（同濟大學  楊殿海教授）

本文看點

1,、節(jié)能減排是全球各行業(yè)共同職責,；

2、傳統(tǒng)污水處理系統(tǒng)低碳技術,；

3,、未來污水處理技術低碳發(fā)展方向；

4,、污泥處理的生物質能回收與低碳排放;

工業(yè)化生產帶來豐富的物質條件,，城市化進程給人類生產生活帶來高效與便捷，醫(yī)療衛(wèi)生水平的提高人的期望壽命不斷增長,，工業(yè)革命促進了人類社會的進步與繁榮,。

工業(yè)革命以后生態(tài)環(huán)境問題日益凸顯

保護人類和自然系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展是世界范圍的責任和義務，它超越于各種文化上的,、思想意識上的,、以及地理上的界限。

 2017年全球碳排放國家排名

（2014年開始中國碳排放>美國+歐洲碳排放）

全球能源消耗排放的CO₂70%以上在城市,，中國55%在城市,。我國污水處理廠電耗約占全社會總電耗的0.25%，污水處理行業(yè)年產生二氧化碳,、氧化亞氮,、甲烷等碳直接排放量0.75億噸，平均增加5.95%,，隨著產業(yè)結構調整,，新興戰(zhàn)略產業(yè)增加，第三產業(yè)比重加大，污水處理系統(tǒng)的電耗和碳排放比重會不斷增加,。

100多年來活性污泥法為環(huán)境保護發(fā)揮了巨大作用,，但城市排水系統(tǒng)既是污染物減排行業(yè)，又是碳排放行業(yè),。傳統(tǒng)污水處理廠主要處理手段是以能消能,，作為環(huán)保設施與可持續(xù)發(fā)展理念不符,。

隨著城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量的不斷增多,，日處理規(guī)模的不斷擴大，出水標準日趨嚴格,，升級改造不斷繼續(xù)……

傳統(tǒng)污水處理僅關注水資源的恢復,、以能消能，消耗能源,、忽視了污水作為資源性的一面,，不重視物質循環(huán)，浪費資源、漠視氮磷回收,。

我國5000余座污水處理廠,，處理規(guī)模近2億m³/d，位居世界第一,；污水量的收集率很多城市已經(jīng)超過90%,；但從污染負荷來計算，污染物的收集率很多城市不足50%,；為什么中國的污水排放執(zhí)行的是全球最嚴格的標準之一,，但是中國的黑臭水體治理任務還是如此的艱巨？

