A2/O+MBR工艺运行效果与碳排放特征研究

呼永锋,梁 梅,张永祥*,王 坤

A2/O+MBR工艺运行效果与碳排放特征研究

呼永锋1,梁 梅2,张永祥1*,王 坤3*

(1.北京工业大学城市建设学部,北京 100124；2.中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038；3.中国环境科学研究院,北京 1 00012)

对北京市通州区H再生水厂采用的A2/O+MBR工艺运行效果与不同环节碳排放特征进行研究.结果表明:2018年该再生水厂对BOD5,CODcr,NH4+-N,TN和TP的平均去除率分别为97.3%,94.1%,98.6%,77.0%,96.2%;全厂碳排放总量和吨水碳排放量呈春夏季节逐渐降低,秋冬季节缓慢升高的特征,全厂综合吨水碳排放量约为2.26kgCO2e/t.碳排放总量中能耗碳排放量占主要地位,CH4,N2O和物耗碳排放量占比较小;统计分析显示CH4,能耗和物耗吨水碳排放量与BOD5,TN进水浓度及BOD5去除率显著相关;N2O吨水碳排放量与TN与BOD5进水浓度显著相关;直接,间接吨水碳排放量与水量无显著相关性.

污水处理；A2/O+MBR工艺；运行效果；碳排放

城镇污水处理过程中,污水提升和有机物质降解会消耗电能,间接产生碳排放,同时污水中的有机物质通过生化反应产生 CO2,CH4和N2O等温室气体[1].城市污水处理系统碳排放量受多种因素制约,其中处理规模,处理工艺,进出水水质,工况条件等不同均会影响水处理系统中各环节的碳排放当量(下文简称”碳排放量”)[1].对于污水处理行业的温室气体排放的估算,一般基于联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)在 2010 年发布的《2006国家温室气体清单指南》(下文简称”指南”)中提供的计算方法[2].能源消耗是影响城市污水处理系统碳排放的重要因素[3],污水生化处理环节产生的CH4和N2O是重要的直接温室气体排放源[4-5],国内外学者从不同角度探讨了城市污水处理系统的碳排放问题,主要采用IPCC”指南”中[2]推荐的碳排放估算法[6-7]或碳足迹评价方法来核算污水处理过程中的直接和间接碳排放量[8],以及污水系统碳排放的影响因素及碳减排对策领域[9-10].

国内外学者针对不同工艺,不同规模污水处理系统碳排放量进行核算,大规模污水处理系统的吨水碳排放量约为1.0kgCO2e/t(含污泥处置碳排放量),规模越小吨水碳排放量越高,规模与吨水能耗成负指数相关关系[8].2010年Bani等[11]核算加拿大某污水处理厂的吨水碳排放量约为0.39kgCO2e/t,核算范围限于直接碳排放量,处理工艺采用厌氧+沉淀+缺氧+好氧+沉淀,出水BOD5<35mg/L.2012年谢淘等[12]核算中国北方某污水处理厂的吨水碳排放量约为0.95kgCO2e/t,出水标准执行国标(GB18918- 2002)一级,考虑剩余污处理泥碳排放量,处理工艺采用A2/O+沉淀池+接触池.2015年宋宝木等[1]核算深圳市某A2/O工艺的污水处理厂的吨水碳排放量为0.29～0.43kgCO2e/t,出水标准执行国标(GB18918- 2002)一级,未考虑剩余污泥处理碳排放量,处理工艺采用A2/O+沉淀池.2016年Singh等[8]对英国和印度的50座污水处理厂的碳排放量进行核算,发现小规模污水处理系统吨水碳排放量约为3.04kgCO2e/t,大规模水厂约为0.78kgCO2e/t,小规模水厂使用柴油等进行剩余污泥热干化,大规模水厂剩余污泥采用日光自然干化,处理工艺小规模水厂采用物理化学+生物过滤,大规模水厂采用厌氧+好氧+砂滤+活性炭,出水BOD5<30mg/L.2020年余娇等[13]核算郑州市某污水处理厂吨水碳排放量约为1.06kgCO2e/t,出水标准执行国标(GB18918-2002)一级,考虑剩余污泥处理碳排放量,处理工艺采用生物池+沉淀池+混凝沉淀+V型滤池.

