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創(chuàng)新理念 | 藍(lán)色水工廠:框架與技術(shù)

創(chuàng)新理念 | 藍(lán)色水工廠:框架與技術(shù)

2022-09-05 11:48:49 3

人類目前面臨的環(huán)境壓力迫使我們不得不發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),而強(qiáng)調(diào)納入生態(tài)循環(huán)的藍(lán)色發(fā)展則突顯人類回歸自然的屬性,也是對(duì)我們祖先“天人合一”信念的堅(jiān)守。傳統(tǒng)污水處理固然可以清潔污水,但高能耗、高物耗摧毀其中資源/能源的作法難以持續(xù)維系。鑒于此,經(jīng)過多年務(wù)實(shí)國(guó)內(nèi)外合作,我們特意打造了旨在物質(zhì)/能量循環(huán)、碳中和運(yùn)行、智慧控制多重目標(biāo)的“藍(lán)色水工廠(Blue Water Factories, BWFs)”。藍(lán)色水工廠核心技術(shù)是好氧顆粒污泥(AGS)及其高值類藻酸鹽(ALE)回收工藝,輔以前端纖維素篩分與后續(xù)污泥焚燒電/熱 、磷、金屬回收工藝,出水作為副產(chǎn)品被提取熱/冷量后回用??傊{(lán)色水工廠在最大程度獲取資源、能源的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的“凈零(Net-zero)”影響。本期詳述藍(lán)色水工廠之框架與涉及相關(guān)技術(shù)。

01 藍(lán)色水工廠框架

藍(lán)色水工廠基于生態(tài)循環(huán)理念,強(qiáng)調(diào)低能耗、少藥耗、小空間處理技術(shù),以回收污水中重要資源與能源為追求目標(biāo),把工藝過程碳中和運(yùn)行與智慧控制同時(shí)作為目標(biāo)方向。為此,藍(lán)色水工廠核心技術(shù)是好氧顆粒污泥(AGS)及其高值類藻酸鹽(ALE)回收工藝,輔以前端纖維素篩分與后續(xù)污泥焚燒電/熱回收工藝,出水作為副產(chǎn)品被提取熱/冷量后回用。順便,焚燒灰分磷回收同時(shí)獲得的金屬離子可與海水淡化鹵水(陰離子)耦合生產(chǎn)混凝劑,殘余灰分用則用作建材。

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

藍(lán)色水工廠框架與核心技術(shù)被集成于圖1,形成以營(yíng)養(yǎng)物、生物材料、熱/電和水回用4個(gè)循環(huán)。所涉及關(guān)鍵技術(shù)為4個(gè)單元:

1)進(jìn)水纖維素篩分;

2)好氧顆粒污泥脫氮除磷工藝及其高值類藻酸鹽(ALE)回收;

3)污泥干化焚燒電/熱、磷、金屬回收工藝與混凝劑制造;

4)水源熱泵提取出水熱能后回用。藍(lán)色水工廠全系統(tǒng)可在智慧控制下可實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行。

02 涉及技術(shù)/工藝

2.1 資源化預(yù)處理:纖維素回收

污水生物處理過程中纖維素物質(zhì)非但難以降解,還會(huì)增加曝氣量、影響污泥沉淀效果。倒不如在生物處理前端將其篩分出來(lái)用作混凝土、瀝青添加劑等,既減負(fù)污水處理又實(shí)現(xiàn)其資源化利用。其實(shí),纖維素篩分非常簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),可在沉砂池后安裝篩網(wǎng)分離。例如,0.35 mm篩網(wǎng)孔徑旋轉(zhuǎn)帶式過濾機(jī)(RBF)即可分離約80%纖維素。

2.2 生物脫氮除磷與污泥高值資源化

好氧顆粒污泥技術(shù)(AGS)

