将污水处理厂变成发电厂

污水也能成为一种新能源

文章来源:PROCESS《流程工业》 发布时间:2019-03-20
整个欧洲的污水净化处理设备消耗的电力能源占总电力需求的1%左右。污水净化处理厂给市政和工业企业带来了高昂的运营成本,但污水中的有机物质的化学能量高达87 000 GW/h,这相当于12座发电厂发出的电力能源。

整个欧洲的污水净化处理设备消耗的电力能源占总电力需求的1%左右。污水净化处理厂给市政和工业企业带来了高昂的运营成本,但污水中的有机物质的化学能量高达87 000 GW/h,这相当于12座发电厂发出的电力能源。

能源消耗与生产的结合

能源消耗与生产的结合

污水净化处理厂必须积极地创造电力能源。为实现这一目标,欧盟资助的Powerstep项目将电力能源生产(例如沼气生产和沼气发电前的预处理)与污水净化处理技术结合到一起。

典型的常规污水净化处理设备包括初淀池和去除碳、氮和磷化合物的生物降解设备。在整个污水净化过程结束后,由曝气池生物降解和热电联产回收利用的电力和热能,仅为可回收利用能源潜力的10%左右(18 kWh/EW*a)。这些能源可以完全被污水净化处理厂自身使用,例如用于曝气、搅拌、流体运输和采暖。

污水中的有机物质中含有大量的化学能,这些化学能完全可以填补污水净化处理所消耗的能源,甚至还有可能富余。但是现代化的能源密集型活性污泥法仅在有限的范围内利用了这些化学能。污水中的有害物质被微生物化学药剂氧化成二氧化碳,这虽能够把污水净化得非常干净,但却几乎丢失了污水中所有的化学能利用潜力。整个欧洲为这一污水净化过程每年消耗的电力高达1 600 GW/h,相当于2个装机容量1 000 GW发电厂的年发电量。

从保护环境的角度来讲,未来的污水净化处理厂也应该利用好这一潜在的化学能,进一步减少石油能源的消耗。尽管如此,每一个污水净化处理厂的基本任务都是污水净化,绝不能因能源利用受到负面的影响。

节约能源的途径

能源消耗与生产的结合

经过3年的理论研究和实践考察,在柏林水能力中心指导下,由欧盟15国研究中心和工业企业参与合作的Powerstep项目正式启动了,并于2018年5月展示了合的第一批成果。

德国的污水净化处理厂在污水入口处用滚筒筛对污物和含碳物质进行了机械过滤,在一定程度上为污水中的细菌提供了生存条件。这就可以因减少污水中的污物而节约一部分能源,同时也可以将污水中产生的高能初沉污泥输送到沼气罐中去。但是这一系统很难保证细菌按照规定的要求净化污水。

对入口处的原始污水进行过滤的技术装备一共进行了18个月的测试。结果表明,使用的滚筒筛运行平稳,维护保养的成本也非常低廉,且可以过滤高达80%的有机污物。在通过了第一阶段的测试之后,该污水净化处理厂全部改用了这一新技术。改造以后的污水净化处理厂所产生的能源远远超过污水净化所需要的能源。

瑞典的污水净化处理厂采用了一种新的除氮技术(厌氧氨氧化反应器试运行,带显微过滤的装置)。与传统污水净化处理厂相比较,已不再需要碳源。在大规模试验时,对单级和双级的除氮系统进行了测试,并在低温和稀释污水等困难条件下对新型除氮技术进行了优化。

在丹麦的污水净化处理厂中采用了新的二氧化碳生物降解技术。利用一个600 kW的电降解槽生产氢气,并将微生物降解过程中产生的CO2转化为甲烷。利用这种将电力转化为气体的工艺技术,污水净化处理厂可以将剩余风能电力转化成甲烷并保存起来。

Powerstep项目的试验也进展顺利。热电联产发电厂为提高能效采用了一项创新技术,能够有效利用污水净化处理厂的余热。由于这一设备使用的热电元件价格较高,目前运行的经济性较低。但未来利用计算机模型可以模拟如何将污水净化处理厂产生的电力能源灵活地接入到市电电网,以便最佳利用波动的市场电价,降低电力能源费用。

奥地利的污水净化处理厂对现有的两级活性污泥法进行了技术改造,增加了含氮污水的处理工艺。通过支流除氮可以节约电力能源,这提高了整个污水净化过程的效率。因此污水净化处理厂可以直接把测试结果纳入正常的操作规程中。

瑞士的污水净化处理厂利用膜萃取技术,把从污水中回收氮元素变成直接在农业领域中使用的液体肥料。这一技术已经被瑞士的污水净化处理厂认可并将使用。由于这一技术减少了污水净化处理设备的温室气体排放量,因此瑞士的气候保护计划也将出资支持这一技术的推广应用。

从理论上讲,大多数污水净化处理厂至少可以做到能源平衡。但经试验研究发现,污水中含有的潜在能量比污水净化技术消耗的能量要大很多。这一研究成果表明污水净化处理厂未来能从一个耗能大户变成一个能源供应商。

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