随着A2/O+MBR工艺日渐成熟,该工艺已成为城镇再生水厂典型应用工艺,A2/O+MBR工艺采用传统A2/O工艺以深度脱氮,除磷,降解CODcr,BOD5为主要目标[14-15],MBR工艺进一步完成降解CODcr,硝化作用,泥水分离等功能[16-17].目前A2/O+MBR工艺的研究集中在膜组器水力性能优化[18],各种不同特征废水处理[19],强化出水水质降低膜污染[20]等方面,对A2/O+MBR工艺碳排放特征的报道较少.本文采用IPCC”指南”推荐方法,对A2/O+MBR工艺运行效果与全过程碳排放特征进行研究,分析其碳排放特点以及与主要影响因素之间的相关性,对推动A2/O+MBR工艺能耗降低,低碳运行以及适用条件选择具有重要意义.

1 材料与方法

1.1 污水厂概况和数据来源

北京市通州区H再生水厂采用A2/O+MBR工艺,工艺流程与碳排放节点见图1.该厂于2013年11月竣工通水,设计处理能力4.0万t/d,出水水质执行北京市地方标准《水污染物综合排放标准》(DB11/307－2013)的一级限值B标准[21].2018年再生水通过罐车外运方式用于道路浇洒,景观回用等,厌氧池和缺氧池通过设置封闭混凝土池顶对散发臭气集中收集至生物除臭装置进行处理,剩余污泥通过压滤机压滤含水率达80%后运至污泥处置厂进行好氧发酵处理.

采用2018年该厂相关基础数据,包括全年逐日污水处理量,进出水浓度(CODcr,BOD5,TN,NH4+-N, TP),耗电量(含水处理生产,除臭与工作人员生活耗电量),药剂消耗量(聚合氯化铝(PAC),复合铁盐,聚丙烯酰胺(PAM),柠檬酸和次氯酸钠(离线洗膜时使用)等).A2/O+MBR工艺在北京市密云区,通州区及其他分散式污水处理设施中均有应用,该再生水厂属于典型A2/O+MBR工艺,具有区域应用的代表性.

图1 A2/O+MBR工艺中主要碳排放节点示意

1.3 研究方法

通过核算A2/O+MBR工艺处理能效与直接碳排放量(CH4和N2O碳排放量)和间接碳排放量(能耗和物耗碳排放量),最后采用SPSS软件分析影响A2/O+MBR工艺碳排放主要因素.

1.3.1 分析方法 污水指标测试采用国家标准方法.CODcr采用重铬酸钾法测定;BOD5采用溶解氧差值法测定;TP采用钼锑抗分光光度法测定;TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定;NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定;SS采用重量法测定.具体指标测试过程详见文献[22].

1.3.2 碳排放量计算理论 城市污水处理系统碳排放可划分为直接碳排放和间接碳排放两部分[1].直接碳排放包括CH4和N2O碳排放(在IPCC 推荐”指南”中[2],由生物成因产生的CO2未被纳入碳排放量清单[13]),CH4碳排放与污水处理系统中厌氧和好氧过程中有机物降解有关,即BOD5达到出水水质要求;N2O碳排放主要与污水处理的脱氮过程相关,即将污水中TN浓度降低到排放标准.间接碳排放包括能耗和物耗碳排放,其中能耗碳排放是指电力能源消耗造成的碳排放,主要包括污水处理过程中污水提升配送,预处理单元曝气,排砂,生化处理单元的混合液回流,曝气,药剂配送,深度处理单元提升,污泥处理压滤等机械设备电力能耗;物耗碳排放与污水处理过程中消毒剂,絮凝剂等药物的消耗有关,主要发生在输送配药单元和污泥处理单元[12].

