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编译服务: 水体污染治理 编译者: 王阳 发布时间: Sep 16, 2021 点击量: 684

污水的来源

对污水处理厂来说,处理的污水来源于三个方面,包括生活污水、工业废水以及被污染的雨水。简单的讲,生活污水是人们在日常生活中产生的废水;工业废水是在工业生产过程中产生的水,对于工业废水需要关注的指标除常规污水指标外,还涵盖热污染及其他有毒有害物质指标;被污染的雨水主要指初期雨水,是在雨污分流制排水体制下产生,对污水厂水量均影响较大。

低碳节能与资源利用是碳中和背景下的新需求

魏彬老师以某一级A标准污水处理厂为例对污水处理技术进行了总体介绍,概括了物理、化学、生物处理技术①在多级水处理中的功能,落实到具体处理工艺②和工程,各级各类技术需针对不同污染物和不同污染情况,依据实际情况进行应用和改进。在碳中和背景下,不但要追求低碳,更要建立碳生态,实现富余碳源的利用,同时,也要关注N2O等温室气体产生情况,为碳中和的目标实现进行技术改进和革新。

机理研究和管理逻辑优化是满足碳中和背景下技术需求的关键

问题的解决离不开正确精准的认知。通过不同过程中关键因素的识别,探究和深化不同反应过程中的控制机理,从而实现碳源利用的目标。魏老师介绍了脱氮除磷过程中实现的共用碳源的例子:生物除磷的本质是能量的转化,碳源只是产生能量的燃料,氧化剂可以多样化,因此可以与脱氮过程共用碳源,实现低碳节能。此项工艺提出离不开对反应机理过程的准确把握,这也是技术创新的关键。同时,技术发展需要不断深化对处理过程的理解,例如传统教科书对一些水处理过程中厌氧条件的定义,已不符合实际工艺和内在机理。实现碳中和的技术升级,需要准确把握反应过程,不断深化机理认知。纵观污水处理技术的发展,其实也是对内在反应机理的一步步探究,往往对一个关键因素的改变就可以推动一种工艺的快速发展。

除了技术创新,管理创新也是极为重要的部分,污水运营管理不再是随意性的“读读书、看看报、曝曝气、排排泥”,已经到了智能控制和精准管理的阶段, 管理目标从低成本低标准转变为低成本高标准,通过管理实现技术效益的最大化,向着碳中和、资源化、智慧化的方向前进。

污水处理厂实现碳中和面临的痛点

1、总氮总磷的高标准排放与碳源的严重不足

中国的污水水质特点与排放标准存在一定程度的不协调。总氮总磷的标准很高,但是碳源很缺乏。污水中碳源总量,连实现脱氮除磷都尚显不足,再分出碳源进行厌氧消化或产生能量是不现实的。

2、排水系统中化粪池产生大量温室气体同时消耗碳源

生活污水进厂前在化粪池中停留了过长时间(10余天至1个月),导致厌氧产甲烷等反应充分进行,大量碳源消耗,并产生大量温室气体,进一步导致进场水碳源不足,致使后端处理需补加碳源,与碳中和理念矛盾。但由于政策原因及配套排水管网问题,这一矛盾并不容易解决。

工业水进末端污水处理设施前,由于工业水排放标准对COD要求较高,对TN要求较低甚至不要求,导致上游大量采用好氧曝气工艺,浪费大量能源同时把最好的碳源消除掉了,把难降解COD和TN留给了末端污水处理设施,到了末端污水厂还要再外加碳源解决TN,采用高级氧化解决难降解COD。这也是上下游不协同带来的双重浪费,也非常不利于实现污水处理行业的碳中和。

3、重金属问题带来的污泥资源化利用困惑

从生态循环角度出发,植物通过吸收土壤中的氮磷元素合成有机物进入食物链循环,通过人类消耗,最终回到污水厂,进入污泥中。一个完整的循环需要污泥中的氮磷重新回归农田、土壤,成为肥料。而实际处理过程中,大量污泥中的氮磷无法得到有效利用,只能填埋或焚烧,而不得不通过向农田中施加化肥以补充循环中损失的氮磷,也造成了双重浪费。

而导致污泥无法再利用的主因,是大量工业废水排放使污水中重金属含量增高,进而导致污泥重金属含量过高而无法进行农业利用。若可通过政策实现工业废水与生活污水的有效分离,则有望解决上述问题。

碳中和背景下的技术创新需求1. 高效脱氮除磷新工艺或新装备

基于同步/短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、反硝化除磷等先进理论的新型污水处理工艺或运行控制方法、装备;

