18項未來污水處理節(jié)能技術(shù)報告：改善現(xiàn)有污水廠能耗效率
發(fā)布日期：2016-10-19 點擊：1159
2015年，美國水環(huán)境研究基金會WERF、國際水協(xié)會IWA以及紐約州能源研究與發(fā)展局NYSERDA聯(lián)合發(fā)布了一份，名叫AssessmentofTechnologyAdvancementforFutureEnergyReduction的報告。這份報告對18個專項技術(shù)領(lǐng)域進行了評估，評估內(nèi)容包括其技術(shù)成熟度、對行業(yè)產(chǎn)生的影響以及推廣應(yīng)用潛力等方面。這份報告將18個專項技術(shù)領(lǐng)域劃分為了三大主題進行評估分析，IWA微信公眾號將向讀者分四期分別進行介紹。第一期的主題是改進現(xiàn)有污水廠的能耗效率。
該報告分析了包括厭氧氨氧化（主流短程脫氮）、厭氧微生物群落的基礎(chǔ)理論的深化、生物沼氣的加工、厭氧消化的預(yù)處理工藝以及好氧顆粒污泥系統(tǒng)。報告結(jié)果顯示，主流短程脫氮和熱解/氣化最有可能在近期得到工程化實踐。這幾項技術(shù)是報告所評估技術(shù)中最成熟的，而且它們的實施投放也相對較短；同時，主流短程脫氮和主流厭氧處理則被認為能在近期對污水行業(yè)的能源利用產(chǎn)生重大影響。另外報告也強調(diào)，厭氧微生物種群的基礎(chǔ)研究是對上述兩項技術(shù)日后發(fā)展，以及對既有厭氧消化技術(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵助力因素。專家認為研發(fā)新技術(shù)實現(xiàn)厭氧微生物種群系統(tǒng)功能的實時監(jiān)測是這方面研究的關(guān)鍵所在。
厭氧氨氧化（主流短程脫氮）
主流厭氧氨氧化脫氮工藝利用了氨氧化菌AOB和Anammox菌的協(xié)同作用，無需外界碳源，即可將氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣，整個過程需要更少的氧氣，因此能減少因曝氣產(chǎn)生的能耗；另一方面由于抑制亞硝態(tài)氮氧化菌（NOB菌）而減少的SRT也將有助提高系統(tǒng)單位體積的處理能力。這個工藝已經(jīng)廣泛用于處理污泥經(jīng)脫水后產(chǎn)生的高濃度側(cè)流液。如今大家正在研究它應(yīng)用在主流處理的可行性。
主流厭氧氨氧化脫氮工藝需要對系統(tǒng)進行連續(xù)監(jiān)測，及時對運行進行調(diào)整，對自控系統(tǒng)有很高的要求。另外一個重要難度在于出水水質(zhì)的限制：這個工藝需要保證反應(yīng)系統(tǒng)的出水氨氮保持在2-3mg/L的水平，但是該濃度可能并不符合出水氨氮有嚴格標準的污水廠的要求，所以還需要進一步深度處理。
能耗方面，專家們認為該工藝的一個主要亮點在于它不需要外加碳源，所以能盡可能地回收前置工藝的碳源用于厭氧消化，這也進而減少了生物反應(yīng)池的曝氣需求�？捎玫那爸霉に嚢薬）主流厭氧處理，b）A段吸附反應(yīng)器(可按需選擇是否投加化學(xué)品)，c）強化初沉處理。選擇不同的前置工藝對能耗的影響也是不同的，因為它們會影響不可溶、可溶和膠體狀碳源的分布比例。該工藝技術(shù)的另一個能耗優(yōu)勢在于它對DO的要求更低。
加深對厭氧微生物群落的理解
要實現(xiàn)能量自給甚至能量盈余的污水廠，很大程度依賴于厭氧系統(tǒng)的應(yīng)用。這需要對異養(yǎng)厭氧微生物群落有更深入的認識，在此基礎(chǔ)上把厭氧技術(shù)應(yīng)用于二級/主流處理和現(xiàn)有厭氧消化的優(yōu)化。這方面的研究例子包括：
1、微生物生態(tài)學(xué)的研究，優(yōu)化微生物群落
2、研究生物反應(yīng)中的中間產(chǎn)物
3、理解電子轉(zhuǎn)移、生物膜和顆粒
4、從根本上搞懂群落結(jié)構(gòu)的變化，包括其負荷以及物質(zhì)組成