1.3.3 直接碳排放量核算方法 直接碳排放量核算[2]包括污水生物处理过程产生的CH4和N2O碳排放量. CH4碳排放量计算公式如下:

式中:CH4表示再生水厂CH4碳排放量,kgCO2e;表示再生水厂进水量,t/d;BOD0,BODe分别表示再生水厂的进,出水的BOD5浓度,mg/L;EFCH4表示CH4排放因子,根据”指南”推荐缺省值和中国污水处理厂实际情况,本文CH4排放因子取值为0.086(kgCH4/ kgBOD);CH4的GWP为25.0[13].由污水处理产生的各类型气体的温室效应有差异,为便于计算和对比,可依据IPCC《第四次评估报告》(气候变化2007)规定的全球变暖潜势值(GWP)将其温室效应换算为统一的计量单位,换算得到CO2,CH4和N2O的潜势值分别为1.00,25.0和298.0,计算结果用GWP表示,单位为碳排放量,CO2e[13]. N2O碳排放量的计算公式如下:

式中:N2O表示再生水厂的N2O碳排放量,kgCO2e;表示再生水厂进水量,t/d;TN0,TNe分别表示再生水厂的进,出水TN浓度,mg/L;EFN2O表示N2O排放因子,根据”指南”推荐缺省值和中国污水处理厂实际情况,N2O排放因子取值为0.035,kgN2O/kg TN.

1.3.4 间接碳排放量核算 间接碳排放量核算[2]包括污水处理系统能耗和物耗碳排放量,其中能耗碳排放量来源于污水处理系统运行过程中提升泵单元,曝气设备,输送配药单元,污泥处理单元和其他处理环节机械设备的电力能源[1],需指出MBR工艺中膜丝强曝气,大比例回流均需要消耗电力能源.能耗碳排放量的计算公式如下:

式中:CO2.E表示再生水厂的能耗碳排放量,kgCO2e; EFCO2.表示电力消耗的CO2排放因子,kgCO2e/ (kW×h),北京市属于华北地区,根据《2015中国区域电网基准线排放因子》华北地区电网EFCO2.排放因子取值为1.04,kgCO2e/(kW×h);为再生水厂运行阶段的耗电量,kW×h.

物耗碳排放主要包括缺氧池中投加碳源,出水中投加消毒剂,离线洗膜及在线洗膜投加药剂(氯酸钠,柠檬酸),污泥调理药剂(PAM),除磷药剂(PAC或复合铁盐)等.物耗碳排放量计算公式如下:

式中:CO2.表示再生水厂的物耗碳排放量,kgCO2e; EFCO2.表示类药剂消耗的CO2排放因子,根据目前已有的研究结果,絮凝剂包括(PAM和PAC),EFCO2.排放因子取值为2.50,kg-CO2e/kg;消毒剂(包括盐酸,氯酸钠,柠檬酸等)取值为1.40,kgCO2e/kg[1,13].Y表示类药剂的消耗量,kg.

1.3.5 A2/O+MBR工艺碳排放量影响因素相关性分析 污水处理系统碳排放量受处理工艺,处理量,处理率,进出水水质和浓度等多种因素影响[1,11],利用SPSS软件分析A2/O+MBR工艺碳排放影响因素,将直接和间接碳排放量与BOD5,TN,TP进水浓度及去除率和处理水量数据导入SPSS软件,进行皮尔逊相关性分析.

2 结果与讨论

2.1 污水处理效率

H再生水厂设计规模4.0万t/d,由于膜通量衰减2018年9月前每日处理水量约3.0～3.5万t/d,9月份增加16组膜,每组40片膜(25m2/片),每天产水量提高至3.5～4.0万t/d,增加膜片后产水量明显提升.

