污水處理廠能源回收工藝和優(yōu)化策略分析

摘要：目前，污水處理廠常用的污泥能源回收技術(shù)主要有2種，即污泥熱解產(chǎn)氫技術(shù)和污泥厭氧消化熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，污水處理廠能源回收新工藝應(yīng)運(yùn)而生，主要有厭氧消化耦合微生物電解池產(chǎn)甲烷工藝和厭氧消化耦合微生物燃料電池產(chǎn)電工藝。為了增強(qiáng)能源回收效果，有必要分析污水處理廠能源回收技術(shù)，綜述污水處理廠能源回收新工藝，提出我國污水處理廠能源回收優(yōu)化策略。我國污水處理廠能源回收可以采用3種優(yōu)化策略，一是多目標(biāo)需求導(dǎo)向的能源回收策略，二是工藝改造結(jié)合前沿技術(shù)的能源回收策略，三是多目標(biāo)功能導(dǎo)向的能源回收策略。隨著優(yōu)化策略的落實(shí)，污水處理廠可以更好地實(shí)現(xiàn)能源自給，減少能耗，提高資源化利用水平。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；能源回收；工藝；優(yōu)化策略；污泥

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.066

Analysis of energy recovery process and optimization strategy in sewage treatment plants

ZHANG Jun

（Zibo City Construction Project Environmental Assessment Service Center， Zibo 255000， China）

Abstract： At present， there are two commonly used sludge energy recovery technologies in sewage treatment plants， namely sludge pyrolysis hydrogen production technology and sludge anaerobic digestion cogeneration technology. With the development of science and technology， new energy recovery processes for sewage treatment plants have emerged， mainly including anaerobic digestion coupled microbial electrolysis tank methane production process and anaerobic digestion coupled microbial fuel cell electricity production process. In order to enhance the efficiency of energy recovery， it is necessary to analyze the energy recovery technology of sewage treatment plants， summarize the new energy recovery processes of sewage treatment plants， and propose optimization strategies for energy recovery in sewage treatment plants in China. There are three optimization strategies for energy recovery in sewage treatment plants in China， and the first is a multi-objective demand oriented energy recovery strategy， the second is an energy recovery strategy that combines process transformation with cutting-edge technology， and the third is a multi-objective function oriented energy recovery strategy. With the implementation of optimization strategies， sewage treatment plants can better achieve energy self-sufficiency， reduce energy consumption， and improve the level of resource utilization.

Keywords： sewage treatment plant; energy recovery; process; optimization strategy; sludge

隨著全球能源的日益緊張，能源回收利用已經(jīng)成為許多國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略。污水處理廠作為城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其能耗占城市總能耗的比例逐年遞增，如何有效地降低污水處理廠能耗，提高能源利用率，成為急需解決的問題。因此，有必要分析污水處理廠能源回收技術(shù)，綜述污水處理廠能源回收新工藝，提出我國污水處理廠能源回收優(yōu)化策略，以期為污水處理廠的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 污水處理廠能源回收技術(shù)

1.1 污泥熱解產(chǎn)氫技術(shù)

污泥脫水處理后，在高溫和無氧條件下，大分子有機(jī)物可以熱解為小分子物質(zhì)。污泥熱解后，可得到具有優(yōu)良孔徑和吸附性能的吸附劑。污泥熱解產(chǎn)氫技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)，氫氣生成量隨污泥含水量和溫度升高而增加，通過調(diào)節(jié)污泥的含水量和反應(yīng)溫度，可以提高氫氣產(chǎn)量。超臨界水氣化技術(shù)底物轉(zhuǎn)化率高，無須預(yù)先干燥，被廣泛用于污泥產(chǎn)氫。但是，為實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，該技術(shù)仍需要進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)條件，研制高效催化劑，提高產(chǎn)氫效率，降低能耗[1]。此外，生物發(fā)酵制氫和高溫?zé)峤猱a(chǎn)氫也是污泥能源化的有效途徑，高溫?zé)峤饪商岣邭錃猱a(chǎn)量和熱解氣體熱值，促進(jìn)高質(zhì)燃?xì)獾纳伞?/p>

