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| 城鎮污(wu)水處(chu)理(li)廠節能減碳實現路(lu)徑與技術探討 |
| 發表時(shi)間：2023-11-10 13:20:05 作者：admin |
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近(jin)年來，碳中和(he)是一個(ge)熱(re)門話題(ti)，不斷增(zeng)加(jia)的(de)CO2排(pai)放已經(jing)成為世界(jie)的(de)基(ji)本(ben)難(nan)題(ti)之一。2015年《巴黎氣候(hou)協定(ding)(ding)(ding)》規定(ding)(ding)(ding)將氣溫(wen)上升限制在2 ℃以內，為了達到這個(ge)目標(biao)，我國(guo)采(cai)取了嚴格的(de)法(fa)規和(he)排(pai)放標(biao)準(zhun)。現(xian)階段(duan)國(guo)內大部分的(de)污(wu)水處理(li)廠仍不能滿足可持(chi)續發(fa)展(zhan)的(de)要求，隨著國(guo)家和(he)地方(fang)采(cai)取越(yue)來越(yue)嚴格的(de)排(pai)污(wu)標(biao)準(zhun)，我國(guo)現(xian)有老(lao)式污(wu)水處理(li)廠普(pu)遍暴露(lu)出達標(biao)難(nan)、不穩定(ding)(ding)(ding)、能耗高、污(wu)染治理(li)難(nan)等問題(ti)。
統計結(jie)果表明(ming)，2020年(nian)，我國共有4 496座(zuo)城(cheng)(cheng)鎮(zhen)污水處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)廠(chang)，總處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)規(gui)模為23 070萬m3/d。對于許多(duo)城(cheng)(cheng)鎮(zhen)而(er)言，污水處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)廠(chang)是最(zui)大的(de)(de)能(neng)源消耗者，如果采用常規(gui)技術(shu)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)，污水處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)能(neng)耗可占全(quan)球電力的(de)(de)3%,如果不盡快優化目(mu)前(qian)和未來的(de)(de)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)廠(chang)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)技術(shu)，污水處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)設(she)施(shi)的(de)(de)能(neng)源消耗將持續增加。依據2005年(nian)《關于嚴(yan)格執行(xing)〈城(cheng)(cheng)鎮(zhen)污水處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)廠(chang)污染物排放(fang)標(biao)(biao)準〉的(de)(de)通知》及2006年(nian)修訂的(de)(de)《城(cheng)(cheng)鎮(zhen)污水處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)廠(chang)污染物排放(fang)標(biao)(biao)準》(GB 18918—2002)要求，城(cheng)(cheng)市污水處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)設(she)施(shi)向(xiang)國家(jia)、省屬重要河(he)流、湖泊、水庫等封閉、半(ban)封閉的(de)(de)水體進行(xing)排污時，要達到一級A標(biao)(biao)準，開啟了國內“提標(biao)(biao)改造”的(de)(de)帷(wei)幕。
目前，國內(nei)大部分的(de)(de)城市污廢(fei)水(shui)處理都是以(yi)(yi)生(sheng)物法(fa)為主，在處理過程中(zhong)(zhong)，為了達到水(shui)質(zhi)凈化(hua)的(de)(de)目的(de)(de)，必須消耗很(hen)多(duo)化(hua)學物質(zhi)和能源，同(tong)時還會排放出許多(duo)的(de)(de)CO2、甲烷(CH4)等溫室氣體(GHG)。這種處理方式(shi)是“以(yi)(yi)能消能”的(de)(de)不(bu)可持(chi)續(xu)手段，如何實(shi)現(xian)“零碳型”排放，是污水(shui)廠實(shi)現(xian)碳中(zhong)(zhong)和運行的(de)(de)一個重要環節。
本文整(zheng)合了目前污水處(chu)(chu)理廠(chang)的部分(fen)主流處(chu)(chu)理工(gong)藝及(ji)未來可突破的技術，歸(gui)納優缺點，以期為我(wo)國污水處(chu)(chu)理廠(chang)低碳綠色運行(xing)，實現碳中(zhong)和運行(xing)的目標(biao)提供借(jie)鑒與(yu)參考。
1 污水處理廠節能減排的實現途徑
污(wu)水(shui)處理是(shi)能(neng)源(yuan)密集型的高耗能(neng)產(chan)業。目前，我國污(wu)水(shui)處理規模大(da)，能(neng)耗高，CO2排(pai)放量始終位(wei)居世界第一位(wei)。通過采(cai)取節能(neng)措施(shi)和調整處理工(gong)藝，大(da)部(bu)分的污(wu)水(shui)處理廠可減少30%以上的能(neng)源(yuan)投入(ru)。
1.1污水處理綜合能效的(de)提升分析
1.1.1 污水(shui)處理設備提質增(zeng)效(xiao)
電耗在(zai)污水(shui)處理廠(chang)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)消(xiao)耗中占(zhan)比較大(da)，對污水(shui)處理設備進行合理的(de)(de)(de)改造(zao)優化，可以實現節能(neng)(neng)(neng)(neng)降(jiang)耗、提高設備能(neng)(neng)(neng)(neng)效的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。具體地說(shuo)，在(zai)污水(shui)處理廠(chang)中，曝(pu)氣(qi)(qi)系(xi)統(tong)、提升泵和污泥脫(tuo)水(shui)裝置(zhi)占(zhan)據總電力消(xiao)耗的(de)(de)(de)主要(yao)份額，鼓風曝(pu)氣(qi)(qi)機和污水(shui)提升泵等裝置(zhi)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)消(xiao)耗占(zhan)了(le)69%。所以，研發曝(pu)氣(qi)(qi)系(xi)統(tong)、污水(shui)提升系(xi)統(tong)等節能(neng)(neng)(neng)(neng)技術是降(jiang)低能(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)消(xiao)耗的(de)(de)(de)重要(yao)措(cuo)施。
在多種污水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)工藝中，氧化池作為一(yi)(yi)種天然的(de)(de)(de)污水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)系統(tong)(tong)，其(qi)能(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)效(xiao)(xiao)率最高，但(dan)其(qi)占地面(mian)積大(da)、散發(fa)異(yi)味等(deng)缺點嚴重限制了(le)其(qi)應用(yong)。對(dui)(dui)(dui)于污水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)廠來說，最實(shi)用(yong)的(de)(de)(de)方法(fa)是升(sheng)級陳舊的(de)(de)(de)設備，并針對(dui)(dui)(dui)污水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)量(liang)和水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)質(zhi)總(zong)是波(bo)動(dong)(dong)的(de)(de)(de)特(te)點采用(yong)實(shi)時控制器，使設備在合適的(de)(de)(de)工況(kuang)運(yun)行。于洪波(bo)等(deng)的(de)(de)(de)研究結果表(biao)明，選用(yong)空氣懸浮和磁浮等(deng)高效(xiao)(xiao)率的(de)(de)(de)鼓風機(ji)與采用(yong)傳統(tong)(tong)的(de)(de)(de)羅茨風機(ji)相比(bi)，可以(yi)節(jie)(jie)(jie)省30%左右的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)消(xiao)(xiao)耗(hao)(hao)。主體處(chu)理(li)工藝的(de)(de)(de)選取對(dui)(dui)(dui)整個污水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)廠的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)消(xiao)(xiao)耗(hao)(hao)總(zong)量(liang)也有一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)影(ying)響。