污水处理过程中的“碳中和”技术

2017年4月 污水处理过程中的“碳中和”技术 225 污水处理过程中的“碳中和“技术 程艮风 张 婧 颜康康 (南昌大学。江西南昌330031) 摘要：全球变暖愈演愈烈，其主要原因在于大量的温室气体二氧化碳的排放。为此 低碳生产、生活势在必行，于是近年来许多学者提出了碳中和理念。在污水处理过程中水 中的c0D被微生物消耗，却产生了温室气体二氧化碳并排人了空气当中，与此同时曝气 等过程中的动力消耗也产生了许多温室气体。水污染解决了却将污染转移到了空气当 中。为实现碳中和的概念，污水厂首先剖析污水处理与碳排放之间的关系，明确发掘污 水／污泥中有机能源对C0：的综合减排效果，再据此提出细化的低碳技术。 关奠词：污水处理碳中和污泥消化 引青 近几十年来，由于工业生产的急剧发展和人类生 活的质量的快速提高。化石能源的开发和使用急剧增 加。与此同时大量的二氧化碳排放量也激增。 以我国为例，1994年C02排放量为30．7亿t，到 2004年已增长到50．7亿t。 而大气二氧化碳含量从1000年前的280×10“上 升至2000年前后的360×10一，升幅高达28．6％，2014 年则达到385×10～。… 大量的二氧化碳排放造成了全球气候变暖，冰川 融化。海平面上升。 极地物种面临着巨大的威胁，沿海城市也面临着 沉人海底的风险。 介此，联合国发起了多项倡导和协定，‘巴黎协定 于2016年11月4日正式生效，中国作为世界最大的碳 排放量圈也加入了该协定，中国明确了二氧化碳排放 2030年左右达到峰值并努力尽早达峰等一系列行动目 标。 工业革命后，人类的生活质量逐步提升，工业生产 量也日新月异，人均用水量也与日俱增，产生的污水量 便随之增加，污水中的污染物也日益复杂，伴随着第二 次工业革命，污水处理应运而生。 污水处理实质是通过人工各种复杂技术手段，不 惜消耗资源与能量，来分离、降解、转化污水中污染物 (绝大多数为有机污染物)的复杂过程。从某种程度讲 这是一种。以能消能”“污染转移”的非绿色手段。… 换而育之，这就是一种以消耗能源的碳排放过程， 或者是一种从水污染向大气污染的逐渐演变过程。 现如今的污水处理手段显然与碳中和目标相悖。 碳中和是指通过计算企业二氧化碳的排放总量， 然后通过植树造林，研究可再生能源、增加温室气体吸 收等方式把这些排放量抵消掉，已达到生态文明的目 的。 在解决污水的问题上，人们的固化思维是“节流”， 但是“开源”也是一种十分有效的途径。 污水实际上是一种资源与能源的载体B J，污水中 含有大量的有机物。有机物是一种舍能物质，每克COD 含约1．4×104J的代谢热。 污水中还舍有大量的植物营养素(氮、磷、钾)。 传统的污水处理手段是利用细菌代谢污水中的有 机物，为了使之工作效率提高，人们还需大量的动力来 曝气，增加水中的DO，细菌代谢会产生大量的二氧化 碳，为提供曝气所用的动力也会产生大量的二氯化碳。 从能量利用与控制温室气体排放的角度综合衡 量，这种方式有悖于可持续发展的战略。【．o 可持续发展新型水处理方式，利用细菌和藻类互利共生，细菌为藻类提供碳源_0：，而藻类可以利 用污水中的植物营养索生长代谢为好氧细菌提供必要 的受氨体——旬2。 为了从真正意义上的利用水中的能量，我们需要 资源型藻类与细菌共生，例如可以产单胞蛋白，或者是 油脂等人类所需要的资源的藻类。 此种方式，藻类可以固定太阳能，最终我们所获得 能量或许将会大于污水中有机物本身所含的能量，但 是从理论上却无法实现利用资源型细菌，因为污水中 的污染物质十分复杂，需要多种细菌协同作用，无法利 用单一或者是几种类型的细菌将污水净化。 此种方式也只是在理论上行得通，在实际运用中 还有许多难题要克服。 首先，难以寻找到可以在污染复杂的污水中高效 生长的资源型藻类； 其次，以现在的技术手段难以从污水中分离出藻 作奢简介：程艮风(1996一)，籍贯：江西郡阳，工作单位：南昌大学，电子邮箱：190484288@qq．com。 万方数据 226 江西化工 2017年第2期 类，或者是收集成本较之其带来的利益来讲太高； 与此同时，利用这种方式所产的营养物质是否能 被人们接受还有待考证。 除此之外，污泥可以作为一种潜在的绿色能源。 污泥中含有大量的寄生虫卵，病原微生物，细菌， 合成有机物及重金属离子，植物营养素(氮、磷、钾)。‘3j 中国主要的污泥处理方式有填埋处理，海洋处理， 和焚烧处理。 污泥填埋是目前国内最为广泛的处理方式，但是 无你本身的含水量很高，经过处理后的污泥含水量仍 然达到80％左右，易造成填埋场渗滤液产量增加，造成 地下水污染，其质地疏松，填埋土层不稳定，填埋层塌 陷几率大，且我国土地利益紧张，开辟新的填埋场成本 太高。 海洋处置污泥虽然简单易行，但是却没有对污泥 进行任何预处理，此种方式易造成海洋污染．对海洋生 态系统和人类食物链造成威胁。 污泥焚烧前期投资较大，后期运营管理要求高，且 存在尾气污染，产生有毒气体的问题。 这几种传统的污泥处置方式都没有利用到剩余污 泥中的能量，且污泥中的病原微生物，且重金属离子等 造成较大的环境危害。 故此新的污泥处置工艺便应运而生。 目前用于污泥稳定的技术手段有好养消化、厌氧 消化、污泥堆肥等。 ①好养消化 好养消化主要是通过好养氧化作用，使污泥中有 机物矿化的过程。 