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再生水回用于饮用—实现能量回收的新方法
加入时间:2018-05-16        来源:北极星环保网


  在常规淡水资源受限的情况下,再生水回用于饮用(PotableWaterReuse-PWR)技术可提供安全和可持续的供水。视乎水源的类型,一般来说基于地表水的传统供水的水处理能耗(不包括输水和配水)通常为0.05-0.37kWh/m³,地下水供水则为0.19-0.58kWh/m³,苦咸水淡化为0.26-2.6kWh/m³,海水淡化为3.7-4.4kWh/m³。在某些地区,从外地调水是比较独的特解决方案,其成本主要取决于运输距离和海拔差异,例如美国加州的水道调水工程仅运输的能耗就高达0.79kWh/m³,这还没包括水处理的能耗。
  
  世界各地的许多地区已经有不少再生水回用于饮用的案例。现有解决方案的能耗范围在1.15-2.00kWh/m³之间。尽管与苦咸水/海水淡化相比,这些PWR方案的成本效益已经相对更优,但与传统的饮用水处理相比它们的单位能耗依然显著。
  
  PWR技术已经有50多年的实践历史了,个别一些处理工艺的显著改进和水质监测技术的提高也已经增强了全球饮用水回用实践应用的信心。然而,公众信心的缺乏、监管方面的不确定性,以及高能耗和随后的高运营和维护成本,都阻碍了PWR的进一步普及。另一方面,随着大家对水质要求愈加严格,将有新增的工序来满足新兴的微生物和化学污染物的处理要求,这将进一步增加日后水处理系统的能耗。
  
  在过去,其实已经有些显著的工艺优化提高了能效,主要通过改进活性污泥工艺的曝气系统,以及高压膜过滤和厌氧工艺的能量回收装置。然而,目前再生水厂的设计理念仍然沿袭最初的生物处理和脱氮除磷,然后进行深度处理,而不太关注同步能量回收。市政污水的进水COD浓度约为250-950mg/L,视乎消耗的COD负荷,不同的计算有不同的结果,但一般来说,它的潜在能量值为1.66-1.93kWh/m³(COD=430-500mg/L)或高达3.09-3.86kWh/m³(COD=800-1000mg/L)。而包含硝化工艺的活性污泥法(CAS)的典型能耗为0.35-0.80kWh/m³。所以要让PDR不仅是技术可行能够实现水质要求,而且要实现更高的能效,我们需要花功夫去研究能够整合能量回收和资源回收的综合解决方案。
  
  在这样的大背景下,由JörgDrewes教授领导的德国慕尼黑工业大学团队提出并设计了三种新思路PWR方案,将碳和氮的能量回收整合在一起。Drewes教授的研究重点在于下一代可持续发展的城市供水系统。这些系统包括垃圾和污水的能量回收、膜混合工艺、人工化的天然处理系统,特别是地下水补给、水循环以及水环境中新型微量有机化学品的去向。他的团队与水务公司以及制造商开展了密切合作。
  
  这项研究的步骤主要分为了四步
  
  分析现有PWR的运行特点和能耗需求;
  
  鉴定污水的能量潜能理论值并找出能源回收的机会;
  
  为与能源回收相结合的PWR计划定义设计要求;
  
  制定更节能的PWR方案战略。
  
  现有的再生水回用于饮用的工艺
  
  再生水回用于饮用(PWR)处理系统的具体构造各异,这是由于不同处理选项和地区的处理标准造成的。总的来说,在过去20年里随着更加严格的水质标准的出台,PWR工艺单元的改进成渐进式的发展趋势。
  
  目前的解决方案大致可分为膜法和非膜法两种,下图总结了不同的饮用水回用方案。
  
  膜法的优势明显,目前超过一半的PWR回用案例都是基于膜法的(RO反渗透),在美国加州地区RO膜法的使用比例更是超过80%。在沿海地区,例如澳洲和美国加州,还会与高级氧化工艺AOPs结合,例如UV-H2O2等,美国加州橙县水管区(OCWD)的再生水地下水回灌系統(GWRS)就采用了此工艺。而内陆地区的PWR项目则一般考虑低压膜过滤(如超滤)、碳吸附(颗粒活性炭GAC)、化学氧化(臭氧)和自然处理系统(土壤含水层、河床过滤和湿地处理等)。在下面的比较中,研究团队也采用了GWRS系统作为参照标准,其单位处理能耗为1.18kWh/m³。除了能耗,研究团队也对不同系统的温室气体排放进行核算,主要是对厌氧消化和后续脱氮工艺中产生的N2O的排放情况作量化估算。
  