蔣富海等(deng)采用(yong)低氧曝氣等(deng)節(jie)(jie)(jie)能(neng)(neng)(neng)(neng)操作，改進后的(de)(de)(de)Bardenpho懸掛鏈曝氣器充氧動(dong)(dong)力(li)效(xiao)(xiao)率高、曝氣均勻性好，可有效(xiao)(xiao)減少曝氣的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)消(xiao)(xiao)耗(hao)(hao)，使噸水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)電(dian)耗(hao)(hao)節(jie)(jie)(jie)能(neng)(neng)(neng)(neng)16%;噸水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)藥(yao)費(fei)同比(bi)節(jie)(jie)(jie)約28%,改造后節(jie)(jie)(jie)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)節(jie)(jie)(jie)能(neng)(neng)(neng)(neng)降耗(hao)(hao)效(xiao)(xiao)果顯(xian)著。吳軍偉等(deng)針對(dui)(dui)(dui)某(mou)污水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)廠，結合變(bian)頻(pin)調速電(dian)動(dong)(dong)機(ji)的(de)(de)(de)節(jie)(jie)(jie)能(neng)(neng)(neng)(neng)技(ji)術(shu)，根(gen)據(ju)集水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)池水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)態特(te)性，提(ti)出(chu)了(le)一(yi)(yi)種基(ji)于智能(neng)(neng)(neng)(neng)節(jie)(jie)(jie)電(dian)裝置的(de)(de)(de)污水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)提(ti)升(sheng)泵變(bian)頻(pin)節(jie)(jie)(jie)能(neng)(neng)(neng)(neng)方案，經過變(bian)頻(pin)調速后，兩臺水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)泵的(de)(de)(de)每月耗(hao)(hao)電(dian)量(liang)下降至57 000 kW·h,節(jie)(jie)(jie)能(neng)(neng)(neng)(neng)效(xiao)(xiao)果>22%。
1.1.2 更新(xin)污水處(chu)理(li)管理(li)方法
當前，我(wo)國污(wu)水廠(chang)的(de)(de)(de)運(yun)營(ying)管(guan)(guan)理過程還面(mian)臨著很(hen)多的(de)(de)(de)問(wen)題，比(bi)如藥劑(ji)投加不(bu)精準、設備(bei)配置與實際荷載不(bu)相(xiang)匹配等。解決(jue)污(wu)水廠(chang)運(yun)營(ying)管(guan)(guan)理方面(mian)的(de)(de)(de)問(wen)題成為當務之急。重慶G污(wu)水處(chu)理廠(chang)通過加入輔助碳(tan)(tan)源和(he)除磷劑(ji)來保(bao)持生物化學體系的(de)(de)(de)穩定運(yun)轉，但調(diao)節操作(zuo)滯(zhi)后、加入量不(bu)精確等情況造成污(wu)水質量不(bu)穩定。后期，該污(wu)水處(chu)理廠(chang)安裝(zhuang)了(le)(le)進(jin)水在線監測儀表，科學測算碳(tan)(tan)氮(dan)比(bi)、碳(tan)(tan)磷比(bi)的(de)(de)(de)值，合理地控制外加碳(tan)(tan)源或藥劑(ji)投加量，并(bing)對添(tian)加位置進(jin)行了(le)(le)優選，確保(bao)調(diao)控措施及時、準確、高(gao)效(xiao)，從而達(da)到節能減排的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。
在污(wu)水(shui)(shui)處(chu)理(li)廠中應(ying)用(yong)(yong)自動控制，可(ke)實現多重(zhong)效益，節(jie)省能源并減(jian)少高達9.6%的(de)(de)GHG排放(fang)。Baroni等在全尺寸操(cao)作過(guo)程中實現了一個模糊的(de)(de)邏輯系統，意大利污(wu)水(shui)(shui)處(chu)理(li)廠的(de)(de)氨和溶解(jie)氧濃度的(de)(de)波動顯著降低(di)(di)，通過(guo)對1/4的(de)(de)反應(ying)器應(ying)用(yong)(yong)模糊控制器，污(wu)水(shui)(shui)處(chu)理(li)廠的(de)(de)能耗(hao)降低(di)(di)了4%。在我國廣西桂林市(shi)(shi)，陳俊江對城市(shi)(shi)排水(shui)(shui)生產運營管理(li)系統進(jin)行(xing)評價分析，該系統可(ke)以進(jin)一步提(ti)升污(wu)廢(fei)水(shui)(shui)的(de)(de)綜(zong)合處(chu)理(li)能力，減(jian)少故障停機的(de)(de)次(ci)數(shu)，同時減(jian)少人(ren)力、材(cai)料(liao)、藥劑等費用(yong)(yong)。
為(wei)了降低污水廠的碳排放，要從工藝、設備、管(guan)理、能(neng)源等多個環節入手(shou)，多措(cuo)并舉(ju)，在(zai)確(que)保水質(zhi)達(da)到要求的前提下，加強對污水處理廠日常運營的監督(du)。
1.2加大能源回收力度的(de)工(gong)藝措施
傳統的(de)(de)污(wu)(wu)水生(sheng)物(wu)(wu)處理工藝(yi)是能源密集型的(de)(de)工作，回(hui)收(shou)的(de)(de)資源很少或根本沒有，通常需要(yao)大(da)量(liang)的(de)(de)外部化學物(wu)(wu)質投入(ru)。通過(guo)碳捕集技(ji)術，結合厭氧消化-熱電(dian)聯產、光(guang)伏發電(dian)、污(wu)(wu)水源熱泵(beng)等技(ji)術，實現污(wu)(wu)水處理的(de)(de)碳中和目的(de)(de)。
1.2.1 污水源熱泵技術
污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)含有(you)大(da)(da)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)化學、熱(re)(re)(re)(re)能(neng)和(he)水(shui)(shui)(shui)(shui)動(dong)力(li)(li)能(neng)。據統(tong)(tong)計，城(cheng)市(shi)社區產生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)余熱(re)(re)(re)(re)有(you)40%包(bao)含在污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)中(zhong)。由于(yu)溫(wen)度(du)存在差(cha)異，污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)中(zhong)所(suo)含的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)提供了另一個間接抵(di)消污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)源(yuan)需(xu)求的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)來源(yuan)，其中(zhong)可(ke)回收的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)比厭氧回收的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)化學能(neng)多6——8倍(bei)。因此，如(ru)果(guo)能(neng)將(jiang)回收的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)與(yu)城(cheng)市(shi)熱(re)(re)(re)(re)網有(you)效(xiao)地結合起來并充(chong)(chong)分利(li)(li)用(yong)，水(shui)(shui)(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵(beng)技術(shu)在促進污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理廠接近碳(tan)中(zhong)和(he)目標(biao)方面具有(you)巨大(da)(da)潛力(li)(li)。污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵(beng)其中(zhong)一部分熱(re)(re)(re)(re)能(neng)可(ke)用(yong)于(yu)滿(man)足污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理廠的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)采(cai)暖(nuan)需(xu)要，另外(wai)一部分則(ze)被送往城(cheng)鎮(zhen)供熱(re)(re)(re)(re)系(xi)(xi)統(tong)(tong)。