決的問題也可以探索低成本、高效率的處理方法,也算是綠色工藝。污水處理小知識
典型污水處理方法
傳統(tǒng)的污水處理方法主要是物理法、化學法、生物法及其組合。物理法主要應用于預處理及深度處理過程中,包括沉淀、過濾、氣浮等手段。化學法包括氧化、還原、中和、絮凝等方法,在污水廠應用最多的是絮凝法,用化學藥劑去除水中的膠體、懸浮物、磷酸鹽等。生物法在國內起步較晚,最初用于去除污水中的cod,隨著國家標準的提高,生物法核心內容逐漸向生物脫氮和生物除磷轉變。
生物脫氮
在污水處理中,生物脫氮主要包含氨化、硝化以及反硝化三個步驟。污水,尤其生活污水,氮元素主要以有機氮的形式存在。首先通過水解作用,將有機氮轉化為氨氮(部分水廠進水氨氮很高是由于水解作用已于管網和化糞池中進行),此為氨化過程。隨后進行亞硝化及亞硝酸鹽的兩步硝化反應。厭氧硝化過程中,會生成一定量的甲烷(溫室氣體)。隨后反硝化反應過程中氮元素的化合價逐步降低,從+5價的硝態(tài)氮轉化為0價的氮氣單質,過程中會產生低價態(tài)的氮氧化物,例如氧化亞氮n2o(笑氣、溫室氣體)。在碳中和的前提下,未來的污水處理工藝中應當重視減少溫室氣體的產生、逃逸及排放。
生物脫氮過程中,各個環(huán)節(jié)的影響因子有很多。例如硝化反應中主要是微生物的酶在發(fā)揮作用,而微生物的數量決定了酶的數量,因此硝化細菌數量就成為了硝化反應速率和方向的重要影響因子。與此類似的,還有溶解氧(do)、水力停留時間(hrt)、水溫、堿度等等。各影響因子在硝化反應中是同時發(fā)揮作用的,改變任何一個條件都會影響到硝化反應的速率。在實際處理過程中,應當明確每一個反應的影響因素,對可控因素進行分析,就可以確定促進反應的操作,也即改進的方向。
生物除磷
生物脫氮和生物除磷都需要碳源,普遍認為脫氮和除磷是爭奪碳源的關系。但是在生物脫氮除磷工藝中,存在一個窗口可以實現利用一份碳源,同時脫氮和除磷,也即反硝化除磷。
磷常以磷酸鹽(h2po4-、hpo42-和po43-)、聚磷酸鹽和有機磷的形式存在于廢水中,生物除磷就是利用聚磷菌一類的細菌,在厭氧狀態(tài)釋放磷,在好氧狀態(tài)(具有氧化劑的環(huán)境,不一定是氧氣,也可以是硝氮或者亞硝氮)從外部攝取磷,并將其以聚合形態(tài)貯藏在體內,形成高磷污泥,排出系統(tǒng),達到從廢水中除磷的效果。除磷的本質是一個能量轉化過程,聚磷菌的初心是獲取更多的能量,而不是獲取更多的磷,磷僅僅是能量的載體。通過在好氧段只提供充足的硝氮、亞硝氮,以及一段時間的馴化,就可以實現一份碳源既還原了氮,又供給了聚磷菌能量,實現了反硝化除磷。
在生物脫氮環(huán)節(jié),工藝的優(yōu)劣主要通過碳源利用率和總氮放棄率來判斷。
碳源利用率,即原水中的碳源及外加碳源總量中,和硝態(tài)氮反應的碳源所占比率。一個好的工藝中,應盡量滿足碳源都和硝態(tài)氮反應。在碳中和的思路引導下,應當控制同化反應中碳源的消耗比率(或實現同化后碳源的再利用),抑制碳源與氧氣的直接反應(減少碳源消耗,以及co2的生成),富裕碳源用于厭氧硝化及能量產生。將cod不再看成污染物,而看成一種資源。
總氮放棄率,即傳統(tǒng)工藝中,假設碳源充足,僅通過工藝仍無法去除的總氮??偟コ剩峭ㄟ^內外回流比決定的氮的去除率的上限。
在設計處理工藝、工藝選型及創(chuàng)新時,需要想辦法降低總氮放棄率,提升碳源利用率。
典型污水處理工藝
典型的污水廠處理工藝流程是上述方法的組合。以某一級a標準污水處理廠為例,從進水到出水主要分三級處理區(qū),一級處理區(qū)主要應用物理法(包括攔截、沉淀、除砂等)及一定的化學法(初沉池前絮凝);二級處理區(qū)是污水處理工藝核心,主要是以活性污泥為主的生化反應(酶促反應);三級處理區(qū)主要應用物理化學法,通過混凝、過濾、消毒等工藝手段對污水進行深度處理。落實到具體處理工程中,各級各類技術需針對不同污染物和污染情況進行應用和改進。
典型的二級處理工藝主要包括懸浮性活性污泥法污水處理工藝,及固著性生物膜法工藝如baf、膜生物反應器mbr等。懸浮性活性污泥法污水處理工藝主要有三個系列:(1)氧化溝系列;(2)a/o及a2/o系列;(3)序批式反應器(sbr)系列。各個系列不斷的發(fā)展、改進,形成了目前比較典型的工藝有:a2/o工藝、改良a2/o工藝、sf-ao工藝、uct工藝、卡魯塞爾-2000 氧化溝工藝、奧貝爾氧化溝工藝、sbr工藝、cass工藝等。
三級處理工藝中最常用的就是高密度沉淀池。其對總磷和懸浮物的去除效果較好,運行穩(wěn)定。此外還有濾池(砂濾池、纖維轉盤濾池、反硝化濾池等),磁混凝、高級氧化工藝等。
各種處理工藝各具特色,各有優(yōu)劣勢,需結合實際情況進行選擇。
來源:北極星水處理網