AGS技術(shù)自它2005年底首先于荷蘭奶酪加工廢水處理廠落地后,全球范圍內(nèi)趨之若鶩的研究及研發(fā)遍地開花。到目前為止,AGS在全球工程應(yīng)用案例已多達(dá)70余例,在我國(guó)的工程應(yīng)用業(yè)已開始,且我們自主研發(fā)工程示范項(xiàng)目已落地河南淅川(南水北調(diào)源頭)。AGS技術(shù)對(duì)缺地新建或既有設(shè)施擴(kuò)容的工業(yè)廢水、甚至市政污水處理都是一種有效解決方案,可同步實(shí)現(xiàn)低碳源生物脫氮除磷。

目前運(yùn)行的AGS污水處理工藝都是序批式(SBR),連續(xù)式可通過多個(gè)SBR反應(yīng)器協(xié)同運(yùn)行得以實(shí)現(xiàn),亦可開發(fā)新型連續(xù)流工藝。

高值類藻酸鹽(ALE)物質(zhì)回收

AGS剩余污泥中ALE含量高達(dá)20%~35%VSS(絮狀污泥僅為9%~19%VSS),其性能可與大型天然海藻(海帶)形成的藻酸鹽相媲美。ALE是污泥具有凝膠特性的重要結(jié)構(gòu),回收后可用作各類防水/防火材料、增稠劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、粘合劑、上漿劑、種子包衣等。如今,荷蘭已興建了兩座提取AGS中ALE的工廠,產(chǎn)品被命名為“Kaumera”(來(lái)自新西蘭毛利語(yǔ),“變色龍”之意)。目前ALE年產(chǎn)量已達(dá)400 t/a,且有望在2030年前突破85 000 t/a。

2.3 污泥干化焚燒與磷及金屬回收

污泥干化焚燒

污泥焚燒已被確定為終極處置方式,AGS污泥在提取ALE后亦可直接焚燒,以最大化有機(jī)質(zhì)能源轉(zhuǎn)化。然而,焚燒前的干化是必不可少步驟,手段多為脫水后(80%含水率)熱干化,需要耗能。利用出水余溫?zé)崮軣峤粨Q產(chǎn)生的原位熱源(50~60 ℃)進(jìn)行污泥低溫干化不失為一種熱能有效利用方式。建議廠內(nèi)分散干化、鄰避效應(yīng)集中焚燒方式實(shí)施,從而將不能發(fā)電的低品位熱能可間接轉(zhuǎn)化為可以發(fā)電的高品位熱能(800~1 000 ℃)。污泥高溫焚燒后完全變?yōu)闊o(wú)機(jī)灰分,污泥體積可減少至5%~10%,不含任何有機(jī)質(zhì)與致病菌,可以提磷回收金屬后用作建筑材料。

灰分磷回收

在各種污水磷回收方法中,污泥焚燒灰分磷回收最為直接和有效,因?yàn)檫M(jìn)水中90%的磷負(fù)荷最終都進(jìn)入了污泥。進(jìn)言之,焚燒灰分磷回收成本僅相當(dāng)于從污水和污泥中回收磷成本的80%和24%,而磷回收效率卻高達(dá)90%??梢姡c污泥終極處置路線相一致的灰分磷回收則是未來(lái)可持續(xù)污水處理發(fā)展的必然趨勢(shì)。

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

2.4 出水余溫?zé)崮芙粨Q與出水利用

出水余溫?zé)崮軡撃芫薮?,是化學(xué)能的9倍。因水源熱泵經(jīng)濟(jì)出水溫度一般為50~60 ℃,是低品位能源,不能發(fā)電,只能直接利用。因此,熱/冷就近(3~5 km)直接納入市政熱網(wǎng)是最佳利用方式。在外輸供熱受阻情況下,可以將熱原位低溫干化脫水污泥,亦可在北方寒冷地區(qū)冬季加熱進(jìn)水等等。

熱量交換后的出水或作為“副產(chǎn)品”形式的中水回用,或排放水環(huán)境,特別在冬季接近水體環(huán)境溫度的排放屬于生態(tài)排水的范疇。

2.5 碳足跡與碳中和

降低碳足跡并實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行是藍(lán)色水工廠的內(nèi)涵之一。所以,建立準(zhǔn)確的碳核算方法,摸清污水處理“碳家底”非常重要。以此為基礎(chǔ),通過挖掘污水中潛在有機(jī)能和熱能完全可以實(shí)現(xiàn)碳中和、甚至負(fù)碳運(yùn)行。