以(yi)北歐(ou)國(guo)家為例，據報道，在瑞士和(he)德國(guo)，3%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)建筑可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵(beng)供暖(nuan)或制(zhi)冷。與(yu)傳統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)調(diao)系(xi)(xi)統(tong)(tong)相比，應用(yong)污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵(beng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)央空(kong)調(diao)系(xi)(xi)統(tong)(tong)，CO2的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)排(pai)(pai)放(fang)減(jian)少40%——51%,NOx的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)排(pai)(pai)放(fang)減(jian)少36%——49%;污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵(beng)分布式空(kong)調(diao)系(xi)(xi)統(tong)(tong)減(jian)少了13%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)CO2排(pai)(pai)放(fang)，以(yi)及13%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)NOx排(pai)(pai)放(fang)。郝(hao)曉(xiao)地等(deng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究結果(guo)顯示，采(cai)用(yong)朗肯(ken)循環，能(neng)夠充(chong)(chong)分利(li)(li)用(yong)余熱(re)(re)(re)(re)供電(dian)(dian)，使(shi)污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理廠達到碳(tan)中(zhong)和(he)86%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)要求，并能(neng)進一步降低(di)CO2的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)排(pai)(pai)放(fang)。青島市(shi)團島污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵(beng)利(li)(li)用(yong)低(di)品位熱(re)(re)(re)(re)能(neng)，實現了傳統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)節(jie)能(neng)減(jian)排(pai)(pai)，年節(jie)電(dian)(dian)量(liang)為5.2×104 MW·h,標(biao)煤節(jie)約1.91×104 t,并減(jian)少50 042 t/a的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)CO2、162.4 t/a的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)SO2和(he)141.3 t/a NOx-排(pai)(pai)放(fang)。
Zhang等提出一種新型(xing)組合型(xing)污水(shui)熱泵供(gong)暖方式(shi)，其節能(neng)性(xing)(xing)、經濟性(xing)(xing)、適用性(xing)(xing)強(qiang)，能(neng)夠將大量(liang)的熱能(neng)通過管網(wang)向集中供(gong)暖系統輸送，有助(zhu)于降(jiang)低燃煤(mei)和大氣污染。
在(zai)設定的條(tiao)件下，與傳統的加(jia)熱(re)(re)(re)方(fang)法相比，污(wu)(wu)水(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)泵(beng)可以充(chong)分利用污(wu)(wu)水(shui)熱(re)(re)(re)能(neng)資(zi)源(yuan)，能(neng)夠減小對環境(jing)的影響(xiang)。與傳統集中(zhong)供熱(re)(re)(re)方(fang)式相比，在(zai)相同典型工況下，污(wu)(wu)水(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)泵(beng)組合式集中(zhong)供熱(re)(re)(re)方(fang)式一(yi)次能(neng)源(yuan)效(xiao)率提(ti)高了14%。而且(qie)，污(wu)(wu)水(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)泵(beng)是一(yi)種環境(jing)友好型技術，不(bu)排放空氣污(wu)(wu)染物(wu)。因此(ci)，借助污(wu)(wu)水(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)泵(beng)提(ti)取熱(re)(re)(re)量(liang)(liang)是一(yi)種節(jie)能(neng)的有效(xiao)途(tu)徑(jing)，既(ji)可以節(jie)省污(wu)(wu)水(shui)廠的運行(xing)熱(re)(re)(re)能(neng)，又可以達(da)到“碳中(zhong)和”的目的，從而達(da)到間接(jie)減少碳的排放量(liang)(liang)。
1.2.2 光伏發電
在環境保護壓(ya)力(li)和國(guo)家(jia)政策的(de)雙重推(tui)動下，太(tai)陽能光伏技術作為一(yi)種(zhong)低(di)碳排放的(de)方(fang)法，成(cheng)為了當(dang)前眾多新建(jian)污水處理(li)廠的(de)選擇。由于工藝流(liu)程的(de)需要，大(da)多數污水處理(li)廠的(de)結構較(jiao)大(da)，如生物反應(ying)池、二沉(chen)池等，光伏系統的(de)安裝空(kong)間通常較(jiao)大(da)。同(tong)時，相關政策指出，要大(da)力(li)支持污水處理(li)廠對土地(di)進行充分地(di)利用來進行光伏發電建(jian)設。
劉揚等分析(xi)了首都某污水處理(li)廠，發(fa)現(xian)利用光伏發(fa)電(dian)系(xi)統一年生(sheng)(sheng)產的(de)電(dian)能為(wei)1.5×104 kW·h左右，其生(sheng)(sheng)產的(de)電(dian)能可(ke)以節(jie)省5.4 t煤(mei)，同(tong)時(shi)還可(ke)以降低12.2 t左右的(de)CO2排放量(liang)，降低碳氧(yang)化(hua)合物(wu)排放量(liang)0.06 t左右。河南鄭州馬頭崗污水處理(li)廠開發(fa)的(de)“光伏+水務”新的(de)運行方式，已(yi)經在亞洲(zhou)形成(cheng)了“智能化(hua)+高(gao)效(xiao)太(tai)陽能回用系(xi)統”的(de)典范，該模式節(jie)能減排效(xiao)果顯著(zhu)。安(an)裝4 000 m2光伏電(dian)池板的(de)法(fa)國戛納Aquaviva污水處理(li)廠已(yi)經實現(xian)了碳中和。賓夕(xi)法(fa)尼亞州污水處理(li)廠完成(cheng)了一個(ge)3 MW的(de)太(tai)陽能項目，該項目預計每年生(sheng)(sheng)產超過(guo)300萬kW·h的(de)電(dian)力(li)，足(zu)以減少(shao)3 515 t的(de)CO2排放。
這種單一(yi)的(de)(de)光伏-污水(shui)廠(chang)雖然可(ke)以(yi)達到節能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)目的(de)(de)，但是也存在(zai)電(dian)(dian)力供應不穩定的(de)(de)問題。為了解決這個問題，姜(jiang)放提出可(ke)以(yi)引進(jin)一(yi)種新(xin)型的(de)(de)鋰離(li)子(zi)蓄能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)發(fa)電(dian)(dian)裝(zhuang)置，組成一(yi)個太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)-蓄能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)裝(zhuang)置-污水(shui)處(chu)理廠(chang)，其電(dian)(dian)力供應流程如圖3所示。采用(yong)儲能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器技(ji)術(shu)對提高太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)光伏發(fa)電(dian)(dian)的(de)(de)性能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)和降低能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)耗(hao)具(ju)有重要(yao)意義。除了采用(yong)太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)外(wai)，還可(ke)以(yi)引入風能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)、污水(shui)熱(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)、生物質能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)等新(xin)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)，從而實(shi)現多(duo)(duo)(duo)種能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)的(de)(de)補充。近年來(lai)，許多(duo)(duo)(duo)污廢(fei)水(shui)處(chu)理廠(chang)都(dou)在(zai)積極(ji)地研究多(duo)(duo)(duo)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)補充的(de)(de)系統。
