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碳中和时代的污水处理新方向?看看荷兰污水厂是如何转型的
2022年10月26日



最近几年来,环保行业哪些词最火?

碳中和必须占有一席之地。


世界各国没少尝试各种各样的技术路线,迫切希望实现节能减排,修复地球环境。

在层层压力之下,污水厂作为能耗大户,自然也要面临转型:

比如,强化污染物削减功能,搞搞极限脱氮除磷;

比如,以提高能源自给率为目标进行提标改造,实现低碳污水处理;

比如,重视污水处理过程的资源回收,实现循环利用等。

于是就有了:

2003年,全球第一座NeWater再生水厂在新加坡建成,污水再生回用达到饮用水标准;

2005年,奥地利Strass污水处理厂在全球首次实现能量自给自足,仅依靠回收污水中化学能即可满足污水处理的能量消耗;

2016年,瑞士立法强制从污水(污泥)、动物粪尿等污染物中回收不可再生的磷资源。

…… 

作为世界公认的水利强国,荷兰自然也不甘落后。 

所以今天,小编就和大家聊聊碳中和时代,荷兰的污水厂是如何进行升级转型的。




荷兰的污水理念——NEWs框架



荷兰,地处莱茵河、马斯河和斯海尔德河三角洲,是一个低洼之地。

作为环保人,每次提到荷兰小编脑海中第一个蹦出来的就是代尔夫特理工大学。

尤其是它的Kluvyer生物技术实验室,在微生物工程技术方面的成就可谓是享誉全球,目前我们熟悉的一些污水生物处理技术很多都是来自这里。

比如反硝化除磷与磷回收(BCFS)、短程硝化(SHARON)、厌氧氨氧化(ANAMMOX/CANON)、好氧颗粒污泥(NEREDA)、侧流富集/主流强化硝化(BABE)、生物塑料(PHA)回收等。

更厉害的是,这些技术还出自Mark van Loosdrecht教授一人之手,他也因此获得了水业的“诺贝尔奖”——新加坡李光耀水奖。

老早的时候,代尔夫特理工大学就提出了可持续污水处理的理念了,2008年,荷兰应用水研究基金会把这个理念具象化为“NEWs”框架。

Nutrient(营养物)+Energy(能源)+Water(水) factories(工厂)词组的缩写,表示可持续理念下的污水处理厂其实是营养物、能源和再生水三位一体的生产工厂。

正好“NEWs”一词也有新的含义,既是新生,也是未来。

这个“NEWs”有多好呢,在它的框架下,污水中几乎没有了传统意义上的废物:


  • 有机物为能量的载体,转化后可用于弥补运行能耗,实现碳中和运行目的;污水本身所含热量也可通过水源热泵转换出大量热/冷能,不仅可贡献于碳中和运行,还能向社会输出热/冷量。这就是能源工厂的内容。

  • 污水中的营养物质,特别是磷,在处理过程中可有效回收,以最大限度延缓磷资源的匮乏速度。这是营养物工厂的内容。

  • 有机物及营养物回收完成后,也就是完成了传统污水处理的主要目标,剩下的资源就是我们熟知的再生水了。这就是再生水厂的内容。


于是,荷兰还将污水处理工艺步骤概括为6大过程:①预处理;②基本处理;③后处理;④污泥处理;⑤污泥脱水上清液处理;⑥能量转化。

看起来简简单单,其实每一个工艺步骤背后可选择的技术很多,相同的技术也可以在不同的工艺步骤中获得应用,就好像排列组合一样,总可以找到最合适的方式处理污水。




NEWs框架下的概念工艺



既然有了大方向,那么工艺技术自然也要围着这个框架展开。

NEWs框架下升级的概念工厂会采用什么样工艺技术?


