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城市污水及污泥的低碳处理技术
（同济大学 杨殿海）
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本文看点
1、节能减排是全球各行业共同职责；
2、传统污水处理系统低碳技术；
3、未来污水处理技术低碳发展方向；
4、污泥处理的生物质能回收与低碳排放
节能减排是全球各行业共同职责
工业化生产带来丰富的物质条件，城市化进程给人类生产生活带来高效与便捷，医疗卫生水平的提高人的期望寿命不断增长，工业革命促进了人类社会的进步与繁荣。
工业革命以后生态环境问题日益凸显
保护人类和自然系统的可持续发展是世界范围的责任和义务，它超越于各种文化上的、思想意识上的、以及地理上的界限。
2017年全球碳排放国家排名
（2014年开始中国碳排放>美国+欧洲碳排放）
全球能源消耗排放的CO270%以上在城市，中国55%在城市。我国污水处理厂电耗约占全社会总电耗的0.25%，污水处理行业年产生二氧化碳、氧化亚氮、甲烷等碳直接排放量0.75亿吨，平均增加5.95%，随着产业结构调整，新兴战略产业增加，第三产业比重加大，污水处理系统的电耗和碳排放比重会不断增加。
传统污水处理系统低碳技术
100多年来活性污泥法为环境保护发挥了巨大作用，但城市排水系统既是污染物减排行业，又是碳排放行业。传统污水处理厂主要处理手段是以能消能，作为环保设施与可持续发展理念不符。
随着城镇污水处理厂数量的不断增多，日处理规模的不断扩大，出水标准日趋严格，升级改造不断继续……
更好的出水水质是污水处理厂不懈的追求
l 1980年—二级标准：COD<100，BOD<30，SS<20，氨氮<25，TP<3；
l 2002年—一级B标准：COD<60，BOD<20，SS<20，氨氮<8，TN<20，TP<1；
l 2007年—一级A标准：COD<50，BOD<10，SS<10，氨氮<5，TN<15；TP<0.5；
l 2010年—准地表IV标准：COD<30，BOD<6，氨氮<1.5，TN<5-10，TP<0.3；
l 2018年—滇池双5标准：TN<5，TP<0.05。
1、传统污水处理存在问题
传统污水处理仅关注水资源的恢复、以能消能，消耗能源、忽视了污水作为资源性的一面，不重视物质循环，浪费资源、漠视氮磷回收。
我国5000余座污水处理厂，处理规模近2亿m3/d，位居世界第一；污水量的收集率很多城市已经超过90%；但从污染负荷来计算，污染物的收集率很多城市不足50%；为什么中国的污水排放执行的是全球最严格的标准之一，但是中国的黑臭水体治理任务还是如此的艰巨？
厂网一体，提质增效，控源截污是水环境治理的关键措施！
2、污水处理系统的碳排放
（1）直接碳排放：污水中污染物降解。
Ø 污水处理过程（CH4 、CO2、N2O）；
Ø 尾水排放（N2O）；
Ø 输送过程降解（CH4 、CO2）；
Ø 有机物氧化降解过程（CH4、CO2、N2O）；
Ø 营养物去除过程（CO2、N2O）；
Ø 污泥厌氧消化过程（CH4）；
Ø 污泥运输和处置过程（CH4 、CO2、N2O）
（2）间接碳排放：污水收集、提升系统、处理过程以及污泥处理处置过程的能耗。
Ø 处理设备电能和热能的消耗（CO2）；
Ø 药剂消耗（CO2）
（3）碳减排（碳汇）
Ø 资源回收；
Ø 污水源热泵；
Ø 厌氧消化能源回收。
（4）其他涉碳方面（二氧化碳排放）
Ø 运营期能源消耗；
Ø 运营期动态碳排放；
Ø 设施维护；
Ø 设施拆建；
Ø 绿色碳汇；
Ø 原材料生产和制造；
Ø 建设期能源消耗。