孫振宇等(deng)將(jiang)污(wu)水源(yuan)熱泵和分布式太陽能-市電(dian)系統聯合(he)使(shi)(shi)用，使(shi)(shi)污(wu)水處理(li)廠(chang)年可(ke)節省387.1 t的標(biao)準煤，減(jian)少483.9 t CO2排(pai)放量，減(jian)少了大氣(qi)中的其他污(wu)染，取得了良好的環保和經濟效益(yi)。Buller等(deng)研(yan)究了一(yi)個基于光伏能源(yuan)、生物質氣(qi)化爐和電(dian)網的混合(he)系統，與(yu)沼氣(qi)燃燒的混合(he)組合(he)可(ke)作為中型污(wu)水處理(li)廠(chang)的替代方案(an)，可(ke)以增加經濟效益(yi)和環保效益(yi)。
但是，因為太陽(yang)能(neng)板使(shi)用氫氟(fu)酸(suan)、硝酸(suan)、三(san)氯氧磷(lin)、異丙醇等(deng)化學成(cheng)分對環境造成(cheng)的危害不容忽視。太陽(yang)能(neng)產業帶(dai)來的相關污(wu)染問題還需要認(ren)真對待并采取積極措施加以(yi)解決。
1.2.3 污泥厭氧消(xiao)化與熱(re)電聯產(chan)
文獻(xian)統計表明，運行一個污(wu)(wu)水處(chu)理(li)(li)(li)廠所需的(de)(de)電量通常為(wei)0.3——0.6 kW·h/m3。污(wu)(wu)水中有機(ji)化合物(wu)的(de)(de)燃燒熱(re)能(neng)為(wei)該值的(de)(de)9——10倍，因(yin)此，回收污(wu)(wu)水中含有的(de)(de)化學能(neng)具(ju)有經濟效益。最可行的(de)(de)方法(fa)是(shi)利用厭氧(yang)消化產生的(de)(de)沼氣發(fa)電和(he)(he)供熱(re)。污(wu)(wu)泥是(shi)污(wu)(wu)水處(chu)理(li)(li)(li)廠生產中必然產生的(de)(de)副產物(wu)，由于其數量不斷增加(jia)和(he)(he)處(chu)理(li)(li)(li)不完全，污(wu)(wu)泥自身穩(wen)定(ding)性和(he)(he)無害(hai)化處(chu)置的(de)(de)結果(guo)與預期的(de)(de)目(mu)標有很大的(de)(de)差距。污(wu)(wu)泥的(de)(de)處(chu)理(li)(li)(li)需要(yao)耗費(fei)很多的(de)(de)化學物(wu)質和(he)(he)能(neng)量，而(er)采用填埋法(fa)進(jin)行處(chu)理(li)(li)(li)會(hui)加(jia)劇溫(wen)室效應，所以在污(wu)(wu)水處(chu)理(li)(li)(li)廠中，對(dui)污(wu)(wu)泥處(chu)理(li)(li)(li)過程碳減排(pai)的(de)(de)控(kong)制有著(zhu)十分關鍵(jian)的(de)(de)作(zuo)用。
戴曉虎(hu)等(deng)(deng)歸(gui)納分析我(wo)國典型(xing)的(de)(de)(de)污泥(ni)處(chu)(chu)理處(chu)(chu)置(zhi)工藝(yi)碳(tan)排放如表(biao)1所示，目前已(yi)有(you)的(de)(de)(de)污泥(ni)處(chu)(chu)理工藝(yi)流程碳(tan)排放量(liang)排序為：深度脫水-應急掩埋最多(duo);干化(hua)焚燒(shao)-建(jian)(jian)材利用(yong)次之;好(hao)氧(yang)發酵-土(tu)地利用(yong)較(jiao)少;厭(yan)(yan)氧(yang)消化(hua)-土(tu)地利用(yong)最少。由表(biao)1可(ke)知，污泥(ni)的(de)(de)(de)處(chu)(chu)置(zhi)主要碳(tan)排放來源于設備的(de)(de)(de)電耗、油耗以及藥物消耗，相(xiang)應碳(tan)補(bu)償措施也較(jiao)易實現。趙陽(yang)悅等(deng)(deng)在吉(ji)林某公(gong)司(si)改造擴(kuo)建(jian)(jian)后的(de)(de)(de)污泥(ni)厭(yan)(yan)氧(yang)化(hua)工程中，提出一種將污泥(ni)和有(you)機助劑混在一起進(jin)行(xing)的(de)(de)(de)厭(yan)(yan)氧(yang)消化(hua)技術，能(neng)夠達到(dao)回收能(neng)源的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)，并且減(jian)少9 414 t CO2-eq的(de)(de)(de)GHG排放。
污(wu)(wu)(wu)水(shui)處理廠有大(da)量(liang)的(de)(de)污(wu)(wu)(wu)泥(ni)，經過厭氧法(fa)處理后(hou)得到的(de)(de)沼氣是(shi)一種(zhong)非常潔(jie)凈的(de)(de)能(neng)源，其中(zhong)以沼氣的(de)(de)熱(re)電(dian)(dian)聯產在污(wu)(wu)(wu)水(shui)廠中(zhong)最為普遍(bian)。為了促進CH4生產，增(zeng)強過程穩(wen)定性，可以添(tian)加共(gong)基質，如城市固體廢物的(de)(de)有機組分;或污(wu)(wu)(wu)泥(ni)預處理方法(fa)，如應用熱(re)水(shui)解工藝。我國大(da)力推(tui)廣采(cai)用中(zhong)溫發酵(jiao)的(de)(de)污(wu)(wu)(wu)泥(ni)厭氧法(fa)，其中(zhong)青島麥島和北京(jing)高碑店等(deng)污(wu)(wu)(wu)水(shui)處理廠的(de)(de)工藝效果最好。崔濡(ru)川(chuan)等(deng)根據能(neng)源階梯利用原理，結合沼氣熱(re)電(dian)(dian)聯產技術(shu)對現有的(de)(de)發電(dian)(dian)設備進行了改造，與傳統(tong)的(de)(de)燃(ran)煤工藝比較，本工藝可節省(sheng)558 t標準煤炭，降低了SO2和NO2對大(da)氣的(de)(de)污(wu)(wu)(wu)染，并取得了明顯的(de)(de)環(huan)保和經濟效益。邵彥青等(deng)考察馬來西亞Pantai污(wu)(wu)(wu)水(shui)處理廠，該污(wu)(wu)(wu)水(shui)廠采(cai)用熱(re)電(dian)(dian)聯產技術(shu)，降低了60%的(de)(de)污(wu)(wu)(wu)泥(ni)含量(liang)，年節約(yue)標煤19.85 Mt。
污(wu)(wu)泥(ni)的厭(yan)氧(yang)消化(hua)使污(wu)(wu)水廠(chang)(chang)實現了剩余污(wu)(wu)泥(ni)的穩定化(hua)和資源化(hua)處(chu)理(li)。污(wu)(wu)水廠(chang)(chang)設置(zhi)的厭(yan)氧(yang)消化(hua)裝置(zhi)可為污(wu)(wu)水廠(chang)(chang)提供40%——60%的運行電耗。綜上，污(wu)(wu)水污(wu)(wu)染物的主要厭(yan)氧(yang)降解在(zai)經濟上和技術上看來(lai)可行，而且就GHG的產(chan)生而言，對環(huan)境有(you)重大好(hao)處(chu)。
再生水(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵(beng)比污(wu)泥厭(yan)氧(yang)消(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)技(ji)(ji)術結合沼氣熱(re)(re)(re)(re)電(dian)(dian)(dian)(dian)聯產(chan)具有(you)更(geng)(geng)(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)(he)效果，再生水(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵(beng)可(ke)(ke)(ke)(ke)產(chan)生74.22 t標(biao)準煤(mei)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)，而污(wu)泥厭(yan)氧(yang)消(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)僅能(neng)(neng)回收(shou)(shou)3.03 t標(biao)準煤(mei)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)和(he)(he)(he)(he)(he)2.97 t標(biao)準煤(mei)電(dian)(dian)(dian)(dian)。隨著污(wu)水(shui)(shui)廠(chang)處(chu)理負荷的(de)(de)增加(jia)，再生水(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵(beng)可(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)達到更(geng)(geng)(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)(he)效果。