1.2 污泥厭氧消化熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

沼氣發(fā)電是指將沼氣在發(fā)動機(jī)中燃燒，并通過能量轉(zhuǎn)換將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。但是，有效能量轉(zhuǎn)換效率僅為25%～30%，其余熱能主要通過缸套水、廢氣熱回收裝置和空氣散失，如圖1所示。污泥厭氧消化熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是一種將污泥中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能的高效能源回收技術(shù)，多個污泥消化池生產(chǎn)沼氣用于發(fā)電，可節(jié)省電力成本。污泥熱水解+高級厭氧消化處理工藝具有顯著的降碳潛力，能夠減少溫室氣體排放。熱水解工藝運(yùn)行時，所需能量主要由消化池提供[2]。但是，熱水解工藝復(fù)雜，系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)成本高，需要獨(dú)立的設(shè)施來處理厭氧消化液，由于熱水解后消化液化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）和氨氮含量增加，不宜直接回流至污水處理廠的進(jìn)水，否則可能導(dǎo)致污染物濃度增加。污泥熱水解后需要進(jìn)行冷卻處理，以降低溫度，但冷卻交換后的低品位熱能難以回收利用，限制系統(tǒng)的能量利用效率。

1.3 污泥能源回收技術(shù)比較

污泥能源回收的主要技術(shù)途徑包括焚燒、厭氧消化產(chǎn)甲烷和產(chǎn)氫。污泥焚燒因其高能量回收率而備受關(guān)注，但成本較高，需要預(yù)先降低污泥的含水率。厭氧消化產(chǎn)氫技術(shù)能夠?qū)⒂袡C(jī)物轉(zhuǎn)化為氫氣，但能量回收率較低，同時產(chǎn)生大量二氧化碳，因此它并非實(shí)現(xiàn)清潔能源回收的有效途徑。相較之下，厭氧消化產(chǎn)甲烷為理想的污泥能源回收方式。

目前，生活污水處理主要采用好氧生物技術(shù)，該技術(shù)需要大量曝氣，以滿足硝化菌和好氧微生物的代謝需求，導(dǎo)致能耗高、效率低。隨著水資源供需矛盾的加劇，開發(fā)污水資源化新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源回收和節(jié)能降耗變得尤為迫切[3]。生活污水具有高有機(jī)物含量和大水量的特點(diǎn)，厭氧生物技術(shù)已成為研究的熱點(diǎn)。該技術(shù)產(chǎn)生的氣體不僅可以實(shí)現(xiàn)資源化，還可以實(shí)現(xiàn)能源化，為污水處理廠的能源自給和節(jié)能減排提供新的可能性。

2 污水處理廠能源回收新工藝

2.1 厭氧消化耦合微生物電解池產(chǎn)甲烷工藝

傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)將污泥中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷，實(shí)現(xiàn)資源化，但甲烷轉(zhuǎn)化率低。微生物電解池產(chǎn)氫技術(shù)通過廣泛利用底物，將大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為氫氣，促進(jìn)嗜氫產(chǎn)甲烷菌生長，提高甲烷轉(zhuǎn)化率。微生物電解池技術(shù)以污泥發(fā)酵廢液作為碳源底物，增強(qiáng)產(chǎn)氫作用，并消耗糖類物質(zhì)，從而提高處理效果。產(chǎn)氫效果受到緩沖溶液的影響，而污泥發(fā)酵廢液可以同時作為反應(yīng)底物和緩沖溶液，不僅降低成本，還避免二次污染。優(yōu)化微生物催化電解技術(shù)的操作條件，可以進(jìn)一步提高甲烷產(chǎn)量[4]。

