介质生物膜技术的历史、现状与未来

在污水处理厂提标改造的驱动下,亟需开发因用地受限的原位改造技术。在此方面,颗粒生物膜(好氧颗粒污泥)突显优势。然而,颗粒生物膜技术工艺条件较为严格,颗粒形成不易、颗粒保持更难。另一种形式的生物膜——介质生物膜则因工艺条件简单、生物膜易形成且不易脱落或破碎而受到关注。纵观介质生物膜工艺的发展历程,这种最古老的污水处理形式如果能与时俱进则可能重现新的生命力,其作用与颗粒污泥相当。介质生物膜载体应继续向微细化方向发展,但应选择或合成密度略高于水的有机耐降解材料。介质微细化可使生物膜量大幅增加,无需絮状污泥再行参与,完全可借助沉淀而淘汰絮状污泥,形成以生物膜为核心的单污泥工艺。介质微细化后,介质生物膜易动态悬浮或循环,可形成间歇式或连续式同步脱氮除磷工艺。在此方面,介质生物膜的效果与颗粒污泥相同,且更容易形成生物膜并维持其稳定。

污水处理出水电解制氢可行性分析

“双碳”目标下,氢气(H2)已被定义为无污染、无碳排的“终极”能源。在众多制氢方法中,电解水制氢是最具潜力的制氢路线之一。该技术一是取决于清洁能源或谷电,再就是持续的水源供应。从全球来看,目前化石能源仍然占据主导地位(>60%),而在我国化石能源占比更是高达80%。因此,电解水制氢能源转化率以及相应的碳排放是首先需要考虑的问题。对于电解水制氢的水源问题,与地下水、地表水、海水相比,污水处理厂出水具有较大的水源优势。所以,在城市中原位建设制氢站不无可能,关键取决于电的来源。从能源结构、水源供应、经济成本和环境影响多个角度对电解水制氢进行了全方位分析。尽管电解水制氢能源转化效率仅为74.5%~83.0%,但若有夜间谷电或“弃风”“弃光”能源场景,利用污水处理出水发展电解水制氢则有可能。否则,约20%的制氢能量损耗将得不偿失。

污水处理能源中和与碳中和案例分析

污水处理过程因高耗能以及直接温室气体排放,使得逼近碳中和运行势在必行。然而,污水处理多以追求能源中和(Energy neutrality)为目的,且常与碳中和(Carbon neutrality)概念混为一谈。通过欧洲3个不同污水处理厂实例,直观解释并说明能源中和与碳中和的不同。实际运行案例表明,实现能源中和并不意味着同时可以实现碳中和,而如果实现碳中和则可以认为也同时实现了能源中和。这是因为污水处理过程中除能源消耗的间接碳排放外,还会在处理过程中直接产生N_(x)O、CH_(4)、VOCs等温室气体(从COD转化的CO_(2)因大多为生源性,所以不计入碳排放清单)。此外,各种化学药剂(如碳源、除磷药剂等)的生产与运输过程也会间接产生CO_(2)等温室气体。厂外植树造林、风力发电、外源有机物厌氧共消化固然有助于污水处理厂实现碳中和,但这些方式并非污水处理厂分内之事,应该都是“伪中和”。其实,污水处理厂要想同时实现能源中和与碳中和,只有深入挖掘污水余温热能方能实现。

微塑料在污水处理过程中的演变与归宿

微塑料(粒径<5 mm)因生产、生活使用废弃后所产生,分原生与次生两种形式。按不同检测粒径分级,原污水中微塑料数量不一,但每m3至少达千粒至十万粒以上,且多属于生物难降解成分。微塑料进入污水处理厂后主要被一级处理吸附截留去除;二级处理亦以吸附去除为主,但作用不大;三级处理可通过膜截留方式具有一定去除作用。污水一、二级处理对微塑料的总去除率约为80%,出水残留微塑料(≤20%)则进入水环境,也是目前水圈中微塑料迁移、累积的重要来源。环境中的微塑料可通过饮用水、食盐、海鲜等方式进入人体,对人类健康形成各种潜在危害。为此,介绍了污水中微塑料的来源及危害,总结了检测水中微塑料的方法,分析微塑料在污水处理过程中的迁移转化规律,阐述微塑料之环境归宿以及防范策略。

剩余污泥低温干化热源首选污水厂出水余温热能

污水处理剩余污泥干化焚烧已被确认为污泥处理、处置的终极手段,也是正在实践中的工程应用趋势。但是,干化热源选择对能源消耗特别是与之相应的碳排放至关重要。除非有高温余热可以利用,否则,高温干化不具可持续性。在此情形下,污泥低温干化已成为近年来国内外普遍关注的热点,特别是基于清洁能源的低温干化技术。为此,太阳能、微波源、空气源、地热源、污水源等低温干化技术受到广泛关注。相形之下,污水处理厂的出水余温热能则是一种易得而又未得到重视的低品位能源。匡算表明,水源热泵交换4℃温差所产生的热能(~60℃热水)便是污泥低温干化所需能量的3倍之多,不仅可以完全满足干化需求,而且还可助力污水处理厂实现碳中和运行。因此,污水厂出水余温热能分散式干化、集中式焚烧电热转化应该成为今后污泥干化焚烧的目标与方向。

下水道甲烷释放模型评价与内在控制分析

下水道产生的甲烷排放量近似污水处理过程能耗产生的间接碳排放量,其温室效应不可小觑。通过对下水道甲烷产生与释放过程模型总结、归纳,厘清了下水道甲烷排放模型差异及其适用范围。采用正交试验方法,特别对预测模型中主要控制因子影响甲烷生成量程度进行了显著性分析。计算结果显示,温度对甲烷产生量的影响程度最为显著;进行管道在线热量交换而降温技术上虽然可行但并不可取,因为这势必影响冬季污水生物处理效果。污水COD浓度与管道管径影响程度次之,但受客观条件制约也显得束手无策。归根结底,唯有减少污水管道中流动时间方有可能避免甲烷形成,对此可采用负压排水系统作为技术解决方案,但需核算能耗间接碳排放(CO_(2))与管道CH_(4)排放间的差异。投加化学药剂等外源介入措施固然可一定程度抑制产甲烷细菌活性,但必须考虑维护费用与间接碳排放等问题。

