基于应对气候变化挑战的 污水污泥处理技术对策

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1 基于应对气候变化挑战的 污水污泥处理技术对策
戴晓虎 教授 牛冬杰 同济大学环境科学与工程学院 国家城市污染控制工程研究中心 Disclaimer: The views expressed in this document are those of the author, and do not necessarily reflect the views and policies of the Asian Development Bank (ADB), its Board of Directors, or the governments they represent. ADB does not guarantee the accuracy of the data included in this document, and accept no responsibility for any consequence of their use. By making any designation or reference to a particular territory or geographical area, or by using the term “country” in this document, ADB does not intend to make any judgments as to the legal or other status of any territory or area.

2 污水处理系统的温室气体排放

3 污水生物处理过程主要污染物物质流 Mass balance in WWTPs
100%COD 100%N 100%P 初沉池 二沉池 N2: 50-70%N <10% COD 5-15% N 10% P 化学药剂 O2，Energy（ kWh/kgCOD） 35%COD 10-15%N 10-15%P 20%COD 20-30%N 75-80%P 脱水 CO2: 35%COD CH4: 28%COD 沼液+上清液: 0.1%COD 15-20%N 脱水污泥: 27%COD 5-10% N 90% P 有初沉池 COD in sludge about 30-50% 污染物通过污泥处理，有限利用 Limited use of pollution by sludge treatment N in sludge about 30-45% P in sludge about 90%

4 污水生物处理过程主要污染物物质流 Mass balance in WWTPs
100%COD 100%N 100%P 二沉池 N2: 60-70%N 20% COD 5-15% N 10-20% P 化学药剂 O2，Energy（ kWh/kgCOD） 脱水 CO2: 40-50%COD CH4: 28%COD 沼液+上清液: 0.1%COD 15-20%N 脱水污泥: 27%COD 5-10% N 75-80% P 30%COD 20-30%N 75-80%P 无初沉池 COD in sludge about 30% 污染物通过污泥处理，有限利用 Limited use of pollution by sludge treatment N in sludge about 30% P in sludge about 80%

5 污水处理系统的温室气体排放 在污水污泥的收集处理和排放过程中，厌氧环境会产生甲烷，废水中氮的去除会产生N2O，削减COD产生CO2。它们的增温潜势分别为21、310和1。 2013年污水处理系统产生CH4150万吨，相当于3150万吨CO2。 2013年污水处理系统产生N2O3.4万吨，相当于1050万吨CO2。 2013年污水处理系统产生CO21540万吨，这还不包括消耗能源所产生的CO2。 计算公式和参数参照IPCC出版的《2006 年IPCC国家温室气体清单指南》

6 污水处理系统的温室气体排放 折算成CO2 当量排放，2013年污水处理系统排放温室气体5700万吨，相当于燃烧2200万吨煤炭。
2013年污水处理系统人均温室气体排放量为0.04吨/人。

7 污泥处理工艺的碳足迹核算 系统边界及处理流程图 处置单元 前处理单元 处理单元 污泥 能量 能量源CO2
N2O, CH4, 生物源CO2及CO2的替代量 系统边界 图 污泥处理处置工艺温室气体核算的系统边界

8 污泥处理系统的碳足迹核算 九种工艺的总CO2-eq及净CO2-eq对比 A：浓缩-脱水-填埋； B：浓缩-厌氧消化-土地利用；
D：浓缩-脱水-热干化-土地利用； E：浓缩-脱水-堆肥-土地利用； F：浓缩-脱水-热干化-焚烧-填埋; G：浓缩-脱水-制砖； H：浓缩-消化-脱水-热干化-焚烧-制砖； I：浓缩-脱水-热解 考虑到GHG的减排，污泥浓缩-厌氧消化-沼渣土地利用工如图4.32，若不计生物源CO2，除了热干化后土地利用的处理方式总碳排放量与净碳排放量基本一样外，其余工艺都有所降低。可以看出，污泥消化&焚烧&制砖的处置方式的变化最大，其碳排放当量位居第二，紧次于填埋方式，净碳排放当量也较高，约为647 kg CO2-eq /t DM，该工艺流程复杂，但是能够实现污泥彻底的无害化和减量化，对于那些对污泥处理要求较高且经济条件好的处理厂是推荐的处理工艺；变化第二大的为浓缩-脱水-干化-焚烧工艺，其总碳排放当量较大，约966 kg CO2-eq /t DM，但净碳排放量非常低，为负值约-535 kg CO2-eq /t DM，是真正可以实现碳平衡的处理工艺之一，可为推荐的污泥处理工艺；污泥浓缩-脱水-厌氧消化工艺净碳排放当量低于零，约为-92 kg CO2-eq /t DM，也能实现碳平衡，且其总碳排放当量为所有工艺中最低，可推荐为污泥处理的优先选取工艺；污泥浓缩-脱水-石灰干化-土地利用工艺的总碳排放当量及净碳排放量都是位居第五，且其干化部分的热能不需要外加热源，是为推荐的处理工艺；污泥浓缩-脱水-热解的结果也表现出较好的碳平衡，但是其经济成本高，对技术要求高，在特定条件下是推荐的处理工艺；污泥浓缩-脱水-制砖工艺净碳排放当量与总碳排放当量变化较大，净碳排放当量基本能实现碳平衡，约80 kg CO2-eq /t DM，可为推荐的处理工艺；污泥浓缩-脱水-堆肥的结果变化不大，碳排放当量从位居第七到净碳排放当量位居第三，对于一些处理规模较小，使用厌氧消化和干化焚烧工艺不具有经济性，且污泥重金属含量较低的情况下，堆肥可视为这些处理厂的推荐处理工艺。 艺是最引人注目的工艺。污泥浓缩-脱水-热解工艺、污泥浓缩-脱水-堆肥-土地利用和浓缩-脱水-热干化-焚烧-填埋也能达到不错的碳平衡。 图 九种污泥处理工艺的总碳排放与净碳排放当量的对比分析