光(guang)(guang)伏發(fa)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)需(xu)要(yao)考慮地理位置，在(zai)太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)資(zi)源(yuan)豐(feng)富(fu)的(de)(de)地區，光(guang)(guang)伏發(fa)電(dian)(dian)(dian)(dian)體系的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)(he)率(lv)(lv)(lv)可(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)接近厭(yan)氧(yang)消(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)體系的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)(he)率(lv)(lv)(lv)。以(yi)5萬m3/d的(de)(de)污(wu)水(shui)(shui)廠(chang)為(wei)例，拉薩碳(tan)(tan)(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)(he)率(lv)(lv)(lv)為(wei)35%,長春(chun)為(wei)24%,貴陽(yang)(yang)為(wei)13%。不同太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)光(guang)(guang)強的(de)(de)城市碳(tan)(tan)(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)(he)率(lv)(lv)(lv)差異可(ke)(ke)(ke)(ke)達2——3倍。在(zai)太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)豐(feng)富(fu)的(de)(de)地區，可(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)回收(shou)(shou)和(he)(he)(he)(he)(he)利用(yong)更(geng)(geng)(geng)(geng)多的(de)(de)太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)，這更(geng)(geng)(geng)(geng)有(you)利于光(guang)(guang)伏發(fa)電(dian)(dian)(dian)(dian)系統(tong)的(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)(lv)轉換效率(lv)(lv)(lv)，并可(ke)(ke)(ke)(ke)獲(huo)得(de)更(geng)(geng)(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)(he)。但是在(zai)構筑(zhu)物(wu)頂部安裝太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)板(ban)工程太過復雜，也(ye)使得(de)該(gai)技(ji)(ji)術沒有(you)得(de)到廣(guang)泛應(ying)(ying)用(yong)。污(wu)泥厭(yan)氧(yang)消(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)技(ji)(ji)術可(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)處(chu)理有(you)機(ji)物(wu)含量(liang)較高(gao)的(de)(de)污(wu)泥，并且(qie)可(ke)(ke)(ke)(ke)通過沼氣熱(re)(re)(re)(re)電(dian)(dian)(dian)(dian)聯產(chan)系統(tong)提(ti)供熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)和(he)(he)(he)(he)(he)動力。隨著污(wu)水(shui)(shui)廠(chang)規模(mo)(mo)的(de)(de)增加(jia)，污(wu)水(shui)(shui)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵(beng)可(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)從污(wu)水(shui)(shui)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)回收(shou)(shou)更(geng)(geng)(geng)(geng)多的(de)(de)廢熱(re)(re)(re)(re)，其碳(tan)(tan)(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)(he)率(lv)(lv)(lv)將顯著提(ti)高(gao)。同樣(yang)，隨著污(wu)水(shui)(shui)廠(chang)規模(mo)(mo)的(de)(de)增加(jia)，光(guang)(guang)伏板(ban)的(de)(de)可(ke)(ke)(ke)(ke)鋪設面(mian)積也(ye)會變(bian)大，光(guang)(guang)伏發(fa)電(dian)(dian)(dian)(dian)系統(tong)回收(shou)(shou)的(de)(de)太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)也(ye)會更(geng)(geng)(geng)(geng)多，碳(tan)(tan)(tan)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)和(he)(he)(he)(he)(he)率(lv)(lv)(lv)也(ye)會更(geng)(geng)(geng)(geng)高(gao)。然(ran)而，污(wu)水(shui)(shui)廠(chang)規模(mo)(mo)的(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)(hua)對(dui)污(wu)泥厭(yan)氧(yang)消(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)系統(tong)影響不大。
1.2.4 碳(tan)源回收和儲存(cun)利(li)用(yong)
溫(wen)(wen)室效(xiao)應(ying)(ying)是(shi)影響和(he)(he)威脅人類社會氣候變化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)個(ge)重要(yao)因(yin)素(su)，CO2是(shi)全球溫(wen)(wen)室效(xiao)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)大影響因(yin)素(su)，因(yin)此，減(jian)少(shao)其(qi)排(pai)放(fang)成(cheng)為(wei)(wei)(wei)(wei)當務之急。CO2的(de)(de)(de)(de)(de)收集、利用和(he)(he)儲(chu)存(cun)(CCUS)是(shi)主要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)CO2減(jian)排(pai)措(cuo)施。Wang等首次提出(chu)了(le)一(yi)(yi)(yi)種將(jiang)厭氧(yang)消(xiao)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)、裂(lie)解、催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)重整和(he)(he)甲烷(wan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(APRM)耦(ou)合(he)(he)在一(yi)(yi)(yi)起的(de)(de)(de)(de)(de)新(xin)型生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)能(neng)(neng)源使用與碳(tan)捕獲和(he)(he)儲(chu)存(cun)(BECCS)工藝，以(yi)(yi)(yi)(yi)城(cheng)市固體廢物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)有(you)(you)(you)(you)機部分(fen)(OFMSW)為(wei)(wei)(wei)(wei)原(yuan)料，以(yi)(yi)(yi)(yi)負(fu)碳(tan)向的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)式(shi)生(sheng)(sheng)產生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)CH4,這(zhe)種方(fang)(fang)式(shi)既可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)處置多余(yu)沼(zhao)(zhao)液，也可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)實現可(ke)(ke)持續發展目(mu)標。通過對西班牙加泰羅尼(ni)亞(ya)5個(ge)污水廠(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)平(ping)衡(heng)分(fen)析表明，污水中所(suo)含的(de)(de)(de)(de)(de)67%的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)轉(zhuan)移到污泥(ni)中，通過將(jiang)這(zhe)些污泥(ni)轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)為(wei)(wei)(wei)(wei)沼(zhao)(zhao)氣，52%的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)被(bei)回收。