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新闻正文

我国市政污水处理行业低碳发展的探索与初步成效

分类:
新闻中心
2021/08/09 13:30

 近年来,一些市政污水处理厂在经济可行的条件下先行先试,探索污水能源利用、污泥热能利用、企业运营节能和光伏发电,取得了初步成效。
 
1 污水热能的利用情况
 
  我国对于污水源热泵的探究起步较晚,在1985年才将热泵技术定为重点推广课题,通过近些年的研究与发展,国内已建成多个污水源热泵系统并投入使用。污水源热泵充分利用污水水温恒定的特点,能够从污水中高效提取热量,制冷及制热系数可达3.5~4.4,可在稳定供暖制冷的同时,降低用电量,实现污水热能的开发利用。一些典型案例如下:

      1)北控水务海港区西部污水处理厂处理规模为12万吨/天,利用污水处理后的中水作为水源热泵热源,为厂区办公楼和生产生活区域提供采暖和制冷保障。水源热泵两台,每台制热功率为436.8千瓦,制冷功率为394.9千瓦,综合性能系数为5.74。每年的制热输出量为3.27亿千瓦时,制冷输出量为0.29亿千瓦时。

      2)首创恒基大连大开污水处理厂通过建造热泵站对污水热能加以利用,制热功率为98千瓦,制冷功率为76千瓦,每年的制热输出量为854亿千瓦时,制冷输出量为427亿千瓦时,全覆盖大开污水处理厂、大连恒基再生水厂、恒基环保学校的供暖需求和制冷需求。

      3)天津创业环保大连春柳河污水处理厂一期项目的供暖采用水源热泵机组,冬季采暖供水温度达到50℃,回水温度达45℃;污水用量为100立方米/小时,总热负荷为298千瓦;选用制热量为413.2千瓦、制热功率为86.3千瓦的热泵,每年制热输出量为1.07亿千瓦时(每年供暖期150天)。目前已投入使用,供热总建筑面积约4000平方米,满足厂区内办公及生产用房采暖要求。

      4)北京排水集团积极推广水源热泵的开发与利用,在北京高碑店再生水厂、小红门再生水厂、槐房再生水厂、清河再生水厂、清河第二再生水厂、酒仙桥再生水厂、定福庄再生水厂、高安屯再生水厂、北小河再生水厂、卢沟桥再生水厂、吴家村再生水厂等11座再生水厂,均应用了水源热泵。2016~2020年,上述水厂累计供热量为530万吉焦,累计节约天然气约1.6亿立方米,年供热量为106万吉焦,年节约天然气3180万立方米,为集团内外共计160万平米项目提供供暖及制冷服务。
 
2 沼气和污泥的热能利用情况
 
2.1 污泥沼气的利用情况
 
  污泥厌氧消化过程的碳排放量相对较低,且具备实现负碳排放的可能。污泥厌氧消化耦合沼气热电联产项目,可以实现热、电两种能源的回收利用,提高能源利用效率。目前我国污泥热电联产已应用在多个项目上,并取得了明显的碳减排效果。

       由于我国污水处理厂进水浓度相对较低、污泥含沙量大等原因,目前厌氧消化工艺在整个污泥处理处置市场中占比仅为15%左右。随着碳减排政策的逐步推进,污泥厌氧消化后的沼气可转化为热能,实现能源自给后可对外输出,因此此类项目将得到市场重视。一些典型案例如下:

      1)上海城投的白龙港污水处理厂采用中温厌氧消化系统,处理规模为204吨总干污泥量/天,沼气产量约为40 000立方米/天,沼气转化为热能用于厌氧消化系统热能供应,厌氧消化热能自给率达100%。多余的沼气还可用于部分污泥干化对热能的需求。

      2)北控水务的北戴河新区污泥处理厂项目的日处理规模为300吨(80%含水率),处理工艺采用分级/分相厌氧消化工艺,产生的沼气经提纯后,一部分可用于预处理单元的原泥预热,另一部分可用作车用燃气。3)北京排水集团小红门再生水厂采用污泥高级厌氧消化工艺,年产沼气1300万~1500万立方米,可替代电能3000万~3300万度。