廠網(wǎng)一體,，提質增效,，控源截污是水環(huán)境治理的關鍵措施！

（1）直接碳排放：污水中污染物降解,。

◆污水處理過程（CH₄ ,、CO₂、N₂O）,；

◆尾水排放（N₂O）,；

◆ 輸送過程降解（CH₄ 、CO₂）,；

◆有機物氧化降解過程（CH₄,、CO₂、N₂O）,；

◆營養(yǎng)物去除過程（CO₂,、N₂O）；

◆污泥厭氧消化過程（CH₄）,；

◆污泥運輸和處置過程（CH₄ ,、CO₂、N₂O）

（2）間接碳排放：污水收集,、提升系統(tǒng),、處理過程以及污泥處理處置過程的能耗。

◆ 處理設備電能和熱能的消耗（CO₂）,；

◆ 藥劑消耗（CO₂）

（3）碳減排（碳匯）

◆ 資源回收,；

◆ 污水源熱泵；

◆ 厭氧消化能源回收,。

（4）其他涉碳方面（二氧化碳排放）

◆ 運營期能源消耗,；

◆ 運營期動態(tài)碳排放；

◆ 設施維護,；

◆ 設施拆建,；

◆ 綠色碳匯,；

◆ 原材料生產和制造；

◆ 建設期能源消耗,。

3,、減排途徑

◆ 生物質能轉化：碳源轉化、氮源回收,；

◆ 采用新能源：清潔能源,、再生能源；

◆ 降低消耗：節(jié)約原料,、節(jié)省能耗,；

◆ 減少排放：溫室氣體、其他污染,。

 基于模型的優(yōu)化運行控制是傳統(tǒng)污水處理工藝節(jié)能降耗減排的重要措施

活性污泥何以歷經(jīng)百年滄桑而不衰,？有人說因為簡單,，有人說道法自然，基于能源危機,、資源短缺和溫室氣體減排,，人們對活性污泥法的變革是何等的期待？

 污水中氮素的去除途徑分析

高濃度的氨氮回收已經(jīng)在實際工程中得到成功應用

低濃度污水直接進行厭氧微生物的作用,，把有機物轉化為資源,。如厭氧CH₄、厭氧H₂,、MFC產電,、H₂ /CH₄等聯(lián)合技術。

（1）自然生態(tài)系統(tǒng)的凈化作用為核心,，生態(tài)因子的優(yōu)化調控

（2）污水污染成分利用與轉化結合

 植物－微生物共存體系的相互關系

 處理環(huán)境或介質的相互關系

（3）不涉及能源投入與化學品的消耗

植物吸收無機氮、磷等營養(yǎng)物質

利用光合作用

（4）污水處理與水資源利用結合

MFC是利用微生物將污水中的化學能直接轉化為電能的理想產電裝置,。

利用MFC不僅可以直接將水中或者污泥中的有機物降解,，而且同時可以將有機物在微生物代謝過程中產生的電子轉化成電流，從而獲得電能,。

污泥處理的生物質能回收與低碳排放

目前全國污水處理廠5000余座,，污水處理規(guī)模2億m ³ /d，年污泥產量超過4000萬噸,，至2020年,，污泥產量將達到6000萬噸。

剩余污泥是污水處理過程的必然副產物

1,、污泥處理的生物質能回收與低碳排放的必要性

（1）符合全球綠色低碳循環(huán)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，世界各發(fā)達國家都在提高可再生能源尤其是生物質能源的比重,；

（2）符合中國生態(tài)文明建設和美麗中國發(fā)展戰(zhàn)略,；

（3）助推我國二氧化碳減排控制溫室效應；

（4）彌補中國高速發(fā)展的能源不足需求,；

（5）碳土回田改善中國土壤環(huán)境條件,。

2、發(fā)達國家污泥厭氧消化設施何以良好運行,？

先來看一下部分發(fā)達國家和地區(qū)污泥厭氧消化處理的比例：

美國：58%,；歐盟：50%；德國：60%,；英國：66%,。

在發(fā)達國家，大小規(guī)模的污水處理廠幾乎都設置污泥厭氧消化裝置,，主要對廠內產生的污泥進行資源化利用處理,，污水廠電耗40%~60%由沼氣提供，某些污水處理廠能夠實現(xiàn)能源100%自給,，污泥減量30%~50%,。