厭氧(yang)工藝可(ke)(ke)從有(you)(you)(you)(you)機流中生(sheng)(sheng)產富CH4。厭氧(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)液體和(he)(he)固體殘渣被(bei)稱為(wei)(wei)(wei)(wei)消(xiao)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)渣，可(ke)(ke)用作(zuo)肥(fei)料。生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)質是(shi)一(yi)(yi)(yi)種可(ke)(ke)再(zai)生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)源，煤與生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)質共利用可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)顯著降低(di)(di)碳(tan)排(pai)放(fang)。此外，化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學循環燃燒(CLC)是(shi)一(yi)(yi)(yi)種不(bu)需要(yao)對煙氣進行任(ren)何后處理(li)的(de)(de)(de)(de)(de)固有(you)(you)(you)(you)捕獲CO2的(de)(de)(de)(de)(de)技(ji)術。將(jiang)混合(he)(he)燃燒過程與CLC技(ji)術相結合(he)(he)，如(ru)果捕獲的(de)(de)(de)(de)(de)CO2能(neng)(neng)夠被(bei)適(shi)當存(cun)儲(chu)，就可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)形成(cheng)一(yi)(yi)(yi)個(ge)有(you)(you)(you)(you)效(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)負(fu)系統(tong)。由(you)于(yu)CLC體系中的(de)(de)(de)(de)(de)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑與燃料沒有(you)(you)(you)(you)直接(jie)接(jie)觸，顯著降低(di)(di)了(le)熱NOx的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)成(cheng)。因(yin)此，CLC是(shi)一(yi)(yi)(yi)種可(ke)(ke)行的(de)(de)(de)(de)(de)低(di)(di)能(neng)(neng)耗、高效(xiao)實施碳(tan)捕捉和(he)(he)儲(chu)存(cun)的(de)(de)(de)(de)(de)技(ji)術。Haldor TopsΦe的(de)(de)(de)(de)(de)TREMPTM甲烷(wan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)技(ji)術可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)將(jiang)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)質氣化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)合(he)(he)成(cheng)氣轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)為(wei)(wei)(wei)(wei)純度為(wei)(wei)(wei)(wei)95%——98%的(de)(de)(de)(de)(de)CH4,該技(ji)術已(yi)成(cheng)功應(ying)(ying)用于(yu)GoBiGas 20 MW的(de)(de)(de)(de)(de)工廠(chang)作(zuo)為(wei)(wei)(wei)(wei)示范。污水處理(li)廠(chang)生(sheng)(sheng)產的(de)(de)(de)(de)(de)沼(zhao)(zhao)氣在減(jian)少(shao)CO2排(pai)放(fang)和(he)(he)水-能(neng)(neng)源關系背(bei)景(jing)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)源需求(qiu)方(fang)(fang)面起著決定性的(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用。為(wei)(wei)(wei)(wei)了(le)減(jian)少(shao)對化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)石燃料的(de)(de)(de)(de)(de)依賴(lai)，Poblete等利用了(le)沼(zhao)(zhao)氣聯合(he)(he)循環與碳(tan)捕獲和(he)(he)儲(chu)存(cun)技(ji)術能(neng)(neng)夠實現負(fu)碳(tan)排(pai)放(fang)。另外，生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)電(dian)(dian)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學系統(tong)(BESs)可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)直接(jie)將(jiang)有(you)(you)(you)(you)機能(neng)(neng)轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)為(wei)(wei)(wei)(wei)電(dian)(dian)能(neng)(neng)或有(you)(you)(you)(you)價值(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)產品，如(ru)CH4或H2。雖然這(zhe)有(you)(you)(you)(you)望實現更高效(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)，但受限于(yu)反(fan)應(ying)(ying)速率較低(di)(di)，要(yao)將(jiang)其(qi)轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)為(wei)(wei)(wei)(wei)實用技(ji)術需要(yao)付(fu)出(chu)巨大的(de)(de)(de)(de)(de)努力。例(li)如(ru)，在我國哈爾濱運行的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)個(ge)微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)燃料電(dian)(dian)池(MFC)試點表現很(hen)差，僅(jin)將(jiang)有(you)(you)(you)(you)機物(wu)(wu)(wu)質中7%的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)為(wei)(wei)(wei)(wei)電(dian)(dian)能(neng)(neng)。
Huang等提出了基(ji)于現有(you)(you)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)的碳(tan)能(neng)量線(xian)(xian)，這條(tiao)路線(xian)(xian)包括有(you)(you)機(ji)碳(tan)捕獲、生(sheng)物(wu)處理(li)和熱化(hua)學(xue)轉化(hua)階段(duan)，適合于通過厭氧發酵生(sheng)物(wu)處理(li)平臺進(jin)行生(sheng)物(wu)能(neng)源生(sheng)產和資源回(hui)收的流程，城市污(wu)(wu)水中的有(you)(you)機(ji)物(wu)可以被分(fen)(fen)(fen)離為(wei)化(hua)學(xue)富(fu)(fu)集(ji)沉淀物(wu)或污(wu)(wu)泥。具體路線(xian)(xian)如圖(tu)4所示。另外，經過研究證明膜(mo)分(fen)(fen)(fen)離工(gong)(gong)(gong)藝(yi)能(neng)有(you)(you)效地提高碳(tan)分(fen)(fen)(fen)離、富(fu)(fu)集(ji)和生(sheng)物(wu)處理(li)效率，因此，膜(mo)分(fen)(fen)(fen)離可作為(wei)碳(tan)分(fen)(fen)(fen)離和回(hui)收途(tu)徑的一種(zhong)很有(you)(you)前途(tu)的補充工(gong)(gong)(gong)藝(yi)。
1.3可持(chi)續(xu)處理新工(gong)藝(yi)的(de)研究進展
前部的(de)(de)“碳(tan)捕捉”技術(shu)，可以(yi)截留(liu)60%以(yi)上的(de)(de)碳(tan)源(yuan)，而(er)經二級處(chu)理后的(de)(de)進(jin)水(shui)中CODCr濃度偏(pian)小，很難滿足常規脫氮除磷工(gong)藝對碳(tan)源(yuan)的(de)(de)要求。短程硝化與常規的(de)(de)硝化法同時結(jie)合反硝化技術(shu)相比，短程硝化/反硝化處(chu)理減少了25%左右(you)的(de)(de)耗(hao)氧(yang)量，以(yi)及40%左右(you)的(de)(de)CO2消耗(hao)，達(da)到了O2和CODCr的(de)(de)雙(shuang)重節約(yue)。
