污水處理碳中和：奧地利Strass廠

全康環(huán)保:雖然污水處理廠依靠市政固體廢棄物或廚余垃圾等外源有機(jī)物與剩余污泥共消化可能達(dá)到碳中和，但并非完全依靠自身有機(jī)物轉(zhuǎn)化甲烷所實(shí)現(xiàn)，應(yīng)是“偽中和”。進(jìn)言之，只有進(jìn)水含有高濃度COD的污水處理廠才可能依靠有機(jī)質(zhì)能源轉(zhuǎn)化與節(jié)能降耗措施實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，如前期介紹的德國(guó)Steinhof廠。在此方面，奧地利Strass污水處理廠藉自身進(jìn)水水質(zhì)以及特殊工藝不僅可實(shí)現(xiàn)108%的能源中和率（未必碳中和），亦可以借助其污泥處理富余空間轉(zhuǎn)化外源有機(jī)固體廢物，進(jìn)而達(dá)到200%能源中和率（可以碳中和）。本期回溯2014年發(fā)表于《中國(guó)給水排水》的奧地利Strass污水處理廠能源中和案例，以顯示外源有機(jī)物可以借助于市政污泥富余處理空間轉(zhuǎn)化有機(jī)能源，形成一種“協(xié)同”能源中和、甚至碳中和的路徑。

碳中和運(yùn)行是未來(lái)污水處理的一種國(guó)際趨勢(shì)。奧地利Strass（史特勞斯）污水處理廠以主流傳統(tǒng)工藝（AB法）與側(cè)流現(xiàn)代工藝（厭氧氨氧化）相結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)量最大化，在2005年通過(guò)厭氧消化產(chǎn)甲烷并熱電聯(lián)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了108%的能源自給率，超過(guò)能源中和目標(biāo)。同時(shí)，該廠進(jìn)一步利用剩余污泥與廠外廚余垃圾厭氧共消化，能源自給率可提升至200%，不僅實(shí)現(xiàn)自身能源自給自足，而且還有一半所產(chǎn)生的能量可以向廠外供應(yīng)，成為名副其實(shí)的“能源工廠”。在介紹該廠工藝流程的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)剖析其剩余污泥產(chǎn)生、厭氧轉(zhuǎn)化生物氣并熱電聯(lián)產(chǎn)供熱、供電方面的做法與經(jīng)驗(yàn)。

01

工藝流程

Strass污水處理廠位于奧地利西南方向因斯布魯克（Innsbruck）的東部，坐落在Achental和Zillertal山谷附近。該廠服務(wù)周邊31個(gè)社區(qū)，主要承擔(dān)居民及游客生活污水處理。由于污水處理廠所在地是著名的滑雪圣地，故該廠服務(wù)人口波動(dòng)較大，夏季約60 000人，冬季則高達(dá)250 000人；污水流量也因此在17 000-38 000 m3/d之間波動(dòng)，平均為26 500m3/d。該廠進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)如下表所示。

Strass污水處理廠全年進(jìn)、出水平均水質(zhì)

Strass污水處理廠主流工藝采用較為傳統(tǒng)的AB法，以最大限度回收污水中的有機(jī)物（COD），其工藝流程如圖所示。

Strass污水處理廠工藝流程

A段與B段回收的剩余污泥經(jīng)濃縮脫水后再厭氧消化產(chǎn)甲烷（CH₄），不僅實(shí)現(xiàn)了能源回收，而且同時(shí)使污泥穩(wěn)定化和減量化。消化污泥經(jīng)機(jī)械脫水后一分為二: ①消化液經(jīng)側(cè)流自養(yǎng)脫氮（DEMON）后回流至A段吸附池; ②濃縮熟污泥則用于堆肥或被焚燒處置。

02

能源中和措施

Strass污水處理廠實(shí)現(xiàn)能源中和運(yùn)行目標(biāo)的根本原因是產(chǎn)電量提高和運(yùn)行能耗降低，使其最終實(shí)現(xiàn)能源自給率達(dá)108%，超額8%完成了能源自給自足的能源中和運(yùn)行目標(biāo)。

Strass 污水處理廠耗電量與產(chǎn)電量

能源回收

厭氧消化是該廠回收能量的唯一方法，所產(chǎn)生的CH4通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）加以利用：熱能用于消化池加熱；電能則彌補(bǔ)鼓風(fēng)機(jī)和提升泵等運(yùn)行電耗。

CH₄產(chǎn)量與熱電聯(lián)產(chǎn)效率對(duì)于實(shí)現(xiàn)能源中和運(yùn)行目標(biāo)至關(guān)重要，2001年Strass污水處理廠更換了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，消化氣轉(zhuǎn)化電能效率由2.05 kW?h /m³增加至2.30 kW?h /m³，熱電聯(lián)產(chǎn)效率由原來(lái)的33%左右增至約40%（2005年實(shí)際為38.44%）。2005年，Strass污水處理廠日耗電量為7 869 kW?h/d，而CH4熱電聯(lián)產(chǎn)日產(chǎn)電量為8 490 kW?h/d，能源自給率達(dá)108%，并開(kāi)始向廠外居民供電。