     此外,北京排水集团还在北京中心城区建设了高碑店等五座污泥处理中心,通过逐步完善沼气发电耦合热电联产技术,预计2021~2022年这五座污水处理中心可实现沼气全利用目标,预计可替代污水污泥处理全过程18%~20%的电能,每年预计可减少二氧化碳排放约8万吨。
 
2.2 污泥焚烧的热能利用情况
 
  污泥焚烧热能利用,即采用专用焚烧炉进行污泥独立焚烧,污泥在焚烧过程中产生的烟气热量在尾部烟道中通过空气预热器和省煤器分别加热燃烧所需空气以及干化所需的导热油,以达到热能利用的目的,同时污泥焚烧的余热还可进行发电。目前污泥自持焚烧在我国已有较为成熟的应用案例:1)常州锡联环保的夹山污泥焚烧项目,采用流化床对干基热值1700~2200卡/克的污泥进行焚烧,污泥焚烧产生的约850℃的高温烟气在尾部烟道中通过空气预热器和省煤器分别加热燃烧所需空气以及干化所需的导热油。目前已将导热油热能的额外回收列入计划,预计每小时热回收量将超过1000千瓦。2)上海国惠辛集污泥焚烧发电厂项目,日处理含水率为80%的污泥1300吨。利用污泥焚烧余热进行发电和供汽,年发电量8640万度,除自用外,还可上网供电。项目自建成投产以来已处理污泥57万吨,相当于标准煤19万吨,减少因燃煤产生的二氧化碳排放49万吨。
 
3 企业运营的节能情况
 
  污水处理企业的运营节能一般通过精细化智能管控和新技术的应用来实现。
 
3.1 污水处理厂运营精细化智能管控的节能情况
 
  精细化智能管控,即通过采用先进的管理思维和技术手段,提供一套应用于污水处理厂的集智能化控制、物联网接入采集、一体化中央监控、移动化管控平台、大数据分析和科学化决策于一体的自动化、智能化、智慧化污水处理厂整体解决方案,在实现污水处理厂少人或无人化生产运营管理的同时,达到节能降耗的目的,特别是实现对电耗和药耗的控制。
 
  精细化智能管控目前在我国处于发展阶段,大部分企业正通过“试点带动局部”再到“全面布局”的方式在集团内部开展精细化智能管控的推广,目前已初见成效,典型案例如下:

     1)北京排水集团重点对鼓风曝气系统及药剂投加系统展开精准控制,曝气能耗降低了10%,药剂投配率降低了30%~50%。通过精准控制系统的运行,全集团每年可降低电力消耗1500万~2000万度,减排二氧化碳9000~12 000吨。

     2)北控水务构建了基于大数据的水厂信息数据中心,建设了水厂生产运营系统,建立了集约化的管控体系,建立了分析决策支持系统,建立了规范的业务流程,建设了运营移动互联APP应用系统,建成了基于云计算、大数据的智慧水务系统。通过智慧水务的运行,2020年北控水务原材料费用下降5339万元,原材料吨水成本下降25.8%,年节约碳源15 000吨,年节约除磷剂20 000吨,并大幅减少了二氧化排放量和剩余污泥量。

     3)首创股份聚焦于重点能耗设备的运行效率管控,通过多项举措的落地和能力建设的深入,实现电耗、药耗的精细化管控和合理节约。合肥十五里河污水处理厂通过能效管控平台的辅助,吨水电耗同比降幅达10%以上。长治污水处理厂通过生物建模技术的辅助,最终实现碳源药耗降低50%以上。成都陡沟河污水处理厂通过应用智能曝气控制系统,曝气系统的节能率达12.5%,全年可节约用电约15万度。临沂青龙河净水厂通过实施智能药剂投加系统,吨水碳源投加量降幅达13%,吨水除磷剂投加量降幅达27%。

     4)上海城投的白龙港污水处理厂在精细化智能管控方面也做了相应布局,在污水生物处理中实施精确曝气措施,在保证出水达标的前提下,按需提供微生物所需的溶解氧,避免曝气能耗的浪费;在污水除磷处理中,通过智能计算和调控,实现按需调整加药率并精准加药,在满足出水达标的前提下,避免了药剂的过量投入。
 
