近年来,碳中和是一个热门话题,不断增加的CO2排放已经成为世界的基本难题之一。2015年《巴黎气候协定》规定将气温上升限制在2 ℃以内,为了达到这个目标,我国采取了严格的法规和排放标准。现阶段国内大部分的
Zhang等提出一种新型组合型污水热泵供暖方式,其节能性、经济性、适用性强,能够将大量的热能通过管网向集中供暖系统输送,有助于降低燃煤和大气污染。
如图2所示,分析了不同工况下不同加热方式的一次能源利用效率。在设定的条件下,与传统的加热方法相比,污水源热泵可以充分利用污水热能资源,能够减小对环境的影响。与传统集中供热方式相比,在相同典型工况下,污水源热泵组合式集中供热方式一次能源效率提高了14%。而且,污水源热泵是一种环境友好型技术,不排放空气污染物。因此,借助污水源热泵提取热量是一种节能的有效途径,既可以节省污水厂的运行热能,又可以达到“碳中和”的目的,从而达到间接减少碳的排放量。
孙振宇等将污水源热泵和分布式太阳能-市电系统联合使用,使污水处理厂年可节省387.1 t的标准煤,减少483.9 t CO2排放量,减少了大气中的其他污染,取得了良好的环保和经济效益。Buller等研究了一个基于光伏能源、生物质气化炉和电网的混合系统,与沼气燃烧的混合组合可作为中型污水处理厂的替代方案,可以增加经济效益和环保效益。
但是,因为太阳能板使用氢氟酸、硝酸、三氯氧磷、异丙醇等化学成分对环境造成的危害不容忽视。太阳能产业带来的相关污染问题还需要认真对待并采取积极措施加以解决。
1.2.3 污泥厌氧消化与热电联产
文献统计表明,运行一个污水处理厂所需的电量通常为0.3～0.6 kW·h/m3。污水中有机化合物的燃烧热能为该值的9～10倍,因此,回收污水中含有的化学能具有经济效益。最可行的方法是利用厌氧消化产生的沼气发电和供热。污泥是污水处理厂生产中必然产生的副产物,由于其数量不断增加和处理不完全,污泥自身稳定性和无害化处置的结果与预期的目标有很大的差距。污泥的处理需要耗费很多的化学物质和能量,而采用填埋法进行处理会加剧温室效应,所以在污水处理厂中,对污泥处理过程碳减排的控制有着十分关键的作用。
戴晓虎等归纳分析我国典型的污泥处理处置工艺碳排放如表1所示,目前已有的污泥处理工艺流程碳排放量排序为:深度脱水-应急掩埋最多;干化焚烧-建材利用次之;好氧发酵-土地利用较少;厌氧消化-土地利用最少。由表1可知,污泥的处置主要碳排放来源于设备的电耗、油耗以及药物消耗,相应碳补偿措施也较易实现。赵阳悦等在吉林某公司改造扩建后的污泥厌氧化工程中,提出一种将污泥和有机助剂混在一起进行的厌氧消化技术,能够达到回收能源的目的,并且减少9 414 t CO2-eq的GHG排放。
再生水源热泵比污泥厌氧消化技术结合沼气热电联产具有更高的碳中和效果,再生水源热泵可产生74.22 t标准煤热能,而污泥厌氧消化仅能回收3.03 t标准煤热能和2.97 t标准煤电。随着污水厂处理负荷的增加,再生水源热泵可以达到更高的碳中和效果。光伏发电的应用需要考虑地理位置,在太阳能资源丰富的地区,光伏发电体系的碳中和率可以接近厌氧消化体系的碳中和率。以5万m3/d的污水厂为例,拉萨碳中和率为35%,长春为24%,贵阳为13%。不同太阳能光强的城市碳中和率差异可达2～3倍。在太阳能丰富的地区,可以回收和利用更多的太阳能,这更有利于光伏发电系统的功率转换效率,并可获得更高的碳中和。但是在构筑物顶部安装太阳能电池板工程太过复杂,也使得该技术没有得到广泛应用。污泥厌氧消化技术可以处理有机物含量较高的污泥,并且可通过沼气热电联产系统提供热能和动力。随着污水厂规模的增加,污水源热泵可以从污水中回收更多的废热,其碳中和率将显著提高。同样,随着污水厂规模的增加,光伏板的可铺设面积也会变大,光伏发电系统回收的太阳能也会更多,碳中和率也会更高。然而,污水厂规模的变化对污泥厌氧消化系统影响不大。
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。
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。
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。