2018年H再生水厂BOD5与CODcr进出水浓度及去除率见图2.

图2 2018年H再生水厂BOD5与CODcr的月平均进水浓度,出水浓度和去除率

2018年H再生水厂全年BOD5平均进水浓度129.88mg/L,出水平均浓度3.70mg/L,平均去除率97.3%,BOD5进水和出水浓度最大和最小值均在1月和8月,进水最大和最小值分别为160.52mg/L和88.42mg/L,出水最大和最小值分别为4.05mg/L和3.00mg/L.

2018年H再生水厂全年CODcr平均进水浓度264.60mg/L,出水平均浓度15.00mg/L,平均去除率94.1%,CODcr进水浓度最大和最小值均在3月和8月,进水最大和最小值分别为327.80mg/L和194.50mg/L,出水最大和最小值分别为17.60mg/L和11.80mg/L.

2018年H再生水厂NH4+-N,TN进出水浓度及去除率见图3.

2018年H再生水厂全年NH4+-N进水平均47.76mg/L,出水平均0.67mg/L,平均去除率98.6%. NH4+-N进水浓度最大和最小值在2月份和7月份,出水最大和最小值在1月份和7月份,进水最大和最小值分别为56.68mg/L和37.65mg/L,出水最大和最小值分别为1.70mg/L和0.22mg/L.

图3 2018年H再生水厂NH4+-N与TN的月平均进水浓度,出水浓度和去除率

2018年H再生水厂全年TN进水平均51.89mg/ L,出水平均11.69mg/L,平均去除率77.0%.TN进水浓度最大和最小值在2月份和7月份,出水最大和最小值在6月份和10月份,进水最大和最小值分别为59.90mg/L和43.26mg/L,出水最大和最小值分别为13.92mg/L和10.30mg/L.

2018年H再生水厂TP进出水浓度及去除率见图4.

图4 2018年H再生水厂TP的月平均进水浓度,出水浓度和去除率

2018年H再生水厂全年TP平均进水浓度6.27mg/L,出水平均浓度0.23mg/L,平均去除率96.2%.TP进水浓度最大和最小值在11月份和4月份,出水最大和最小值在6月份和12月份,进水最大和最小值分别为6.83mg/L和5.79mg/L,出水最大和最小值分别为0.29mg/L和0.14mg/L.

BOD5,CODcr,NH4+-N与TN进水浓度呈现出相同的变化规律,春夏季节逐渐降低,秋冬季节缓慢升高.TP进出水浓度稳定,进水浓度最大与最小差值1.04mg/L,出水浓度最大最小差值0.15mg/L.水厂主要出水指标浓度保持稳定达标,显示出A2/O+MBR工艺良好的处理效率.

2.2 A2/O+MBR工艺碳排放特征

2.2.1 A2/O+MBR工艺碳排放总量特征 2018年该厂全年碳排放总量为28374.62tCO2e,月均碳排放量为2364.55tCO2e,月碳排放量最小(2011.40tCO2e)和最大值(2988.46tCO2e)分别在8月和12月(图5).全年CH4,N2O,能耗和物耗碳排放量分别为3403.38tCO2e,5269.75tCO2e,19394.83tCO2e,306.67tCO2e(图7),CH4,N2O,能耗,物耗碳排放量依次占碳排放总量的11.99%,18.57%,68.35%,1.08%(图6),碳排放总量中能耗碳排放量占主要地位,N2O碳排放量次之,CH4碳排放量和物耗碳排放量占比较小.