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

2.6 基于工藝模擬的智慧控制

區(qū)別于儀表自控,藍(lán)色水工廠以生物處理工藝過程數(shù)學(xué)模擬心構(gòu)建智慧控制,且智慧控制系統(tǒng)還可以進(jìn)一步融入碳中和評(píng)價(jià)模型,識(shí)別碳概念下最佳運(yùn)行參數(shù)與工況。

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

03 "3E"評(píng)價(jià)

3.1 能量平衡(Energy)

我國(guó)進(jìn)水有機(jī)物濃度較低,很難通過污泥厭氧消化并熱電聯(lián)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)能量平衡,只有出水余溫?zé)崮芾梅侥軓浹a(bǔ)能量赤字?;诒狈揭淮笮臀鬯幚韽S水質(zhì)、水量(COD=400 mg/L;Q=60萬(wàn)m3/d)數(shù)據(jù),獲得如圖6所示的有機(jī)能與熱能平衡。該圖揭示出,污泥焚燒有機(jī)化學(xué)能回收與水源熱泵余溫?zé)崮芑厥战Y(jié)合完全可以實(shí)現(xiàn)污水處理廠能量平衡,且有盈余能量可以外輸使用。

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3.2 環(huán)境效益(Environment)

藍(lán)色水工廠以實(shí)現(xiàn)污染物零排放,實(shí)現(xiàn)環(huán)境凈零(Net zero)影響作為最高目標(biāo),涵蓋零能耗、凈零碳、零固廢與零水耗等4個(gè)方面。

零能耗在圖6中已展示無(wú)遺,同時(shí)凈零碳亦可以實(shí)現(xiàn)(圖7)。副產(chǎn)品中水回用還可以形成零水耗,污泥焚燒及其灰分資源回收利用可以實(shí)現(xiàn)零固廢。結(jié)果,藍(lán)色水工廠可全面實(shí)現(xiàn)環(huán)境凈零影響。藍(lán)色水工廠對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的綜合影響總結(jié)于圖8。

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

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3.3 經(jīng)濟(jì)效益(Economy)

藍(lán)色水工廠應(yīng)用低碳高效的好氧顆粒污泥技術(shù)節(jié)能、降耗、節(jié)地;高值等資源回收可直接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值;智慧控制可以顯著降低運(yùn)營(yíng)成本。藍(lán)色水工廠好氧顆粒污泥技術(shù)可降低運(yùn)行成本(按最低30%計(jì)),前端纖維素回收與智慧控制措施能降低運(yùn)行成本約10%。藍(lán)色水工廠資源與能源回收可獲得的經(jīng)濟(jì)效益有多個(gè)方面,包括:

  • 化學(xué)能與熱能經(jīng)濟(jì)效益,分別為0.25元/m3和1.06元/m3。

  • ALE回收經(jīng)濟(jì)效益,折合0.30元/m3。

  • 磷回收經(jīng)濟(jì)效益,折合噸水磷回收效益為0.05元/m3。

  • 水回用經(jīng)濟(jì)效益,仍取目前的1.10元/m3。

  • 碳交易經(jīng)濟(jì)效益,約為0.02元/m3

計(jì)算可知藍(lán)色水工廠可實(shí)現(xiàn)的凈利潤(rùn)為2.33元/m3,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CAS污水處理廠的0.15元/m3。

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04 結(jié)語(yǔ)

藍(lán)色水工廠以生態(tài)循環(huán)為依據(jù),強(qiáng)調(diào)營(yíng)養(yǎng)物、生物材料、熱/電和水回用4個(gè)循環(huán),對(duì)潛在環(huán)境危機(jī)涉及的兩大要素——溫室氣體和磷短缺現(xiàn)象可以起到有效緩解作用。

藍(lán)色水工廠所涉及的關(guān)鍵技術(shù)分別已分別研發(fā)成熟,系統(tǒng)集成為藍(lán)色水工廠已無(wú)懸念。藍(lán)色水工廠絕不是夢(mèng)想,而是可以預(yù)見的未來(lái)。


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