十個(gè)希臘污水廠能耗與溫室氣體排放的案例分析
在眾多歐洲國(guó)家，污水處理廠的傳統(tǒng)工藝及管理方式由于高能耗，高碳足跡而不可持續(xù)。在美國(guó)，平均的污水處理廠能耗約為每年每人29kWh/PE,處于在16到71kWh的范圍。在歐洲，對(duì)應(yīng)的能耗范圍為20-120kWh/PE。Jonasson等人的調(diào)查表明，英國(guó)、瑞典和奧地利污水處理廠的平均能耗分別為38、42、35kWh/PE。也有研究指出五個(gè)北歐的污水處理廠能耗為31-47.2kWh/PE，南澳大利亞的污水廠能耗為30-120kWh/PE(平均為60kWh/PE)。德國(guó)的指南設(shè)定最優(yōu)污水能耗范圍為20-30kWh/PE，隨著工藝的不同，能耗也會(huì)有所差異。
污水處理廠已經(jīng)被公認(rèn)為是水工業(yè)界溫室氣體排放的主要來(lái)源。Gustavsson和Tumlin的研究表明當(dāng)使用有脫氮功能的傳統(tǒng)活性污泥法時(shí)，處理每立方污水的溫室氣體排放量約為0.9-2.2kgCO2，他們同時(shí)也認(rèn)為污水處理過(guò)程中最主要的溫室氣體貢獻(xiàn)來(lái)自于N2O。如何在不影響處理水質(zhì)的情況下，經(jīng)濟(jì)可行地降低溫室氣體排放，已經(jīng)成為眾多污水處理廠面臨的一大挑戰(zhàn)。
D.Mamais等人以十個(gè)希臘的污水處理廠為研究對(duì)象。這些污水廠的服務(wù)人口范圍從1萬(wàn)到4百萬(wàn)，工藝也多種多樣，如傳統(tǒng)活性污泥法加污泥厭氧消化、延時(shí)曝氣脫氮等。生物處理系統(tǒng)占整個(gè)污水廠能耗超過(guò)55%，而生物處理系統(tǒng)中的曝氣是主要能耗單元。其次，預(yù)處理系統(tǒng)和污泥處理系統(tǒng)分別約占整個(gè)污水廠能耗的11%和8%。
研究表明十個(gè)污水廠的平均能耗在夏季要高于冬季(如Figure1)，夏季平均為42.3kWh/PE，冬季為34.5kWh/PE。規(guī)模較小的五個(gè)污水廠(1.5萬(wàn)-10萬(wàn)人口當(dāng)量，WWTP1-5，無(wú)初沉池，采用延時(shí)曝氣工藝)，平均能耗為44kWh/PE，而規(guī)模相對(duì)較大的五個(gè)污水廠(10萬(wàn)-400萬(wàn)人口當(dāng)量，WWTP5-10，均有污泥厭氧消化加沼氣產(chǎn)熱系統(tǒng))，平均能耗為32kWh/PE。
污水處理廠的溫室氣體排放可分為直接排放和間接排放。直接排放主要來(lái)源于生物處理、污泥處理、生物沼氣燃燒(用于產(chǎn)熱或產(chǎn)電);而間接排放主要和能源消耗及污泥處置有關(guān)。在該研究中規(guī)模較小的五個(gè)污水廠，由于采用延時(shí)曝氣工藝，溫室氣體平均排放量為110kgCO2/PE，普遍高于五個(gè)規(guī)模較大并采用傳統(tǒng)活動(dòng)污泥工藝的污水廠的平均排放量80kgCO2/PE。直接排放占比平均為45%。此外，隨著污水廠規(guī)模的提高，直接排放溫室氣體占比下降而間接排放占比增加。
研究人員同時(shí)對(duì)希臘雅典市最大的污水廠Psyttalia(處理水量為4百萬(wàn)人口當(dāng)量)做了更為細(xì)致的能耗解析。Psyttalia污水廠在2004年8月完成全部建設(shè)，在旱季的平均處理水量達(dá)到每日1百萬(wàn)噸，確保排放水BOD小于25mg/L,總氮小于10mg/L。
處理工藝中有12個(gè)生物反應(yīng)池，總?cè)莘e為298,140立方米，后續(xù)接64個(gè)矩形二沉池，總表面積為52,150平方米。該污水廠已經(jīng)采取了一系列的能耗優(yōu)化措施，如通過(guò)厭氧消化產(chǎn)沼氣發(fā)電，應(yīng)用高效曝氣系統(tǒng)(變頻鼓風(fēng)機(jī)、超細(xì)氣泡分散、溶解氧監(jiān)測(cè)與控制等)。研究分析指出，通過(guò)降低溶解氧濃度，可以節(jié)約6-10.1%的能耗(相當(dāng)于每年1400-2900MWh);降低污泥齡可節(jié)能6.2%;通過(guò)上述優(yōu)化措施，該廠每年可節(jié)能4500MWh。
摘譯自Wastewatertreatmentprocessimpactonenergysavingsandgreenhousegasemissions。原文發(fā)表于國(guó)際水協(xié)會(huì)學(xué)術(shù)刊物WaterScience&Technology
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