走可持续发展之路

作者:Hans-Jürgen Bittermann 发布时间:2015-04-29
水资源能源管理技术ERWAS项目报道--为了充分挖掘能源利用效率,进一步开发和利用好能源生产和降低企业自身的能源消耗,联邦政府推出了ERWAS项目可持续发展的节约能源及资源的水资源管理技术和方案.

水资源能源管理技术ERWAS项目报道——为了充分挖掘能源利用效率、进一步开发和利用好能源生产和降低企业自身的能源消耗,联邦政府推出了ERWAS项目“可持续发展的节约能源及资源的水资源管理技术和方案”。

德国现有的公共给水供水设备和污水净化设备每年消耗的电力能源高达6.6TWh,这相当于160万四口之家全年的生活用电总额。其中,污水净化设备消耗的电力为4.2TWh,是最大的耗电大户。通过节能及提高能源利用率的措施可以节约25%的电力。“从保护水资源的角度来讲,把水资源设备与水力、能用基础设施智能化结合起来,将科学研究成果及时落实到水资源经济利用的实践中去。” 德国水、污水和废弃物处理协会DWA下属CEC-10技术委员会“水资源管理的能源利用”负责人Markus Schröder教授说道。

缩写为ERWAS的“可持续发展的水资源、能源管理技术方案”是德国联邦教育研究部在“NaWaM可持续发展的水资源管理”框架内重点资助的第三批项目。整个项目的资助金额高达2700万欧元,共有12个科研合作组织和67家研究所。在未来3年里,将有5个给水供水领域中的科研合作组织、7个污水净化领域中的研究合作组织展开改善能源利用率的研究。


图1 德国现有的公共给水供水设备和污水净化设备每年消耗的电力能源高达6.6TWh,ERWAS项目的重点目标是大幅度节约能源

合作研究重点

合作研究主题的不仅是能源利用效率和节能技术解决方案,还包括改善现有能源生产资源的利用方法。为了保证科研成果落实到水资源项目实践中,使科研开发与用户需求保持一致,所有合作项目中的参加者均是来自科研、企业以及政府相关人员。

这些促进项目的一个重点领域就是开发饮用水、污水处理和能源利用有着综合作用的新方案,例如负荷管理系统的完善和未来水资源能源储存的可能性。在利用可再生能源(如风能和太阳能)发电时,往往因天气原因引起电力需求的波动,此时,未来水资利用设备作为能源补充应能起到平衡补偿的作用。

另外,还要开发能源生产和能源转化过程中的工艺技术——例如微生物燃料电池的发电技术、甲醇中CO2和H2的转换技术等。开辟污泥的潜在能源是污水资源化利用的未来方向,如污水中磷的利用就是目前研究的重点。

在多个科研合作项目中,污水净化设备的能源利用潜力是研究的重点。另一个重要的科研课题则是能清除有害微量元素的污水净化设备技术优化。

生物甲醇项目

市政、工业污水中有机碳负荷清除的传统方法是有氧净化阶段的细菌降解。细菌降解时必须消耗大量的电力进行通风曝气,以便使有机碳化合物在微生物的帮助下氧化成CO2,而此时污水中含有的能量大部分集中到后续水解过程产生的污泥里,成为富含甲烷的沼气。

作为传统方案的替代技术,目前讨论最多的是微生物燃料电池技术。在这一技术领域中,胞外产电菌替代了利用CO2作为终端电子受体,其呼吸链与燃料电池的阳极直接“呼吸”,这就使污水直接发出电力能源,同时省去了活化污泥池耗电量极大的曝气。在阳极和阴极之间有一定的辅助电压时,阴极除能够减少O2释放外还可以减少质子释放——氢元素产生(微生物电解)。这里所需的电力能量明显小于传统电解,因为所需的部分电力能量是由细菌提供的。


图2 “从保护水资源的角度来讲,把水资源设备与水力、能源基础设施智能化结合起来,将科学研究的成果及时落实到水资源经济利用的实践中去。”
——Markus Schröder教授,德国水、污水和废弃物处理协会DWA

这些跨学科合作项目的目标就是:利用污水中的生物化学转化技术生产可以储存、运输的可再生能源甲醇。与现有的从古生物合成气中生产甲醇的技术不同,这是可持续性发展的高能源利用效率的工艺技术。通过对市政污水、工业污水的处理,在微生物电解池获取出CO2和H2,在后续的异质催化过程中转化为甲醇。因此,首先就要研发出能够最佳生产CO2和H2的微生物电解池。与此平行展开的研究就是产生合成甲醇的新型催化器,这一催化器以微生物电解池中产生的气体为原料,而这些气体中有时会参杂有害的干扰材料和催化毒物(例如H2S,NH3),因此需要进行优化。

在项目实施的第三年中,两个局部流程工艺技术将整合成一个完整的流程工艺——建造一套从污水中生产甲醇的实验室规模样机。这一样机将在真实的操作条件下,用现实污水生产甲醇,以便来鉴定机器的性能。根据实验样机获得的数据和特性值,将对“污水—甲醇生产可持续性发展技术”总体方案进行技术性能、生态性能、经济性的评估,作为后续试点方案的基石。

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