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                德国碳中和:Steinhof污水▲处理厂实践

                2022-01-27 08:46:14

                德国早在20世纪末便开始关注污水处理厂碳中和与能量中和问题。位于德国布伦瑞克市(Braunschweig)运行半个多世纪的老厂Steinhof(斯泰因霍夫)自1954年投入运行以来,注重耗能与产能的平衡,其在能量回收、碳减排方面颇具成效,是能量与资源回收的成功典范。该案ω例早在2014年便在《中国给♀水排水》予以介绍,现再次回溯,以期为国内污水处理碳中和提供参考。


                污水处理


                德国Steinhof污水处理厂已实现碳中和率达114%。该厂实№现碳中和目标的主要原因在于进水中COD浓度较高(约966 mg/L),远超污水脱氮除磷基本需要,进而导致其厌氧消化能源转化份额较高,其剩余污泥厌氧消化产甲烷(CH?)热电联产实现碳卐减排79%。进一步依靠出水及污泥输送至农田灌溉施肥等方面共同碳减排35%,最终实现碳中和目标。

                01

                工艺流程与效果

                Steinhof污水处理厂主流工艺为A2/O,平均处理水量为60 650 m3/d。工艺流程↑见下图。

                Steinhof污水处理厂工艺流程(来自原文)

                该厂主要进水指标示于表1,一级处理与生物处理前、后水质指⌒标变化见表2、表3。

                表1 部分进水水质指标(mg/L)

                表2 一级处理水」质指标变化

                表3 生物处理水质指标变化及去除率

                02

                碳中和措施

                污泥厌氧消化产CH?热电联产

                Steinhof污水处理厂充分利用剩余污泥蕴含的能源,大大∑ 减少对外部能源的消耗,从而减少间接碳排放量。该厂采用剩余污泥厌氧消化产生甲烷(CH?)+热电联产(CHP)方式回收电能和热能。

                初沉污泥和经浓缩的剩⊙余污泥(510 m3/d) 被混合后送入到消化池中。在38℃中温条件下,污泥经厌氧消化产生生物气体。消化池平均生物气产量为4.47 × 10? m3 /a,其中,甲烷含量为63%。

                厌氧消化产生的生物气经活性炭净化后输送①至CHP单元,生物气在此处被转化成电能和热能,产能效率分别为36.7%和40%。CHP 每年产电量为10 300 000 kW·h/a,产热量为11 200 000 kW·h /a。若在不考虑出♀水土壤下渗处理和农业灌溉输送耗能的情况下,则其产生电能完全可以满足全厂¤用电量(10 008 432 kW·h/a),并有3%的富余电量。CHP产热不仅能够全部满足中温厌氧消化加热所需的热能,还有一半多的余热剩余(5 857 495 kW·h /a) 。

                此外,为了提高CH?的产量,该厂还对污泥进行热解预处理▅,并引入厂外有机质来强化厌氧消化CH?生成。通过对污泥、青草热水解采用中试规模实验,可以发现甲烷产率明显提高〖。表4为中试规模实验结果。此外通√过引入牧草、洋姜叶等共基质,也可部分提高消化后生物气中的CH?含量。表5为引入共基质后厌氧消化实验结果。

                表4 污泥热解试验结果

                表5 共基质消化试验结果

                出水和污泥送至农田中灌溉及施肥

                在春、夏季时,Steinhof污水处理厂将45%的出水通过专用场地土壤下渗,在土壤天然化学(过滤、吸附)作用∏和生物(硝化、反硝化)作用下进一▼步净化。出水经土壤深度处理后水量及水质指标的变化情况见表6。剩余55%的出水(12 175 488m3/a)和处理稳定后污泥在厂内混合后输送至农业灌溉区,用作灌溉水〗及肥料。

                表6 出水土壤渗滤前后水质指标变化

                冬季时,所有出水均通过土壤渗透之后排入地表。而消化污泥由于农闲,不再ω 用作农业施肥,而是单独进行磷回收处理。在消化】污泥脱水之前,首先添加MgCl?,并采用吹脱方法(吹脱CO?以提高pH 值)生产鸟粪石/磷酸盐化合物。回收时,磷酸盐化合物不需再从污泥中分离,而是ぷ直接将含有鸟粪石/磷酸盐化合物的污泥将直接脱水后在厂区储存,待夏季农业生产期再运送至其他土地(非出水灌溉】区) 用作农用肥料。试验结果表∩明,污泥消化液中70% 的溶解性磷酸盐均可在pH=7.8(无需投加化学药剂) 的条件下形成沉淀。

                03

                碳中和率◤计算

                Steinhof污水处理厂碳排放量及碳减排量如下图所示。该厂因能耗所致碳排量总计为37.5 kg CO?当量/(人口当量COD·a)。碳减排量分别由以下三部分构成:

                (1)利用厌氧消化产生的CH?发电、产热折算的碳减排量(79%);

                (2)出水/污泥中营◣养物质(N、P)回用农业生产导致的碳减排量(28%);

                (3)出水农业灌溉导致的减少地下/地表水抽取能耗折算碳减排量(7%)。

                Steinhof污水处理厂碳排放量(来自原文)

                由图可知,Steinhof污水ㄨ处理厂净碳排量为-5.25 kg CO?当量/(人口当量COD·a) ,导致碳中和率高达114%,这就是说,斯泰因霍夫污水处理厂不仅能够完全实现碳中和运行目标,而□ 且每年还可额外减少14%的碳排放●量。

                04

                结△果与启示

                Steinhof污水处理厂最终实现了自身114%的碳减排率,不仅能够完全实现碳中和运行目标,而且每年还可额外减少14%的碳排放量。此外,如果去掉出水土壤渗透和农业利用这两项电耗,则从生物气中自产电能完全可以满足全厂用电量,并有3%的富余电量。

                该厂能源消耗基本上可以接近碳中和运行目标的原因是@进水中COD 浓度过高(966 mg/L)而导致的剩余污泥量较多。但即便如此其剩余污泥厌氧消化碳中和率也仅79%,还有一♀定缺口。针对我国低碳源进水的现实,考虑污泥厌氧消化的同时势必需要寻求真正的碳中和“杀手锏”措施,如回收污水余温热能▓,方能实现碳中和目标。

                原文信息:

                郝晓地,任冰倩,曹亚莉.德国可持续污水处理工程典范——Steinhof厂[J].中国给水排水


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