在此过程中，大部分的污泥处于内源呼吸期。H o 原因是污泥中的细菌量过多，而胞外的有机物过 少，导致部分细菌裂解，部分细菌个体处于内源呼吸 期。 其产物是二氧化碳，水，氨气等。 此种方法虽然降解了污泥中大量的有机物，但是 并没有从污泥中获取能量，但是却减少了后期处理对 环境的危害。 ②厌氧消化 厌氧消化指污泥在厌氧的条件下通过微生物的降 解消化作用使有机物分解，最终产生以甲烷为主的沼 气等，使污泥的理化性质相对稳定。 首先，有机物被水解和发酵转化成单糖、氨基酸、 甘油、及二氧化碳、氢气等； 然后在产氢产乙酸菌的作用下，有机产物被转化 为氢、二氧化碳和乙酸； 最后通过产甲烷菌将氢和二氧化碳转化为甲烷， 同时乙酸脱羧产生甲烷。【41 污水厂可以在厂区设置污泥消化池，利用其产生 的甲烷发电给污水处理提供电力。 此种形式虽然可以回收利用污泥中的能量，但是 受限于细菌的裂解率以及过程复杂，导致其能量重复 利用的效率低下。 ③污泥堆肥 堆肥是利用污泥中的微生物在潮湿的环境下进行 发酵，从而将污泥中的有机成分氧化分解并转化为类 腐殖质的过程。H 3 经过堆肥处理，污泥中的寄生虫和病原菌几乎被 完全杀灭，能被植物利用的营养成分增加，故不会对环 境造成很大的危害，经过堆肥处理的污泥可以作为肥 料排入农田当中以减少化肥的使用，同时这种处理手 段不需要经过脱水处理，可以减少动力损失。 这几种方式都受限于细胞的裂解率，因为污泥中 的有机物绝大多数存在污水处理的细菌胞体当中。 如果细胞的裂解率不够，那么各种措施就不能有 效地利用污泥中的有机物。 故“细胞破壁”(即细胞裂解)是污泥预处理的关键 技术。 目前有关于污泥消化预处理技术的研究较多，其 中包括超声波、微波、热解、及机械处理和碱和臭氧处 理等手段。”1 有研究证实，当pH值大于12并保持一段时间，利 用强碱和石灰能杀灭众多细菌。L60 结语 “碳中和”在某种程度上是一种低碳运行理念，在 污水处理过程中应不断开创和完善新的低碳运行和碳 回用的技术手段才有可能真正逼近“碳中和”。 同时我们也应该开放思维，污泥的处理手段不仅 限于污泥厌彩好养消化或是污泥堆肥，我们还可以用 人们可以利用的原生动物或者微型后生动物等来摄取 污泥中的细菌。 例如，蚯蚓可以用来处理剩余污泥，蚯蚓的活动可 以处理有机废物，其本体可以提供蛋白质用来养鱼，且 其粪便是植物生长的极好肥料。 参考文献 [】]王丽艳，张靳超．城市污水处理中的二氧化碳排放 与碳资源化利用研究[J]．绿色科技，2012，06：198 +200． [2]郝晓地．可持续污水一废物处理技术．北京：中国建 筑工业出版社．2006． [3]程吉宏．北部污水处理厂污泥消化系统大修技术措 施探讨[J]．环境保护与循环经济，2010，07：55— 57． [4]王星，赵天涛，赵由才．《污泥生物处理技术》．冶金 工程出版社．2010．P12—23． 万方数据 2017年4月 污水处理过程中的“碳中和”技术 227 [5]郝晓地，涂明，蔡正清，甘一萍．污水处理低碳运行 策略与技术导向[J]．中国给水排水，2010，24：1— 6． [6]郝晓地．《污水处理碳中和运行技术》北京：科学出 版社，2014．11．P3—13． The tecllIlolo斟of‘‘carbon neutral”in the sewage treatnlent C眦NG Gen一哑嬲ANG J崦YAN l【ang—kang (№艄lk增(，砌们妙，且喇涮^『口，lc地增330031) Al s崃t：global wa珊irIg i8 intemi即ng．弧e nlain删啪n is tlIat a large锄。岫t of eInissio璐of孵IlIlouse ga8鹤．So，low 蚀由∞prDducdon舳d lif白脚e am jml)啪dve．Recem yea珥，m鲫y schola腭put fb州ard me idea carbon neutral．In tlle∞w。 age tr∞衄ent proce髓，COD i8 c∞8mning byⅡlicroorgani8m．But it let8 the野∞nhouse g鹊carbon dio】【ide into the air．At tIle s锄e d眦，in t}地pm渤8∞of∞mti∞舳d o山er power con8岫幽on also produce m明y舀僦rIllou∞ga8∞．The pouud仰 tra瑚port8细m water into air．T0 budd∞wage pl蚰t c108ed to cdⅪrI neu仕al，6璐t of all，we 8hould姐aly跫tlle∞wage骶at· mem 8nd tIle relado啮llip betw∞n the car王)on emi髓io鹅，鲫d删llce t王Ie e矗如t“excava石on／∞w89e sludge o瑁删c朋e聊r 8”thesi8 to C02 emi鹊i∞reduc60n clear．B聃ic on it，we c锄put foMard teclIIIolo玺鹤0f 10w—carbon． Key Words：臼ea佃弛nt《8ew89e ca由on neu也Bl 8ludge dig鹪ti伽 万方数据