厌氧水解活性污泥法的生命周期能耗分析

厌氧水解-活性污泥法的生命周期能耗分析Life-cycleAnalysisofEnergyUseinAnaerobicAcidification-ActivatedSludgeProcess杨健（同济大学环境科学与工程学院上海200092）摘要：运用生命周期分析技术可从全过程的视角识别和比较不同城市污水处理工艺在其生命周期各个阶段的能耗，并在此基础上提出改善其能效的措施。本文运用LCA方法对厌氧水解-活性污泥法处理系统从其原材料开采和加工开始直至污水厂施工建设、处理运行以及废弃拆除的LC全过程能耗进行了识别和量化分析，并与普通活性污泥法进行了平行对照。研究结果表明，在微孔和穿孔管两种曝气条件下与普通活性污泥法相比，厌氧水解法的LC能耗分别节省14.0%和17.6%。由于污泥产量较低，厌氧水解法的比能耗大幅度提高67.7%～77.7%。关键词：生命周期厌氧水解-活性污泥法能耗比能耗AbstractTheanaerobicacidification-activatedsludgeprocesshasbeenevaluatedusingthetechniqueof“life-cycleanalysis”toidentifyandquantifyitsenergyuse,startingfromrawmaterialextraction,throughmanufacturetoplantconstruction,treatmentoperationandplantdemolition.Thisenabledacomparisontobemadebetweenprocessoptions,andtheidentificationofopportunitiesfortheimprovementofenergyconsumption.Inthisstudy,acomparisonofAAASprocessandconventionalactivatedsludgeprocesshasshownthattheAAASprocess,withlowerrateofsludgeproduction,wasfoundtohave67.7-77.7%higherspecificenergyconsumptionanduse14.0-17.6%lessLCenergythantheconventionalprocess.KeywordsLifeCycleAnaerobicAcidification-activatedSludgeProcessEnergyUseSpecificEnergyConsumption〖WT〗1引言目前，我国城镇二级污水处理厂一般采用活性污泥法处理工艺，其运行费用较高。其中主要为能耗费用，约占运行费用的60%～70%，属能耗密集性行业。从环保角度进行分析，能耗高不仅影响污水处理成本，而且直接影响到能源资源的可持续利用以及能源生产过程所产生的环境污染问题。按照我国可持续发展的要求，城市污水处理技术的能耗水平正成为受到日益重视的技术和环境指标。厌氧水解-活性污泥法是在普通活性污泥法基础上进行革新改进的一种新型处理工艺，近年来在我国的运用呈发展趋势。但迄今为止对该工艺进行的能耗分析只偏重于其处理运行过程，尚不能从该工艺的生命周期全过程对其能效水平作出评估和论证。显然，在全社会都在关注可持续发展，城市污水处理领域也在向“源头控制，清洁生产”的全过程环境管理模式转换的今天，传统的能耗分析方法已无法满足污水处理工艺全过程能耗分析的要求。本文运用生命周期评价（简称LCA）方法对厌氧水解法的能耗水平进行识别和分析。LCA是一种新型的环境影响评价技术和方法体系，可针对厌氧水解法“从摇篮至坟墓”整个生命周期内，即从其自然资源开采和原材料获取开始直至施工建设、处理运行以及废弃拆除各阶段所产生的所有能耗问题进行系统的量化分析，并以此为基础作出生命周期能耗的评估和完善化分析。厌氧水解法处理系统的生命周期（简称LC）可分为三个阶段，即施工建设（包括建设材料的开采和加工制造）、生产运行和废弃拆除阶段，如图1所示。图1厌氧水解法的生命周期2目标与范围2.1LCA能耗分析对象本文以拟建于上海市郊的厌氧水解法处理系统作为LCA能耗分析对象，主要污水处理流程包括格栅井、进水泵房、沉砂池、厌氧水解池、曝气池、二沉池、回流设施、消毒池等。污泥处理单元包括污泥浓缩池、储泥池、污泥泵房、污泥调理和污泥脱水等。其主要工艺参数［4］见表1。同时，将普通活性污泥法作为该工艺能耗分析的平行对照工艺。表1厌氧水解法主要工艺参数水解酸化池：停留时间3.0h，表面负荷2.0m3/m2.h，每人每日酸化污泥量12g/人.