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 图片来自网络,侵删


首先我们看一下这个营养物工厂概念工艺。如图中所示,沉砂池去除无机砂砾后,主要靠生物固磷将污水中磷富集于污泥中沉淀回收;富磷污泥厌氧消化产CH4后经离心机脱水干化,主要从干污泥焚烧灰烬中回收磷,也可氧化上清液产生磷酸盐。

该工艺的主要特点是将COD与营养物质分离,分别回收能源与资源。


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  图片来自网络,侵删


其次就是能量工厂的概念工艺。从图中也能看出来,这个能量工厂的工艺就比较复杂了。

原水进来以后,要经过微滤网,这个微滤网是用来截流颗粒COD的;然后经过预沉池,沉淀一部分SS;后面就是专家研究推荐的A-B工艺了,一般会根据实际情况对所属污水厂进行升级改造。A段厌氧消化产生CH4,后面的厌氧氨氧化主要是用来脱氮,最后的磷以化学结晶的方式回收。

这一概念工艺的特点就是截留COD并使之直接超临界气化产生氢气和甲烷,剩余溶解性COD采用厌氧分解;N、P通过ANAMMOX方式与化学结晶方式去除,以最大化COD转化能源。


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图片来自网络,侵删


最后就是再生水厂概念工艺了。它的目标产品为锅炉补水甚至是饮用水,不过绝大部分最后都会进入芦苇湿地和地表水。

再生水厂同样采用的是A-B法,原水经过A段和MBR处理之后,加入臭氧,再经过接触池、生物活性炭过滤后,小部分经RO深度处理获得锅炉补充水甚至是饮用水,10%的浓液与另外70%处理水最后排入芦苇湿地或地表水系统。

这一概念工艺虽可保证获得稳定的水质和水量,但是MBR与RO这样的膜技术能耗极高,需要有充足的剩余污泥提供有机能量。特点是最大程度隔离COD并转化能源(A段),生物脱氮(MBR),化学除磷,难降解COD高级氧化。




Amersfoort污水厂转型案例



马克思他老人家告诉我们,实践才是检验认识真理性的唯一标准。

为了验证NEWs理念,荷兰没少搞下功夫,比如对 Amersfoort 污水处理厂开启了为期6年的改造计划。

通过革新污泥处理技术将其转变成为一个区域性污泥处理中心,并增设磷回收单元,期望实现完全能源自给、40%磷回收及75%的污泥经干化后含水率为10%的阶段目标。

Amersfoort污水处理厂的最大处理量为8900m3·h-1,相当于31500人口当量/d。污水厂改造前后的污水处理工艺保持不变,即污水经初沉池+曝气池+二沉池+砂滤池处理后,满足N<10mg·L-1,P< 0.2mg·L-1的出水标准。改造后如图所示:


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   图片来自网络,侵删


首先,Amersfoort污水厂实现能源工厂目标的关键措施有两点:

①采用污泥热压水解技术以提高消化负荷。污泥微生物细胞在高温(150~200℃)高压下发生裂解,以提高污泥水解生物利用率,增加厌氧消化负荷及甲烷产量;

②热电联产技术(CHP)。消化产生的甲烷经CHP以热能和电能的形式完成对污水能源的回收。 减少了传统高压水解需要蒸汽驱动水解过程所需的热能。

Amersfoort污水厂对两种关键技术的联合使用,不仅可满足完全能量自给,每年还可产生约2000000 kWh的电能对外供电,成为名副其实的能源工厂。

其次是磷回收。Amersfoort污水厂每天可产生2000 t鸟粪石颗粒。通过应用WASSTRIP工艺+Peal单元,避免了富含磷、铵及镁的消化液污泥消化反应器中的结晶,从而减少传统工艺因结晶产生的管道维护费用,同时可减少大量化学污泥,提高了磷回收的效率和纯度。 




最后



其实从上面的介绍不难看出,传统工艺仍然占据着荷兰污水处理的主流。资源、能源回收目前以磷回收与污泥转化能源为主要核心,也最为现实。

NEWs框架的建立虽然针对未来污水处理方向,但并不预示着既有污水处理设施被推倒重来,也不是新建示范厂,而是强调既有污水厂根据自身情况、因地制宜。这是荷兰人一贯作风,当然,也是我们进行污水处理时可以学习的地方。


资料/图片来源:网络、《国外污水处理厂发展现状与趋势》;郝晓地等,荷兰未来污水处理新框架——NEWs极其实践;

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