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碳中和時代污水廠如何升級轉型? | 荷蘭案例分享

時間:2021-03-15 09:45

來源:JIEI創新實驗室

作者:瓦村農夫

評論(

  最近小編髮現水圈裏圈外人都在談論“碳中和”。好奇心驅使下,我百度一下,才知道這是因為去年九月,習大大在聯合國大會上給世界一個承諾:"中國將提高國家自主貢獻力度,採取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭於2030年前達到峯值,努力爭取2060年前實現碳中和。”

  污水處理向來被認為是耗能大户。現在國家喊要搞“碳中和”,污水處理界是否成為拖後腿的後進生呢?其實過去五年,國外已經有不少城市污水處理廠實現能量盈餘的報道。這説明污水處理不僅不會拖後腿,還可以成為碳中和大計的標兵行業。荷蘭早在2010就開始施行他們的污水廠2030碳中和計劃,這眨眼就到2021年了。在這期水星漫談專欄裏,我們不如一起看看荷蘭污水廠的期中考成績單吧。

  每次談荷蘭的污水處理,我都會先介紹一下荷蘭的水務架構。荷蘭有一箇中央政府(Rijk),下邊是省政府(Provincies),然後再一級就是市政府(Gemeenten),但這裏有一個機構和市政府平級,它就是水委會(Waterschappen)。水委會是荷蘭最為古老的民主機構之一。它們負責與水有關的大部分事務:包括了負責維護堤防和土地排水,以及水的質量。它們在國家的環境管理方面發揮着重要作用。在過去,一個水委會只分管幾個堤壩和溝渠,保護附近的幾個社區。但水委會的架構在不斷改革,水委會的數目已從1850年的3500多個精簡至2018年的21個。水委會之間的合作也在逐步加強。

  在這樣的背景下,2010年荷蘭的水委會聯盟聯合頒佈一份重要文件——《NEWs:荷蘭2030年污水廠路線圖》。NEWs是荷蘭應用水研究基金會(STOWA)在2008年提出的一個理念,三個大寫字母分別指Nutrients、Energy和Water,其目標是將在公眾眼裏又臭又髒的“糞水廠”,變成生產再生水、清潔能源和高附加值原材料的高科技工廠。

  十年彈指一揮間,許多污水廠開始了各自的升級轉型之路。我們來看看其中的一些代表污水廠。

  阿姆斯特丹西污水廠

  阿姆斯特丹西污水廠(WWTP Amsterdam West)於2006年投產運行,選用改良的UCT工藝(mUCT),處理人口當量約100萬人,是荷蘭最大的污水廠之一。

  該廠的特點在於污水廠和焚燒廠共生。污水廠本身有傳統的污泥厭氧消化系統,沼氣年產量約1200萬立方米,共用給隔壁的廢物焚燒廠(AVI)。污水廠的污泥也在此得到焚燒處理。焚燒廠的熱值利用率高達90%。除了處理污水廠的污泥,焚燒廠還為污水廠供應電力(20000+MWh/年)和熱水(85000GJ/年)。此外,還有剩餘的電力和餘熱併入阿姆斯特丹的綠色電網和供暖系統。

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  但污水廠並沒有因此停下優化的腳步。2013年,污水廠安裝了磷回收設備(FOSvaatje),結合Airprex工藝,從污水中回收鳥糞石,每年產量約500噸,預計最終穩定產量為900噸。這個設備除了實現磷回收,更重要的目的是解決管道的結垢問題。

  2019年,為了減少温室氣體N2O的排放問題,他們和歐洲地平線2020項目FIWARE4Water合作,在其中一條處理線行進行實驗,安裝了傳感器,結合人工智能算法,將對工藝參數進行長達三年的實時監測。屆時,相信污水廠的能效將得到進一步的提高。

  Garmerwolde污水廠位於荷蘭北部的格羅寧根市,建於1979年,目前處理能力約70000m³/天(人口當量37.5萬)。這個污水廠的亮點在於同時應用了厭氧氨氧化工藝和好氧顆粒污泥工藝。

  其實能耗本不是該污水處理廠的主要問題。因為它很早就有厭氧消化工藝來處理污泥,回收能源能覆蓋廠區60-70%的電耗。隨着時間推移,污水廠原有的A-B工藝的處理能力跟不上滿足周邊地區的經濟發展速度,所以負責的水委會先後對污水廠進行了兩次升級改造:第一階段是於2005年,引入SHARON側流脱氮工藝,以減少厭氧發酵產生的氨氮負荷。第二階段是於2013年引入好氧顆粒污泥工藝,以滿足新增處理負荷的需求。

  污水廠引入好氧顆粒污泥的部分原因是因為在第一階段工程結束不久,當地頒佈的新的出水標準(總氮<7mg/L和總磷<1mg/L),這對舊工藝來説十分困難,但當時剛面世的好氧顆粒污泥工藝卻能達標排放,所以他們最終選擇了荷蘭的Royal HaskoningDHV公司的Nereda好氧顆粒污泥工藝,日處理力量為28600m³。