3、减排途径
Ø 生物质能转化：碳源转化、氮源回收；
Ø 采用新能源：清洁能源、再生能源；
Ø 降低消耗：节约原料、节省能耗；
Ø 减少排放：温室气体、其他污染。
基于模型的优化运行控制是传统污水处理工艺节能降耗减排的重要措施
未来污水处理技术低碳发展方向
1、污水生物质能转化与资源回收
污水生物质能转化与资源回收目标：
1.短时高效低能耗；
2.生物质能输出；
3.氮、磷最大化回收。
活性污泥何以历经百年沧桑而不衰？有人说因为简单，有人说道法自然，基于能源危机、资源短缺和温室气体减排，人们对活性污泥法的变革是何等的期待？
污水中氮素的去除途径分析
高浓度的氨氮回收已经在实际工程中得到成功应用
2、污水厌氧产氢产甲烷
低浓度污水直接进行厌氧微生物的作用，把有机物转化为资源。如厌氧CH4、厌氧H2、MFC产电、H2 /CH4等联合技术。3、污水产藻制油工艺
污水产藻制油工艺的优势
ü 经济附加值高（生物燃料的产量高）
ü 产物除生产生物燃料外，可作为多用途的原料
ü 不需占用耕地
ü 不受环境因素影响
ü 可实现连续性生产
ü 无二次环境污染
4、污水生态处理技术
（1）自然生态系统的净化作用为核心，生态因子的优化调控
（2）污水污染成分利用与转化结合
p 植物－微生物共存体系的相互关系
p 处理环境或介质的相互关系
（3）不涉及能源投入与化学品的消耗
p 植物吸收无机氮、磷等营养物质
p 利用光合作用
（4）污水处理与水资源利用结合
5、污水燃料电池(MFC)
MFC是利用微生物将污水中的化学能直接转化为电能的理想产电装置。
利用MFC不仅可以直接将水中或者污泥中的有机物降解，而且同时可以将有机物在微生物代谢过程中产生的电子转化成电流，从而获得电能。
污泥处理的生物质能回收与低碳排放
目前全国污水处理厂5000余座，污水处理规模2亿m 3 /d，年污泥产量超过4000万吨，至2020年，污泥产量将达到6000万吨。
剩余污泥是污水处理过程的必然副产物
我国污泥处理的主要技术路线
l 厌氧消化+土地利用；
l 好氧发酵+土地利用；
l 热解碳化+资源利用；
l 干化焚烧+建材利用；
l 深度脱水+临时填埋。
1、污泥处理的生物质能回收与低碳排放的必要性
（1）符合全球绿色低碳循环可持续发展战略，世界各发达国家都在提高可再生能源尤其是生物质能源的比重；
（2）符合中国生态文明建设和美丽中国发展战略；
（3）助推我国二氧化碳减排控制温室效应；
（4）弥补中国高速发展的能源不足需求；
（5）碳土回田改善中国土壤环境条件。
2、发达国家污泥厌氧消化设施何以良好运行？
先来看一下部分发达国家和地区污泥厌氧消化处理的比例：
美国：58%；欧盟：50%；德国：60%；英国：66%。
在发达国家，大小规模的污水处理厂几乎都设置污泥厌氧消化装置，主要对厂内产生的污泥进行资源化利用处理，污水厂电耗40%~60%由沼气提供，某些污水处理厂能够实现能源100%自给，污泥减量30%~50%。
（1）确立污水是资源而非废弃的污染物，从以无害化为目标，上升为资源化为主导的战略；
（2）发达国家都在提高可再生能源尤其是生物质能源的比重，鼓励生物质能的生产；
（3）污泥处理与污水处理同时考虑，处理成本一并计算；
（4）终端的高额填埋处置费用促进了其它处理处置的发展，而厌氧消化因为污泥稳定的同时能源得到回收利用使其成为一支独秀；
（5）发达国家的源污泥或剩余污泥的有机质含量较高。
3、厌氧消化为何在国内发展步履蹒跚？
国内污泥厌氧消化现状：在过去几十年间，中国建造的污泥厌氧消化设施共有60余座，但仅有三分之一左右在正常运行。
国内污泥消化系统运行不正常甚至停运是政策、技术、成本和管理方面诸多问题所导致。