為最大程度提高厭氧消化生物氣產(chǎn)量，2008年起該廠通過(guò)添加外源有機(jī)廢物（廚余垃圾）來(lái)增加厭氧消化過(guò)程中所需的有機(jī)底物，進(jìn)而增加CH?的產(chǎn)量。2008年，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能/耗能比達(dá)到123%，到2009年高達(dá)144%。目前，剩余污泥與廚余垃圾厭氧共消化已可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能/耗能比接近200%，不僅實(shí)現(xiàn)了能源中和運(yùn)行目標(biāo)，還可將多余的電能對(duì)外輸出，并獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

節(jié)能降耗

（1）采用AB法作為主流工藝，剩余污泥量大，工藝能耗低。

進(jìn)水中60.7%的COD在A段以顆粒COD和生物污泥形式沉淀而形成剩余污泥（碳轉(zhuǎn)向），再加上B段剩余污泥，進(jìn)水COD中74.3%最終以剩余污泥形式進(jìn)入后續(xù)污泥處理單元。這一污泥產(chǎn)量較其他常規(guī)處理工藝（如，A2/O、氧化溝等僅為40% ~60%）要高出許多。因大部分COD在A段已經(jīng)被去除，使得進(jìn)入B段的有機(jī)物含量大為降低，因此，B段曝氣耗能明顯減少。

Strass污水處理廠COD平衡

（2）改革脫氮工藝，降低碳源使用量

該廠2004年之前采用SBR工藝對(duì)污泥消化液進(jìn)行側(cè)流異養(yǎng)生物脫氮，這就需要對(duì)SBR工藝投入碳源，導(dǎo)致A段部分剩余污泥用于SBR脫氮，其結(jié)果是使得進(jìn)入?yún)捬跸A段的剩余污泥量相應(yīng)減少，CH?產(chǎn)量降低。2005年，該廠以DEMON自養(yǎng)脫氮工藝（厭氧氨氧化）取代SBR工藝，不再使用剩余污泥碳源，剩余污泥被全部用于厭氧消化產(chǎn)CH?。改造前厭氧消化產(chǎn)CH?獲得的電能最多只能滿足該廠約80%的用電量。2005年脫氮工藝改造(DEMON)后，CH?發(fā)電量已超過(guò)耗電量（108%）。此外，DEMON工藝僅短程硝化需要供氧，理論上可以減少25%曝氣量。該廠應(yīng)用DEMON工藝后，脫氮過(guò)程處理能耗已由350 kW?h/d降低至196 kW?h/d。

（3）曝氣、濃縮、脫水設(shè)備的改進(jìn)

經(jīng)12~15年左右運(yùn)行，原有曝氣設(shè)備已經(jīng)老化，曝氣效率降低，耗電量增大。2001~2004年該廠逐漸更新原有曝氣設(shè)備，相應(yīng)降低了曝氣能耗。此外，污泥濃縮設(shè)備的改進(jìn)導(dǎo)致能耗減少50%，脫水設(shè)備改進(jìn)也減少了約33%的能耗。

03

結(jié)果與啟示

Strass污水處理廠規(guī)模雖小，但通過(guò)主流工藝AB法可以獲得較多剩余污泥，與外源廚余垃圾一同實(shí)施厭氧共消化所產(chǎn)生的生物氣（CH?）熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）后完全可以滿足其運(yùn)行能耗（熱、電），早在2005年便實(shí)現(xiàn)了“能源中和”運(yùn)行目標(biāo)，成為污水處理能源中和運(yùn)行典范。Strass污水處理廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，污水處理規(guī)模不在大小，只要處理工藝選擇得當(dāng)，便能最大化剩余污泥產(chǎn)量，使之在厭氧消化中轉(zhuǎn)化為可用能源。這與我國(guó)視污泥為負(fù)擔(dān)，想方設(shè)法進(jìn)行污泥減量的做法截然相反。因此，污水處理廠依靠有機(jī)質(zhì)能實(shí)現(xiàn)能源中和目標(biāo)的法寶是“開(kāi)源”（提高有機(jī)質(zhì)厭氧消化份額和能源轉(zhuǎn)化效率）與“節(jié)流”（節(jié)能降耗）。但即便如此，在進(jìn)水高COD=605 mg/L情況下，也僅僅能實(shí)現(xiàn)108%的能源自給率；而對(duì)我國(guó)低碳源進(jìn)水污水處理廠，僅僅依靠“開(kāi)源節(jié)流”方式顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)能源中和與碳中和目標(biāo)。