2.2 厭氧消化耦合微生物燃料電池產(chǎn)電工藝

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一種將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，如圖2所示。在MFC中，微生物在厭氧條件下將氧化有機(jī)物產(chǎn)生的電子傳遞給電極材料，然后電子通過外電路輸出電流。MFC的陽極隔室是微生物生長代謝和有機(jī)底物降解的主要區(qū)域，其中有機(jī)物為微生物提供電子。生成三磷酸腺苷后，電子傳遞給陽極，并進(jìn)一步傳向外電路。MFC技術(shù)的廢水處理規(guī)模達(dá)到2.25 t/d，出水清潔度滿足要求，可供15人使用。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電能的自給自足，并且有盈余電能。

3 我國污水處理廠能源回收優(yōu)化策略

目前，我國污水處理廠主要采用好氧工藝，以活性污泥為基礎(chǔ)，通過調(diào)節(jié)廢水COD和通氣為微生物提供生長環(huán)境。污水處理廠能耗較低，但實(shí)際能耗涉及消化、脫水、燃燒和通風(fēng)等環(huán)節(jié)。2019年數(shù)據(jù)顯示，82%以上的污水處理廠能耗超過0.44 kW·h/m3。2021年，污水處理用電量占全國用電量的0.3%。污水中的COD是一種潛在的環(huán)保能源，傳統(tǒng)的污水處理方式往往導(dǎo)致能量損失。廢水處理應(yīng)充分利用廢物資源，以實(shí)現(xiàn)能源回收和節(jié)能降耗[5-6]。吸附生物降解工藝是一種提取廢水中COD的有效方法，其中約74%的COD進(jìn)入剩余污泥。剩余污泥是一種有機(jī)能源，通過有效的回收利用，結(jié)合生物能、太陽能等其他能源回收技術(shù)，污水處理廠可以逐步實(shí)現(xiàn)能量自給自足，如圖3所示。

3.1 多目標(biāo)需求導(dǎo)向的能源回收策略

污水處理廠的能源回收主要涉及農(nóng)田灌溉用水、城市景觀用水和市政雜用水。為滿足農(nóng)田灌溉用水需求，要采用能源回收技術(shù)對污水進(jìn)行一級處理和厭氧處理，如圖4所示。在此過程中，采用變頻調(diào)速技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)23%～43%的節(jié)能效果。城市景觀用水的水質(zhì)需要達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)或一級B標(biāo)準(zhǔn)，而市政雜用水的水質(zhì)僅需要滿足二級標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)顯示，污水處理過程中，出水水質(zhì)執(zhí)行一級B標(biāo)準(zhǔn)時，COD和氨氮的削減量分別為300.4 g/m3和62.2～91.5 g/m3，而氧需求量為362.6～391.9 g/m3。

若出水水質(zhì)降至二級標(biāo)準(zhǔn)供市政雜用，則預(yù)期的COD削減量可減少50～60 g/m3，氨氮削減量可減少10～17 g/m3，氧需求量可減少50～60 g/m3，氨氮消耗可減少41.8～62.7 g/m3。當(dāng)出水水質(zhì)調(diào)整為二級標(biāo)準(zhǔn)供市政雜用時，氧消耗量削減，為94.2～122.7 g/m3，預(yù)計曝氣能耗削減率為24.0%～33.8%，整體節(jié)能率為13.1%～18.4%。

3.2 工藝改造結(jié)合前沿技術(shù)的能源回收策略

3.2.1 原位污泥能源化

原位污泥能源化利用熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，將污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷用于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，實(shí)現(xiàn)能源的原位利用。產(chǎn)生的熱量用于維持污泥發(fā)酵系統(tǒng)的溫度，而電力則用于驅(qū)動廠區(qū)內(nèi)的耗電設(shè)備。污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷，通過熱電聯(lián)產(chǎn)獲得能量，最高可達(dá)污水處理廠能耗的30%。結(jié)合工藝節(jié)能率，原位污泥能源化可以實(shí)現(xiàn)50%以上的能耗降低，如圖5所示。