日，污泥含水率96%，酸化池有效水深4.0米，采用上流式污泥床；主要处理效率：BOD5去除率45%，COD去除率50%，SS去除率60%；曝气池：曝气时间4h，泥龄8.9d，污泥负荷0.3kgBOD5/kgMLVSS.日，容积负荷0.6kgBOD5/m3.d，MLSS=2500mg/L，MLVSS=2000mg/L，污泥回流比=30%～50%，剩余污泥产率系数0.5；二沉池停留时间2.0h，表面负荷1.0m3/m2.h；沉淀池有效水深2.0m，泥斗角度60°，污泥含水率99.4%；活性污泥系统处理效率：BOD5去除率86.7%，COD去除率76.7%；2.2LCA评价功能单位本研究以上海市郊具有代表性的中等规模城镇污水厂10000t/d作为LCA分析的功能单位，用于计算污水处理系统的输入与输出。在本LCA中厌氧水解法和作为比较对照的普通活性污泥法均采用此功能单位，从而使这两种处理系统具有可比性。2.3污水厂运行期限由于处理技术的不断发展，污水量的增长以及出水排放要求的不断提高，大部分城市污水处理厂在15～20年内需要某种程度的改造和更新。因此，本研究中两种处理设施在处理运行上产生的能耗问题均按20年的运行期进行考虑。2.4地理位置和气象条件拟建城市污水厂建于上海郊区，该地区地势平坦，河流纵横，湖塘密布，地面标高在3.5～4.2m，是典型的江南水乡。上海市郊属北带季风海洋性气候，全年四季分明，温和湿润。2.5处理系统进出水水质城镇污水进出水水质见表2。表2城镇污水进出水水质/（mgL-1）污染物指标BOD5CODCrSS氨氮进水浓度20050020030出水浓度3012030252.6LCA分析方法本文采用ISO14040标准《生命周期评价-原则与框架》和ISO14041标准《生命周期评价目的与范围的确定和清单分析》以及其他相关文献作为LCA的依据。3能耗分析清单3.1施工建设阶段能耗施工建设阶段的能耗主要由①各种建筑材料生产能耗、②建筑施工直接能耗③建筑材料运输能耗三部分组成。本文采用统一的能量单位表达不同形式的能量，电耗按燃料热当量（热电转换率以32%计）计算，即1kW.h=11080kJ。3.1.1建材生产能耗清单根据工程分析数据和有关文献资料［1，3］计算出厌氧水解法的建筑材料数量，然后可根据其消耗量及该类建材单位生产能耗［2］计算得出建筑材料生产能耗，分别列于表3。表3厌氧水解法主要建筑材料及其生产能耗109kJ材料名称单位材料数量材料能耗材料名称单位材料数量材料能耗水泥t19911.79碎石t175000.35锯材t1310.07铸铁管t1091.65钢材t28410.2钢管t853.07砂t73000.07闸阀t381.073.1.2建筑施工能耗清单施工能耗可根据施工面积（3968m2）以及单位面积的施工能耗［2］进行计算，见表4。表4建筑施工单位能耗/(kJm-2)序号项目单位能耗序号项目单位能耗1场地清扫100008人员运输4599302材料堆放52209材料运输1987403起重机运行3975010卫生与采暖45404场地布置5224011铺设屋面11405基础开挖2726012绿化22706土方挖填1703013临时供电226507空气压缩机227014合计13280003.1.3建筑材料运输能耗清单建材运输能耗可根据各方案的建材消耗量、运输里程及其运输单耗［2］进行计算。其中建筑材料运输里程平均取20km，运输单耗为1836kJ/t.km。3.2运行阶段能耗3.2.1处理运行能耗厌氧水解法处理工艺采用穿孔管和微孔两种曝气方式时的运行能耗清单见表5表5厌氧水解法运行能耗清单序号处理单元厂内能耗/(106kJd-1)序号处理单元厂内能耗/(106kJd-1)1污水提升4.757二沉池0.102预处理0.408消毒0.233厌氧水解池0.109污泥浓缩0.054曝气池A9.10/B17.7210污泥脱水0.565回流泵0.9811卡车运输0.31微孔曝气运行能耗合计（A）：16.58×106穿孔管曝气运行能耗合计（B）：25.20×106〖HJ〗3.2.2运行材料间接能耗清单依据有关文献［2］，运行药剂的比能耗为①消毒剂Cl2间接比能耗为4.4kW.h/kgCl2；②污泥调理剂石灰间接比能耗为66kW.h/t干泥；⑶FeCl3投加量间接比能耗为55kW.h/t干泥；由此可计算出厌氧水解法运行材料的间接能耗。3.3拆除阶段能耗本阶段的能源消耗主要与进行拆除作业的机器设备有关，主要包括①拆除作业能耗②复土、填充材料运输能耗两部分。根据有关文献，拆除能耗按建设能耗的90%计算；复土、填充材料运输能耗则按照施工面积、复土填充平均深度（1.5m）、复土填充材料平均比重（2.0）和平均运输里程（2.0km）进行计算。3.4生命周期能耗厌氧水解法和对照工艺LC各个阶段的能耗构成清单见表6。