在(zai)(zai)這些新興(xing)技(ji)術(shu)(shu)(shu)中，厭氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)(ANAMMOX)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝已成功(gong)應用(yong)于(yu)實(shi)踐，ANAMMOX是(shi)一(yi)(yi)種不需(xu)要(yao)有(you)機碳(tan)的(de)新型(xing)脫氮(dan)技(ji)術(shu)(shu)(shu)，它的(de)消耗只(zhi)有(you)常規方法(fa)的(de)1/3,能(neng)顯(xian)著減少(shao)曝(pu)氣的(de)能(neng)耗和操(cao)作(zuo)成本。根據(ju)理論(lun)計算，應用(yong)ANAMMOX工(gong)(gong)(gong)(gong)藝對外部碳(tan)源(yuan)的(de)需(xu)求減少(shao)了100%。然而，該工(gong)(gong)(gong)(gong)藝主(zhu)要(yao)用(yong)于(yu)側(ce)流(liu)處(chu)理，將其(qi)轉變(bian)為主(zhu)流(liu)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝仍然具有(you)挑戰性。Ali 等提出了一(yi)(yi)種將MFC和ANAMMOX工(gong)(gong)(gong)(gong)藝相結合的(de)污水(shui)綜合處(chu)理系(xi)統，可(ke)以有(you)效地回(hui)收能(neng)源(yuan)，改(gai)善出水(shui)水(shui)質(zhi)。在(zai)(zai)較(jiao)低(di)(di)的(de)能(neng)源(yuan)投入下，可(ke)獲得較(jiao)好的(de)出水(shui)水(shui)質(zhi)(CODCr去除(chu)率(lv)約(yue)為95%,氮(dan)去除(chu)率(lv)約(yue)為85%)。但是(shi)單一(yi)(yi)的(de)ANAMMOX技(ji)術(shu)(shu)(shu)存在(zai)(zai)厭氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)菌(AAOB)生(sheng)(sheng)長(chang)緩慢(man)且對環境敏感(gan)使反應器(qi)難啟動的(de)問題。所以在(zai)(zai)短程硝(xiao)化(hua)的(de)基(ji)礎上，出現(xian)了進一(yi)(yi)步(bu)與(yu)ANAMMOX耦合的(de)典型(xing)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝。SHARON-ANAMMOX聯合技(ji)術(shu)(shu)(shu)與(yu)常規硝(xiao)化(hua)反硝(xiao)化(hua)技(ji)術(shu)(shu)(shu)相比(bi)較(jiao)，可(ke)節約(yue)50%的(de)硝(xiao)化(hua)曝(pu)氣，節約(yue)100%的(de)附(fu)加碳(tan)資源(yuan)，即降(jiang)低(di)(di)CO2排放，并生(sheng)(sheng)產少(shao)量污泥。
對(dui)于節(jie)能回(hui)收(shou)技術的(de)(de)(de)(de)(de)創(chuang)新(xin)，應用(yong)上流(liu)式(shi)厭氧(yang)(yang)污(wu)(wu)(wu)泥(ni)床(UASBs)和(he)膨(peng)脹(zhang)顆粒污(wu)(wu)(wu)泥(ni)床(EGSBs)等厭氧(yang)(yang)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)(chu)理是(shi)(shi)另一種(zhong)有(you)(you)前途(tu)的(de)(de)(de)(de)(de)能源回(hui)收(shou)選擇(ze)。近年(nian)來，厭氧(yang)(yang)膜(mo)(mo)生物反應器(qi)(AnMBR)得(de)到了(le)發(fa)展。在厭氧(yang)(yang)過(guo)(guo)程中(zhong)，耦合膜(mo)(mo)可(ke)以保留(liu)懸(xuan)浮(fu)物，而(er)不是(shi)(shi)讓它們流(liu)失。通過(guo)(guo)延長材(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)降解時間，AnMBR為(wei)(wei)低強度城市污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)(chu)理提供了(le)可(ke)能。然(ran)而(er)，膜(mo)(mo)污(wu)(wu)(wu)染成(cheng)為(wei)(wei)阻礙該技術結垢的(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)大挑(tiao)戰。由于污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)中(zhong)含有(you)(you)大量的(de)(de)(de)(de)(de)有(you)(you)機物和(he)營養物質，新(xin)興的(de)(de)(de)(de)(de)處(chu)(chu)理工藝已經被開發(fa)出來，以捕獲(huo)這些有(you)(you)價值的(de)(de)(de)(de)(de)資(zi)源，并將(jiang)(jiang)其轉(zhuan)化為(wei)(wei)增值產品如鳥糞(fen)石、藍鐵礦、生物柴油、生物塑料、生物炭(tan)和(he)蛋白質。此外，已經證(zheng)明資(zi)源回(hui)收(shou)內部污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)處(chu)(chu)理廠在實現碳中(zhong)和(he)方(fang)面發(fa)揮著重要作用(yong)。例如，鳥糞(fen)石降水(shui)(shui)過(guo)(guo)程對(dui)全球變暖(nuan)的(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)緩效應模擬為(wei)(wei)3%——38%。對(dui)于有(you)(you)機碳來說(shuo)，生物塑料合成(cheng)是(shi)(shi)從城市污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)中(zhong)提取有(you)(you)機碳并將(jiang)(jiang)其升級(ji)為(wei)(wei)化工商品的(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)有(you)(you)前途(tu)的(de)(de)(de)(de)(de)途(tu)徑之一，也(ye)具有(you)(you)廣闊的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)前景。
2 節能減排(pai)技術工藝應用案例(li)
在我國城市(shi)(shi)碳中(zhong)和(he)作業實踐(jian)中(zhong)，已(yi)經有很多城市(shi)(shi)的(de)污(wu)水(shui)處理廠進行了實際應(ying)用(yong)的(de)實踐(jian)。
美國(guo)(guo)(guo)Sheboygan污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)初步建立了(le)(le)一(yi)(yi)套(tao)以(yi)(yi)(yi)(yi)AO為(wei)(wei)主要(yao)生(sheng)產流(liu)程(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)方案(an)，將(jiang)污(wu)(wu)(wu)泥(ni)水(shui)(shui)(shui)(shui)解-酸化(hua)(hua)(hua)、混合(he)基(ji)質厭氧共消(xiao)化(hua)(hua)(hua)和污(wu)(wu)(wu)泥(ni)濃縮等新(xin)技術(shu)相融合(he)，并實施了(le)(le)一(yi)(yi)套(tao)節能(neng)方案(an)，到2013年(nian)(nian)該(gai)技術(shu)已(yi)(yi)基(ji)本達(da)到了(le)(le)自(zi)(zi)供。奧(ao)地利(li)Strass污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)作為(wei)(wei)一(yi)(yi)個(ge)比較成功的(de)(de)(de)(de)(de)案(an)例表(biao)明(ming)，回收(shou)的(de)(de)(de)(de)(de)化(hua)(hua)(hua)學能(neng)可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)彌補2003年(nian)(nian)全年(nian)(nian)總能(neng)耗(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)80%;通過其(qi)他改進，包括添加有機(ji)廢物，2012年(nian)(nian)Strass污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)實現(xian)了(le)(le)158%——178%的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)源自(zi)(zi)給(gei)自(zi)(zi)足。以(yi)(yi)(yi)(yi)上兩個(ge)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)廠(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)經(jing)驗對于(yu)我國(guo)(guo)(guo)來(lai)說非常有借鑒(jian)意(yi)義，在(zai)(zai)我國(guo)(guo)(guo)，餐廳及家庭的(de)(de)(de)(de)(de)剩(sheng)菜剩(sheng)飯可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)一(yi)(yi)同(tong)送往污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)與剩(sheng)余污(wu)(wu)(wu)泥(ni)進行(xing)共消(xiao)化(hua)(hua)(hua)。