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碳中和时代污水厂如何升级转型? | 荷兰案例分享

发布日期:2021-03-13 来源: JIEI创新实验室
  水星漫谈Vol. 13
  最近小编发现水圈里圈外人都在谈论“碳中和”。好奇心驱使下,我百度一下,才知道这是因为去年九月,习大大在联合国大会上给世界一个承诺:"中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。”
  污水处理向来被认为是耗能大户。现在国家喊要搞“碳中和”,污水处理界是否成为拖后腿的后进生呢?其实过去五年,国外已经有不少城市污水处理厂实现能量盈余的报道。这说明污水处理不仅不会拖后腿,还可以成为碳中和大计的标兵行业。荷兰早在2010就开始施行他们的污水厂2030碳中和计划,这眨眼就到2021年了。在这期水星漫谈专栏里,我们不如一起看看荷兰污水厂的期中考成绩单吧。
  
  作者:瓦村农夫
  荷兰污水厂的碳中和案例图片
  每次谈荷兰的污水处理,我都会先介绍一下荷兰的水务架构。荷兰有一个中央政府(Rijk),下边是省政府(Provincies),然后再一级就是市政府(Gemeenten),但这里有一个机构和市政府平级,它就是水委会(Waterschappen)。水委会是荷兰最为古老的民主机构之一。它们负责与水有关的大部分事务:包括了负责维护堤防和土地排水,以及水的质量。它们在国家的环境管理方面发挥着重要作用。在过去,一个水委会只分管几个堤坝和沟渠,保护附近的几个社区。但水委会的架构在不断改革,水委会的数目已从1850年的3500多个精简至2018年的21个。水委会之间的合作也在逐步加强。
  
  在这样的背景下,2010年荷兰的水委会联盟联合颁布一份重要文件——《NEWs:荷兰2030年污水厂路线图》。NEWs是荷兰应用水研究基金会(STOWA)在2008年提出的一个理念,三个大写字母分别指Nutrients、Energy和Water,其目标是将在公众眼里又臭又脏的“粪水厂”,变成生产再生水、清洁能源和高附加值原材料的高科技工厂。

  荷兰污水厂的2030大计| 图源:STOWA
  十年弹指一挥间,许多污水厂开始了各自的升级转型之路。我们来看看其中的一些代表污水厂。
  阿姆斯特丹西污水厂
  阿姆斯特丹西污水厂(WWTP Amsterdam West)于2006年投产运行,选用改良的UCT工艺(mUCT),处理人口当量约100万人,是荷兰最大的污水厂之一。
  该厂的特点在于污水厂和焚烧厂共生。污水厂本身有传统的污泥厌氧消化系统,沼气年产量约1200万立方米,共用给隔壁的废物焚烧厂(AVI)。污水厂的污泥也在此得到焚烧处理。焚烧厂的热值利用率高达90%。除了处理污水厂的污泥,焚烧厂还为污水厂供应电力(20000+MWh/年)和热水(85000GJ/年)。此外,还有剩余的电力和余热并入阿姆斯特丹的绿色电网和供暖系统。

  污水厂和焚烧厂共生| 图源:efgf.nl (汉化:瓦村农夫)
  但污水厂并没有因此停下优化的脚步。2013年,污水厂安装了磷回收设备(FOSvaatje),结合Airprex工艺,从污水中回收鸟粪石,每年产量约500吨,预计最终稳定产量为900吨。这个设备除了实现磷回收,更重要的目的是解决管道的结垢问题。
  2019年,为了减少温室气体N2O的排放问题,他们和欧洲地平线2020项目FIWARE4Water合作,在其中一条处理线行进行实验,安装了传感器,结合人工智能算法,将对工艺参数进行长达三年的实时监测。届时,相信污水厂的能效将得到进一步的提高