（1）技术层面：
l 进泥含固率低，有机质含量低，造成单位池容产气率低；
l 缺乏污泥厌氧消化的配套国产化装备，关键设备故障率高；
l 行业从业人员认为工艺操作复杂，运行操作要求高；
l 搅拌，浮渣，泡沫、沉砂，以及鸟粪石结晶沉淀结垢等问题严重困扰系统的运行；
l 产气量波动大，沼气利用效率普遍较低，产气少，发电少；
l 脱硫系统设计、选型及运营管理问题，造成设备腐蚀严重。
举例说明：传统厌氧消化技术的不足
a.含砂量高，有机质低；
b.投资高、容积利用率低；
c.沼气含硫高，产量低；
d.致病菌数量高，安全性低。
（2）经济层面
l 基建和设备投资高，投入、产出和传统消化运行成本问题；
l 资金来源问题，缺少财政配套。
（3）政策和管理层面
l 操作人员素质和漠视安全操作规范等管理问题，导致存在安全隐患
l 缺乏技术规范和标准，缺少约束性指标，监管体系，污泥处置责任主体不明确，最终处置途径迷茫。
4、热水解-高含固厌氧消化工艺
（1）热水解对污泥物理性质影响
l 大大降低污泥的粘度，显著改善污泥输送性能；
l 加快污泥水解过程，加速厌氧消化稳定速率；
l 有效提高溶解COD比例，提高污泥产气效率；
l 提高消化含固率，节约消化池容，减少占地；
l 减少投资和运行成本；
l 实现彻底的卫生化，杀灭致病菌；
l 改善沼气品质，降低硫化氢含量
（2）热水解对污泥化学性质影响
l 高含固污泥热水解过程中有机物转化规律；
l 热水解前、后高含固污泥厌氧消化过程中有机物转化规律；
l 热水解预处理污泥在产酸相中组分转化。
（3）热水解-高含固厌氧消化工艺
传统消化与高含固厌氧消化工艺比较
5、污泥与城市有机质的协同厌氧消化
国际发展趋势和研究热点：每万人每天产污泥约为700kgSS、有机垃圾1500kg；产生物燃气（CH4）135立方+200立方=350立方；
提高系统稳定性：降低抑制物浓度，缓冲能力提升，协同互补；
提高厌氧消化系统效率、容积产气率，弥补污泥厌氧投资成本：负荷从1.5-2.0提高到6-10kgVSS/m3d，容积产气率提高3-5倍。
案例：
6、绿色低碳特色
7、高效产品特色
a. LTHP 预处理污泥产气量前15天得到提高，但总产气量变化不大；
b.120℃-160℃ HTHP预处理污泥产气量不仅前15天得到提高，总产气量提高6%-16%；SRT由18-20 d降低到12-14 d。
传统污泥厌氧消化沼气硫化氢含量：>1000ppm;
高含固污泥厌氧消化沼气硫化氢含量：<150ppm
8、安全卫生特色
几种热水解装备技术性能比较
9、循环利用特色
10、热水解在污泥处理流程中的位置选择
（1）前置热水解预处理：
• 热水解系统部分能量和体积浪费在易降解有机质；
• 热水解对污泥脱水的改善作用可能被消化过程减弱；
• 厌氧消化污泥后处理能够继续降解（没有完全稳定）。
（2）基于后置热水解的两相消化强化工艺
（3）传统、前置及后置热水解的比较
本文小结
1.传统污水处理厂的减排有效办法是实现污泥生物质能转化、新能源采用和依靠自动控制系统的节能优化运营。
2.热水解-高含固厌氧消化可以减少基建投资，提高单位产能，缩短运行时间，降低运行费用，提高沼气品质，减少温室气体排放。污泥浆化预处理也可以提高厌氧消化的含固率和容积负荷。
3.对于有机质含量较低的污泥，可以采用后置热水解工艺，提高系统的沼气产量，同时改善污泥的脱水性能，可以无需脱水药剂投加。
4.协同厌氧消化：中国污泥的有机质大多数含量偏低，可考虑协同厌氧消化处理，如污泥与餐厨、畜禽粪便、工业有机废弃物、过期有机食品、园林废弃物等城市有机质协同处理。
（感谢郭恰博士论文提供的不同污泥处理途径的碳减排计算案例）