9 污水处理系统减排策略 理念的转变 新技术开发 综合评价方法 降低能耗、药耗 污水C、N、P资源回收利用

10 传统活性污泥法的局限性 活性污泥法100周年，传统概念“消除污染物”为主导，需要新思维； 基本原理无重大突破；
效率低：如混合菌种混合反应器，浓度受制于传统的重力分离； 分解为主要思路（CO2+N2)、能耗高：每人年降解COD和N需电耗约20-25kWh（污泥回收沼气发电12-15kWh）（我国单位水量能耗和国外相当，但BOD浓度为国外1/2-1/3！）； 污染物资源化利用水平低。

11 污水资源化利用潜能 处理出水可作为再生利用资源，200-300 l/P∙d；
COD：40-45kg/P ∙ a，潜能85-90kWh（-10/ 15kWh） N：3-5kg/P ∙ a，回收可替代30%（化学固氮）氮肥； P： kg/P ∙ a，回收可替代30-40%磷肥需求（磷矿开采周期：中国约40年，全球约70-100年）。

12 污染物利用的潜能 作为污水除磷脱氮补充碳源 产甲烷 产氢 制PHA 开发微生物燃料电池（MFC） 制生物柴油 制生物碳土 C资源化利用
提取蛋白 制氮肥 制磷肥 总氮和磷去除率平均提高约30% (Xiang Li et al., 2011) 1g COD理论上能转化成0.35m3甲烷，即12530kJ/g COD (Daigger, 2009) 最大能达到0.27 l H2/g COD (Prasertsan et al., 2008) 转换效率高达36.9% mg C/mg C (Takabatake et al., 2002; Yan et al. 2006) 理论上1kg COD能转化成4 kWh电能 (Halim, 2012) 研究表明美国的污水厂每年可产生大约1.4*106 m3的生物柴油，相当于全美柴油需求量的1% (Dufreche et al., 2007) 碳减排12% (Woolf et al., 2010) 蛋白能最大化回收80-90% (Chishti et al., 1992; Hwang et al., 2008) N资源化利用 若污水中的氮全部利用，可占氮肥产量的30% (WERF, 2011) P资源化利用 日本测算，若将污水中的磷（每年5万吨）回收，解决本国磷矿石进口量的20%。

13 基于污染物污泥富集资源回收模式 最大化利用生物污泥富集污染物，回收C和P，实现高效高值利用 改变分解为主的思路，强化合成
目标：能耗输出、N、P回收，反应时间为原1/3-1/4 A 段：污染物富集（C 90%、P 90%、N20-30 %） B 段：N 60-70% 高效转化 C 段：再生水制备 污泥污染物资源回收 N 回收？或低成本转化 高品质再生水

14 目标：能源外输，N转化能耗低，反应时间为原1/3-1/4，磷最大化回收
污染物的富集+厌氧氨氧化技术 污水 厌氧氨氧化 高负荷 再生水 厌氧氨氧化(selector) 污泥 沼气或氢气 脱水 MAP 高效 厌氧消化 磷肥 A段 B段 C段 原理： 利用微生物富集，碳磷最大化转入污泥 A段水中的溶解性氨氮和溶解性COD通过沼液的厌氧氨氧化强化手段，达标排放 进展： A段已有大量工程实践，高效厌氧消化已有技术需要提升降解效率 厌氧氨氧化>25度已有工程化，低温条件下的厌氧氨氧化正在开发 目标：能源外输，N转化能耗低，反应时间为原1/3-1/4，磷最大化回收