  N2O减排研究计划| 图源:fiware4water
  Garmerwolde污水厂
  
  Garmerwolde污水厂鸟瞰图| 图源:Wikipedia (瓦村农夫汉化)
  Garmerwolde污水厂位于荷兰北部的格罗宁根市,建于1979年,目前处理能力约70000m3/天(人口当量37.5万)。这个污水厂的亮点在于同时应用了厌氧氨氧化工艺和好氧颗粒污泥工艺。
  其实能耗本不是该污水处理厂的主要问题。因为它很早就有厌氧消化工艺来处理污泥,回收能源能覆盖厂区60-70%的电耗。随着时间推移,污水厂原有的A-B工艺的处理能力跟不上满足周边地区的经济发展速度,所以负责的水委会先后对污水厂进行了两次升级改造:第一阶段是于2005年,引入SHARON侧流脱氮工艺,以减少厌氧发酵产生的氨氮负荷。第二阶段是于2013年引入好氧颗粒污泥工艺,以满足新增处理负荷的需求。
  污水厂引入好氧颗粒污泥的部分原因是因为在第一阶段工程结束不久,当地颁布的新的出水标准(总氮<7mg/L和总磷<1mg/L),这对旧工艺来说十分困难,但当时刚面世的好氧颗粒污泥工艺却能达标排放,所以他们最终选择了荷兰的Royal HaskoningDHV公司的Nereda好氧颗粒污泥工艺,日处理力量为28600m3。
  
  Garmerwolde污水厂升级后的工艺流程图| 图源: medium
  好氧颗粒污泥工艺的占地面积虽然远小于A-B工艺,但能应付厂区总处理量的41%。运行数据则显示(下图),好氧颗粒污泥的能耗显著低于AB法工艺(0.17 kWh/m3 vs 0.33kWh/m3)。此外好氧颗粒污泥在脱氮除磷以及污泥产量等方面都有显著优势。
  
  此处小编有个小感慨:在《NEWs:荷兰2030年污水厂路线图》的报告里,A-B工艺本来是专家们推荐技术,但各地水委会并不会一窝蜂地采纳A-B工艺,它们还是根据实际情况对所属的污水厂进行升级改造。事实上,在过去十年里,好氧颗粒污泥似乎是有点后来者居上的势头。
  
  荷兰2030能量工厂的初始推荐路线图| 图源:stowa
  Epe污水厂
  我想介绍的第三座污水厂叫Epe污水厂,因为在小编看来,它是污水厂能量回收和资源利用的典范。2011年,第一座好氧颗粒污泥污水厂在Epe污水厂投产使用。采用新工艺后,该污水厂立即成为荷兰全国能耗最低的市政污水厂。Epe污水厂最近又多了一个史上第一的称号——它是第一座从纯市政污水中回收藻酸盐的城市污水厂。
  
  Epe污水厂鸟瞰图| 图源:Royal HaskoningDHV
  荷兰的污水科学家们发现,除了出众的沉降性能之外,好氧颗粒污泥还富含胞外聚合物(EPS),而在这些EPS里,藻酸盐(Alginate)含量高达20%。
  藻酸盐是种高附加值的生物聚合物,当它和不同原材料结合之后,会有神奇的效果,例如可做成亲水或疏水性材料,放大和延伸原有材料的特定属性。据介绍,它的潜在用途就是充当各种涂层:
  种子的“智能保护层”,帮助幼小的植物更好地吸收养分,增强对疾病的抵抗力,长得更快;
  颗粒肥料的涂层,可以让肥料的分布更均匀;
  混凝土养护涂层,确保混凝土的固化过程良好进行,防止干裂。
  他们将这种神奇物质取了个挺酷的名字,叫Kaumera Nereda® Gum的新材料。“Kaumera”一词源自新西兰毛利语,意为“变色龙”,以此显示藻酸盐用途的多样性。
  生产藻酸盐还有个好处,就是可以减少污泥产量。荷兰人早在2017年就在Zutphen污水厂建造了第一座藻酸盐加工厂,并于2019年投产运行。运行数据显示Zutphen污水厂的污泥处理量减少了20-35%。
  
  全球首座生产藻酸盐的污水厂| 图源:Rijn & IJssel水委会
  Zutphen污水厂目前仍是世界最大的藻酸盐加工厂,规模为400吨/年。但那里的加工原材料是工业废水。无论是流量、温度和污染物成分,市政废水的波动性都更大。在Epe污水厂上马的项目就是要证明这些波动不会影响藻酸盐的生产。
  
