更严格排放标准下的市政污水处理厂工程设计与碳排放分析
污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的1%～2%,污水处理减少碳排放量有助于我国“双碳”目标的实现。污水处理碳排放主要来源于污水处理过程产生的温室气体直接排放,以及电能消耗和药剂消耗产生的间接排放。目前,我国已开展污水处理厂碳排放情况初步分析，城镇污水处理行业温室气体排放的核算及减排已成为节能减排领域关注的重点之一,进行污水处理厂污染物去除过程碳排放分析,在此基础上提出针对性减排措施对污水处理厂碳减排目标实现更具应用价值。
本文以宁波某新建污水处理厂为研究对象,对“类Ⅳ类”(除TN外,其余主要污水排放指标均达到地表水Ⅳ类标准)排放标准下污水处理厂设计进行介绍,并进行污水处理厂污染物去除过程碳排放核算,提出温室气体减排方案,为本工程和同类工程提供参考。
01 项目背景
唐山市中心城区规划污水量约为80万m3/d,根据市政府的规划要求,对再生宁波某地现状污水处理厂已满负荷运行,随着区域经济发展,污水排放量日益增加,根据用地性质规划,原污水厂用地不能满足新建污水处理厂用地需求,需在异地新建污水处理厂,满足片区市政污水处理需要。市政污水中工业废水占比约为25%,工业废水以印染园区废水为主。新建污水处理厂近期设计规模为10万m3/d,尾水排放管及厂前区按远期规模(45万m3/d)一次建成。此外,新建污水处理厂接收150 m3/d老城区化粪池粪便污水。出水水质达到“类Ⅳ类”水排放标准。新建污水厂污泥处理包括本厂污水处理产生的污泥及运至新建厂15 t Ds/d(脱水至含水率为80%)的市政污泥,污泥处理总规模为42 t Ds/d,污泥处理至含水率≤40%后外运处置。新建污水处理厂协同处理本厂污水、污泥及接收的粪便污水、污泥。
02 处理目标及工艺流程
污水厂进水含工业废水,不宜按照生活污水水质的预测方法进行分析,工程采用类比法对同一排水系统内现状污水厂进水水质进行分析预测,并考虑粪便处理、污泥处理水质影响,综合确定设计进水水质。污水处理厂出水水质pH、化学需氧量(COD)、5日生化需氧量(BOD5)、氨氮、总磷(TP)、石油类、阴离子表面活性剂达到地表水Ⅳ类要求,TN小于10 mg/L、悬浮物(SS)小于5 mg/L、色度小于15倍,动植物油、粪大肠杆菌群数达到现行城镇城镇污水处理厂一级A排放标准。污泥在厂内处理至含水率≤40%后外运处置。新建污水处理厂主要进出水水质指标如表1所示。
污水处理厂出水排放标准高且进水含工业废水,污水处理难度大,根据进水水质特性在预处理工艺段设置水解酸化池,污水处理主体工艺采用多模式AAO+高效沉淀池+反硝化深床滤池+臭氧接触池,深度处理区设置活性炭池,根据进水水质情况与臭氧接触池联用。粪便污水采用固液分离工艺,处理后污水进入进水泵房与市政污水一同处理。新建污水厂产生的污泥经过机械预浓缩后进入生物淋滤池处理,外运污泥采用二沉池剩余污泥稀释后进入生物淋滤池,污泥经生物淋滤预处理后进入板框脱水系统,板框脱水污泥通过低温干化工艺使含水率降至40%以下。本工程工艺流程如图1所示。
03 污水处理厂工程设计
3.1 预处理区
污水厂服务范围内存在较高比例的工业废水,BOD5与CODCr波动幅度较大,对区域现状污水处理厂不同时段的进水水质数据进行分析,结果表明,部分时段两者比例明显失调(BOD5/CODCr<0.3),本工程在预处理阶段设置2座推流式水解酸化池,改善污水的可生化性。
3.2 二级处理
生反池采用多模式AAO处理工艺,可以根据进水水量、水质特性和环境条件的变化,实现常规AAO工艺、改良AAO工艺、倒置AAO工艺等多种模式的切换,有效提高生物处理效率和容积利用率,充分利用进水中碳源,最大限度利用污水自身碳源进行生物脱氮除磷保证出水水质稳定达标,节省能耗。
3.3 深度处理
污水厂设计出水要求TP质量浓度小于0.3 mg/L,工程设置1座高效沉淀池,分2组,每组处理流量为5万m3/d,絮凝区采用机械絮凝和水力絮凝相结合方式提高絮凝效果,机械絮凝出水后,采用隔板水力絮凝,然后进入斜管沉淀池沉淀。本工程设置1座反硝化深床滤池,对高效沉淀池出水进行进一步处理。