    5)中环水务的贵阳六广门再生水厂处理量为12万吨/天,工艺智能优化系统采用模糊逻辑和闭环自动控制原理,系统可实现精确曝气、精确加药、精确回流、进水异常处置等,实现生化处理系统运行效果的优化控制,节省设备的用电量。
 
3.2 污水处理厂新技术应用后的节能情况
 
3.2.1 好氧颗粒污泥技术
 
  该技术属于最具发展潜力、可替代传统技术的战略性前沿生物处理技术之一。与全球范围广泛使用的传统絮状活性污泥法相比,好氧颗粒污泥技术的微生物富集量是传统技术的2~3倍,其生化反应效率高,出水水质好,占地面积比传统工艺节省20%以上,药耗、能耗都有明显的降低。国内头部企业已通过自主研发攻克了该技术的工程应用瓶颈,突破了国外的技术封锁。北京排水集团2019年建成并运行好氧颗粒污泥方庄城市污水示范项目(1800立方米/天),正在建设大规模的吴家村好氧颗粒污泥城市污水处理项目(80 000立方米/天),预计项目建成后因降低耗电量可较传统活性污泥技术减少碳排放882吨/年,其中2021年7月将实现一期(20 000立方米/天)调试运行(见表1)。首创股份河南省南阳淅川县马镫污水处理厂应用自主研发的CREATE好氧颗粒污泥技术进行提标扩容,深入挖掘处理潜力,原位扩容3倍以上,降低能耗、药耗20%以上,降低人工成本30%,同时出水水质更稳定。
 

 3.2.2 同步硝化反硝化技术
 
  北控水务徐州睢宁污水处理厂日处理城市污水4万吨,生化处理采用A2O工艺,长期进水碳氮比偏低(COD/TN为4:1),为确保出水总氮稳定达标,日常运行中需补充大量碳源,大大增加了污水处理成本。自2018年起,污水处理厂逐步尝试采用同步硝化反硝化工艺,经过运行验证,优化后的系统运行稳定:出水COD、氨氮等保持原有处理效果;总氮得到明显控制,出水总氮稳定下降1.5~3.5毫克/升;碳源添加量下降15毫克/升;日处理能力提高2000~4000吨。
 
3.2.3 厌氧氨氧化技术
 
  该技术是当今前沿的污水生物脱氮技术,其利用亚硝态氮与氨氮反应直接生成氮气,与传统污水处理工艺相比,可节省占地、投资和运行费20%以上,节约能耗30%以上,节约药剂90%以上,全过程碳排放减少50%以上,为未来实现城市污水处理厂能源自给和能源供给提供支撑。北京排水集团自主研发了系统性厌氧氨氧化技术体系,已在北京五个污泥处理中心建成大规模的厌氧氨氧化污泥消化液脱氮工程,总处理规模15 900立方米/天,每年因降低耗电量可减少碳排放1.05万吨(见表2)。
 

3.2.4 其他探索性工艺
 
  具体包括:1)免灭菌合成聚羟基脂肪酸酯技术。免灭菌合成聚羟基脂肪酸酯(PHAs,俗称可降解生物塑料)技术,即利用污泥消化液制备可降解生物塑料。北京排水集团已建成污泥合成PHAs中试系统(250升/天),利用1吨污泥(80%含水率)可生产8千克PHAs,开辟了市政污泥资源化利用新途径,从而替代石油基塑料。2)厌氧序批式消化工艺。此工艺可深挖污泥生物质能回收潜力,提高可再生能源产率,北京排水集团已在研究开发厌氧序批式消化工艺(ASBR)、微电压驱动高速厌氧消化工艺等,预计将提升产气率10%~15%,节省厌氧消化池池容50%以上,通过微电压强化可提升产甲烷速率50%以上,停留时间可缩短25%以上。3)超磁分离+低碳双泥龄复合脱氮工艺。首创股份东坝污水处理厂应用“3R WATER未来污水处理技术”的污水处理厂,涵盖资源转化、能源回收、低碳和谐三要素,核心工艺采用超磁分离+低碳双泥龄复合脱氮工艺,有效提高了污水处理厂的能源自给率,实现了高品质碳源、高纯磷资源及污水热能的回收和再利用。
 