（1）確立污水是資源而非廢棄的污染物，從以無害化為目標,，上升為資源化為主導的戰(zhàn)略,；

（2）發(fā)達國家都在提高可再生能源尤其是生物質能源的比重，鼓勵生物質能的生產,；

（3）污泥處理與污水處理同時考慮,，處理成本一并計算；

（4）終端的高額填埋處置費用促進了其它處理處置的發(fā)展,，而厭氧消化因為污泥穩(wěn)定的同時能源得到回收利用使其成為一支獨秀,；

（5）發(fā)達國家的源污泥或剩余污泥的有機質含量較高。

3,、厭氧消化為何在國內發(fā)展步履蹣跚,？

國內污泥厭氧消化現(xiàn)狀：在過去幾十年間，中國建造的污泥厭氧消化設施共有60余座,，但僅有三分之一左右在正常運行,。

國內污泥消化系統(tǒng)運行不正常甚至停運是政策,、技術、成本和管理方面諸多問題所導致,。

（1）技術層面：

◆進泥含固率低,，有機質含量低，造成單位池容產氣率低,；

◆缺乏污泥厭氧消化的配套國產化裝備,，關鍵設備故障率高；

◆行業(yè)從業(yè)人員認為工藝操作復雜,，運行操作要求高,；

◆攪拌，浮渣,，泡沫,、沉砂，以及鳥糞石結晶沉淀結垢等問題嚴重困擾系統(tǒng)的運行,；

◆產氣量波動大,，沼氣利用效率普遍較低，產氣少,，發(fā)電少,；

◆ 脫硫系統(tǒng)設計、選型及運營管理問題,，造成設備腐蝕嚴重。

舉例說明：傳統(tǒng)厭氧消化技術的不足

a.含砂量高,，有機質低,；

b.投資高、容積利用率低,；

c.沼氣含硫高,，產量低；

d.致病菌數(shù)量高,，安全性低,。

（2）經(jīng)濟層面

◆基建和設備投資高，投入,、產出和傳統(tǒng)消化運行成本問題,；

◆資金來源問題，缺少財政配套,。

（3）政策和管理層面

◆操作人員素質和漠視安全操作規(guī)范等管理問題,，導致存在安全隱患

◆缺乏技術規(guī)范和標準，缺少約束性指標,，監(jiān)管體系,，污泥處置責任主體不明確,，最終處置途徑迷茫。

4,、熱水解-高含固厭氧消化工藝

（1）熱水解對污泥物理性質影響

◆大大降低污泥的粘度,，顯著改善污泥輸送性能；

◆ 加快污泥水解過程,，加速厭氧消化穩(wěn)定速率,；

◆有效提高溶解COD比例，提高污泥產氣效率,；

◆提高消化含固率,，節(jié)約消化池容，減少占地,；

◆減少投資和運行成本,；

◆實現(xiàn)徹底的衛(wèi)生化，殺滅致病菌,；

◆改善沼氣品質,，降低硫化氫含量

（2）熱水解對污泥化學性質影響

◆高含固污泥熱水解過程中有機物轉化規(guī)律；

◆熱水解前,、后高含固污泥厭氧消化過程中有機物轉化規(guī)律,；

◆熱水解預處理污泥在產酸相中組分轉化。

（3）熱水解-高含固厭氧消化工藝

傳統(tǒng)消化與高含固厭氧消化工藝比較

5,、污泥與城市有機質的協(xié)同厭氧消化

國際發(fā)展趨勢和研究熱點：每萬人每天產污泥約為700kgSS,、有機垃圾1500kg；產生物燃氣（CH₄）135立方+200立方=350立方,；

提高系統(tǒng)穩(wěn)定性：降低抑制物濃度,，緩沖能力提升，協(xié)同互補,；

提高厭氧消化系統(tǒng)效率,、容積產氣率，彌補污泥厭氧投資成本：負荷從1.5-2.0提高到6-10kgVSS/m³d,，容積產氣率提高3-5倍,。

案例：

6、綠色低碳特色

7,、高效產品特色

a. LTHP 預處理污泥產氣量前15天得到提高,，但總產氣量變化不大；

b.120℃-160℃ HTHP預處理污泥產氣量不僅前15天得到提高,，總產氣量提高6%-16%,；SRT由18-20 d降低到12-14 d。

傳統(tǒng)污泥厭氧消化沼氣硫化氫含量：>1000ppm;

高含固污泥厭氧消化沼氣硫化氫含量：<150ppm

8,、安全衛(wèi)生特色

幾種熱水解裝備技術性能比較

9,、循環(huán)利用特色

10,、熱水解在污泥處理流程中的位置選擇

（1）前置熱水解預處理：

· 熱水解系統(tǒng)部分能量和體積浪費在易降解有機質；

· 熱水解對污泥脫水的改善作用可能被消化過程減弱,；

· 厭氧消化污泥后處理能夠繼續(xù)降解（沒有完全穩(wěn)定）,。

（2）基于后置熱水解的兩相消化強化工藝

（3）傳統(tǒng)、前置及后置熱水解的比較