  Epe污水厂的藻酸盐提纯设备| 图源:Vallei en Veluwe水委会
  能量工厂总览
  为了让公众更好地了解荷兰水资源回收工厂的项目进展,荷兰水委会联盟早在几年前就建了一个网站(efgf.nl),汇总了荷兰污水厂向能量和资源工厂转型的最新资讯。截止到2019年,荷兰的已经建成了12座能量工厂,有11座在筹建中,另外还有两座在调研阶段。
  
  荷兰能量工厂分布| 图源:EFGF.nl
  除了上边介绍的三座污水厂,荷兰还有不少污水厂用厌氧消化来回收污泥的潜能能源,例如Tiel污水厂就称能够实现能量中和。
  
  Tiel污水厂的厌氧发酵设备| 图源:besix
  荷兰污水厂除了厌氧消化,一般还会和其他工艺结合,例如Apeldoorn污水厂用到了DEMON的侧流厌氧氨氧化,Amersfoort污水厂则用到了Pearl的磷回收工艺。当然,荷兰污水厂还有其他途径来丰富能量来源,例如Rivierenland水委会在污水厂旁建造光伏太阳能公园。
  
  Rivierenland水委会的污水厂| 图源: skao
  除了在传统工艺上进行优化,荷兰有些水委会还有更大胆的尝试:Vallei en Veluwe水委会在2018年宣布要建一座“多合一污水厂”,工艺流程将包括雨污管道的分离、模块化组件、电絮凝、DAF溶气气浮工艺、纳滤、反渗透和离子交换法等运行目标是氮磷回收率提高75%,医药残留物去除率80%,污泥产量和化学品用量减少90%。

  Wilp水工厂的工艺流程图和中试实景| 图源:Vallei en Veluwe水委会
  2050年的目标
  通过上边的案例可以看到,在迈向碳中和的路上,荷兰污水厂已经走得好前好远。但小编也注意到,他们近几年也很少提2030年的目标了,反而提出了一个要在“2050年实现全面循环经济体”的新目标。难道连他们也觉得2030年要让所有污水厂实现能量自给有点困难?
  不管怎样,习大大给我们定的目标是40年后的事情了。像我这种看着各种“中国奇迹”、“中国速度”长大的80后,对我们自家污水界的未来还是有点信心的。再说,到时真完不了目标,也没什么大不了。重要的是,我们现在是否已经走在行动的路上了。毕竟,路还是得靠污水工程师们走出来的,不是靠我这种小编写出来的。
  参考资料
  1.https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/ab0b54/pdf
  2.https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/ew/c9ew00905a
  3.https://www.stowa.nl/publicaties/news-dutch-roadmap-wwtp-2030
  4.https://www.uvw.nl/wp-content/files/Roadmap%20Wastewater%20management.pdf
  5.https://www.noorderzijlvest.nl/ons-werk/beheer-onderhoud/beheer-bouwwerken/rioolwaterzuivering/rwzi-garmerwolde/
  6.https://www.skao.nl/en/news-item/Duurzame-primeur:-ook-waterschappen-aan-de-gang-met-CO2-Prestatieladder
  8.https://www.besix.com/en/news/tielopeningofa100energyneutralsewagetreatmentplant
  9.https://www.colsen.nl/en/services/sludge-energy
  10.https://ec.europa.eu/environment/europeangreencapital/wp-content/uploads/2016/12/Indicator-9-Wastewater-treatment_Nijmegen-2018-def.pdf
  11.http://www.except.nl/en/projects/175-dnv-waste-water-chains
  12.https://www.efgf.nl/producten/energie/
  13.https://www.arcam.nl/en/rioolwaterzuiveringsinstallatie-rwzi/
  14.https://www.waternet.nl/innovatie/Technologie/onderzoekstraat-rwzi-west/
  15.https://www.fiware4water.eu/demo-cases/netherlands-intelligent-control-wastewater-case
  16.https://waterprojectsonline.com/custom_case_study/nereda/
  17.https://www.vallei-veluwe.nl/toptaken/bij-mij-in-de-buurt/in-voorbereiding/waterfabriek-wilp/
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