本工程设置一座臭氧接触池,去除难降解CODCr、降低出水色度,臭氧接触池停留时间为45 min,臭氧投加质量浓度为10 mg/L。臭氧接触池采用压力盖板,顶板设置2套尾气破坏器装置。为进一步去除难降解CODCr、降低出水色度,本工程设置1座活性炭池与臭氧接触池联用。
3.4 污泥处理
工程采用“稀释+生物淋滤池”工艺对运送至本厂含水率为80%的污泥进行预处理,利用新建污水处理厂剩余污泥稀释现状脱水至含水率为80%的污泥,稀释后的污泥通过2台污泥泵(1用1备)提升进入生物淋滤池。工程采用“机械浓缩+生物淋滤池”工艺对新建污水厂污泥进行预处理,污泥经2台叠螺浓缩机浓缩后进入生物淋滤池。
污泥经生物淋滤池处理后,通过柱塞泵提升进入板框脱水机处理,设置5台高压板框脱水机,板框脱水后污泥经皮带输送机,输送至低温干化机干化处理,设置2台低温干化机,污泥含水率降至40%后外运焚烧处置。
04 污水处理厂污染物去除碳排放分析
污水处理厂采用生物、物理化学等技术措施削减排入环境的污染物总量,污染物去除过程同时产生温室气体排放。污水处理厂温室气体排量主要与甲烷(CH4)回收量、污水处理及污泥处理过程中的CH4排放量、去除TN过程中氧化亚氮(N2O)的排放量、电力消耗量等因素有关。目前,应用较为广泛的污水处理碳排放核算研究方法主要有直接实测法、排放因子法、质量平衡法、碳足迹法、模型法5类,实测法在国内应用不多,现有碳排放计算方法中排放因子法应用广泛。
本文以《城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体 核算技术指南(试行)》核算方法为基础,并考虑污水处理过程药剂投加产生的温室气体排放量,进行污水处理厂污染物去除过程碳排放分析。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)协议,由生物代谢产生的CO2不计入温室气体排放。本工程未涉及回收CH4,污水处理产生污泥最终焚烧处置产生的CO2为生物代谢产生,温室气体排放分析中不进行回收CH4及处理污泥处置产生的温室气体排量计算。对污水处理厂污染治理设施运行所产生的污染物去除量和温室气体减排量进行核算,本工程污染物去除过程中温室气体排放量计算如式(1)～式(5)。
其中:B0——最大CH4产生潜势,取值为0.25,tCH4/(tCODCr);M——CH4修正因子,本工程取0.165。
其中:E2——去除TN产生的N2O折算为CO2当量的年排放量,tCO2-eq/a;RTN——TN年去除量,t N/a;——单位质量的氮能够转化为N2O的氮量,本工程取值为0.005,tN2O-N/(t N);——N2O/N2分子量之比,44/28;——N2O全球增温潜势值,取值为265。
其中:E3——设备运行年耗电力产生的CO2排放当量,tCO2-eq/a;
EH——设备运行年耗电量,经核算本工程取值为25 071,MW·h/a;——电力CO2排放因子,本工程取值为0.792 1,tCO2/(MW·h);
——CO2全球增温潜势值,取值为1。
其中:E4——药剂产生的CO2排放当量,t CO2-eq/a;
fc,i——第i种化学药剂的CO2排放因子,聚合氯化铝(PAC)为1.62 t CO2/t,聚丙烯酰胺(PAM)为1.50 t CO2/t,次氯酸钠为0.92 t CO2/t,其他药剂为1.6 t CO2/t,t CO2/t;
Mc,i——第i种化学药剂的用量,本工程PAC投加量为10.4 t/d,PAM为0.21 t/d,次氯酸钠为10 t/d,其他药剂为0.6 t/d,t/d;
m——药剂的种类数量。
由表2可知,本工程污染物去除过程中温室气体排放量为42018.5 t CO2-eq/a,其中电力消耗产生温室气体排放源最强,占温室气体总排量47.3%。本工程需对外运污泥进行脱水干化协同处理,污泥处理规模已达到16万m3/d污水处理厂产生的污泥量,污泥处理电耗占污水处理厂总电耗24.48%。进水中含工业废水,需利用臭氧对污水进行深度处理,氧气分离及臭氧制备设施运行产生电耗占污水处理厂总电耗23.04%。污水处理鼓风曝气电耗占总电耗16.05%,污水提升电耗占总电耗13.76%。