基于传统硝化反硝化的运行优化控制方法(传统的A2/O工艺在实际应用中占比较高,而新工艺推广较难,针对常规工艺的提升优化是较好的方向);

基于提升原水碳源利用率、降低系统总氮放弃率的新型工艺或装备(以提升碳源利用率及降低总氮放弃率为目标③,深度探究挖掘现有处理工艺流程细节,在细微之处如进水过程中跌水带来的溶氧碳消耗等角度,实现方法创新);

新型三级处理深度脱氮或深度除磷工艺或装备(研究高密度沉淀池、滤池、磁混凝或其他方法,更经济更高效的解决深度处理问题);

碳捕获、磷回收;新型快速水质监测技术(包括在线监测手段);

氧化亚氮(N2O)产生的抑制技术和捕捉、分解技术等(技术储备,未来需求)。

2. 节能降耗新装备集成应用

水泵:提升泵运行能效,降低管道损失和局部损失;

风机:提升风机运行能效,降低风管道损失和曝气头局部损失(风机控制技术,曝气头清洗技术,降低曝气头水头损失等);

搅拌器:合理的池型及流态模拟,获得更低的容积功率(搅拌器的形态、布置方式、搅拌器与池型的配合等);

脱水机:获得更低的单方脱泥能耗,药耗和更低的出泥含水率(脱水机的运行控制,新型的脱水机设备等);

空调系统:利用水中余热或太阳能等新能源,获得较低的供热能耗。

3. 资源回收利用解决方案

能源:有机污染物化学能、污水内能等能源的回收利用工艺或装备(有机物的回收利用,高能效比的水源热泵设备技术);

污泥:污泥资源化利用整体解决方案或装备(污泥干化焚烧,碳化,协同焚烧,资源化及利用的解决方案);

磷:磷回收利用整体解决方案或装备;

太阳能和风能:利用场地优势,低成本、高品质、低维护光伏发电装备或技术;

再生水:新型低成本、高品质再生水处理工艺或装备。

一切创新的来源是发现问题,发现痛点,而深入理解原理才能触及到创新工作的根本,才能实现有效的创新。

典型建议选题方向

目前针对不同级的处理区,已有一些正在应用的节能降耗与资源回收技术,包括:针对一级处理区的管网调度模式(厂网一体化)、杂物无机砂粒去除碳源保留技术、跌水控制、碳源的溯源损失控制等;针对二级处理工艺的精细化过程控制,关键工艺环节工艺参数的控制方法,泥水分离装备等。针对三级处理区的精细化控制方法,各池的运行控制逻辑,藻类控制方法,环境友好性强的药剂等。

实际上,深入到每一个工艺环节,都有其进一步精细化管理的方法。用优秀的控制手段、逻辑、算法实现自动化和智能化控制,将对处理效果和节能降耗起到强有力的支撑作用。

问答

资源回收技术,将是碳中和背景下重要的创新方向。单从碳的角度,做到碳中和难度较高,但是通过回收利用资源,可以在一定程度上平衡碳中和的需求。技术革新和运行管理逻辑优化哪个在现在的水处理中更为重要?

魏彬:二者同样重要,往往大家会关注技术的革新,实际上管理优化对于整个污水处理是非常有价值的,可以避免很多的能源损失,降低成本;具体到大赛而言,还是要看技术的成熟度,能否落地,这是比较不同方向技术的重要指标。

三级处理可以用哪些绿色技术?

魏彬:各个工艺细节的精细化控制都能够带来节能降耗的效果,都可以说是绿色技术,比如高密池精确加药,泥位的精确控制,回流量的控制,搅拌强度的控制等,滤池的反洗周期控制,反洗强度控制等。新型的深度处理工艺,如果比现有的成本更低,效果更好,比如磁混凝就是最近几年涌现出来的新型绿色工艺。对于脱色、难降解COD等常规深度处理较难解决的问题也可以探索低成本、高效率的处理方法,也算是绿色工艺。污水处理小知识

典型污水处理方法

传统的污水处理方法主要是物理法、化学法、生物法及其组合。物理法主要应用于预处理及深度处理过程中,包括沉淀、过滤、气浮等手段。化学法包括氧化、还原、中和、絮凝等方法,在污水厂应用最多的是絮凝法,用化学药剂去除水中的胶体、悬浮物、磷酸盐等。生物法在国内起步较晚,最初用于去除污水中的COD,随着国家标准的提高,生物法核心内容逐渐向生物脱氮和生物除磷转变。