表6两种工艺LC能耗清单序号名称普通法厌氧法序号名称普通法厌氧法1建材生产1.741.659运行阶段B24.8820.162建设施工0.510.4810复土运输0.010.013材料运输0.100.0911拆除施工0.450.424建设阶段2.352.2212拆除阶段0.460.435处理运行A13.0210.9213LC能耗A19.9217.136处理运行B20.7916.6014LC能耗B27.6922.817运行材料4.093.5615相对比例A100%86.08运行阶段A17.1114.4816相对比例B100%82.4*本表中A采用微孔曝气，B采用穿孔管曝气。4LC能耗分析4.1LC能耗的相对比较厌氧水解法的生命周期能耗由原材料开采加工、污水厂建设施工、处理运行和废弃拆除等阶段的能耗组成，其中处理运行能耗占63.8%～72.8%，材料能耗占22.8%～30.4%。从两种对照工艺LC能耗的相对比较可以看出，厌氧水解法的各单项能耗和LC能耗均低于普通活性污泥法，在微孔曝气条件下可节能14.0%，在穿孔管曝气条件下可节能17.6%。普通活性污泥法工艺耗能最主要的环节是运行能耗，约占该工艺LC能耗的65%～75%，而厌氧水解法的运行能耗仅为普通活性污泥法的80%～84%。4.2不同曝气方式的LC耗能分析厌氧水解法工艺采用不同曝气方式的LC能耗的比较见表6。采用微孔曝气可比采用穿孔管曝气节省LC能耗24.9%。4.4比能耗分析处理系统的比能耗指其单位能耗BOD5降解量。污水处理过程中进水BOD5总量经处理后部分被降解，部分随尾水排放，部分以污泥的形式排出。因此，污水处理过程中实际被降解的BOD5数量应为进水BOD5总量减去尾水和污泥排放的BOD5数量。从表7可看出，厌氧水解法进水BOD5经处理后31.4%转化为污泥，7.5%随尾水释放环境，实现降解的高达61.1%。与普通活性污泥法相比，厌氧水解法实际降解量高出44.6%，主要体现在污泥BOD5的降解。一方面由于LC能耗较低，另一方面由于处理过程中实际降解量大幅度提高，厌氧水解法的比能耗为0.39～0.52kgBOD5/度，比普通活性污泥法大幅度提高67.7%～77.7%。表7比能耗的比较/(kgBOD5kW-1h-1）序号项目普通法A普通法B厌氧法A厌氧法B1进水BOD5量/106kg14.614.614.614.62尾水BOD5量/106kg1.461.461.101.103污泥BOD5量/106kg6.976.974.584.584BOD5降解量/106kg6.176.178.928.925LC能耗/106kW.h19.9227.6917.1322.816比能耗0.310.220.520.394.5节能措施完善化分析从LCA评估结果看，厌氧水解法由于其LC能耗较低、大幅度减少了污泥排放量、提高出水水质等工艺特点，在能效水平上具有明显的优势。要进一步提高该工艺的能效，首先应进一步提高厌氧水解的处理效果，因为这样可收到节约能耗和减少排泥量的双重效果，对提高能效的贡献率是最至关重要的，并且实际上提高厌氧水解处理效果的有关研究已见报道。其他节能措施包括根据活性污泥法的工艺特点采用能效高的曝气设备，对污水提升系统、曝气系统和药剂投配系统进行计算机自动控制等。通过计算机优化控制污水提升泵的开启和关闭，并使提升泵处于最佳工作效率。曝气系统是厌氧水解法能耗最多的处理单元，实行良好的运行控制对节约能耗尤为重要。采用计算机回路控制可在绝大多数时间内将曝气池的DO保持在2mg/L左右，从而提高了氧利用率，可减少能耗20%～30%左右。此外，污水处理的药剂也是一笔相当可观的间接能源费用，通过计算机回路控制可最大程度地减少药剂耗用量。5结语（1）厌氧水解法的生命周期能耗由原材料开采加工、污水厂建设施工、处理运行和废弃拆除等阶段的能耗组成，其中处理运行能耗占63.8～72.8%，材料能耗占30.4%～22.8%。（2）在微孔曝气条件下可比普通活性污泥法节约LC能耗14.0%，在穿孔管曝气条件下可节约LC能耗17.6%。（3）厌氧水解法采用微孔曝气可比采用穿孔管曝气节省LC能耗24.9%。（4）由于大幅度提高了污泥降解量、LC能耗较低和出水水质较好的原因，厌氧水解法的比能耗为0.39～0.52kgBOD5/kW.h，比普通活性污泥法大幅度提高67.7%～77.7%。（5）进一步提高厌氧水解池的污水和污泥处理效能和优化运行控制已成为提高其LC能效的重要途径。参考文献1.上海市建设工程定额管理总站.上海市市政工程工程估算指标.同济大学出版社，上海，1999，649～652，853.2.W.F.OWEN.污水处理能耗和能效.能源出版社，北京，1989，12.23～24，113～114.3.刘江龙.环境材料导论.冶金工业出版社，北京，1999，7，2，16.4.王凯军.低浓度污水厌氧水解处理工艺.中国环境科学出版社，北京，1991，2.118-120