污水厂“0”能量需求?揭秘“营养物+能源+再生水”的荷兰先进模式
荷兰的水处理技术可以是全球公认的先进,目前各大污水厂的主流工艺:厌氧氨氧化,最早就是由荷兰将这一技术推向工程化应用的。
众所周知,我国多数污水处理厂普遍存在以“高能耗、高药耗”换取“高标准水质”的现象。因此,通过了解实现出水可持续、能源零消耗、物质可循环的创新方案及前沿技术,可以为我国未来污水处理技术的发展提供启示与借鉴。
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。
即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。
案例:荷兰Amersfoort污水处理厂
作为一个自然资源短缺的国家,近年来荷兰提出“未来污水处理厂是营养物、能源和再生水三位一体的生产工厂”这一概念框架。相关概念路径如下:
基于能量及资源回收耦合理念的污水厂路径
为实现营养物、能源及水资源再生的目标,荷兰水务局Vallei&Eem水务局在多年前就对Amersfoort污水处理厂进行了改造。
1、100%能量自给,每年对外供电约2000000kwh
Amersfoort污水处理厂的最大处理量为8900m3/h,改造前后的污水处理工艺均为污水经初沉池+曝气池+二沉池+砂滤池处理后,满足N<10mg/L,P<0.2mg/L的出水标准。
其实现能源工厂目标的关键措施有以下两招:
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,胞内糖类、蛋白质及脂质以小分子物质溶出,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。热电联产产生的热量可通过双向换热器来加热消化器并驱动水解过程,减少了传统高压水解需要蒸汽驱动水解过程所需的热能。
值得一提的是,该系统中包含两个热交换循环,分别是引发高温水解所需高温的热油回路以及在冷却阶段回收水解后的热能以实现对进入Lysotherm单元的污泥预热的热交换回路。
综上,Amersfoort污水处理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2000000kwh的电能对外供电,成为名副其实的能源工厂。
2、实现磷回收,每天可产生2000t鸟粪石颗粒
Amersfoort污水处理厂的污泥处理能力为12000t干污泥/年,其中40%来源于Nijkerk、Soest及Woudenberg的初沉池、二沉池及消化污泥,污泥经WASSTRIP工艺、浓缩、厌氧消化等工艺单元处理后实现能源工厂的目标。
Amersfoort改造后污泥处理工艺
剩余污泥首先在磷分离单元(WASSTRIP工艺) 厌氧区利用PAOs释放胞内的PO4 3-、Mg2+、K+,经过浓缩单元将磷浓缩至浓缩液中,实现部分PO4 3-从固体中分离出。
浓缩后的污泥继续进入污泥厌氧消化反应器中,在实现产能的同时产生高PO4 3-、NH3浓度的消化液,分离后的富磷浓缩液及消化液经Peal单元以高纯度鸟粪石颗粒形式实现磷回收。
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