生物脱氮

在污水处理中,生物脱氮主要包含氨化、硝化以及反硝化三个步骤。污水,尤其生活污水,氮元素主要以有机氮的形式存在。首先通过水解作用,将有机氮转化为氨氮(部分水厂进水氨氮很高是由于水解作用已于管网和化粪池中进行),此为氨化过程。随后进行亚硝化及亚硝酸盐的两步硝化反应。厌氧硝化过程中,会生成一定量的甲烷(温室气体)。随后反硝化反应过程中氮元素的化合价逐步降低,从+5价的硝态氮转化为0价的氮气单质,过程中会产生低价态的氮氧化物,例如氧化亚氮N2O(笑气、温室气体)。在碳中和的前提下,未来的污水处理工艺中应当重视减少温室气体的产生、逃逸及排放。

生物脱氮过程中,各个环节的影响因子有很多。例如硝化反应中主要是微生物的酶在发挥作用,而微生物的数量决定了酶的数量,因此硝化细菌数量就成为了硝化反应速率和方向的重要影响因子。与此类似的,还有溶解氧(DO)、水力停留时间(HRT)、水温、碱度等等。各影响因子在硝化反应中是同时发挥作用的,改变任何一个条件都会影响到硝化反应的速率。在实际处理过程中,应当明确每一个反应的影响因素,对可控因素进行分析,就可以确定促进反应的操作,也即改进的方向。

生物除磷

生物脱氮和生物除磷都需要碳源,普遍认为脱氮和除磷是争夺碳源的关系。但是在生物脱氮除磷工艺中,存在一个窗口可以实现利用一份碳源,同时脱氮和除磷,也即反硝化除磷。

磷常以磷酸盐(H2PO4-、HPO42-和PO43-)、聚磷酸盐和有机磷的形式存在于废水中,生物除磷就是利用聚磷菌一类的细菌,在厌氧状态释放磷,在好氧状态(具有氧化剂的环境,不一定是氧气,也可以是硝氮或者亚硝氮)从外部摄取磷,并将其以聚合形态贮藏在体内,形成高磷污泥,排出系统,达到从废水中除磷的效果。除磷的本质是一个能量转化过程,聚磷菌的初心是获取更多的能量,而不是获取更多的磷,磷仅仅是能量的载体。通过在好氧段只提供充足的硝氮、亚硝氮,以及一段时间的驯化,就可以实现一份碳源既还原了氮,又供给了聚磷菌能量,实现了反硝化除磷。

工艺优劣的判断

在生物脱氮环节,工艺的优劣主要通过碳源利用率和总氮放弃率来判断。

碳源利用率,即原水中的碳源及外加碳源总量中,和硝态氮反应的碳源所占比率。一个好的工艺中,应尽量满足碳源都和硝态氮反应。在碳中和的思路引导下,应当控制同化反应中碳源的消耗比率(或实现同化后碳源的再利用),抑制碳源与氧气的直接反应(减少碳源消耗,以及CO2的生成),富裕碳源用于厌氧硝化及能量产生。将COD不再看成污染物,而看成一种资源。

总氮放弃率,即传统工艺中,假设碳源充足,仅通过工艺仍无法去除的总氮。总氮去除率,是通过内外回流比决定的氮的去除率的上限。

在设计处理工艺、工艺选型及创新时,需要想办法降低总氮放弃率,提升碳源利用率。典型污水处理工艺

典型的污水厂处理工艺流程是上述方法的组合。以某一级A标准污水处理厂为例,从进水到出水主要分三级处理区,一级处理区主要应用物理法(包括拦截、沉淀、除砂等)及一定的化学法(初沉池前絮凝);二级处理区是污水处理工艺核心,主要是以活性污泥为主的生化反应(酶促反应);三级处理区主要应用物理化学法,通过混凝、过滤、消毒等工艺手段对污水进行深度处理。落实到具体处理工程中,各级各类技术需针对不同污染物和污染情况进行应用和改进。

典型的二级处理工艺主要包括悬浮性活性污泥法污水处理工艺,及固着性生物膜法工艺如BAF、膜生物反应器MBR等。悬浮性活性污泥法污水处理工艺主要有三个系列:(1)氧化沟系列;(2)A/O及A2/O系列;(3)序批式反应器(SBR)系列。各个系列不断的发展、改进,形成了目前比较典型的工艺有:A2/O工艺、改良A2/O工艺、SF-AO工艺、UCT工艺、卡鲁塞尔-2000 氧化沟工艺、奥贝尔氧化沟工艺、SBR工艺、CASS工艺等。

三级处理工艺中最常用的就是高密度沉淀池。其对总磷和悬浮物的去除效果较好,运行稳定。此外还有滤池(砂滤池、纤维转盘滤池、反硝化滤池等),磁混凝、高级氧化工艺等。

各种处理工艺各具特色,各有优劣势,需结合实际情况进行选择。

 

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