3.2.2 與短程硝化反硝化工藝結(jié)合

對污水處理廠進(jìn)行短程硝化反硝化工藝改造，并應(yīng)用自動化控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)26.00%～31.73%的節(jié)能率，如圖6所示。污泥產(chǎn)生量減少40%，既節(jié)能，又降低可用于厭氧消化產(chǎn)甲烷的污泥量。

3.2.3 與厭氧氨氧化技術(shù)結(jié)合

污泥處理采用厭氧消化技術(shù)，一體化厭氧氨氧化工藝可提高污泥產(chǎn)生量。改造后，厭氧硝化回收的有機(jī)物占進(jìn)水COD的比例從傳統(tǒng)厭氧-缺氧-好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O）工藝的20%提高到40%，回收的甲烷能量占A2O工藝能耗的60%。這實(shí)現(xiàn)污水中有機(jī)物和氨氮的分離，使城市污水處理廠的能源自給率提高到90%。

3.2.4 開發(fā)基于能源回收的高效厭氧工藝

將厭氧氨氧化技術(shù)和產(chǎn)甲烷技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出一種新的城市污水處理工藝，旨在實(shí)現(xiàn)低碳脫氮和能源回收。該工藝系統(tǒng)由3個部分組成，即厭氧系統(tǒng)、半亞硝化系統(tǒng)和厭氧氨氧化系統(tǒng)。厭氧技術(shù)的應(yīng)用不僅可以降低水處理工藝的能耗，還可以直接從污水中產(chǎn)生能量，以補(bǔ)償運(yùn)行過程的能耗。

3.3 多目標(biāo)功能導(dǎo)向的能源回收策略

污水處理廠可通過技術(shù)升級實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和能源回收，關(guān)鍵技術(shù)升級節(jié)點(diǎn)包括污水提升和生化池曝氣系統(tǒng)，并采用變頻調(diào)速、智能控制和新型鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行升級。工藝應(yīng)以短程硝化反硝化和厭氧氨氧化為主，結(jié)合節(jié)能型工藝和新技術(shù)新設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，節(jié)能率為26%～40%。通過增加厭氧處理單元，利用厭氧消化產(chǎn)甲烷和熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，可至少將能源自給率提高至28%。同時，采用熱泵等新技術(shù)回收污水中的潛在熱能，并開發(fā)太陽能發(fā)電技術(shù)，利用新型清潔能源，能源自給率可超過27%。根據(jù)我國國情，污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)適應(yīng)多目標(biāo)功能需求。根據(jù)排水用途選擇性調(diào)整出水標(biāo)準(zhǔn)，以減少相對耗能的處理單元，從而降低能耗。多目標(biāo)功能導(dǎo)向的能源回收策略如圖7所示，根據(jù)不同排水標(biāo)準(zhǔn)選配節(jié)能技術(shù)方案，污水處理廠能源自給率可超過50%。

4 結(jié)論

污泥熱解產(chǎn)氫技術(shù)和污泥厭氧消化熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是污水處理廠常用的能源回收技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)污泥的能源化處理，但它們?nèi)孕枰M(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)條件，研制高效催化劑，提高產(chǎn)氫效率，降低能耗。作為污水處理廠能源回收新工藝，厭氧消化耦合微生物電解池產(chǎn)甲烷工藝和厭氧消化耦合微生物燃料電池產(chǎn)電工藝可以降低酸性抑制，提高污泥水解酸化效果，減少能耗。我國污水處理廠主要采用好氧工藝，能耗較高，適當(dāng)調(diào)整出水標(biāo)準(zhǔn)，可以減少相對耗能的處理單元，從而降低能耗。通過技術(shù)升級改造，污水處理廠采用短程硝化反硝化工藝、厭氧氨氧化技術(shù)等，可以進(jìn)一步提高能源自給率，降低能耗。

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