德(de)國(guo)(guo)(guo)Bochum-lbachtal污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)為(wei)(wei)三階段入水(shui)(shui)(shui)(shui)預脫氮(dan)，生(sheng)物處(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)部分(fen)為(wei)(wei)化(hua)(hua)(hua)學除磷，利(li)用(yong)厭氧法(fa)與熱(re)電聯(lian)(lian)產相結合(he)的(de)(de)(de)(de)(de)技術(shu)，可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)實現(xian)96.9%的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)自(zi)(zi)給(gei)，經(jing)過核算，可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)實現(xian)63.2%的(de)(de)(de)(de)(de)碳中和率(lv)。青島市海泊河污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)利(li)用(yong)熱(re)電聯(lian)(lian)產，在(zai)(zai)一(yi)(yi)年(nian)(nian)多的(de)(de)(de)(de)(de)時間里，其(qi)發電效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)已(yi)(yi)接近30%,節能(neng)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)益顯著，而采用(yong)該(gai)系統可(ke)(ke)(ke)降(jiang)低(di)(di)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)脫硫耗(hao)水(shui)(shui)(shui)(shui)7×104 t,降(jiang)低(di)(di)燃(ran)煤12 670 t,降(jiang)低(di)(di)1 383 m3 CO2,通過控(kong)制廢氣(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)排(pai)放，可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)有效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)降(jiang)低(di)(di)工廠(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)源消(xiao)耗(hao)，同(tong)時也(ye)可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)有效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)地減少(shao)煙塵對周圍的(de)(de)(de)(de)(de)環境的(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)。關于(yu)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)管理(li)(li)(li)(li)、設備革(ge)新(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)情況，Khatri等使(shi)用(yong)水(shui)(shui)(shui)(shui)力(li)旋流(liu)器和智能(neng)曝氣(qi)控(kong)制來(lai)降(jiang)低(di)(di)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)耗(hao)，采用(yong)水(shui)(shui)(shui)(shui)力(li)旋流(liu)器作為(wei)(wei)一(yi)(yi)次污(wu)(wu)(wu)泥(ni)分(fen)離器可(ke)(ke)(ke)節省(sheng)曝氣(qi)電量(liang)71.46%。通過研(yan)究印(yin)度北(bei)部不同(tong)城市的(de)(de)(de)(de)(de)7個(ge)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)(li)(li)廠(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)運行(xing)性(xing)能(neng)，結果表(biao)明(ming)UASBs和簡單的(de)(de)(de)(de)(de)有氧系統是(shi)(shi)一(yi)(yi)種(zhong)有前途的(de)(de)(de)(de)(de)技術(shu)，特別是(shi)(shi)在(zai)(zai)印(yin)度，可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)以(yi)(yi)(yi)(yi)低(di)(di)成本達(da)到回用(yong)水(shui)(shui)(shui)(shui)所需(xu)的(de)(de)(de)(de)(de)BOD水(shui)(shui)(shui)(shui)平。Alekseiko等研(yan)究了(le)(le)符拉迪沃斯(si)托(tuo)克一(yi)(yi)座(zuo)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)廠(chang)(chang)(chang)使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)泵，并證明(ming)該(gai)工廠(chang)(chang)(chang)產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)源是(shi)(shi)一(yi)(yi)種(zhong)有價值的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)源。Bruno等使(shi)用(yong)吸收(shou)式制冷機(ji)來(lai)幫助提高位(wei)于(yu)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)廠(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)沼氣(qi)驅動的(de)(de)(de)(de)(de)微型燃(ran)氣(qi)輪機(ji)(MGT)熱(re)電聯(lian)(lian)產廠(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)。
3 結論與展(zhan)望(wang)
我國作為全球(qiu)最(zui)大的(de)能源消費(fei)國和CO2排放國，具有巨大的(de)碳減(jian)排潛(qian)力(li)和綠色(se)發展(zhan)潛(qian)力(li)，然而，就當前(qian)污(wu)水處理技(ji)術的(de)低碳運行現(xian)狀而言，仍然有許多瓶頸問(wen)題成為了污(wu)水處理廠實現(xian)碳中和的(de)阻礙。
(1)針對污水(shui)廠設備(bei)與管理(li)存(cun)在(zai)的不(bu)足(zu)，在(zai)未來(lai)污水(shui)處(chu)理(li)廠可以利用互聯(lian)網+、大數據(ju)、人工(gong)智能等前(qian)沿信(xin)息通信(xin)技術(shu)耦合先進節(jie)能、用能技術(shu)降低污水(shui)處(chu)理(li)領域碳(tan)排(pai)放(fang)，同(tong)時通過信(xin)息通信(xin)技術(shu)優化(hua)或重(zhong)塑污水(shui)處(chu)理(li)行業技術(shu)環節(jie)，從源頭(tou)減少(shao)能源、資源、信(xin)息領域消耗帶來(lai)的碳(tan)排(pai)放(fang)。
(2)用于(yu)采暖的(de)(de)污水源熱泵(beng)對熱量價格變化(hua)(hua)比較敏(min)感，城市熱水管網建設(she)滯后嚴重阻礙(ai)了該(gai)技(ji)術(shu)的(de)(de)大規模應用。光(guang)伏發(fa)電產生的(de)(de)電量有限，僅占總(zong)能耗的(de)(de)10%左右。在(zai)今(jin)后的(de)(de)研究中，應該(gai)將目前(qian)(qian)的(de)(de)研究結果與(yu)之相融合，發(fa)展出更穩定的(de)(de)能量儲存技(ji)術(shu)。污泥厭(yan)氧消化(hua)(hua)過程易(yi)受環境條(tiao)件的(de)(de)影響，消化(hua)(hua)污泥不易(yi)沉淀。碳(tan)捕捉(zhuo)目前(qian)(qian)存在(zai)投資大、要求高等劣勢，該(gai)技(ji)術(shu)現在(zai)的(de)(de)痛點是如何將捕捉(zhuo)到的(de)(de)CO2安(an)全、大規模、高效地資源化(hua)(hua)。
(3)在我(wo)國今(jin)后的(de)(de)(de)發展(zhan)中(zhong)，要(yao)充分吸收國內外先進的(de)(de)(de)污水(shui)碳中(zhong)和技術，以(yi)發展(zhan)污水(shui)中(zhong)的(de)(de)(de)有(you)機潛力以(yi)及新的(de)(de)(de)低碳技術為中(zhong)心(xin)，從提高裝置節(jie)能、改善(shan)生產操作方(fang)式(shi)等方(fang)面著手，達到低碳運行(xing)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。
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