本工程药剂消耗产生的温室气体排放占比为23.7%,去除CODCr及TN产生的温室气体排放占比为29.0%。污染物去除量中TN与CODCr质量比约0.08∶1,但去除TN与CODCr产生温室气体排量比值约0.23∶1,N2O全球增温潜势值约为CH4全球增温潜势值的9.46倍,污水厂污染物去除过程中控制CH4产生的同时,也应注重对N2O气体产生的控制。
工程设计阶段采用低碳技术,降低污水处理过程温室气体排放。污泥处理电耗占污水厂运行总电耗比重最大,污泥脱水干化工艺采用运行能耗低的板框脱水+低温干化工艺,污泥干化采用热泵循环系统,节省污泥脱水干化过程电耗。此外,污泥调理采用生物淋滤工艺,减少污泥调理过程化学药剂投加,从而降低碳排量。污水深度处理采用臭氧、活性炭联用工艺,利用活性炭与臭氧催化氧化反应,促进臭氧产生自由基,更有利于有机物的氧化降解,提高臭氧的氧化效率,节省臭氧投加量,从而减少臭氧设施运行能耗,降低温室气体排放量。预处理区采用旋流沉砂池,节省运行能耗,同等条件下相比曝气沉砂池每年可以减少184.88 t CO2-eq电力消耗导致的温室气体排放。此外,污水处理厂设置精确曝气系统,根据生反池曝气情况对鼓风机曝气量进行实时反馈调控,在满足污水处理要求的同时,最大限度降低运行能耗,减少温室气体排放量。
污水处理温室气体排放与污水处理工艺选择、进水水质、出水标准等因素直接相关。北京通州某再生水厂采用AAO+生物膜反应器(MBR)工艺,出水执行北京市地方标准一级限值B标准,单位污水处理温室气体排放量约为2.26 kg CO2-eq/t;浙江某污水处理厂采用移动床生物膜反应器(MBBR)对循环式活性污泥(CAST)工艺进行改造,出水达到“类Ⅳ类”水要求,单位污水处理温室气体排放量由改造前1.04 kg CO2-eq/t降至0.79 kg CO2-eq/t。污水处理厂所在地区环境温度,影响运行电耗及药剂投加量,进而影响污水处理温室气体排放量。呼和浩特市两座污水处理厂分别采用CASS和AAO工艺,单位污水处理温室气体排放量分别为1.94 kg CO2-eq/t和1.84 kg CO2-eq/t。本工程单位污水处理温室气体排放量为1.15 kg CO2-eq/t,由于本工程进水水质中含工业废水,且需进行粪便污水及外运15 t Ds/d污泥脱水干化的协同处理,相对同等处理要求污水处理厂单位污水处理温室气体排量较少,具有温室气体减排优势。
在“碳中和”“碳达峰”战略背景下,污水处理厂响应“双碳”需求,运行过程也需考虑降低温室气体排放措施,本工程可利用多模式AAO工艺的灵活性,调整处理模式应对进水条件变化,充分利用进水中碳源进行脱氮除磷,减少深度处理段药剂的投加,降低药剂导致的温室气体排放,另一方面可优化能源结构,如厂区生物反应池顶及建筑屋顶设置光伏发电装置,降低外购电能消耗,设置水源热泵系统,利用尾水废热作为厂区空调系统热源,降低电力消耗导致的温室气体排放。
05 结论与建议
宁波某新建污水厂通过工程措施实现外运粪便废水、外运80%含水率污泥、污水厂服务范围内污水、污水处理过程中产生的污泥协同处理。工程针对进水水质设置水解酸化池提高进水可生化性,生反池采用可根据进水情况灵活调整运行模式的多模式AAO工艺,深度处理区采用“高效沉淀池+深床反硝化滤池+臭氧接触池(旁路活性炭池)”工艺,尾水经次氯酸钠消毒,主要出水水质达到“类Ⅳ类”标准后排放。污泥处理采用“生物淋滤+高压板框+低温干化”工艺,出泥含水率≤40%后外运处置。本工程工艺路线和设计参数可为同类排放标准下新建污水处理厂及现状污水处理厂提标工程提供参考。
污水处理厂污染物去除过程中温室气体排放量为42018.5 t CO2-eq/a,最大温室气体排放源为电力消耗产生。污水处理厂采用热泵循环系统、臭氧活性炭联用等低碳处理工艺,单位污水处理温室气体排放量为1.15 kg CO2-eq/t。建议运行中优化能耗管理,利用多模式AAO的可调性灵活应对进水水质变化,充分利用进水中碳源进行脱氮除磷,采用光伏发电、水源热泵系统等再生能源措施,减少污水处理中的温室气体排放。