图5 2018年H再生水厂碳排放总量月分布特征

该厂吨水碳排放量2.26kgCO2e/t,其中CH4排放,N2O排放,能耗,物耗平均吨水碳排放量分别为0.27kgCO2e/t,0.42kgCO2e/t,1.54kgCO2e/t,0.024kgCO2e/t(图7).水处理过程中能源消耗和药剂消耗产生的间接碳排放量与直接碳排放量比较,换算为统一的单位”碳排放量(CO2e)”作比较时,CH4和N2O的全球变暖潜势值(GWP)分别是CO2的25.0和298.0倍,这导致水处理过程中通常直接碳排放量在碳排放总量占主导地位[13].A2/O+MBR工艺去除TP的除定时排泥(本工程每天排泥约40.0t(含水率£80%)还需根据进水浓度适时投加除磷药剂(PAC或复合铁盐,占主要药剂消耗量,每月约150.0～250.0t),药剂全球变暖潜势值(GWP)均低于CH4和N2O的全球变暖潜势值(GWP),导致物耗碳排放量比例构成时占比较小.

图6 四类碳排放来源占H再生水厂2018年全年碳排放总量的比例

Fig.6 Proportion of four carbon emission sources in total carb on emission of the H reclaimed water plant in 2018

吨水碳排放量和碳排放总量呈春夏两季逐渐降低,秋冬季节缓慢升高的特征,可能与夏秋季节进水浓度降低水(图2和图3)以及春夏季节气温升高生活用电春夏降低有关,也可能与该厂9月份处理水量扩容规模效益相关.

2.2.2 A2/O+MBR工艺直接碳排放量特征 全年最高月CH4和N2O碳排放量分别发生在3月(338.52tCO2e)和12月(503.13tCO2e),最低均发生在8月(182.58tCO2e和333.87tCO2e),平均月CH4和N2O碳排放量为283.61tCO2e和439.14tCO2e(图8).

图8 2018年H再生水厂直接碳排放量月分布特征

2.2.3 A2/O+MBR间接碳排放量特征 能耗碳排放量与碳排放总量呈相同趋势,全年最高月均能耗和物耗碳排放量分别发生在3月(2128.15tCO2e)和7月(31.62tCO2e),最低月均能耗和物耗碳排放量发生在6月(1422.62tCO2e)和2月(14.81tCO2e),平均月能耗和物耗碳排放量分别为1616.23tCO2e和25.55tCO2e(图9).

2.3 相关性分析

利用SPSS软件分析碳排放量主要影响因素,将直接和间接碳排放量与BOD5,TN与TP进水浓度,处理率和处理水量数据导入SPSS软件,进行皮尔逊相关性分析.

相关性分析显示:直接和间接吨水碳排放量与水量无显著相关性,与主要水质指标则有较强的相关性,其中CH4,能耗和物耗吨水碳排放量与BOD5,TN进水浓度及BOD5去除率显著相关;N2O吨水碳排放量与TN与BOD5进水浓度显著相关.

表1 月进水浓度,处理率,处理水量与碳排放量的相关性

注:*,**在0.05和0.01级别(双尾),相关性显著.

该厂2018年处于满负荷运行状态,水量波动较小会导致水量与碳排放的相关性较差,另一方面与A2/O+MBR工艺特征有关.传统A2/O+沉淀池工艺在出水过程中依靠重力泥水分离后自然出水,沉淀池不需要曝气,A2/O+沉淀池工艺污泥回流比约为100%[15],消化液回流比约为250%[15],混合液回流比小于A2/O+MBR工艺,A2/O+沉淀池工艺运行碳排放量约为1.0kgCO2e/t(含剩余污泥处置)且直接碳排放占主要部分[12-13].本研究得出A2/O+MBR工艺吨水碳排放量约为2.26kgCO2e/t(含剩余污泥处置),高于A2/O+沉淀池工艺碳排放量且能耗碳排放占主要部分,主要是由于A2/O+MBR工艺混合液回流比较大及膜丝需要强曝气(工程中回流比约为500%,气水比约为1:15,以防止污泥在膜表面沉积[16])及负压抽吸出水均需要消耗大量电力能源,从能耗吨水碳排放量与水量相关性系数(0.007)较低且弱于CH4,N2O与物耗碳排放量与水量相关性系数(-0.282,-0.382,-0.235)也能看出生产过程中能耗相对稳定,不因水量波动显著变化.