15 目标：能源外输，N，P 回收，反应时间为原1/3-1/4
污水 生物或化学固氮 高负荷 再生水 selector? 污泥 沼气或氢气 脱水 MAP 高效 厌氧消化 磷肥 A段 B段 C段 原理： 利用微生物富集，碳磷最大化转入污泥 A段出水中的溶解性氨氮通过固氮微生物，藻类或化学固氮实现N回收利用 进展： A段已有大量工程实践，高效厌氧消化已有技术需要提升降解效率 固氮菌，优势藻已有大量研究， 但工程应用是挑战 目标：能源外输，N，P 回收，反应时间为原1/3-1/4

16 污水源分离——C、N、P回收 关键科学问题待解决 黄水 污水 灰水（盥洗、冲厕） 黄水（尿） 黑水（粪） 量 150 l/(人日) 99%
0.9% 0.1% COD 82 g/(人日) 41% 12% 47% N 14.1 g/(人日) 5.6% 81.6% 12.8% P 2.5 g/(人日) 20% 60% K 1.8 g/(人日) 34% 54% 黄水 肥料 黄水资源化 达标排放或深度处理 关键科学问题待解决

17 污水源分离——C、N、P回收 大规模的工程应用存在的问题是设备的稳定性和可靠性不足， 处理成本较高 污水源分离技术的优点：
可回收有机质能源，并节省能耗 氮磷可以达到充分的回收，且氮回收率在95%以上，磷在80%以上 节水30-40% 芬兰、瑞典、德国已做了大量的研究，并在一些小型公共设施得以推广。 灰水 黄水 黑水 grey water brawn water black water Resource Recovery Centre 大规模的工程应用存在的问题是设备的稳定性和可靠性不足， 处理成本较高

18 污水源分离——C、N、P回收 针对居住区或居住区群或新建城镇化地区而建立的区域性分质供排水和废物处理及资源化系统，可以将污水进行源分离，分质处理。 区域性分质供排水和废物资源化系统集成应用——青岛世园会示范工程 处理规模： 灰水：700m3/d 黑水：800m3/d 厨余垃圾：22.93m3，折合3.44吨干固体

19 污泥“绿色、循环、低碳”模式 政府支付污泥处置费用：200元/吨 污泥循环产品价值： 总产值： 3000元/吨污泥 固相流向 液相流向
气相流向 污水处理厂污泥 热水解 压滤液:蛋白产品,节能建材（N） 提取蛋白 沼气:车用CNG,发电,加热（C） 厌氧消化 沼液:磷回收,营养液（P.N） 固液分离 政府支付污泥处置费用：200元/吨 污泥循环产品价值： 蛋白产品： 元/吨 车用 CNG： 元/立方米 磷肥鸟粪石: 元/吨 移动森林： 元/棵 总产值： 元/吨污泥 注入营养液 生物碳土 餐厨垃圾 移动森林 （再吸收再净化） 来源：张悦2014

20 生物碳土

21 污泥制生物柴油技术 可通过污泥热解来 制取生物柴油

22 污泥蛋白提取技术 我国的污水生物处理所产生的剩余污泥中 蛋白质含量通常约34%，美国的剩余污泥 中蛋白质含量可高达40%以上。
我国的污水生物处理所产生的剩余污泥中 蛋白质含量通常约34%，美国的剩余污泥 中蛋白质含量可高达40%以上。 随着污泥厌氧消化VS的降解，越来越多 的生物聚合物溶解累积在消化液中。 中温厌氧消化产生的消化液溶解有 140mg/l的生物聚合物，而高温厌氧消化 产生的消化液溶解有400mg/l的生物聚合 物。 Kim et al., 2011

23 污泥中提取PHA技术 四个主要步骤: 1) 筛选适合的微生物PAM，也称为富集步骤 2) 生产制造PHA需要的碳源挥发酸，也称为发酵步骤

24 总结 未来技术应充分考虑资源能源的短缺和CO2的排放；
污水处理必须要改变传统的模式，实现污染物的回收利用已成为焦点，且需要把污水处理和污泥的处理过程统盘考虑； 还有众多关键科学问题急待解决； 新一代技术如污水厌氧处理、高级厌氧消化技术、厌氧氨氧化等已有突破。

25 谢 谢！