  另外,研究团队也专门前往德国Garching的污水厂采集数据,分析污水进水的潜在化学能,并得出下图的2.52kWh/m³的平均值。
  
  潜在高能效平台
  
  此处研究团队提到了主流厌氧处理、部分亚硝化/厌氧氨氧化和CANDO等新兴低能耗或者能回收能量的污水处理工艺。读者们可能对前两种工艺比较熟悉,至于CANDO工艺,它是耦合好氧-缺氧氮分解工艺(coupledaerobic-anoxicnitrousdecompositionoperation)的英文简称,我们在之前的微信推送《美国斯坦福大学研发全新脱氮工艺:CANDO》中曾做过介绍。
  
  饮用水回用的替代方案
  
  在制定最终的替代方案之前,Drewes教授的团队还对新方案的设计要求进行定义,考察因素包括水质特点、排放标准、运行表现等方面等。在以上前期研究的基础上,他们最终提出了三种替代方案(见下图),包括:
  
  基于甲烷回收的碳处理
  
  基于CANDO工艺的氮处理工艺
  
  基于部分亚硝化/厌氧氨氧化(PN/A)的氮处理工艺
  
  在方案1里,预处理包括了絮凝、混凝和微筛(100μm)以强化初始污泥的去除。初沉池出水进入膜处理工序(超滤+反渗透),UF+RO工序截留的浓缩液会导流进入厌氧消化,经厌氧处理的消化液进入CANDO工艺作二次能量回收。两部分工艺产生的甲烷和N2O送至CHP热电联产工序回收能量。经RO处理的出水通过BAF生物活性炭滤池、UV-H2O2和氯气消毒作深度处理。
  
  方案2和3则基于主流厌氧处理的理念,具体实现工艺是AnMBR。进水经过细格栅(4mm)后直接进入AnMBR回收甲烷。MBR出水的后续处理跟方案1一样,包括了BAF、UV/AOP、氯气消毒。方案2和3的不同点在于:方案2中,RO浓缩液通过CANDO工艺处理生成N2O,方案3则是用PN/A工艺转化成氮气。选择CANDO和PN/A的原因是其总能量平衡由于传统的硝化反硝化(见下表1的对比)。
  
  研究团队对三种替代回用处理方案相互比较,也与GWRS系统基准参照案例进行比较,比较的内容包括总能量平衡、温室气体潜在值、出水水质、工艺稳定性。对比结果显示,这三种替代方案与传统的饮用水回用方案相比,方案1的能耗减少7%,方案2和3可减少29%,方案2和3在污水处理部分的能耗降至0.84kWh/m³。而总能量平衡计算显示主流厌氧处理、侧流的PN/A和CANDO脱氮工艺都提高了能效,范围在38-80%。但研究团队指出工艺的稳定性和N2O的排放值得关注,尤其是要处理成分复杂的污水的时候。所以基于这次研究的前提假设和计算结果显示,虽然方案3的总能量平衡最佳,低至0.22kWh/m³了,但方案2最具可持续发展性,净能量平衡为0.32kWh/m³。
  
  三种方案和基准参照N2O排放和能耗对比(依据N2O相当于0.40–0.92kgCO2e/m³和能耗等值为0.54kgCO2e/kWh)
  
  研究团队强调,可靠和连续的优质出水是各种饮用水回用方案的最基本要求。所以他们也对三种替代方案的微生物污染物出水情况与美国加州的标准进行比较,结果显示所有替代方案都满足要求。
  
  结论
  
  研究团队在总结中表示,环境的可持续发展性是当代水和污水管理中最关键的挑战之一。未来的水和污水技术的目标不应仅仅是去除相关污染物,而且还应用高能效的方式从污水中回收有用资源。
  
  结合厌氧处理(AnMBR)和CANDO为建立更高能效的PDR方案提供了机会,能大大降低温室气体排放量。然而,需要对这些替代处理方案仍需进一步的调研,包括详细的技术可行性研究。特别是上述所提议的物理处理工艺(微筛、超滤和反渗透)以及后续生物处理(BAF)和消毒工艺的可行性需要进行仔细研究,以克服各种实际的运行问题,对其长期运行表现作验证,确保最终饮用水的水质安全。
  
  越来越多人已经意识到污水是一个持续回收资源的机会,而不再将其视作处置问题,这给这些新模式的实践创造了机会。

(责任编辑:新颖)
关键字:再生水回用 水处理系统 活性污泥
 
 
 
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