4 厂内太阳能面板铺设与发电情况
 
  污水处理作为高耗能行业,光伏发电系统在污水处理厂的应用对缓解污水处理厂高耗能问题具有重要意义。目前,我国污水处理厂与光伏发电项目的结合尚处于发展阶段,部分企业已在探索利用污水处理厂的初沉池、曝气池、膜池、清水池等构筑物上方空间安装光伏发电设备,以实现削峰填谷、清洁发电。一些典型案例如下:

     1)截至“十三五”末,北京排水集团已在小红门、清河、酒仙桥三座再生水厂运行分布式光伏发电项目,总装机容量达到18.7兆瓦,年均发电量2400万度,可降低二氧化碳排放约1.45万吨。“十四五”期间,北京排水集团将进一步扩大再生水厂及管网泵站分布式光伏发电设施建设,预计新建总装机容量17兆瓦,年发电量达1800万度,每年可降低二氧化碳排放约1.1万吨。

     2)中环水务已在多个污水处理厂运行分布式光伏发电项目,并对降低二氧化碳的排放做出了明显贡献。蚌埠第二污水处理厂的光伏发电量占水厂总用电量的10%。肥城市康龙污水处理厂二期,处理规模为4万吨/天,光伏发电量占水厂总用电量的15%。淇县城南污水处理厂,处理规模为3万吨/天,光伏发电量占水厂总用电量的29%。淇县城南新建污水处理厂,处理规模为3万吨/天,光伏发电量占水厂总用电量的7%。淇县城北污水处理厂,处理规模为3万吨/天,光伏发电量占水厂总用电量的28%。

     3)金风环保的阳谷国环水厂项目装机容量峰值为1336.28千瓦,光伏首年峰值小时数为1340.46小时,25年年均发电量为133.7万度;项目厂区年用电量约800万度,通过远程能源监管平台对用电行为的监察,降低用电量5%。截至目前,水厂的绿电使用率已达16.2%,节能达15.8%。

     4)创业环保春柳河污水处理厂利用生物池及车间房屋顶设置光伏发电系统,设计光伏系统的总面积为4130平方米,光伏系统总装机容量峰值为1.177兆瓦,年发电量约为66万度。目前,光伏发电项系统已投入使用,日均发电量2923度,约占日总用电量的16%。

     5)首创集团对污水处理厂的分布式光伏发电项目亦有所布局。合肥市的十五里河污水处理厂、小仓房污水处理厂和陶冲污水处理厂厂内建设了分布式光伏发电项目,利用污水处理厂建筑物的顶面和厂区空地面积铺设太阳能光伏板,项目总投资3840万元,总装机容量约9.7兆瓦,其中小仓房污水处理厂约3.9兆瓦、陶冲污水处理厂约2.1兆瓦、十五里河污水处理厂约3.7兆瓦。

     6)北控水务目前已有超过42家污水处理厂采用光伏发电,总装机容量超过32.19兆瓦。以江苏宜兴污水处理厂分布式光伏发电项目为例,江苏宜兴污水处理厂分布式光伏发电项目位于宜兴市,覆盖宜兴市城市污水处理厂、宜兴市新建污水处理厂、宜兴市官林污水处理厂、宜兴市南漕污水处理厂、宜兴市徐舍污水处理厂、宜兴市西渚污水处理厂、宜兴市张渚污水处理厂和宜兴市和桥污水处理厂8个污水处理厂,利用厂区内污水池、沉淀池、絮凝池上方空间,办公楼屋面,新建厂区道路光伏通廊和光伏车棚建设光伏电站,总安装容量约8.1兆瓦,采用0.4千伏电压等级并网、“自发自用,余电上网”模式,于2017年年底完成并网。

     7)上海城投的白龙港污水处理厂计划在生反处理池上方加装光伏板,实施光伏发电,设计光伏装机容量峰值为108兆瓦,设计年均发电量约为1亿度,预计年均25%的总用电量可实现绿色能源替代。

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