德国布伦瑞克(Braunschweig)市运行已半个多世纪的老厂——斯泰因霍夫(Steinhof)的工艺实践演示,从剩余污泥厌氧消化产甲烷(CH4)中回收的能量不仅可满足其自身供热需要,而且还能提供全厂包括深度处理、营养物利用、出水灌溉在内全部耗电量的79%,相应减少79%的外源CO2。

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将出水及污泥输送至农业灌溉与施肥后,可节省因灌溉抽取地下/地表水及化肥生产造成的能量消耗,间接减少35%的CO2排放量。这实际上使得该厂总外源CO2减少高达114%,已超额完成碳中和运行目标。强化能量(CH4)生产与转化技术的改进措施显示,向厌氧消化池内投加青草等共消化基质、对剩余污泥采取热水解预处理措施、余热发电采用郎肯循环等可有效提高生物气体的产量与能源转化率,使该厂CO2减排量进一步提高。该厂在营养物及水资源利用方面的做法表明,土地利用是污水中所含资源的理性归宿。

德国早在20世纪末便开始关注污水厂的耗能及能量平衡问题,并于1999年编制了污水厂能源使用手册,对污水厂每个处理阶段能耗与各种可利用能源进行了详细分析。德国2006年对344座污水厂进行能耗分析发现,污水厂平均能耗经运行优化后均降低了50%,每年可节约能耗费用约为3~4亿欧元。
斯泰因霍夫污水厂自1954年投入运行以来,因其在可持续发展方面的成功示范,目前已被看作一个能量与资源回收的成功案例。剩余污泥是该厂能源回收注意力的焦点,通过厌氧消化产甲烷方式实现污水中蕴含能量的回收。为提高污泥厌氧消化CH4生成量,该厂对污泥首先进行了热解预处理,并在厌氧消化过程中通过投加额外有机质来强化CH4生成。此外,该厂还充分利用污水中的氮、磷资源与水资源,将处理出水和污泥通过泵站与管道系统输送至农田,为约3000hm2农作物提供养分及灌溉用水,可大大节省因灌溉抽取地下/地表水和生产化肥所导致的能耗并相应减少CO2排放。
斯泰因霍夫污水处理厂工艺流程如下:

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斯泰因霍夫污水处理厂工艺实践表明,通过对剩余污泥进行传统厌氧消化获得的生物气体(甲烷)CHP热电联产发电、产热,被回收的能量不仅可以满足厌氧消化中温加热(38 ℃)的全部热量,而且还能满足污水处理、污泥处理、出水输送土壤下渗、农业灌溉等各个环节用电量的79%,相应减少79%的外源CO2。
将出水及污泥输送至农业灌溉与施肥后,可节省因灌溉抽取地下/地表水及化肥生产造成的能量消耗,间接减少35%的CO2排放量。这实际上使得该厂总外源CO2减少高达114%,已超额完成碳中和运行目标。其实,在不考虑出水进行土壤下渗处理和农业灌溉耗能(出水直排河流)情况下,该厂回收的能量已完全可以满足污水、污泥处理的耗电量(103%),即单就污水、污泥处理能量需求而言,该厂自产能量完全可以自给自足,且略有盈余(3%)。

强化能量产生与转化的技术改进措施显示,向消化池外加青草等共基质、对剩余污泥采取热水解预处理措施、余热发电中采用郎肯循环等可有效提高生物气体的产量与能源转化效率,有望弥补综合能耗21%的缺口。

诚然,斯泰因霍夫污水处理厂能源消耗基本上可以接近碳中和运行目标的原因是进水中COD浓度过高而导致的剩余污泥量较多所致。但它毕竟向世人展示,传统厌氧消化即可方便地转化剩余污泥中所含能量。针对我国多属低碳源污水处理的现实,在考虑污泥厌氧消化的同时再实践污水源热泵转化热量技术,碳中和运行也将不再是梦。(文章来源:中国给水排水)

注:不论瑞克水管理系统方案由中心合作伙伴设计建造。

有兴趣合作者请联系德中环能:周先生(k.zhou@dczue.com)