A2/O+MBR工艺具有出水水质稳定,容积负荷高,占地面积小,剩余污泥量少,运行管理方便等优点[16],但其碳排放量相对较高,仍需对膜生物反应器进行节约能耗,降低碳排放以及适用条件等进一步研究.北京市地方标准《水污染物排综合放标准》(DB11/307－2013)一级限值B标准[21]与全国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准[23]更加严格,相同的处理水量若污水处理系统进出水水质指标存在较大差别也会造成碳排放量不同[12],本次研究未讨论A2/O+MBR工艺不同处理规模时碳排放量.

3 结论

3.1 2018年该再生水厂对BOD5,CODcr,NH4+-N, TN和TP的平均去除率分别为97.3%,94.1%,98.6%, 77.0%,96.2%,平均出水BOD5,CODcr,NH4+-N,TN和TP浓度分别为3.70,15.00,0.67,11.67,0.23mg/L,显示出A2/O+MBR工艺良好的处理效率.

3.2 该再生水厂2018年碳排放总量28374.60tCO2e,碳排放总量呈春夏季节逐渐降低,秋冬季节缓慢升高的特征,碳排放总量中能耗碳排放量占主要地位, CH4,N2O,能耗,物耗碳排放量依次占碳排放总量的11.99%,18.57%,68.35%,1.08%,碳排放量占比符合A2/O+MBR的工艺特点.

3.3 该厂吨水碳排放量约2.26kgCO2e/t,吨水碳排放量与碳排放总量成相同变化特征.相关性分析显示,CH4,能耗和物耗吨水碳排放量与BOD5,TN进水浓度及BOD5去除率显著相关;N2O吨水碳排放量与TN与BOD5进水浓度显著相关;直接,间接吨水碳排放量与水量无显著相关性.

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Study on operation efficiency and carbon emission characteristics of A2/O + MBR process.

HU Yong-feng1, LIANG Mei2, ZHANG Yong-xiang1*, WANG Kun3*

(1.Faculty of Urban Construction, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.China ENFI Engineering Co., Ltd., Beijing 100038, China；3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)., 2021,41(9)：4439～4446

The operation effect and carbon emission characteristics of the A2/O+MBR process in the H reclaimed water plant of Tongzhou District, Beijing, were studied in this paper. The results showed that the average removal rates of BOD5, CODcr, NH4+-N, TN and TP were 97.3%, 94.1%, 98.6%, 77.0% and 96.2% respectively. The total carbon emission and carbon emission per ton of water of the H reclaimed water plant decreased gradually in spring and summer and increased slowly in autumn and winter, the total carbon emission per ton of water was about 2.26kgCO2e/t. In the total carbon emissions, energy consumption carbon emissions accounted for the leading position, while CH4, N2O carbon emissions, and drug consumption carbon emissions accounted for a relatively small proportion. The statistical analysis results showed that the carbon emissions of CH4ton water, energy consumption ton water, and material consumption ton water were significantly correlated with BOD5, TN influent concentration, and BOD5removal rate. The carbon emission of N2O per ton of water was significantly correlated with the influent concentrations of TN and BOD5. There is no significant correlation between direct and indirect carbon emissions per ton of water and water quantity.

wastewater treatment；A2/O+MBR process；operation effect；carbon emissions

X703

A

1000-6923(2021)09-4439-08

呼永锋(1984-),男,陕西榆林人,北京工业大学博士研究生,研究方向为城镇水务工程设计与管理.发表论文6篇.

2021-02-14

京津冀水资源安全保障技术研发集成与示范应用(2016YFC0401404)

* 责任作者, 张永祥, 教授, yxzhang@bjut.edu.cn; * 王 坤, 高级工程师, 252228354@qq.com