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再生水回用于饮用—实现能量回收的新方法

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-05-16  来源:北极星网  浏览次数:272

  在常规淡水资源受限的情况下,再生水回用于饮用(Potable Water Reuse-PWR)技术可提供安全和可持续的供水。视乎水源的类型,一般来说基于地表水的传统供水的水处理能耗(不包括输水和配水)通常为0.05-0.37kWh/m³,地下水供水则为0.19-0.58 kWh/m³,苦咸水淡化为0.26-2.6 kWh/m³,海水淡化为3.7-4.4kWh/m³。 在某些地区,从外地调水是比较独的特解决方案,其成本主要取决于运输距离和海拔差异,例如美国加州的水道调水工程仅运输的能耗就高达0.79kWh/m³,这还没包括水处理的能耗。

  世界各地的许多地区已经有不少再生水回用于饮用的案例。现有解决方案的能耗范围在1.15-2.00kWh/m³之间。尽管与苦咸水/海水淡化相比,这些PWR方案的成本效益已经相对更优,但与传统的饮用水处理相比它们的单位能耗依然显著。

  PWR技术已经有50多年的实践历史了,个别一些处理工艺的显著改进和水质监测技术的提高也已经增强了全球饮用水回用实践应用的信心。然而,公众信心的缺乏、监管方面的不确定性,以及高能耗和随后的高运营和维护成本,都阻碍了PWR的进一步普及。另一方面,随着大家对水质要求愈加严格,将有新增的工序来满足新兴的微生物和化学污染物的处理要求,这将进一步增加日后水处理系统的能耗。

  在过去,其实已经有些显著的工艺优化提高了能效,主要通过改进活性污泥工艺的曝气系统,以及高压膜过滤和厌氧工艺的能量回收装置。然而,目前再生水厂的设计理念仍然沿袭最初的生物处理和脱氮除磷,然后进行深度处理,而不太关注同步能量回收。市政污水的进水COD 浓度约为250-950mg/L,视乎消耗的COD负荷,不同的计算有不同的结果,但一般来说,它的潜在能量值为1.66-1.93kWh/m³(COD = 430-500mg/L)或高达3.09-3.86kWh/m³(COD = 800-1000mg/L)。 而包含硝化工艺的活性污泥法(CAS)的典型能耗为0.35-0.80 kWh/m³。所以要让PDR不仅是技术可行能够实现水质要求,而且要实现更高的能效,我们需要花功夫去研究能够整合能量回收和资源回收的综合解决方案。

  在这样的大背景下,由Jörg Drewes教授领导的德国慕尼黑工业大学团队提出并设计了三种新思路PWR方案,将碳和氮的能量回收整合在一起。Drewes教授的研究重点在于下一代可持续发展的城市供水系统。这些系统包括垃圾和污水的能量回收、膜混合工艺、人工化的天然处理系统,特别是地下水补给、水循环以及水环境中新型微量有机化学品的去向。他的团队与水务公司以及制造商开展了密切合作。

  这项研究的步骤主要分为了四步:

  分析现有PWR的运行特点和能耗需求;

  鉴定污水的能量潜能理论值并找出能源回收的机会;

  为与能源回收相结合的PWR计划定义设计要求;

  制定更节能的PWR方案战略。

  现有的再生水回用于饮用的工艺

  再生水回用于饮用(PWR)处理系统的具体构造各异,这是由于不同处理选项和地区的处理标准造成的。总的来说,在过去20年里随着更加严格的水质标准的出台,PWR工艺单元的改进成渐进式的发展趋势。

  目前的解决方案大致可分为膜法和非膜法两种,下图总结了不同的饮用水回用方案。

  膜法的优势明显,目前超过一半的PWR回用案例都是基于膜法的(RO反渗透),在美国加州地区RO膜法的使用比例更是超过80%。在沿海地区,例如澳洲和美国加州,还会与高级氧化工艺AOPs结合,例如UV-H2O2等,美国加州橙县水管区(OCWD)的再生水地下水回灌系統(GWRS)就采用了此工艺。而内陆地区的PWR项目则一般考虑低压膜过滤(如超滤)、碳吸附(颗粒活性炭GAC)、化学氧化(臭氧)和自然处理系统(土壤含水层、河床过滤和湿地处理等)。在下面的比较中,研究团队也采用了GWRS系统作为参照标准,其单位处理能耗为1.18 kWh/m³。除了能耗,研究团队也对不同系统的温室气体排放进行核算,主要是对厌氧消化和后续脱氮工艺中产生的N2O的排放情况作量化估算。

  加州橙县地下水回灌(GWRS)系统工艺流程简图和能耗概况

  另外,研究团队也专门前往德国Garching的污水厂采集数据,分析污水进水的潜在化学能,并得出下图的2.52kWh/m³的平均值。

  潜在高能效平台

  此处研究团队提到了主流厌氧处理、部分亚硝化/厌氧氨氧化和CANDO等新兴低能耗或者能回收能量的污水处理工艺。读者们可能对前两种工艺比较熟悉,至于CANDO工艺,它是耦合好氧-缺氧氮分解工艺(coupled aerobic-anoxic nitrous decomposition operation)的英文简称,我们在之前的微信推送《美国斯坦福大学研发全新脱氮工艺:CANDO》中曾做过介绍。

  饮用水回用的替代方案

  在制定最终的替代方案之前,Drewes教授的团队还对新方案的设计要求进行定义,考察因素包括水质特点、排放标准、运行表现等方面等。在以上前期研究的基础上,他们最终提出了三种替代方案(见下图),包括:

  基于甲烷回收的碳处理

  基于CANDO工艺的氮处理工艺

  基于部分亚硝化/厌氧氨氧化(PN/A)的氮处理工艺

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