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  好氧顆粒污泥工藝的佔地面積雖然遠小於A-B工藝,但能應付廠區總處理量的41%。運行數據則顯示(下圖),好氧顆粒污泥的能耗顯著低於AB法工藝(0.17 kWh/m³ vs 0.33kWh/m³)。此外好氧顆粒污泥在脱氮除磷以及污泥產量等方面都有顯著優勢。

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  此處小編有個小感慨:在《NEWs:荷蘭2030年污水廠路線圖》的報告裏,A-B工藝本來是專家們推薦技術,但各地水委會並不會一窩蜂地採納A-B工藝,它們還是根據實際情況對所屬的污水廠進行升級改造。事實上,在過去十年裏,好氧顆粒污泥似乎是有點後來者居上的勢頭。

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Epe污水廠

  我想介紹的第三座污水廠叫Epe污水廠,因為在小編看來,它是污水廠能量回收和資源利用的典範。2011年,第一座好氧顆粒污泥污水廠在Epe污水廠投產使用。採用新工藝後,該污水廠立即成為荷蘭全國能耗最低的市政污水廠。Epe污水廠最近又多了一個史上第一的稱號——它是第一座從純市政污水中回收藻酸鹽的城市污水廠。

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  荷蘭的污水科學家們發現,除了出眾的沉降性能之外,好氧顆粒污泥還富含胞外聚合物(EPS),而在這些EPS裏,藻酸鹽(Alginate)含量高達20%。

  藻酸鹽是種高附加值的生物聚合物,當它和不同原材料結合之後,會有神奇的效果,例如可做成親水或疏水性材料,放大和延伸原有材料的特定屬性。據介紹,它的潛在用途就是充當各種塗層:

  種子的“智能保護層”,幫助幼小的植物更好地吸收養分,增強對疾病的抵抗力,長得更快;

  顆粒肥料的塗層,可以讓肥料的分佈更均勻;

  混凝土養護塗層,確保混凝土的固化過程良好進行,防止乾裂。

  他們將這種神奇物質取了個挺酷的名字,叫Kaumera Nereda® Gum的新材料。“Kaumera”一詞源自新西蘭毛利語,意為“變色龍”,以此顯示藻酸鹽用途的多樣性。

  生產藻酸鹽還有個好處,就是可以減少污泥產量。荷蘭人早在2017年就在Zutphen污水廠建造了第一座藻酸鹽加工廠,並於2019年投產運行。運行數據顯示Zutphen污水廠的污泥處理量減少了20-35%。

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  Zutphen污水廠目前仍是世界最大的藻酸鹽加工廠,規模為400噸/年。但那裏的加工原材料是工業廢水。無論是流量、温度和污染物成分,市政廢水的波動性都更大。在Epe污水廠上馬的項目就是要證明這些波動不會影響藻酸鹽的生產。

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能量工廠總覽

  為了讓公眾更好地瞭解荷蘭水資源回收工廠的項目進展,荷蘭水委會聯盟早在幾年前就建了一個網站(efgf.nl),彙總了荷蘭污水廠向能量和資源工廠轉型的最新資訊。截止到2019年,荷蘭的已經建成了12座能量工廠,有11座在籌建中,另外還有兩座在調研階段。

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  除了上邊介紹的三座污水廠,荷蘭還有不少污水廠用厭氧消化來回收污泥的潛能能源,例如Tiel污水廠就稱能夠實現能量中和。

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  荷蘭污水廠除了厭氧消化,一般還會和其他工藝結合,例如Apeldoorn污水廠用到了DEMON的側流厭氧氨氧化,Amersfoort污水廠則用到了Pearl的磷回收工藝。當然,荷蘭污水廠還有其他途徑來豐富能量來源,例如Rivierenland水委會在污水廠旁建造光伏太陽能公園。

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  除了在傳統工藝上進行優化,荷蘭有些水委會還有更大膽的嘗試:Vallei en Veluwe水委會在2018年宣佈要建一座“多合一污水廠”,工藝流程將包括雨污管道的分離、模塊化組件、電絮凝、DAF溶氣氣浮工藝、納濾、反滲透和離子交換法等運行目標是氮磷回收率提高75%,醫藥殘留物去除率80%,污泥產量和化學品用量減少90%。

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2050年的目標

  通過上邊的案例可以看到,在邁向碳中和的路上,荷蘭污水廠已經走得好前好遠。但小編也注意到,他們近幾年也很少提2030年的目標了,反而提出了一個要在“2050年實現全面循環經濟體”的新目標。難道連他們也覺得2030年要讓所有污水廠實現能量自給有點困難?

  不管怎樣,習大大給我們定的目標是40年後的事情了。像我這種看着各種“中國奇蹟”、“中國速度”長大的80後,對我們自家污水界的未來還是有點信心的。再説,到時真完不了目標,也沒什麼大不了。重要的是,我們現在是否已經走在行動的路上了。畢竟,路還是得靠污水工程師們走出來的,不是靠我這種小編寫出來的。


編輯:王媛媛

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