5、識別各種代謝路徑，提高消化效率
6、研究短期厭氧接觸絮凝機理
7、回收碳源并用于脫氮
8、利用微生物產(chǎn)氫而不是用產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷
9、搭建可以優(yōu)化系統(tǒng)的模型供設(shè)計開發(fā)所用
10、研究厭氧消化不同階段的產(chǎn)出和動力學(xué)
11、為運行人員優(yōu)化控制系統(tǒng)
12、改進低溫下的厭氧工藝表現(xiàn)(<12°C)
專家們認為分子生物學(xué)的工具為加深大家對厭氧微生物的認識提供了很好的平臺。特別是以RNA為基礎(chǔ)的宏基因組測序技術(shù)，使人們能更好地理解系統(tǒng)組成和各部分的功能。另外一些對蛋白活性的研究也是很有幫助的。但要讓這些技術(shù)發(fā)揮更大的效能，需要找到和現(xiàn)有的實時監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的途徑，而且還需驗證能否成功將其它從實驗室研究轉(zhuǎn)化到污水廠實際應(yīng)用。
通過加深對厭氧微生物的理解和認識，一個最終極的問題將可能得到回答，即我們是否能夠人工設(shè)計微生物群落和工藝。不過在此之前，我們?nèi)孕枰妊邪l(fā)出更好的工藝控制和設(shè)計模型。
生物沼氣的加工提純
生物沼氣的調(diào)節(jié)系統(tǒng)已有成熟的行業(yè)標準，以除原始沼氣中的雜質(zhì)，例如水、硫化氫、二氧化碳和硅氧烷等物質(zhì)。這些步驟需要耗費能源，如何提高提純技術(shù)的能效是問題關(guān)鍵。目前還是遇到很多難題，例如：
1、使用再生吸附技術(shù)時會造成甲烷的損失
2、去除硫化氫需要頻繁更換媒介載體，而且耗費很多人工費用
3、溶劑分離技術(shù)的工藝復(fù)雜，而且表現(xiàn)數(shù)據(jù)有限
厭氧消化的預(yù)處理工藝
近幾年涌現(xiàn)了許多厭氧消化的預(yù)處理工藝，尤其是那些能破壞“頑固”的細胞結(jié)構(gòu)和顆粒物的技術(shù)。這些預(yù)處理工藝能提高消化的速率、生物沼氣的產(chǎn)量、殺菌或提高脫水性能，以及減少反應(yīng)器體積。
其中，熱水解已經(jīng)得到了商業(yè)應(yīng)用的驗證，并吸引了廣泛的關(guān)注，而其他技術(shù)還在研發(fā)當中。專家們對這些技術(shù)的綜合點評如下：
另外有些專家還提及了諸如生物預(yù)處理、臭氧、電子束技術(shù)等技術(shù)，但并沒有作詳細的描述�？偟膩碚f，這些技術(shù)都面臨以下問題：
1、對具體污水廠的甲烷增量和污泥減量的預(yù)測能力
2、對現(xiàn)有污水廠的設(shè)備進行改造的障礙
3、減少能耗和實現(xiàn)生命周期的可持續(xù)性
4、如何獲得業(yè)主的信任，尤其是在一些早期工藝不成功的時候
5、如何預(yù)判工藝對回流污泥、污泥粘性和流變學(xué)（rheology）的影響
6、能否把處理范圍擴大到剩余污泥之外的物質(zhì)
好氧顆粒污泥
好氧顆粒污泥使生物質(zhì)處于顆粒結(jié)構(gòu)而不是絮狀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對污水的二級處理以及脫氮除磷。在此工藝里，顆粒污泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有好氧和厭氧/缺氧層之分，所以脫氮除磷和COD的去除是同時進行的。另外，顆粒污泥反應(yīng)器可以在更高的生物質(zhì)濃度下運行，提高了負荷率，又能維持較長的SRT來完成穩(wěn)定的硝化。反應(yīng)器一般以SBR的形式設(shè)計。能耗方面，一些好氧顆粒污泥系統(tǒng)能在低DO值下運行，同時實現(xiàn)總氮的去除。WERF也專門為此開設(shè)了一個研究項目。
從上表的調(diào)研結(jié)果可以看出，美國污水處理界對NEREDA顆粒污泥的態(tài)度依然非常謹慎。