雾霾亦可诱发水体富营养化

近年来,我国水体富营养化现象较为严重,不仅影响人体健康,加剧水资源短缺,同时也给养殖业、旅游业等相关产业带来了巨大的经济损失。虽然政府投入大量财力、物力和人力进行了"综合"治理,但收效甚微,太湖、滇池、巢湖等湖泊蓝藻暴发现象频频。相关文献调研表明,大气环流对营养物循环作用不可忽视,特别是在雾霾等极端污染天气情况下。监测数据显示,无论是干沉降还是湿沉降(降雨),从大气进入地表水体的氮、磷负荷可能高于城市污水点源排放浓度。在地表水体富营养化还未得到有效控制的情况下,来自大气的"天然"营养物污染源会使得水体富营养化现象不断加剧。可见,根除水体富营养化不仅需要治理水污染,还需大力治理大气污染方可有效。

剩余污泥中PPCPs量化评价方法研究

药物和个人护理品(Pharmaceutical and Personal Care Products,PPCPs)作为一种新兴痕量有机污染物已开始备受国际关注。PPCPs通过水环境迁移与生物积累等方式几乎已遍布整个地球,它们会对人类健康及其他生物生长造成潜在危害。PPCPs一般随污水收集而进入污水处理厂;但因其难以生物降解而很难被分解;除微量PPCPs可通过逸散、光降解等方式释放大气外,大部分PPCPs要么随出水(直接)进入环境、要么被吸附于活性污泥表面(随后可能间接进入环境)。因此,需要对污泥吸附PPCPs进行量化表征。借助固-液分配系数(K_d值),建立了一种简便、快速预测PPCPs的计算方法。通过广泛收集现有文献中PPCPs的K_d值,结合北京地区污水处理厂的真实情况,分别计算出剩余污泥中33种常见PPCPs含量。尽管大多数PPCPs在剩余污泥中的吸附率不是很高(≤20%),但少数PPCPs向污泥中的绝对转移量不可小觑,高达全部33种PPCPs向污泥中总转移量的88%。避免污泥中PPCPs再次进入环境,污泥焚烧是一种有效途径。

排水管道甲烷产生影响因素及其估算方法

排水管道甲烷(CH_(4))释放属于“自然”现象,是一种容易被忽视的隐形碳排源。污水中的有机物(COD)、排水管道的厌氧环境为产甲烷细菌(MA)的滋生创造了必要条件,导致非控条件下排水管道中会不可避免地产生CH_(4)。定量估算排水管道CH_(4)生成量既有简单系数估算法,也有模型预测方式,无论哪种估算方法,我国排水管道CH_(4)年排放量都在2000×10^(4) tCO_(2)-eq/a左右,其值已经接近我国污水处理厂碳排总量(3985×10^(4) tCO_(2)-eq/a)的1/2。因此,排水管道CH_(4)排放量不可小觑。从技术角度,可通过人工干预方式对CH_(4)的生成与释放进行控制,如源头抑制(投加高铁酸盐、游离氨、亚硝酸,调节pH)、过程控制(管道设计和运营管理)、末端处理(尾气处理)等方式。

剩余污泥制取生物炭可行性分析与评价

在碳中和背景下,剩余污泥资源与能源化利用成为今后研究与应用的方向。用污水处理后产生的剩余污泥制造生物炭受到广泛关注,但是对污泥生物炭的研究却值得商榷。在简述生物炭一般制备原理与过程的基础上,通过详细计算定量评估并分析了污泥生物炭制造过程能耗、成本、性能等方面的内容,并与秸秆生物炭进行了横向比较。结果显示,污泥生物炭制备需投入大量能量(-695 kW·h/tDS),难以抵消其产能,且生产成本高达927.49元/t生物炭。相比之下,秸秆生物炭制造为净能量输出过程,平衡投入能量后仍有1400 kW·h/t秸秆的盈余能量;秸秆生物炭制备成本远低于污泥生物炭,仅为575.72元/t生物炭。在性能方面,污泥生物炭“固碳”含量仅为秸秆生物炭的20%,灰分含量却高达秸秆生物炭的两倍。显然,与秸秆生物炭相比,污泥生物炭无论是制备过程还是性能方面都不占优势。在秸秆生物炭尚未大规模推广应用的情况下,大规模投入对污泥生物炭的研究应慎行。

污泥焚烧灰分磷回收Ash Dec工艺及其研究进展

地球磷危机时代已经来临,唯有发掘“第二磷矿”才能有效遏制磷的匮乏速度。剩余污泥焚烧灰分是污水的磷汇,是实施磷回收的最佳位点。因灰分中重金属含量较高,实施磷回收需要将其分离并加以利用。否则,回收磷难以与矿物磷形成竞争。比较各种灰分磷回收方法发现,热化学法中的Ash Dec工艺可利用金属氯化物实现重金属挥发分离,且可在尾气净化系统中实现重金属回收,从而同步获得具有高生物利用度的富磷相。为此,首先介绍Ash Dec工艺原理;继而讨论重金属挥发限制性因素、列举欧洲Ash Dec工艺案例以及目前法规与政策、阐述焚烧灰分作为磷肥生产原料的潜力;最后,探讨Ash Dec从尾气净化系统中回收重金属的可行性与研究现状。